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1、动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简朴、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点。图2-3 长度与张力的关系2.1.3 气动肌肉的模型在最简朴的情况下，气动肌肉用作单作用驱动器，负载
2、不变（如图2-4a）。假设气动肌肉上该负载一直存在，在没有压力的情况下，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抱负工作状态：当加压时，气动肌肉在预拉伸状态下有最大的输出力和最佳动态性能，并且耗气量最小。在这种情况下，可用的力也最大。假如规定气动肌肉在扩张状态时无作用力（如允许附加上负载），一方面就要加上用于提高负载目的的保持力，运用它的运动来移动作用力小的元件。 (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
3、积不变的情况下可用作弹簧。这些气动肌肉会产生不同的弹簧特性，这使得它可很好地合用于具体应用26。在机械设计手的设计过程中，为了简化设计的模型，使设计过程简朴明了，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阂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方便，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. 第二肩关节
4、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重要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。气动机械手可以实现4个自由度（由于机构运动拟定，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所有由气动肌肉来实现。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规定。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
5、。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，相称于4个独立的关节。每个关节的驱动原理都是相同的，即由一对相称于人类拮抗的气动肌肉互相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重要是由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
6、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2) 第二肩关节的设计第二肩关节和其下的4根机架臂相连接，为的是实现绕X轴旋转这1个自由度，其结构简图如图2-10a所示。三维建模的第二肩关节结构如图2-10b所示。 图2-10(a)第二肩关节 图2-10(b)第二肩关节 结构简图 三维结构图3) 第三肩关节的设计第三肩关节是连接第二肩关节和大臂的纽带。重要零件是肩部连接腕和中部支撑杆。其中肩部连接腕固定在肩部连接轴上，在机架臂的带动下，使得大臂、小臂及气爪整体绕X轴的转动，其另一功能是连接大臂的4根气动肌肉。中部支撑杆是用来固定肘关节，是大臂的支撑
7、杆。其三维结构图如图2-11所示。图2-11第三肩关节三维结构图2.3.3肘关节结构设计1) 虎克铰简介气动机械手的设计难点重要在于肘关节和腕关节的实现。最灵活的关节形式就是球铰，有3个自由度，但是其实现复杂，控制难度比较大。在许多气动机械手的研究中，采用的驱动器都是电机，为实现肩关节的3个自由度，结构往往比较复杂28,29。作为2个自由度的机构，虎克铰的结构比较简朴，且2个自由度之间的运动可以独立进行控制。由于驱动方式的限制，虎克铰的应用在机器人中不是很常见。本研究采用气动肌肉，可以方便地对这种机构进行控制，实现两个自由度的运动。在本设计中，采用如图2-12所示的虎克铰形式来实现肘关节的2个
8、自由度27。图2-12 虎克铰的基本结构2) 肘关节的结构设计肘关节重要是由一个虎克铰的结构构成。由于虎克铰可以实现2个自由度，并且虎克铰的2根轴互相垂直，这就规定肘关节与大臂的气动肌肉的连接件必须具有两个方向单一的铰链点结构，其三维结构如图2-13所示。图2-13 气动肌肉连接件肘关节是连接大臂与小臂的重要关节。分别是通过中部支撑杆和前部支撑杆维系着这两个结构，其三维结构图如图2-14所示。其中一些重要的尺寸参数分别图2-14 肘关节三维结构图由X、Y轴方向来拟定，肘关节X轴方向上的结构简图如图2-15a所示，绿色表达的是肌肉连接件，由于在X轴方向上，其与气动肌肉没有互相转动，因此表达成同一
9、条直线，绿色只是说明这里另一个零件，Y轴方向上的结构简图如图2-15b所示。当不同相邻的两根气动肌肉组成一对时，可以实现绕不同轴的旋转。如图2-14（左图）所示，当前面的两根气动肌肉组成一对，即两根肌肉有相同的运动形式，可知后面的是一对，在运动过程中可以实现绕Y轴的转动。同样的左、右各为一对时，可以实现绕X轴的转动。 (a) X轴方向 (b) Y轴方向图2-15 肘关节X、Y轴方向的结构简图2.3.4 腕关节结构设计腕关节大体上与肘关节的结构相似，重要有一个虎克铰的结构构成。同样可以实现2个自由度，与肘关节不同的是绕着X轴、Z轴的旋转。腕关节和小臂的连接件和肘关节的连接件同样（如图2-13），
10、是两个方向单一的铰链点。腕关节通过前部支撑杆和肘关节固定，前端安装有一个气爪。其三维结构如图2-16所示。 图2-16 腕关节三维结构图腕关节设计过程中的一些重要尺寸参数有X轴，Z轴方向来拟定。其在X轴方向上的结构简图如图2-17(a)所示，Z轴如图2-17(b)所示。(a) X轴方向(b) Z轴方向图2-17 腕关节X、Z轴方向的结构简图第3章 气动机械手关节结构参数设计3.1 参数设计优点一个产品的问世重要涉及提出想法，初步拟定方案，探讨方案进行可行性分析，最终拟定方案，研制，以及最终成型。在设计的初级阶段重要是考虑方案的可行性，拟定方案后，参数化设计各个结构零件，可以获得最满意的结果30
11、。结合本次所设计的气动机械手，参数化设计零件的优点是在相同的结构下，使每一个关节获得最大的运动范围，即绕各自的转动轴获得最大的转动角。3.2 肩关节结构参数设计3.2.1第一肩关节结构参数设计第一肩关节的结构简图如图3-1所示。图3-1 第一肩关节的结构简图假定CBOEC1是第一肩关节开始的运动位置，BDD1E可绕O点旋转，逆时针旋转的极限位置是B1OE1，这时出现死点的现象，即当CB1O在同一直线上，连接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。（1）拟定bb是肌肉连接件的
12、铰链点到肩部肌肉连接件的距离，根据结构可得b=35mm。（2）拟定L根据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为250mm的气动肌肉，其最大运动行程是原始长度的20%，在运动的开始位置，取其最大收缩长度的一半，即是225mm，在加上气动肌肉自身结构（如图2-5）的其他长度，两个铰链点的长度L=225+50=275mm，L的范围是（27525）mm。（3）拟定aa是如图2-8b所示的肩部肌肉连接件宽度的一半，d是长度的一半。设为逆时针旋转时的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。=BOC=FBOFCO=arctanarctan=arctanarctan (3
13、-1)由公式（3-1）可知：tan= (3-2)由于tan在是单调增函数，b，L为已知，所以当a取得最小值时，tan取得最大值，即取得最大值。由于O点处装有一根20mm的连接杆，因此取肩部肌肉连接件的宽度为30mm，即半宽a=15mm。（4）拟定d由公式(2)可知，tan=1.079 47.2当=47.2代入公式(1-1)可知d无解。计算BOE旋转到B1OE1的极限位置，其中气动肌肉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= = E1O=R= = arctanarc
14、tan代入公式(3-5)可得mm (3-6)根据气动肌肉的结构，在安装时，2d24mm， 即 d12mm (3-7)有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 mm由公式(3-2)知tan=，由于dL，所以取最大的d时，可以得到最大的tan，也就是最大的,在这里取d=36mm。（5）拟定由公式(3-2)得 tan= =0.564得=29.4。所以第一肩关节绕Z轴的理论最大运动范围为(29.4，29.4)。3.2.2第二肩关节结构参数设计第二肩关节的结构简图如图3-2所示。假定CAOEC1是第二肩关节开始的运动位置，铰链点A，E可绕O点旋转，逆时针的极限位置是A1OE1，即当CA1O在同一条直线上，连接AO，A1O，EO，E1O。作O点到CA的垂线交CA的延长线于F点。连接AE，作O点垂直AE交AE于B点。设AB= a，OB= b
