【文章內(nèi)容簡介】 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖29(b)所示。 圖29(a) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 圖29(b) 第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2) 第二肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機(jī)架臂相連接，為的是實現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)這1個自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖210a所示。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖210b所示。 圖210(a)第二肩關(guān)節(jié) 圖210(b)第二肩關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡圖 三維結(jié)構(gòu)圖3) 第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第三肩關(guān)節(jié)是連接第二肩關(guān)節(jié)和大臂的紐帶。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機(jī)架臂的帶動下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞X軸的轉(zhuǎn)動，其另一功能是連接大臂的4根氣動肌肉。中部支撐桿是用來固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖211所示。圖211第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖1) 虎克鉸簡介氣動機(jī)械手的設(shè)計難點主要在于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的實現(xiàn)。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。在許多氣動機(jī)械手的研究中，采用的驅(qū)動器都是電機(jī)，為實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的3個自由度，結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜[28,29]。作為2個自由度的機(jī)構(gòu)，虎克鉸的結(jié)構(gòu)比較簡單，且2個自由度之間的運動可以獨立進(jìn)行控制。由于驅(qū)動方式的限制，虎克鉸的應(yīng)用在機(jī)器人中不是很常見。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)兩個自由度的運動。在本設(shè)計中，采用如圖212所示的虎克鉸形式來實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個自由度[27]。圖212 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu)2) 肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計肘關(guān)節(jié)主要是由一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于虎克鉸能夠?qū)崿F(xiàn)2個自由度，并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關(guān)節(jié)與大臂的氣動肌肉的連接件必須具有兩個方向單一的鉸鏈點結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖213所示。圖213 氣動肌肉連接件肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖214所示。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別圖214 肘關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖由X、Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖215a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖215b所示。當(dāng)不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。如圖214（左圖）所示，當(dāng)前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運動形式，可知后面的是一對，在運動過程中可以實現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動。 (a) X軸方向 (b) Y軸方向圖215 肘關(guān)節(jié)X、Y軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計腕關(guān)節(jié)大體上與肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，主要有一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。同樣能夠?qū)崿F(xiàn)2個自由度，與肘關(guān)節(jié)不同的是繞著X軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)。腕關(guān)節(jié)和小臂的連接件和肘關(guān)節(jié)的連接件一樣（如圖213），是兩個方向單一的鉸鏈點。腕關(guān)節(jié)通過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖216所示。 圖216 腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖腕關(guān)節(jié)設(shè)計過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖217(a)所示，Z軸如圖217(b)所示。(a) X軸方向(b) Z軸方向圖217 腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖第3章 氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 參數(shù)設(shè)計優(yōu)點一個產(chǎn)品的問世主要包括提出想法，初步確定方案，探討方案進(jìn)行可行性分析，最終確定方案，研制，以及最終成型。在設(shè)計的初級階段主要是考慮方案的可行性，確定方案后，參數(shù)化設(shè)計各個結(jié)構(gòu)零件，可以獲得最滿意的結(jié)果[30]。結(jié)合本次所設(shè)計的氣動機(jī)械手，參數(shù)化設(shè)計零件的優(yōu)點是在相同的結(jié)構(gòu)下，使每一個關(guān)節(jié)獲得最大的運動范圍，即繞各自的轉(zhuǎn)動軸獲得最大的轉(zhuǎn)動角。 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖31所示。圖31 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖假定CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，BDD1E可繞O點旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)的極限位置是B1OE1，這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當(dāng)CB1O在同一直線上，連接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O點到CD的垂線交CD的延長線于F點。設(shè)OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。（1）確定bb是肌肉連接件的鉸鏈點到肩部肌肉連接件的距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)可得b=35mm。（2）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為250mm的氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的20%，在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是225mm，在加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖25）的其他長度，兩個鉸鏈點的長度L=225+50=275mm，L的范圍是（27525）mm。（3）確定aa是如圖28b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。設(shè)為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。=BOC=FBOFCO=arctanarctan=arctanarctan (31)由公式（31）可知：tan=== (32)由于tan在是單調(diào)增函數(shù)，b，L為已知，所以當(dāng)a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于O點處裝有一根20mm的連接桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm，即半寬a=15mm。（4）確定d由公式(2)可知，tan= 當(dāng)=(11)可知d無解。計算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CB1250mm，C1E1300mm。CB1=COB1O=COR==250mm (33)由公式(33)可得mm (34)已知C1OE1=2 (35)其中C1O=CO= = E1O=R== = arctanarctan代入公式(35)可得mm (36)根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2d24mm， 即 d12mm (37)有(34)、(36)、(37)式得 mm由公式(32)知tan=，由于dL，所以取最大的d時，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取d=36mm。（5）確定由公式(32)得 tan== =得=。所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為(，)。第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖32所示。假定CAOEC1是第二肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點A，E可繞O點旋轉(zhuǎn)，逆時針的極限位置是A1OE1，即當(dāng)CA1O在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E1O。作O點到CA的垂線交CA的延長線于F點。連接AE，作O點垂直AE交AE于B點。設(shè)AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R。（1）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為230mm的氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的20%，在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，再加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖25）的長度，兩個鉸鏈點的長度L=207+67=274mm，L的范圍是（27423）mm。（2）確定b設(shè)為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知AOA1=,EOE1=，由于AOCEOC1，所以EOC1=AOC=。=AOC=FAOFCO=arctanarctan=arctanarctan (38)有公式（38）可知：tan=== (39)由于tan在是單調(diào)增函數(shù)，L為已知，所以當(dāng)b取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于由于O點處裝有一根20mm的連接桿，因此取合適的最小的b=20mm。（3）確定a由公式(39)可知，tan=得 (38)可知a無解。計算AOE旋轉(zhuǎn)到A1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CA1251mm，C1E1297mm。CA1=COA1O=COR= =251mm (310)由公式(310)可得mm (311)已知C1OE1=2 (312)其中C1O=CO= = E1O=R==