【正文】 將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌肉的技術特性的一種理想工作狀態(tài)：當加壓時，氣動肌肉在預拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動態(tài)性能，并且耗氣量最小。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析10在這種情況下，可用的力也最大。如果要求氣動肌肉在擴張狀態(tài)時無作用力（如允許附加上負載） ，首先就要加上用于提升負載目的的保持力，利用它的運動來移動作用力小的元件。 (a) (b)圖 24 不同外力作用下氣動肌肉表現(xiàn)形式當外力發(fā)生變化時（如圖 24b） ，氣動肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預拉伸力和彈簧剛度都是變化的。氣動肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。這些氣動肌肉會產(chǎn)生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應用 [26]。在機械設計手的設計過程中，為了簡化設計的模型，使設計過程簡單明了，采用如圖 25 的二維簡化模型。在三維模擬仿真階段，由于氣動肌肉所做的是拉圖 25 二維簡化模型浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )11圖 26 三維簡化模型伸運動，為了實現(xiàn)肌肉的這種運動形式，把氣動肌肉中部的隔膜軟管的圓柱體改為長方體,并且為了定義滑動桿運動形式的方便，把每一根氣動肌肉看做是由左右兩根等長的半根氣動肌肉組成（如圖 26） 。 氣動機械手的基本結構本課題所設計的氣動機械手的結構如圖 27 所示。1. 機架 2. 氣動肌肉 3. 第一肩關節(jié) 4. 第二肩關節(jié) 5. 機架臂6. 第三肩關節(jié) 7. 大臂 8. 肘關節(jié) 9. 小臂 10. 腕關節(jié) 11. 氣爪氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析12圖 27 氣動機械手的結構氣動機械手主要由起固定支撐作用的機架、機械臂和氣爪三部分組成。氣動機械手能夠實現(xiàn) 4 個自由度（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的原動件數(shù)目，此機構有 4 個原動件，因此可得有 4 個自由度）的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現(xiàn)各自關節(jié)的轉動，使物品在空間上運動，根據(jù)合理的控制，最終實現(xiàn)機械手的動作要求。驅動第一肩關節(jié)的運動有 2 根氣動肌肉組成，機架臂有 4 根氣動肌肉組成，大臂上安裝有 4 根氣動肌肉，小臂上安裝有 4 根氣動肌肉。 氣動機械手關節(jié)結構設計 關節(jié)的基本方式在氣動機械手設計中，有 4 個自由度，相當于 4 個獨立的關節(jié)。每個關節(jié)的驅動原理都是相同的，即由一對相當于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅動關節(jié)。其原理如圖 28 所示。這種方式驅動的關節(jié)，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關，而其位置則和 2 個肌肉的壓力差有關，因此可以實現(xiàn)關節(jié)位置和剛度的獨立控制 [27]。圖 28 關節(jié)的基本驅動方式 肩關節(jié)結構設計1) 第一肩關節(jié)的設計第一肩關節(jié)主要是由 2 根氣動肌肉作為驅動，實現(xiàn)繞 Z 軸（X 、Y、Z 軸的方向標在圖 27 中，下同）轉動這 1 個自由度，其結構簡圖如圖 29(a)所示。三維建模的第一肩關節(jié)結構如圖 29(b)所示。浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )13 圖 29(a) 第一肩關節(jié)結構簡圖 圖 29(b) 第一肩關節(jié)三維結構圖2) 第 二 肩 關 節(jié) 的 設 計第 二 肩 關 節(jié) 和 其 下 的 4 根 機 架 臂 相 連 接 ， 為 的 是 實 現(xiàn) 繞 X 軸 旋 轉 這 1 個自 由 度 ， 其 結 構 簡 圖 如 圖 210a 所 示 。 三 維 建 模 的 第 二 肩 關 節(jié) 結 構 如 圖 210b 所 示 。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析14 圖 210(a)第 二 肩 關 節(jié) 圖 210(b)第 二 肩 關 節(jié) 結 構 簡 圖 三 維 結 構 圖3) 第 三 肩 關 節(jié) 的 設 計第三肩關節(jié)是連接第二肩關節(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，在機架臂的帶動下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞 X 軸的轉動，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節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結構圖如圖 211 所示。浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )15圖 211 第三肩關節(jié)三維結構圖 肘關節(jié)結構設計1) 虎 克 鉸 簡 介氣動機械手的設計難點主要在于肘關節(jié)和腕關節(jié)的實現(xiàn)。最靈活的關節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復雜，控制難度比較大。在許多氣動機械手的研究中，采用的驅動器都是電機，為實現(xiàn)肩關節(jié)的3個自由度，結構往往比較復雜 [28,29]。作為2個自由度的機構，虎克鉸的結構比較簡單，且2個自由度之間的運動可以獨立進行控制。由于驅動方式的限制，虎克鉸的應用在機器人中不是很常見。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機構進行控制，實現(xiàn)兩個自由度的運動。在本設計中，采用如圖212所示的虎克鉸形式來實現(xiàn)肘關節(jié)的2個自由度 [27]。圖212 虎克鉸的基本結構氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析162) 肘 關 節(jié) 的 結 構 設 計肘關節(jié)主要是由一個虎克鉸的結構構成。由于虎克鉸能夠實現(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構，其三維結構如圖213所示。圖213 氣動肌肉連接件肘關節(jié)是連接大臂與小臂的重要關節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結構，其三維結構圖如圖214所示。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別圖2 14 肘關節(jié)三維結構圖由X、Y軸方向來確定，肘關節(jié)X軸方向上的結構簡圖如圖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軸方向上的結構簡圖如圖215b所示。當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。如浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )17圖214 （左圖）所示，當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軸的轉動。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉動。 (a) X軸方向 (b) Y軸方向圖2 15 肘關節(jié)X、Y軸方向的結構簡圖 腕關節(jié)結構設計腕關節(jié)大體上與肘關節(jié)的結構相似，主要有一個虎克鉸的結構構成。同樣能夠實現(xiàn)2個自由度，與肘關節(jié)不同的是繞著X軸、 Z軸的旋轉。腕關節(jié)和小臂的連接件和肘關節(jié)的連接件一樣（如圖213），是兩個方向單一的鉸鏈點。腕關節(jié)通過前部支撐桿和肘關節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結構如圖216所示。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析18 圖2 16 腕關節(jié)三維結構圖腕關節(jié)設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軸方向上的結構簡圖如圖217(a)所示，Z軸如圖217(b) 所示。(a) X軸方向(b) Z軸方向圖2 17 腕關節(jié)X、Z軸方向的結構簡圖浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )19第 3 章 氣動機械手關節(jié)結構參數(shù)設計 參數(shù)設計優(yōu)點一個產(chǎn)品的問世主要包括提出想法，初步確定方案，探討方案進行可行性分析，最終確定方案，研制，以及最終成型。在設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)化設計各個結構零件，可以獲得最滿意的結果[30]。結合本次所設計的氣動機械手，參數(shù)化設計零件的優(yōu)點是在相同的結構下，使每一個關節(jié)獲得最大的運動范圍，即繞各自的轉動軸獲得最大的轉動角。 肩關節(jié)結構參數(shù)設計 第一肩關節(jié)結構參數(shù)設計第一肩關節(jié)的結構簡圖如圖 31 所示。圖 31 第一肩關節(jié)的結構簡圖氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析20假定 CBOEC1 是第一肩關節(jié)開始的運動位置，BDD1E 可繞 O 點旋轉，逆時針旋轉的極限位置是 B1OE1，這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當 CB1O 在同一直線上，連接 BO，B 1O，EO，E1O，C1O。作 O 點到 CD 的垂線交 CD 的延長線于F 點。設 OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E 1O=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)結構可得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構（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（275 25）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 為逆時針旋轉時的最大角度，可知 BOB1= ， EOE1= ，由于???BOC EOC，所以 EOC1= BOC= 。???= BOC= FBO FCO=arctan arctan?OFB?C=arctan arctan (31)dab?dabL?由公式（31 ）可知：tan = = =?1dabL???2())dLab())abd? (32)?2())?由于 tan 在 是單調增函數(shù)，b，L 為已知，所以當 a 取得最小值?(0,)??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浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )21由公式(2)可知， tan =??275(13))? 當 = 代入公式(11) 可知 d 無解。?計算 BOE 旋轉到 B1OE1 的極限位置，其中氣動肌肉 CB1 250mm，C1E 1?300mm。?CB1=CO B1O=CO R=?22OFCBF???= 250mm (33)22()()dabLdab??由公式(33)可得 mm (34)??已知 C1OE1=2?? (35)222 21EOCEOcos30??????其中 C1O=CO= = F2()dabL? E1O=R= =2B = arctan arctan?dab??ab?代入公式(35)可得 mm (36)??根據(jù)氣動肌肉的結構，在安裝時，2d 24mm， ?即 d 12mm (37)?有(34)、(36)、(37)式得 ?由公式(32)知 tan = ，由于 dL， ?2())Lab?2d，所以取最大的 d 時，可以得到最大的 tan ，也就是最大的())abL? ?,在這里取 d=36mm。?（5）確定由公式(32)得 tan = =?2())dLab? 23675(15))36??? =氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析22得 =。?所以第一肩關節(jié)繞 Z 軸的理論最大運動范圍為( ，)。? 第二肩關節(jié)結構參數(shù)設計第 二 肩 關 節(jié) 的 結 構 簡 圖 如 圖 32 所 示 。假 定 CAOEC1 是第二肩關節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點 A，E 可繞 O 點旋轉，逆時針的極限位置是 A1OE1，即當 CA1O 在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E 1O。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 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構（如圖 25）的 長 度 ，兩 個 鉸 鏈 點 的 長 度 L=207+67=274mm， L 的 范 圍 是（ 274 23） mm。?（2）確定 b設 為逆時針旋轉時的最大角度，可知 AOA1=??, EOE1= ，由于 AOC EOC1，所以 EOC1=???AOC= 。= AOC= FAO FCO=arctan?OFA?arctan =arctan arctan (38)OFCabL?有公式（38 ）可知：tan = = =?1abL???2()ab()bLa? (39)?(