【正文】 人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅(qū)動關(guān)節(jié)。驅(qū)動第一肩關(guān)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。氣動機械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度（由于機構(gòu)運動確定，因此機構(gòu)的自由度等于機構(gòu)的原動件數(shù)目，此機構(gòu)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(qū)動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。 氣動機械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計的氣動機械手的結(jié)構(gòu)如圖27所示。在機械設(shè)計手的設(shè)計過程中，為了簡化設(shè)計的模型，使設(shè)計過程簡單明了，采用如圖25的二維簡化模型。氣動肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。 (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。在這種情況下，可用的力也最大。圖23 長度與張力的關(guān)系 氣動肌肉的模型在最簡單的情況下，氣動肌肉用作單作用驅(qū)動器，負載不變（如圖24a）。它相當于接口間可見的那部分肌肉的長度。球面方向的擴張不能用于夾緊，因為收縮運動引起的外部摩擦可能損壞肌肉。氣動肌肉的可使用工作行程高達其額定長度的25%。當內(nèi)部有壓力時，管道就在球面方向上擴張，因此產(chǎn)生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運動。這個收縮系統(tǒng)由一段被高強纖維包裹的密封橡膠管組成。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手[25]。3) 機電氣一體化由“可編程序控制器～傳感器～氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性[2,24]。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。2) 模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。 氣動機械手的發(fā)展方向1) 重復(fù)高精度精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)[4]。智能閥島技術(shù)十分理想的解決了整個自動化生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。在與計算機、電氣、傳感、通訊等技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了智能氣動這一概念(氣動比例與伺服、智能閥島、模塊化機械手)。80年代則是集成化、微型化的時代。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)用成體系，不再與風動技術(shù)相提并論。氣動技術(shù)由幾個主要的歷史發(fā)展階段。氣動技術(shù)由風動技術(shù)及液壓技術(shù)演變、發(fā)展而成為獨立的技術(shù)門類不到50年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領(lǐng)域中強大的生命力，成為二十世紀應(yīng)用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收及重視的技術(shù)之一，氣動技術(shù)己成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。而氣動元件更是一種經(jīng)濟實用的機械化、自動化的理想元件。(4)氣動信號的傳遞速度遠比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動控制技術(shù)不宜用于高速傳遞和處理信息的復(fù)雜系統(tǒng)，而且氣動信號的傳送距離也受到限制。(2)空氣的可壓縮性使系統(tǒng)效率低，且使氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，給位置和速度的精確控制帶來很大的影響。調(diào)查資料表明，目前氣動裝置在工業(yè)自動化裝備中占很重要的地位。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負荷下工作，在過載時自動停止。(6)便于進行能量儲存，可以進行應(yīng)急或系統(tǒng)需要用。(4)氣動系統(tǒng)維護不復(fù)雜，也不需要特殊的培訓(xùn)和實驗設(shè)備。(2)氣動元件機構(gòu)簡單，價格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。壓縮空氣沒有生產(chǎn)火花的危險。因而，大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。但真正對起性質(zhì)和基本原理進行系統(tǒng)的研究也是從本世紀開始，形成以氣壓傳動系統(tǒng)動力學(xué)和氣動控制理論為主要內(nèi)容的一門學(xué)科——氣動系統(tǒng)理論。氣動技術(shù)的發(fā)展歷程，是從單個元件到控制系統(tǒng)，從單純機械系統(tǒng)到機電一體化的復(fù)雜高科技產(chǎn)品的歷程。 氣動技術(shù)發(fā)展狀況及優(yōu)缺點氣動技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，氣動元件是氣動技術(shù)中最重要的組成部分，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各部門的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。所以，氣動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工[10] ，食品和藥品的包裝[7,1112]、精密儀器和軍事上[13,1415]。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作[6]。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機械手三足鼎立的局面。氣缸的運行從低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一個十分豐富、寬廣的速度區(qū)域，以適應(yīng)各種層次的速度等級需要[5]。氣動技術(shù)發(fā)展至今，用直線氣缸、旋轉(zhuǎn)馬達來解決氣動機器人中一般的關(guān)節(jié)活動和空間自由度己經(jīng)不成問題了，氣缸低速運動平穩(wěn)性這一點也不成問題了，很多場合使用低速氣缸，其速度在5mm/s的情況下也能平穩(wěn)運行。從上述實例可見，氣動機器人己經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設(shè)置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進運動。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機器人也會自動停止?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101B可編程控制器控制。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運動。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄——阿基里斯。氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動機器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用正在受到越來越多的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)觀點認為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。近年來，機械手在自動化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動和液壓驅(qū)動的機械手相比，顯示出獨特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4]。而且由于其類似生物體驅(qū)動關(guān)節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨立控制等仿生關(guān)節(jié)具有的優(yōu)點[3]。其基本應(yīng)用形式大都采用一對氣動肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對抗性肌肉驅(qū)動方式所決定的。因此，在許多服務(wù)機器人或康復(fù)機器人研究中，確保機器人的關(guān)節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個很重要的地位。以這種方式來驅(qū)動關(guān)節(jié)，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運動較困難。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展。 Pneumatic manipulator joint。 (3)Using simulation software to simulate structure in order to improve the mechanical design until obtain the satisfactory result.Goal: Achieve the optimized designing of pneumatic manipulator.Key words: Pneumatic muscles。關(guān)鍵詞：氣動肌肉；結(jié)構(gòu)設(shè)計；氣動機械手關(guān)節(jié)；運動學(xué)仿真AbstractWith the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of mechanical manufacturing technics, the application of robots is expanded from cars to other fields progressively. In all types of robots, the jointtype robot which is posed of the simulation of human arms, has great advantages such as pact construction, little space accounted, and wide motion space, is one of the most widely used particular, flexible biorobot which is posed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabilitation.The focus of this subject is the machanism design and its feasibility analysis of the pneumatic muscle arm joints, and then finish the mechanical design of the machanism parts