【正文】 這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對(duì)抗性肌肉驅(qū)動(dòng)方式所決定的。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!同時(shí)感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們!最后感謝我的母?！髮W(xué)三年來(lái)對(duì)我的栽培!河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專業(yè)班級(jí)09級(jí)機(jī)電一體化姓名張正天學(xué)號(hào)02043093283指導(dǎo)教師魏波設(shè)計(jì)（論文）題目氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析主要研究?jī)?nèi)容電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展。半年來(lái)，老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。該氣動(dòng)機(jī)械手具有輕巧、安全和控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以用于工廠機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人等和人密切接觸的場(chǎng)合。 186。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖49 總運(yùn)動(dòng)效果圖（2）第5章 結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一個(gè)全部由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，從整體結(jié)構(gòu)到各個(gè)關(guān)節(jié)、手臂零件的設(shè)計(jì)，通過理論計(jì)算和三維模擬仿真，對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)最大的運(yùn)動(dòng)范圍，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖48 總運(yùn)動(dòng)效果圖（1）、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)Y軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)Y軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖49（a）和49（b）所示。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖47 腕關(guān)節(jié)Z軸方向仿真效果圖、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖48（a）和48（b）所示。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖46 腕關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖腕關(guān)節(jié)Z軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖47（a）和47（b）所示。運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖46（a）和46（b）所示。在此過程中無(wú)干涉現(xiàn)象，通過通過測(cè)量極限位置的角度，得到=，所以肘關(guān)節(jié)繞Y軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(，)。）。繞X軸的運(yùn)動(dòng)范圍為（ 186。相應(yīng)的腕關(guān)節(jié)在X軸方向上的a=25mm。發(fā)生圖（b）現(xiàn)象是由于原因②。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖42 第二肩關(guān)節(jié)仿真效果圖肘關(guān)節(jié)X軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖43所示，其中圖（a）表示向上轉(zhuǎn)動(dòng)，圖（b）表示向下轉(zhuǎn)動(dòng)。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖41 第一肩關(guān)節(jié)仿真效果圖第二肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖42（a）和42（b）所示。第一肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖41（a）和41（b）所示。在整個(gè)過程中，需要對(duì)建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的仿真模型。本文以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能建立氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真模型。同時(shí),可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。 仿真方法運(yùn)動(dòng)仿真是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容,在Pro/E的Mechanism模塊中,通過對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來(lái),來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真的基本內(nèi)容是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，增大機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，使其更好的滿足生產(chǎn)需要。第4章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真 仿真內(nèi)容運(yùn)動(dòng)仿真是結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容,氣動(dòng)機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，確定結(jié)構(gòu)后，在運(yùn)行中還會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，確保方案可行。腕關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(，)。由此可以得到腕肩關(guān)節(jié)擋板上的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=24mm。（1）X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與肘關(guān)節(jié)X軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果：取最小值a=12mm時(shí)，tan取得最大值，tan=，得= 186。由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)長(zhǎng)度方向的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=64mm。（2）確定所以 tan===得=。=DOC=AOCAOD=arctanarctan=arctanarctan (321) 有公式（321）可知：tan=====可得 計(jì)算DOB旋轉(zhuǎn)到D1OB1的極限位置，其中CD1234mm，C1B1280mm。（1）確定a設(shè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知DOC=，BOB1=。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是D1OB1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng)CD1O在同一直線上，連接DO，D1O，BO，B1O，C1O。 Y軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)在Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖34所示。所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(，)。A1C= COA1O= A1O=a324mm (316)由公式(316)可得 mm (317)已知BOB1=，得OBB1=，B1BC1=OBB1+OBC1=+= (318)==得BB1=BC1=AC=2b+L=347mm=arctan代入公式(318)得mm (319)根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm，即 a12mm (320)由(317)、(319)、(320)式得 mm由公式(315)可知 tan==，且已知L=257mm，b=45mm，當(dāng)取最小值a=12時(shí)，tan取得最大值。計(jì)算AOB旋轉(zhuǎn)到A1OB1的極限位置，其中A1C2b+Lmin=245+234=324mm。tan== (315) 由公式(315)可知，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(shí)，tan取得最大值，即取得最大值。（3）確定aA,B表示肘部擋板上連接肌肉連接件的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)，a是兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)距離的一半。（1）確定bb是肌肉連接件的長(zhǎng)度,根據(jù)結(jié)構(gòu)得b=45mm。設(shè)OA= a，AD= b，DD1=L。 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖33所示。 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個(gè)方向，即X軸和Y軸方向。第三肩關(guān)節(jié)的零件尺寸與肘關(guān)節(jié)的零件尺寸有關(guān)，其零件尺寸是通過肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來(lái)確定的。（4）確定由公式(39)得 tan===得=所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(，)。計(jì)算AOE旋轉(zhuǎn)到A1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CA1251mm，C1E1297mm。由于由于O點(diǎn)處裝有一根20mm的連接桿，因此取合適的最小的b=20mm。（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AOCEOC1，所以EOC1=AOC=。設(shè)AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R。作O點(diǎn)到CA的垂線交CA的延長(zhǎng)線于F點(diǎn)。第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖32所示。（5）確定由公式(32)得 tan== =得=。計(jì)算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CB1250mm，C1E1300mm。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。設(shè)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。（2）確定L根據(jù)氣動(dòng)肌肉的型號(hào)，選定沒有充氣時(shí)長(zhǎng)度為250mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長(zhǎng)度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長(zhǎng)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(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=225+50=275mm，L的范圍是（27525）mm。設(shè)OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。圖31 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖假定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，B1O，EO，E1O，C1O。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。(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(jiǎn)圖第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。 圖216 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(lái)確定。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。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)。同樣的左、右各為一對(duì)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)不同相鄰的兩根氣動(dòng)肌肉組成一對(duì)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。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。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。在本設(shè)計(jì)中，采用如圖212所示的虎克鉸形式來(lái)實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度[27]。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。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]。圖211第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖1) 虎克鉸簡(jiǎn)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)。中部支撐桿是用來(lái)固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖210b所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖29(b)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]。每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理都是相同的，即由一對(duì)相當(dāng)于