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1、桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院机构创新设计课程论文题 目： 气动机械手关节结构设计和运动仿真 系 别： 机电工程系 专 业： 模具设计 学生姓名： 周庆钦 学 号： 0853100226 指导教师： 吕勇 职 称： 教师 2010 年 6 月 26 日桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院1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。尤其由柔性关节组成的柔性仿
2、生机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，在研究过程中注重静态指标的满足。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。关键词：气动肌肉；结构设计；气动机械手关节；运动学仿真2AbstractWith the rapid developmen
3、t 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 joint-type robot which is composed of the simulation of hu
4、man arms, has great advantages such as compact construction, little space accounted, and wide motion space, is one of the most widely used robots.In particular, flexible bio-robot which is composed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabi
5、litation.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 of anthropomorphic robot joint. Because research history of pneumatic muscles flexible joints is short, information
6、 is little, the dynamic characteristics of the muscle is still under study, this subject has certain difficulty, and pay attention to the satisfaction of the static index in the course of studying. The problem this passage mainly resolves-mechanical design and simulation.The main content of this sub
7、ject: (1) Design the joint structure of pneumatic manipulator; (2) Parametric design of the joint structure; (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 manipulato
8、r.Key words: Pneumatic muscles; Structural design; Pneumatic manipulator joint; Kinematics emulation桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院1目 录摘 要Abstract第 1 章 绪论11.1 研究气动机械手的意义11.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用21.3 气动技术发展状况及优缺点41.4 气动机械手的发展方向6第 2 章 气动机械手关节结构形式设计82.1 气动肌肉结构、特性及模型82.1.1 气动肌肉的基本结构82.1.2 气动肌肉的特性82.1.3 气动肌肉的模型
9、92.2 气动机械手的基本结构112.3 气动机械手关节结构设计122.3.1 关节的基本方式122.3.2 肩关节结构设计122.3.3 肘关节结构设计142.3.4 腕关节结构设计16第 3 章 气动机械手关节结构参数设计183.1 参数设计优点183.2 肩关节结构参数设计183.2.1 第一肩关节结构参数设计18桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院13.2.2 第二肩关节结构参数设计203.2.3 第三肩关节结构参数设计223.3 肘关节结构参数设计233.3.1 X轴方向上的结构参数设计 233.3.2 Y轴方向上的结构参数设计 243.4 腕关节结构参数设计26第
10、 4 章 气动机械手关节的模拟仿真274.1 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284.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析284.3.2 第二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33参考文献34致谢36桂 林 电
11、子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院1第 1 章 绪论1.1 研究气动机械手的意义近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究 1。从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发
12、展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一 2。传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院1控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。气
