機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

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1、 動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手迎來(lái)了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國(guó)家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)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(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 圖2-3 長(zhǎng)度與張力的關(guān)系

2、 2.1.3 氣動(dòng)肌肉的模型 在最簡(jiǎn)單的情況下，氣動(dòng)肌肉用作單作用驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載不變（如圖2-4a）。假設(shè)氣動(dòng)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(zhǎng)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。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(wú)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(lái)移動(dòng)作用力小的元件。 (a) (b) 圖2-4不同外力作用下氣

3、動(dòng)肌肉表現(xiàn)形式 當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)（如圖2-4b），氣動(dòng)肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對(duì)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(guò)程中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明了，采用如圖2-5的二維簡(jiǎn)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2-5 二維簡(jiǎn)化模型 圖2-6 三維簡(jiǎn)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(zhǎng)方體,并且為了定義滑動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)形式的方便

4、，把每一根氣動(dòng)肌肉看做是由左右兩根等長(zhǎng)的半根氣動(dòng)肌肉組成（如圖2-6）。 2.2 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2-7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 圖2-7 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)

5、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(lái)實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過(guò)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。 2.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 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(duì)相當(dāng)于人類拮抗的氣動(dòng)肌肉相互之間的對(duì)抗作用來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。其原理如圖2-8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

6、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2-8 關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動(dòng)方式 2.3.2 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2-7中，下同）轉(zhuǎn)動(dòng)這1個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-9(a)所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-9(b)所示。 圖2-9(a) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖2-9(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(jiǎn)圖如圖2-10a所示。三維

7、建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-10b所示。 圖2-10(a)第二肩關(guān)節(jié) 圖2-10(b)第二肩關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-11所示。

8、 圖2-11第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 2.3.3肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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)。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(jiǎn)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(duì)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2-12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]。

9、 圖2-12 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu) 2) 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2-13所示。 圖2-13 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(guò)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2-14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(lái)確定，肘關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-15a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與

10、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(shuō)明這里另一個(gè)零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-15b所示。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)。如圖 2-14（左圖）所示，當(dāng)前面的兩根氣動(dòng)肌肉組成一對(duì)，即兩根肌肉有相同的運(yùn)動(dòng)形式，可知后面的是一對(duì)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)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(jiǎn)圖 2.3.4 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

11、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2-13），是兩個(gè)方向單一的鉸鏈點(diǎn)。腕關(guān)節(jié)通過(guò)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2-16所示。 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(guò)程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來(lái)確定。其在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-17(a)所示，Z軸如圖2-17(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(jiǎn)圖 第3章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)

12、設(shè)計(jì) 3.1 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(jí)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。 3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 3.2.1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(jiǎn)圖如圖3-1所示。 圖3-1 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)

13、，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。作O點(diǎn)到CD的垂線交CD的延長(zhǎng)線于F點(diǎn)。設(shè)OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。 （1）確定b b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(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2-5）的其他長(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=225+50=27

14、5mm，L的范圍是（27525）mm。 （3）確定a a是如圖2-8b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長(zhǎng)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BOCEOC，所以EOC1=BOC=。 =BOC=FBOFCO=arctanarctan =arctanarctan (3-1) 由公式（3-1）可知： tan=== (3-2) 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

15、，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm，即半寬a=15mm。 （4）確定d 由公式(2)可知，tan=1.079 47.2o 當(dāng)=47.2o代入公式(1-1)可知d無(wú)解。 計(jì)算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CB1250mm，C1E1300mm。 CB1=COB1O=COR= =250mm (3-3) 由公式(3-3)可得mm (3-4) 已知C1OE1=2 (3-5) 其中C1O=CO= =

16、 E1O=R== = arctanarctan 代入公式(3-5)可得mm (3-6) 根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2d24mm， 即 d12mm (3-7) 有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 mm 由公式(3-2)知tan=，由于d<

17、 =0.564 得=29.4o。 所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4o，29.4o)。 3.2.2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(jiǎn)圖如圖3-2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，E1O。作O點(diǎn)到CA的垂線交CA的延長(zhǎng)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(hào)

18、，選定沒有充氣時(shí)長(zhǎng)度為230mm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207mm，再加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的長(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=207+67=274mm，L的范圍是（27423）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AOCEOC1，所以EOC1=AOC=。 =AOC=FAOFCO=arctan arctan=arctanarctan (3-8) 有公式（3-8）可知： tan=== (3-9) 由于tan在是單調(diào)增

19、函數(shù)，L為已知，所以當(dāng)b取得最小值時(shí)，tan取得最大值，即取得最大值。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。 （3）確定a 由公式(3-9)可知，tan=1.787 得 60.8o 當(dāng)60.8o代入公式(3-8)可知a無(wú)解。 計(jì)算AOE旋轉(zhuǎn)到A1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CA1251mm，C1E1297mm。 CA1=COA1O=COR= =251mm (3-10) 由公式(3-10)可得mm (3-11) 已知

20、C1OE1=2 (3-12) 其中C1O=CO= = E1O=R== = arctanarctan 代入公式(3-12)可得mm (3-13) 根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm，即 a12mm (3-14) 有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得 mm 由公式(3-9)知 tan=,由于a<

21、是最大的,在這里取a=23mm。 （4）確定 由公式(3-9)得 tan===0.983 得=44.5o 所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(44.5o，44.5o)。 3.2.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 第三肩關(guān)節(jié)通過(guò)大臂上的氣動(dòng)肌肉連接到肘關(guān)節(jié)上。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(guò)肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來(lái)確定的。因此第三肩關(guān)節(jié)的零件參數(shù)化設(shè)計(jì)詳見肘關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)。 3.3 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。下面分別就X軸和Y軸方向上的參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。 3.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

22、 肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。 假定CABC1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，A，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn), 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是A1OB1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)現(xiàn)象，即當(dāng)CA1O在同一直線上，連接A1O，B1O。設(shè)OA= a，AD= b，DD1=L。紅色虛線框表示肘部擋板。 （1）確定b b是肌肉連接件的長(zhǎng)度,根據(jù)結(jié)構(gòu)得b=45mm。 （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230mm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207mm，在加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=207+50=257m

23、m，L的范圍是（25723）mm。 （3）確定a A,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。 設(shè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知AOC1=，BOB1=。 tan== (3-15) 由公式(3-15)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。當(dāng)a0時(shí)，=90o。 計(jì)算AOB旋轉(zhuǎn)到A1OB1的極限位置，其中A1C2b+Lmin=245+234 =324mm。B1C12b+Lmax=245+

24、280=370mm。 A1C= COA1O= A1O=a324mm (3-16) 由公式(3-16)可得 mm (3-17) 已知BOB1=，得OBB1=， B1BC1=OBB1+OBC1=+= (3-18) == 得BB1= BC1=AC=2b+L=347mm =arctan 代入公式(3-18)得mm (3-19) 根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm， 即 a12mm

25、 (3-20) 由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得 mm 由公式(3-15)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。 （4）確定 tan====28.9 得 =88.0 o 所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(88.0o，88.0o)。 由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=24mm。 3.3.2 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3-4所示。 假定CAOA1C1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，D，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)

26、,作以O(shè)點(diǎn)為圓心，OD為半徑的圓。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。設(shè)OA= a，AD= b，DC=L。 （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=。由于DOCBOC1，所以BOC1=DOC =。 =DOC=AOCAOD =arctanarctan =arctanarctan (3-21) 有公式（3-21）可知： tan=====1.10 可得 47.8o 計(jì)算DOB旋轉(zhuǎn)到D1OB1的極限位置，其中CD1234mm，C1B1280mm。

27、 CD1=COD1O= =234mm (3-22) 由公式(3-22)可得mm (3-23) 已知C1OB1=2 (3-24) 其中C1O=CO= = B1O=R== =arctanarctan 代入公式(3-24)可得mm (3-25) 根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm， 即 a12mm

28、 (3-26) 有(3-23)、(3-25)、(3-26)式得 mm 可知 tan=，由于a<

29、向。 （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=28.9，得=88.0 o。 腕關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(88.0o，88.0o)。 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。 （2）Z軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 腕關(guān)節(jié)Z軸方向上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與肘關(guān)節(jié)Y軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果： 取最大值a=32mm時(shí)，tan取得最大值，tan=0.563，得=29.4o。 腕關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4o，29.4o)。 由此可以得

30、到腕關(guān)節(jié)兩塊擋板的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=64mm。 第4章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真 4.1 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。在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)零件不斷進(jìn)行修改，最終滿足設(shè)計(jì)要求[31]。 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。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手，仿真的內(nèi)容是 (1)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真； (2)第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真； (3)肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真； (4)肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真

31、； (5)腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真； (6)腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真； (7)第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真； (8)第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)Y軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真。 4.2 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(guò)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。在整體設(shè)計(jì)后, 通過(guò)仿真可以模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,是否發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校核。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

32、受力情況。在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程,而是以實(shí)體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析于一體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況[32]。 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。首先在Pro/E中建立氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的三維模型，然后完成整個(gè)機(jī)械手的裝配，設(shè)置關(guān)節(jié)的安裝位置為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置，添加驅(qū)動(dòng)和約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在整個(gè)過(guò)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。 4.3氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

33、 仿真時(shí)，氣動(dòng)肌肉作為動(dòng)力源，極限位置是氣動(dòng)肌肉與轉(zhuǎn)動(dòng)軸（鉸鏈點(diǎn)）在同一條直線上，即出現(xiàn)死點(diǎn)的位置。 4.3.1第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 第一肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-1（a）和4-1（b）所示。在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)干涉現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量極限位置的角度，得到=29.4o，所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-1 第一肩關(guān)節(jié)仿真效果圖 4.3.2第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 第二肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-2（a）和4-2（b）所示。在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)干涉現(xiàn)象

34、，通過(guò)測(cè)量極限位置的角度，得到=44.5o，所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(44.5o，44.5o)。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-2 第二肩關(guān)節(jié)仿真效果圖 4.3.3肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 肘關(guān)節(jié)X軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-3所示，其中圖（a）表示向上轉(zhuǎn)動(dòng)，圖（b）表示向下轉(zhuǎn)動(dòng)。在此過(guò)程中，均發(fā)生干涉現(xiàn)象，發(fā)生圖（a）現(xiàn)象的原因是：①肘關(guān)節(jié)有一塊擋板連接板，向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)氣動(dòng)肌肉碰到擋板連接板而發(fā)生干涉；②由于擋板上的鉸鏈點(diǎn)的距離太近，在運(yùn)動(dòng)到極限位置之前，兩對(duì)氣動(dòng)肌肉就已發(fā)生了干涉。發(fā)生圖（b）現(xiàn)

35、象是由于原因②。 （a1）運(yùn)動(dòng)前 （a2）運(yùn)動(dòng)后 （a） 向上轉(zhuǎn)動(dòng) （b1）運(yùn)動(dòng)前 （b2）運(yùn)動(dòng)后 （b）向下轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4-3肘關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 其中原因①是無(wú)法解決的，不過(guò)可以通過(guò)增加擋板的長(zhǎng)度來(lái)增加向上轉(zhuǎn)過(guò)的角度；原因②可以通過(guò)增加擋板上的鉸鏈點(diǎn)的距離（如圖3-3）即AB=2a的長(zhǎng)度來(lái)改善，值得一提的是改變a的長(zhǎng)度，A點(diǎn)不能運(yùn)行到A1的位置，這里取a=25mm。相應(yīng)的腕關(guān)節(jié)在X軸方向上的a=25mm。修改后的肘關(guān)節(jié)X軸方向運(yùn)動(dòng)到極限位置的效果圖如圖

36、4-4所示。繞X軸的運(yùn)動(dòng)范圍為（60.4 o，32.6 o）。 （a1）運(yùn)動(dòng)前 （a2）運(yùn)動(dòng)后 （a） 向上轉(zhuǎn)動(dòng) （b1）運(yùn)動(dòng)前 （b2）運(yùn)動(dòng)后 （b）向下轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4-4修改后肘關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.4肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 肘關(guān)節(jié)Y軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-5（a）和4-5（b）所示。在此過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象，通過(guò)通過(guò)測(cè)量極限位置的角度，得到=29.4o，所以肘關(guān)節(jié)繞Y軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運(yùn)動(dòng)前

37、 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-5 肘關(guān)節(jié)Y軸方向仿真效果圖 4.3.5腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 腕關(guān)節(jié)在X軸方向上的零件尺寸已經(jīng)根據(jù)肘關(guān)節(jié)在X軸方向的零件尺寸進(jìn)行修改。運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-6（a）和4-6（b）所示。在仿真過(guò)程中，無(wú)干涉現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量極限位置的角度，得到= 70.7o，所以腕關(guān)節(jié)繞Z軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(70.7o，70.7o)。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-6 腕關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.6腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析 腕關(guān)節(jié)Z

38、軸方向運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-7（a）和4-7（b）所示。此過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象，通過(guò)通過(guò)測(cè)量極限位置的角度，得到=29.4o，所以腕關(guān)節(jié)繞X軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-7 腕關(guān)節(jié)Z軸方向仿真效果圖 4.3.7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4-8（a）和4-8（b）所示。在此過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手能在預(yù)期的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 （a）運(yùn)動(dòng)前

39、 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-8 總運(yùn)動(dòng)效果圖（1） 4.3.8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 4-9（a）和4-9（b）所示。在此過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手能在預(yù)期的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 （a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后 圖4-9 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(guò)理論計(jì)算和三維模擬

40、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。 各個(gè)關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)范圍如下： （1）肩關(guān)節(jié) 第一肩關(guān)節(jié) (29.4o，29.4o) 第二肩關(guān)節(jié) (44.5o，44.5o) （2）肘關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié)X軸方向 (60.4 o，32.6 o) 肘關(guān)節(jié)Y軸方向 (29.4o，29.4o) （3）腕關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié)X軸方向 (70.7o，70.7o) 腕關(guān)節(jié)Z軸方向 (29.4o，29.4o) 該機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)肌肉具有控制精確的特點(diǎn)，在抓取物品等進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的動(dòng)作，基本滿足了實(shí)際應(yīng)用需要。 該氣動(dòng)機(jī)械手具

41、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。 參考文獻(xiàn) [1] 徐炳輝.氣動(dòng)手冊(cè)[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005.26~28. [2] SMC(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.36~37. [3] 隋立明， 張立勛.氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)仿生關(guān)節(jié)的理論分析[J].機(jī)床與液壓，2007, 35(6):218~219. [4] Qiu Yangzhen, Lin Yimeng. Research and Applications of High Precision Pneumatic

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49、擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。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。 在此我還要感謝研究生，正是由于她的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 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)四年來(lái)對(duì)我的栽培。 （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!）