【正文】 發(fā)力度的加大，我國自主研制的許氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析4多氣動機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。而氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點(diǎn) [7,89]?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機(jī)械手應(yīng)用之一 [2]。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸 [16]。如酒、油漆灌裝氣動機(jī)械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動機(jī)械手等 [8,11]。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床 [15]，Robodoc機(jī)器人，daVinci 外科手術(shù)機(jī)器人等 [17]。氣動技術(shù)是以壓縮氣體(例如壓縮空氣或惰性氣體浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )5和熱氣體)為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的一門技術(shù)，它包含氣壓傳動和氣動控制兩方面的內(nèi)容 [18,19]。人類對空氣進(jìn)行利用，以其為傳遞能量的介質(zhì)可追溯到幾千年以前。目前，氣動和液壓是兩種較為普遍應(yīng)用的傳動和控制方式，兩者有許多相同點(diǎn)，也有許多不同點(diǎn)，氣動技術(shù)真正成為全世界各個工業(yè)部門所接受并廣泛應(yīng)用，是由于日益迫切的生產(chǎn)自動化和操作程序合理化的需要，也由于氣動技術(shù)具有以下許多優(yōu)點(diǎn):(1)氣動技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)，空氣隨處可取，且粘性小，在管內(nèi)流動阻力小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)，是氣動技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用具有安全、方便和費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。因此，它始于有易燃或爆炸潛在危險的工礦。(3)氣動系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，不受電磁干擾，電子系統(tǒng)則有之。(5)適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可方便的改為氣動傳動，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。(7)氣壓傳動本身有過載保護(hù)性能。(8)氣動元件運(yùn)動速度高，~，有的高達(dá)1~3m/s，高速氣缸可達(dá)15m/s。氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析6當(dāng)然，氣動技術(shù)也有其缺點(diǎn):(1)壓縮空氣需要進(jìn)行除塵、除水處理。(3)系統(tǒng)運(yùn)行時排放空氣的噪聲較大。盡管氣動技術(shù)上有一些缺點(diǎn)，但它的優(yōu)點(diǎn)還是主要的，所以氣動技術(shù)能在各個工業(yè)部門中得到日益廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，氣動技術(shù)和電子電器、液壓技術(shù)一樣，都成為自動化生產(chǎn)過程的有效技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中起著越來越大的作用。在國外，氣動被稱為“廉價的自動化技術(shù)”。至50年代初，大多數(shù)元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。在70年代，由于與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動化領(lǐng)域得到廣泛的推廣。90年代末本世紀(jì)初，氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，化氣動機(jī)械手，5mm/s低速平穩(wěn)運(yùn)行及5~10m/s高速運(yùn)動的不同氣缸相繼問世。氣動伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究高速運(yùn)動3mm/s情況下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動定位?，F(xiàn)代氣動的發(fā)展趨勢是微型化、集成化、模塊化、智能化 [2022]。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定 [13]。氣動機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等 [2]。模塊化拼裝的氣動機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。由于模塊化氣動機(jī)械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。模塊化氣動機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向 [23]。因?yàn)橹悄荛y島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機(jī)械手中的移動模塊。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析8第 2 章 氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 氣動肌肉結(jié)構(gòu)、特性及模型 氣動肌肉的基本結(jié)構(gòu)圖 21 氣動肌肉圖 22 氣動肌肉的結(jié)構(gòu) 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：精制鋁合金，藍(lán)色陽極氧化； 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：鋼；浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )9 材料：NBR； 材料：芳香族物質(zhì)，CR 氣動肌肉的特性1) 氣動肌肉的工作方式氣動肌肉是一種拉伸驅(qū)動器，它模仿自然肌肉的運(yùn)動，氣動肌肉由一個收縮系統(tǒng)和合適的連接器組成。纖維形成了一個三維的棱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。拉伸力在收縮開始時最大，并與行程成線形比例關(guān)系減小。氣動肌肉只能做拉伸驅(qū)動器。2) 氣動肌肉長度和負(fù)載的關(guān)系氣動肌肉的額定長度是在無壓力，無負(fù)載的情況下定義的。當(dāng)氣動肌肉受外力作用預(yù)拉伸時，它就被拉長了（如圖 23 所示） ；另一方面，當(dāng)受壓時，肌肉收縮，其長度減小。假設(shè)氣動肌肉上該負(fù)載一直存在，在沒有壓力的情況下，肌肉將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌肉的技術(shù)特性的一種理想工作狀態(tài)：當(dāng)加壓時，氣動肌肉在預(yù)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。如果要求氣動肌肉在擴(kuò)張狀態(tài)時無作用力（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)動來移動作用力小的元件。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈簧剛度都是變化的。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(yīng)用 [26]。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(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，為了實(shí)現(xiàn)肌肉的這種運(yùn)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(yùn)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） 。1. 機(jī)架 2. 氣動肌肉 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. 氣爪氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析12圖 27 氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)氣動機(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。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使物品在空間上運(yùn)動，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動作要求。 氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)的基本方式在氣動機(jī)械手設(shè)計(jì)中，有 4 個自由度，相當(dāng)于 4 個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。其原理如圖 28 所示。圖 28 關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動方式 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 根氣動肌肉作為驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)繞 Z 軸（X 、Y、Z 軸的方向標(biāo)在圖 27 中，下同）轉(zhuǎn)動這 1 個自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 29(a)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 個自 由 度 ， 其 結(jié) 構(gòu) 簡 圖 如 圖 210a 所 示 。氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(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。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。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖 211 所示。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。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(yùn)動可以獨(dú)立進(jìn)行控制。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(shí)現(xiàn)兩個自由度的運(yùn)動。圖212 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu)氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(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)主要是由一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。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)。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。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)前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運(yùn)動形式，可知后面的是一對，在運(yùn)動過程中可以實(shí)現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動。 (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，主要有一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。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(diǎn)。其三維結(jié)構(gòu)如圖216所示。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。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)各個結(jié)構(gòu)零件，可以獲得最滿意的結(jié)果[30]。 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。作 O 點(diǎn)到 CD 的垂線交 CD 的延長線于F 點(diǎn)。（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。?（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。???= 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，tan 取得最大值，即 取得最大值。（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。?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(jié)構(gòu)，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。?所以第一肩關(guān)節(jié)繞 Z 軸的理論最大運(yùn)動范圍為( ，)。假 定 CAOEC1 是第二肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，鉸鏈點(diǎn) A，E 可繞 O 點(diǎn)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，E 1O。連接AE，作 O 點(diǎn)垂直 AE 交 AE 于 B 點(diǎn)。（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(yùn)動行程是原始長度的 20%，在運(yùn)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(diǎn) 的 長 度 L=207+67=274mm， L 的 范 圍 是（ 274 23） mm。= AOC= FAO FCO=arctan?OFA?arctan =arctan arctan (38)OFCabL?有公式（38 ）可知：tan = = =?1abL???2()ab()bLa? (39)?()