畢業(yè)氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真分析

本文格式為Word版，下載可任意編輯——畢業(yè)氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真分析

課題名稱：氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動

學(xué)仿真分析

姓名：班級：學(xué)號：

指導(dǎo)老師：

學(xué)院：機(jī)械與自動控制學(xué)院

摘要

隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動空間大等優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。特別由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿活力器人在服務(wù)機(jī)器人及康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來越突出。

本課題重點在于氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計和其可行性分析。由于氣動肌肉柔性關(guān)節(jié)的研究歷史短、資料少，肌肉本身的動特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中重視靜態(tài)指標(biāo)的滿足。

本文重點解決的問題——結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真。本課題中主要內(nèi)容是：（1）設(shè)計氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；（2）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計；

（3）用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動過程模擬分析以此來改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，直到得出滿意的

結(jié)果為止。

目標(biāo)：滿足氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

第4章氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真?????????????????????27

4.1仿真內(nèi)容??????????????????????????????274.2仿真方法??????????????????????????????274.3氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析?????????????????????28

4.3.1第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動仿真及分析???????????????????284.3.2其次肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動仿真及分析???????????????????284.3.3肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動仿真及分析?????????????????294.3.4肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動仿真及分析?????????????????304.3.5腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動仿真及分析?????????????????314.3.6腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動仿真及分析?????????????????324.3.7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)動仿真及分析???324.3.8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)動仿真及分析???33

第5章結(jié)論????????????????????????????????33

氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真分析

圖2-1氣動肌肉

圖2-2氣動肌肉的結(jié)構(gòu)

1.管接螺母材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化；2.法蘭材料：精制鋁合金，藍(lán)色陽極氧化；3.內(nèi)部圓錐材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化；4.盤形彈簧材料：鋼；5.密封圈材料：NBR；

6.隔膜軟管材料：芳香族物質(zhì)，CR2.1.2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)和適合的連接器組成。這個收縮系統(tǒng)由一段被高強(qiáng)纖維包裹的密封橡膠管組成。纖維形成了一個三維的棱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)內(nèi)部有壓力時，管道就在球面方向上擴(kuò)張，因此產(chǎn)生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運(yùn)動。拉伸力在收縮開始時最大，

8

浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)

并與行程成線形比例關(guān)系減小。氣動肌肉的可使用工作行程高達(dá)其額定長度的25%。氣動肌肉只能做拉伸驅(qū)動器。球面方向的擴(kuò)張不能用于夾緊，由于收縮運(yùn)動引起的外部摩擦可能損壞肌肉。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)載的狀況下定義的。它相當(dāng)于接口間可見的那部分肌肉的長度。當(dāng)氣動肌肉受外力作用預(yù)拉伸時，它就被拉長了（如圖2-3所示）；另一方面，當(dāng)受壓時，肌肉收縮，其長度減小。

圖2-3長度與張力的關(guān)系

2.1.3氣動肌肉的模型

在最簡單的狀況下，氣動肌肉用作單作用驅(qū)動器，負(fù)載不變（如圖2-4a）。假設(shè)氣動肌肉上該負(fù)載一直存在，在沒有壓力的狀況下，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正確動態(tài)性能，并且耗氣量最小。在這種狀況下，可用的力也最大。假使要求氣動肌肉在擴(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。

9

氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真分析

(a)(b)

圖2-4不同外力作用下氣動肌肉表現(xiàn)形式

當(dāng)外力發(fā)生變化時（如圖2-4b），氣動肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對用作“氣彈簧〞的氣動肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈簧剛度都是變化的。氣動肌肉在常壓或體積不變的狀況下可用作彈簧。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]。

在機(jī)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)計過程簡單明白，采用如圖2-5的二維簡化模型。在三維模擬仿真階段，由于氣動肌肉所做的是拉

圖2-5二維簡化模型

圖2-6三維簡化模型

10

浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)

伸運(yùn)動，為了實現(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)動形式的便利，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2-6）。

2.2氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)

本課題所設(shè)計的氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

1.機(jī)架2.氣動肌肉3.第一肩關(guān)節(jié)4.其次肩關(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。氣動機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有4個原動件，因此可得有4個自由度）的運(yùn)動，其各自的自由度的驅(qū)動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實現(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，最終實現(xiàn)機(jī)械手的動作要求。驅(qū)動第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動有2根氣動肌肉組成，機(jī)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。

11

氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真分析

2.3氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1關(guān)節(jié)的基本方式

在氣動機(jī)械手設(shè)計中，有4個自由度，相當(dāng)于4個獨立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都是一致的，即由一對相當(dāng)于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)。其原理如圖2-8所示。這種方式驅(qū)動的關(guān)節(jié)，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關(guān)，而其位置則和2個肌肉的壓力差有關(guān)，因此可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的獨立控制[27]。

圖2-8關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動方式

2.3.2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計1)第一肩關(guān)節(jié)的設(shè)計

第一肩關(guān)節(jié)主要是由2根氣動肌肉作為驅(qū)動，實現(xiàn)繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標(biāo)在圖2-7中，下同）轉(zhuǎn)動這1個自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖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)簡圖

圖2-9(b)第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖

12

浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)

第5章結(jié)論

本文設(shè)計了一個全部由氣動肌肉驅(qū)動的機(jī)械手，從整體結(jié)構(gòu)到各個關(guān)節(jié)、手臂零件的設(shè)計，通過理論計算和三維模擬仿真，對各個關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)最大的運(yùn)動范圍，滿足預(yù)期設(shè)計要求。

各個關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動范圍如下：（1）肩關(guān)節(jié)

第一肩關(guān)節(jié)(?29.4o，29.4o)其次肩關(guān)節(jié)(?44.5o，44.5o)（2）肘關(guān)節(jié)

肘關(guān)節(jié)X軸方向(?60.4o，32.6o)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個自由度的運(yùn)