毕业气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

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课题名称：气动机械手关节结构设计及运动

学仿真分析

姓名：班级：学号：

指导老师：

学院：机械与自动控制学院

摘要

随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。特别由柔性关节组成的柔性仿活力器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。

本课题重点在于气动机械手关节结构参数化设计和其可行性分析。由于气动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少，肌肉本身的动特性还在研究中，因此本课题具有一定的难度，在研究过程中重视静态指标的满足。

本文重点解决的问题——结构设计及仿真。本课题中主要内容是：（1）设计气动机械手关节结构；（2）关节结构的参数设计；

（3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的

结果为止。

目标：满足气动机械手关节结构的设计要求。

第4章气动机械手关节的模拟仿真?????????????????????27

4.1仿真内容??????????????????????????????274.2仿真方法??????????????????????????????274.3气动机械手关节的运动学分析?????????????????????28

4.3.1第一肩关节的运动仿真及分析???????????????????284.3.2其次肩关节的运动仿真及分析???????????????????284.3.3肘关节X轴方向的运动仿真及分析?????????????????294.3.4肘关节Y轴方向的运动仿真及分析?????????????????304.3.5腕关节X轴方向的运动仿真及分析?????????????????314.3.6腕关节Z轴方向的运动仿真及分析?????????????????324.3.7第一二肩关节，肘关节X轴方向，腕关节X轴方向的运动仿真及分析???324.3.8第一二肩关节，肘关节Y轴方向，腕关节Z轴方向的运动仿真及分析???33

第5章结论????????????????????????????????33

气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

图2-1气动肌肉

图2-2气动肌肉的结构

1.管接螺母材料：精制铝合金，光亮阳极氧化；2.法兰材料：精制铝合金，蓝色阳极氧化；3.内部圆锥材料：精制铝合金，光亮阳极氧化；4.盘形弹簧材料：钢；5.密封圈材料：NBR；

6.隔膜软管材料：芳香族物质，CR2.1.2气动肌肉的特性1)气动肌肉的工作方式

气动肌肉是一种拉伸驱动器，它模仿自然肌肉的运动，气动肌肉由一个收缩系统和适合的连接器组成。这个收缩系统由一段被高强纤维包裹的密封橡胶管组成。纤维形成了一个三维的棱形网状结构。当内部有压力时，管道就在球面方向上扩张，因此产生了拉伸力和肌肉纵向的收缩运动。拉伸力在收缩开始时最大，

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并与行程成线形比例关系减小。气动肌肉的可使用工作行程高达其额定长度的25%。气动肌肉只能做拉伸驱动器。球面方向的扩张不能用于夹紧，由于收缩运动引起的外部摩擦可能损坏肌肉。2)气动肌肉长度和负载的关系

气动肌肉的额定长度是在无压力，无负载的状况下定义的。它相当于接口间可见的那部分肌肉的长度。当气动肌肉受外力作用预拉伸时，它就被拉长了（如图2-3所示）；另一方面，当受压时，肌肉收缩，其长度减小。

图2-3长度与张力的关系

2.1.3气动肌肉的模型

在最简单的状况下，气动肌肉用作单作用驱动器，负载不变（如图2-4a）。假设气动肌肉上该负载一直存在，在没有压力的状况下，肌肉将从原始状态被拉伸一段长度，这是考虑气动肌肉的技术特性的一种理想工作状态：当加压时，气动肌肉在预拉伸状态下有最大的输出力和最正确动态性能，并且耗气量最小。在这种状况下，可用的力也最大。假使要求气动肌肉在扩张状态时无作用力（如允许附加上负载），首先就要加上用于提升负载目的的保持力，利用它的运动来移动作用力小的元件。

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(a)(b)

图2-4不同外力作用下气动肌肉表现形式

当外力发生变化时（如图2-4b），气动肌肉像一根弹簧；它与力的作用方向一致。对用作“气弹簧〞的气动肌肉而言，预拉伸力和弹簧刚度都是变化的。气动肌肉在常压或体积不变的状况下可用作弹簧。这些气动肌肉会产生不同的弹簧特性，这使得它可很好地适用于具体应用[26]。

在机械设计手的设计过程中，为了简化设计的模型，使设计过程简单明白，采用如图2-5的二维简化模型。在三维模拟仿真阶段，由于气动肌肉所做的是拉

图2-5二维简化模型

图2-6三维简化模型

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伸运动，为了实现肌肉的这种运动形式，把气动肌肉中部的隔膜软管的圆柱体改为长方体,并且为了定义滑动杆运动形式的便利，把每一根气动肌肉看做是由左右两根等长的半根气动肌肉组成（如图2-6）。

2.2气动机械手的基本结构

本课题所设计的气动机械手的结构如图2-7所示。

1.机架2.气动肌肉3.第一肩关节4.其次肩关节5.机架臂6.第三肩关节7.大臂8.肘关节9.小臂10.腕关节11.气爪

图2-7气动机械手的结构

气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。气动机械手能够实现4个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有4个原动件，因此可得有4个自由度）的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。驱动第一肩关节的运动有2根气动肌肉组成，机架臂有4根气动肌肉组成，大臂上安装有4根气动肌肉，小臂上安装有4根气动肌肉。

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2.3气动机械手关节结构设计

2.3.1关节的基本方式

在气动机械手设计中，有4个自由度，相当于4个独立的关节。每个关节的驱动原理都是一致的，即由一对相当于人类拮抗的气动肌肉相互之间的对抗作用来驱动关节。其原理如图2-8所示。这种方式驱动的关节，其刚度和两个肌肉的压力之和有关，而其位置则和2个肌肉的压力差有关，因此可以实现关节位置和刚度的独立控制[27]。

图2-8关节的基本驱动方式

2.3.2肩关节结构设计1)第一肩关节的设计

第一肩关节主要是由2根气动肌肉作为驱动，实现绕Z轴（X、Y、Z轴的方向标在图2-7中，下同）转动这1个自由度，其结构简图如图2-9(a)所示。三维建模的第一肩关节结构如图2-9(b)所示。

图2-9(a)第一肩关节结构简图

图2-9(b)第一肩关节三维结构图

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第5章结论

本文设计了一个全部由气动肌肉驱动的机械手，从整体结构到各个关节、手臂零件的设计，通过理论计算和三维模拟仿真，对各个关节进行优化，最终实现气动机械手关节最大的运动范围，满足预期设计要求。

各个关节的最大运动范围如下：（1）肩关节

第一肩关节(?29.4o，29.4o)其次肩关节(?44.5o，44.5o)（2）肘关节

肘关节X轴方向(?60.4o，32.6o)肘关节Y轴方向(?29.4o，29.4o)（3）腕关节

腕关节X轴方向(?70.7o，70.7o)腕关节Z轴方向(?29.4o，29.4o)

该机械手能够实现4个自由度的运