本文格式為Word版，下載可任意編輯——畢業氣動機械手關節結構設計及運動學仿真分析

課題名稱：氣動機械手關節結構設計及運動

學仿真分析

姓名：班級：學號：

指導老師：

學院：機械與自動控制學院

摘要

隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構成的關節型機器人，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優點，是應用最為廣泛的機器人之一。特別由柔性關節組成的柔性仿活力器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。

本課題重點在于氣動機械手關節結構參數化設計和其可行性分析。由于氣動肌肉柔性關節的研究歷史短、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指標的滿足。

本文重點解決的問題——結構設計及仿真。本課題中主要內容是：（1）設計氣動機械手關節結構；（2）關節結構的參數設計；

（3）用仿真軟件進行運動過程模擬分析以此來改善結構設計，直到得出滿意的

結果為止。

目標：滿足氣動機械手關節結構的設計要求。

第4章氣動機械手關節的模擬仿真?????????????????????27

4.1仿真內容??????????????????????????????274.2仿真方法??????????????????????????????274.3氣動機械手關節的運動學分析?????????????????????28

4.3.1第一肩關節的運動仿真及分析???????????????????284.3.2其次肩關節的運動仿真及分析???????????????????284.3.3肘關節X軸方向的運動仿真及分析?????????????????294.3.4肘關節Y軸方向的運動仿真及分析?????????????????304.3.5腕關節X軸方向的運動仿真及分析?????????????????314.3.6腕關節Z軸方向的運動仿真及分析?????????????????324.3.7第一二肩關節，肘關節X軸方向，腕關節X軸方向的運動仿真及分析???324.3.8第一二肩關節，肘關節Y軸方向，腕關節Z軸方向的運動仿真及分析???33

第5章結論????????????????????????????????33

氣動機械手關節結構設計及運動學仿真分析

圖2-1氣動肌肉

圖2-2氣動肌肉的結構

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，藍色陽極氧化；3.內部圓錐材料：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，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動器，它模仿自然肌肉的運動，氣動肌肉由一個收縮系統和適合的連接器組成。這個收縮系統由一段被高強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狀結構。當內部有壓力時，管道就在球面方向上擴張，因此產生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運動。拉伸力在收縮開始時最大，

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并與行程成線形比例關系減小。氣動肌肉的可使用工作行程高達其額定長度的25%。氣動肌肉只能做拉伸驅動器。球面方向的擴張不能用于夾緊，由于收縮運動引起的外部摩擦可能損壞肌肉。2)氣動肌肉長度和負載的關系

氣動肌肉的額定長度是在無壓力，無負載的狀況下定義的。它相當于接口間可見的那部分肌肉的長度。當氣動肌肉受外力作用預拉伸時，它就被拉長了（如圖2-3所示）；另一方面，當受壓時，肌肉收縮，其長度減小。

圖2-3長度與張力的關系

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動器，負載不變（如圖2-4a）。假設氣動肌肉上該負載一直存在，在沒有壓力的狀況下，肌肉將從原始狀態被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌肉的技術特性的一種理想工作狀態：當加壓時，氣動肌肉在預拉伸狀態下有最大的輸出力和最正確動態性能，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張狀態時無作用力（如允許附加上負載），首先就要加上用于提升負載目的的保持力，利用它的運動來移動作用力小的元件。

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(a)(b)

圖2-4不同外力作用下氣動肌肉表現形式

當外力發生變化時（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。這些氣動肌肉會產生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應用[26]。

在機械設計手的設計過程中，為了簡化設計的模型，使設計過程簡單明白，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

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伸運動，為了實現肌肉的這種運動形式，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氣動機械手的基本結構

本課題所設計的氣動機械手的結構如圖2-7所示。

1.機架2.氣動肌肉3.第一肩關節4.其次肩關節5.機架臂6.第三肩關節7.大臂8.肘關節9.小臂10.腕關節11.氣爪

圖2-7氣動機械手的結構

氣動機械手主要由起固定支撐作用的機架、機械臂和氣爪三部分組成。氣動機械手能夠實現4個自由度（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的原動件數目，此機構有4個原動件，因此可得有4個自由度）的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現各自關節的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現機械手的動作要求。驅動第一肩關節的運動有2根氣動肌肉組成，機架臂有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。

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2.3氣動機械手關節結構設計

2.3.1關節的基本方式

在氣動機械手設計中，有4個自由度，相當于4個獨立的關節。每個關節的驅動原理都是一致的，即由一對相當于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅動關節。其原理如圖2-8所示。這種方式驅動的關節，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關，而其位置則和2個肌肉的壓力差有關，因此可以實現關節位置和剛度的獨立控制[27]。

圖2-8關節的基本驅動方式

2.3.2肩關節結構設計1)第一肩關節的設計

第一肩關節主要是由2根氣動肌肉作為驅動，實現繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標在圖2-7中，下同）轉動這1個自由度，其結構簡圖如圖2-9(a)所示。三維建模的第一肩關節結構如圖2-9(b)所示。

圖2-9(a)第一肩關節結構簡圖

圖2-9(b)第一肩關節三維結構圖

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第5章結論

本文設計了一個全部由氣動肌肉驅動的機械手，從整體結構到各個關節、手臂零件的設計，通過理論計算和三維模擬仿真，對各個關節進行優化，最終實現氣動機械手關節最大的運動范圍，滿足預期設計要求。

各個關節的最大運動范圍如下：（1）肩關節

第一肩關節(?29.4o，29.4o)其次肩關節(?44.5o，44.5o)（2）肘關節

肘關節X軸方向(?60.4o，32.6o)肘關節Y軸方向(?29.4o，29.4o)（3）腕關節

腕關節X軸方向(?70.7o，70.7o)腕關節Z軸方向(?29.4o，29.4o)

該機械手能夠實現4個自由度的運