【正文】 將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動(dòng)肌肉的技術(shù)特性的一種理想工作狀態(tài)：當(dāng)加壓時(shí)，氣動(dòng)肌肉在預(yù)拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動(dòng)態(tài)性能，并且耗氣量最小。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析10在這種情況下，可用的力也最大。如果要求氣動(dòng)肌肉在擴(kuò)張狀態(tài)時(shí)無作用力（如允許附加上負(fù)載） ，首先就要加上用于提升負(fù)載目的的保持力，利用它的運(yùn)動(dòng)來移動(dòng)作用力小的元件。 (a) (b)圖 24 不同外力作用下氣動(dòng)肌肉表現(xiàn)形式當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)（如圖 24b） ，氣動(dòng)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(dòng)肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈簧剛度都是變化的。氣動(dòng)肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。這些氣動(dòng)肌肉會(huì)產(chǎn)生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應(yīng)用 [26]。在機(jī)械設(shè)計(jì)手的設(shè)計(jì)過程中，為了簡化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)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(dòng)肌肉所做的是拉圖 25 二維簡化模型浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )11圖 26 三維簡化模型伸運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)肌肉的這種運(yùn)動(dòng)形式，把氣動(dòng)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(dòng)桿運(yùn)動(dòng)形式的方便，把每一根氣動(dòng)肌肉看做是由左右兩根等長的半根氣動(dòng)肌肉組成（如圖 26） 。 氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。1. 機(jī)架 2. 氣動(dòng)肌肉 3. 第一肩關(guān)節(jié) 4. 第二肩關(guān)節(jié) 5. 機(jī)架臂6. 第三肩關(guān)節(jié) 7. 大臂 8. 肘關(guān)節(jié) 9. 小臂 10. 腕關(guān)節(jié) 11. 氣爪氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析12圖 27 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)機(jī)械手主要由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動(dòng)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn) 4 個(gè)自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有 4 個(gè)原動(dòng)件，因此可得有 4 個(gè)自由度）的運(yùn)動(dòng)，其各自的自由度的驅(qū)動(dòng)全部由氣動(dòng)肌肉來實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使物品在空間上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作要求。驅(qū)動(dòng)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有 2 根氣動(dòng)肌肉組成，機(jī)架臂有 4 根氣動(dòng)肌肉組成，大臂上安裝有 4 根氣動(dòng)肌肉，小臂上安裝有 4 根氣動(dòng)肌肉。 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)的基本方式在氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)中，有 4 個(gè)自由度，相當(dāng)于 4 個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理都是相同的，即由一對相當(dāng)于人類拮抗的氣動(dòng)肌肉相互之間的對抗作用來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。其原理如圖 28 所示。這種方式驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，其剛度和兩個(gè)肌肉的壓力之和有關(guān)，而其位置則和 2 個(gè)肌肉的壓力差有關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的獨(dú)立控制 [27]。圖 28 關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動(dòng)方式 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 第一肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)第一肩關(guān)節(jié)主要是由 2 根氣動(dòng)肌肉作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞 Z 軸（X 、Y、Z 軸的方向標(biāo)在圖 27 中，下同）轉(zhuǎn)動(dòng)這 1 個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 29(a)所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖 29(b)所示。浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )13 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(jì)第 二 肩 關(guān) 節(jié) 和 其 下 的 4 根 機(jī) 架 臂 相 連 接 ， 為 的 是 實(shí) 現(xiàn) 繞 X 軸 旋 轉(zhuǎn) 這 1 個(gè)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 。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析14 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(jì)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(dòng)下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其另一功能是連接大臂的 4 根氣動(dòng)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。浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )15圖 211 第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 虎 克 鉸 簡 介氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個(gè)自由度，但是其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。在許多氣動(dòng)機(jī)械手的研究中，采用的驅(qū)動(dòng)器都是電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜 [28,29]。作為2個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)，虎克鉸的結(jié)構(gòu)比較簡單，且2個(gè)自由度之間的運(yùn)動(dòng)可以獨(dú)立進(jìn)行控制。由于驅(qū)動(dòng)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(dòng)肌肉，可以方便地對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，采用如圖212所示的虎克鉸形式來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度 [27]。圖212 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu)氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析162) 肘 關(guān) 節(jié) 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)肘關(guān)節(jié)主要是由一個(gè)虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于虎克鉸能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)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(dòng)肌肉的連接件必須具有兩個(gè)方向單一的鉸鏈點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖213所示。圖213 氣動(dòng)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(gè)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2 14 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(dòng)肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動(dòng)，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個(gè)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(dòng)肌肉組成一對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。如浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )17圖214 （左圖）所示，當(dāng)前面的兩根氣動(dòng)肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運(yùn)動(dòng)形式，可知后面的是一對，在運(yùn)動(dòng)過程中可以實(shí)現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣的左、右各為一對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 (a) X軸方向 (b) Y軸方向圖2 15 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(jì)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(gè)虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。同樣能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)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(gè)方向單一的鉸鏈點(diǎn)。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(gè)氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖216所示。氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析18 圖2 16 腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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2 17 腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )19第 3 章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)一個(gè)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(jì)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(jì)各個(gè)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(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手，參數(shù)化設(shè)計(jì)零件的優(yōu)點(diǎn)是在相同的結(jié)構(gòu)下，使每一個(gè)關(guān)節(jié)獲得最大的運(yùn)動(dòng)范圍，即繞各自的轉(zhuǎn)動(dòng)軸獲得最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角。 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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)簡圖氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析20假定 CBOEC1 是第一肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，BDD1E 可繞 O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是 B1OE1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng) CB1O 在同一直線上，連接 BO，B 1O，EO，E1O，C1O。作 O 點(diǎn)到 CD 的垂線交 CD 的延長線于F 點(diǎn)。設(shè) 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(diǎn)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(dòng)肌肉的型號，選定沒有充氣時(shí)長度為 250mm 的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長度的 20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是 225mm，在加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖 25）的其他長度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)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(shè) 為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)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(diào)增函數(shù)，b，L 為已知，所以當(dāng) a 取得最小值?(0,)??時(shí)，tan 取得最大值，即 取得最大值。由于 O 點(diǎn)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(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )21由公式(2)可知， tan =??275(13))? 當(dāng) = 代入公式(11) 可知 d 無解。?計(jì)算 BOE 旋轉(zhuǎn)到 B1OE1 的極限位置，其中氣動(dòng)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(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析22得 =。?所以第一肩關(guān)節(jié)繞 Z 軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為( ，)。? 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)位置，鉸鏈點(diǎn) A，E 可繞 O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針的極限位置是 A1OE1，即當(dāng) CA1O 在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E 1O。作 O 點(diǎn)到 CA 的垂線交 CA 的延長線于 F 點(diǎn)。連接AE，作 O 點(diǎn)垂直 AE 交 AE 于 B 點(diǎn)。設(shè) AB= a，OB= b，AC=L ,AO=A1O=EO=E1O=R。（1）確定 L根據(jù)氣動(dòng)肌肉的型號，選定沒有充氣時(shí)長度為230mm 的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長度的 20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，再加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖 25）的 長 度 ，兩 個(gè) 鉸 鏈 點(diǎn) 的 長 度 L=207+67=274mm， L 的 范 圍 是（ 274 23） mm。?（2）確定 b設(shè) 為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)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)?(