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1、浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 參考文獻 3 3 34 36 動伺服技術(shù)走出實驗室，氣動技術(shù)及氣動機械手迎來了嶄新的春天。 目前在 世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、 氣動機械手三足鼎立的局面。我國 對氣動技術(shù)和氣動機械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的 加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮 著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制 理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物

2、質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。 由于氣動 機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、 易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸 多獨特的優(yōu)點。 圖2-3長度與張力的關(guān)系 2.1.3氣動肌肉的模型 在最簡單的情況下，氣動肌肉用作單作用驅(qū)動器，負載不變（如圖 2-4a） 假設(shè)氣動肌肉上該負載一直存在， 在沒有壓力的情況下，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佳動態(tài)性能， 并且耗氣量最小。在這 種情況下，可用的力也最大。如果要求氣動肌肉在擴張狀態(tài)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

3、保持力，利用它的運動來移動 作用力小的元件。 RnuH if 劭 If （a） （b） 圖2-4不同外力作用下氣動肌肉表現(xiàn)形式 當外力發(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 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情況下可用作彈簧。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] 0 在機械設(shè)計手的設(shè)計過程中，為了簡化設(shè)計的模型，使設(shè)計過程簡單明了， 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 O 0 圖2-5二維簡化模型 圖

4、2-6三維簡化模型 伸運動，為了實現(xiàn)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方便，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） 0 2.2氣動機械手的基本結(jié)構(gòu) 本課題所設(shè)計的氣動機械手的結(jié)構(gòu)如圖 2- 7所示。 1?機架 2.氣動肌肉 3.第一肩關(guān)節(jié) 4.第二肩關(guān)節(jié) 5.機架臂 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氣動機械手的結(jié)構(gòu) 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?qū)崿F(xiàn)4個自由度（由于機構(gòu)運動確

5、定，因此機構(gòu)的自由度等于機構(gòu)的 原動件數(shù)目，此機構(gòu)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(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，使物品在空間上運動，根據(jù)合理的控制，最終實現(xiàn)機 械手的動作要求。驅(qū)動第一肩關(guān)節(jié)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。 2.3氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1關(guān)節(jié)的基本方式 在氣動機械手設(shè)計中，有4個自由度，相當于4個獨立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的 驅(qū)動原理都是相同的，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 3

6、 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 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、丫、Z軸的 方向標在圖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。 Q Q O Q 3 Q 圖2-9(a)第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 圖2-9(

7、b)第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 2)第二肩關(guān)節(jié)的設(shè)計 第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機架臂相連接，為的是實現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)這1個自 由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2-10a所示。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖 2-10b所 示。 圖2-10(a)第二肩關(guān)節(jié) 圖2-10(b)第二肩關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡圖 3)第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計 三維結(jié)構(gòu)圖 第三肩關(guān)節(jié)是連接第二肩關(guān)節(jié)和大臂的紐帶。主要零件是肩部連接腕和中部 支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機架臂的帶動下，使得大臂、 小臂及氣爪整體繞X軸的轉(zhuǎn)動，其另一功能是連接大臂的 4根氣動肌肉。中部 支撐桿是用來固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖 2-

8、11所示。 圖2-11第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 2.3.3肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）虎克鉸簡介 氣動機械手的設(shè)計難點主要在于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的實現(xiàn)。最靈活的關(guān)節(jié)形式 就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。在許多氣動機械 手的研究中，采用的驅(qū)動器都是電機，為實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的 3個自由度，結(jié)構(gòu)往往比 較復(fù)雜［28,29］。作為2個自由度的機構(gòu)，虎克鉸的結(jié)構(gòu)比較簡單，且2個自由度之間 的運動可以獨立進行控制。由于驅(qū)動方式的限制，虎克鉸的應(yīng)用在機器人中不是 很常見。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機構(gòu)進行控制， 實現(xiàn)兩個自由 度的運動。在本設(shè)計中，采用如圖2-12所示的虎克

9、鉸形式來實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個自 由度［27］。 圖2-12虎克鉸的基本結(jié)構(gòu) 2）肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 肘關(guān)節(jié)主要是由一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于虎克鉸能夠?qū)崿F(xiàn) 2個自由度, 并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關(guān)節(jié)與大臂的氣動肌肉的連接件必須 具有兩個方向單一的鉸鏈點結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖 2-13所示。 圖2-13氣動肌肉連接件 肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿 維系著這兩個結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-14所示。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別 圖2-14肘關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 由X、Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-15a所

10、示，綠色表示的 是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動，因此表示成同 一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-15b所示。 當不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。如圖2-14（左 圖）所示，當前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運動形式，可 知后面的是一對，在運動過程中可以實現(xiàn)繞 刑由的轉(zhuǎn)動。同樣的左、右各為一對 時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動 a n ⑻X軸方向 St (b) Y 軸方向 圖2-15肘關(guān)節(jié)X、Y軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖 2.3.4腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 腕關(guān)節(jié)大體上與肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似， 主要有一個虎克鉸的

11、結(jié)構(gòu)構(gòu)成。同樣能 夠?qū)崿F(xiàn)2個自由度，與肘關(guān)節(jié)不同的是繞著X軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)。腕關(guān)節(jié)和小臂的連 接件和肘關(guān)節(jié)的連接件一樣（如圖2-13），是兩個方向單一的鉸鏈點。腕關(guān)節(jié)通 過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖 2-16所示。 圖2-16腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖  腕關(guān)節(jié)設(shè)計過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方 向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-17(a)所示，Z軸如圖2- 17(b)所示。 \ 9 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） ⑻X軸方向 # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計

12、 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） (b) Z軸方向 圖2-17腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖 第3章氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 3.1參數(shù)設(shè)計優(yōu)點 一個產(chǎn)品的問世主要包括提出想法， 初步確定方案，探討方案進行可行性分 析，最終確定方案，研制，以及最終成型。在設(shè)計的初級階段主要是考慮方案的 可行性，確定方案后，參數(shù)化設(shè)計各個結(jié)構(gòu)零件，可以獲得最滿意的結(jié)果 [30]。 結(jié)合本次所設(shè)計的氣動機械手，參數(shù)化設(shè)計零件的優(yōu)點是在相同的結(jié)構(gòu)下， 使每一個關(guān)節(jié)獲得最大的運動范圍，即繞各自的轉(zhuǎn)動軸獲得最大的轉(zhuǎn)動角。 3.2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 3.2.1第

13、一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示。 圖3-1第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖 假定CB0EC1是第一肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，BDD1E可繞0點旋轉(zhuǎn)，逆時 針旋轉(zhuǎn)的極限位置是B10E1，這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當 CB10在同一直線上， 連接BO，B10，EO, E10，C10。作0點到CD的垂線交CD的延長線于F點。 設(shè) 0A= a，AD= d，BD= b，BC=L，B0= B10= E0= E10=R。 （1） 確定b b是肌肉連接件的鉸鏈點到肩部肌肉連接件的距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)可得b=35mm。 （2） 確定L 根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為 250mm

14、的氣動肌肉，其最大 運動行程是原始長度的20%,在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即 是225mm,在加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點的長 度 L=225+50=275mm，L 的范圍是（275 _25） mm。 （3）確定a a是如圖2-8b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。 設(shè)〉為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知 .BOB仁：，.EOE仁:，由于 BOC 二：EOC，所以 EOC仁 BOC=：。 :=BOC= FBO - FCO=arctan^ FB -arctanOF FC =arcta n d . d arctan

15、— a b a b L (3-1) 由公式（3-1）可知: _d tan ： = a b a b L 1+丄辺 a b a b L dL (a b)(a b L) d2 (a b)(a b L), d L a b) a b l) (3-2) 11 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 由于tan〉在一（0,1）是單調(diào)增函數(shù)，b,L為已知，所以當a取得最小值時, 2 tan〉取得最大值，即?取得最大值。由于O點處裝有一根?一 20mm的連接桿， 因此取肩部肌肉連接件的寬度為 30mm，即半寬a

16、=15mm。 （4）確定d 由公式（2）可知，tan：乞 275 2(5—35)(15—35—275) =1.079 # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） :乞 47.20 當〉=47.2o代入公式（1-1）可知d無解。 計算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動肌肉 CB1 - 250mm， C1E1 士 300mm。 CB1=CO -B1O=CO -R= .OF2 CF2 -、0F2 BF2 (3-3) (3-4) =、d2 (a b L)2 - d (a b)2 - 250mm

17、 由公式(3-3)可得0 d乞88.4 mm 已知? C1OE1=2 ：■ 2 2 2 2 C1E1 =CiO EiO -2CiO EiO cos2：乞 300 其中 C1O=CO= .OF2 CF2 = ,d (a b L)2 E1O=R=、OF 2 BF2 = . d2 (a b)2 d d :-arcta n arctan— a +b a +b + L 根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時, 2d - 24mm， (3-5) (3-6) 即 d - 12mm (3-7) 有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 1 2_ d _ 3 6.m1m 由公式（3-2）

18、知 tan : dL 2 ? (a b)(a b L) d 由于 d<<L ， 代入公式(3-5)可得0 d _ 36.1 mm 13 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） d2<< （a b）（a b L），所以取最大的d時，可以得到最大的tan〉，也就是最大 的J ,在這里取d=36mm。 （5）確定 由公式（3-2）得 dL 2 (a b)(a b L) d 36 x 275 2 (15 35)(15 - 35 275) 36 =0.564 得：=29.4q

19、所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為（-29.4o 29.4O。 3.2.2第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3-2所示。 假定CAOEC1是第二肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點A，E可繞O點旋轉(zhuǎn)， 逆時針的極限位置是 A1OE1,即當CA1O在同一條直線上，連接AO，A10, EO, E10。作0點到CA的垂線交CA的延長線于F點。連接AE，作0點垂直AE 交 AE 于 B 點。設(shè) AB= a，OB= b，AC=L , AO=A 1O=EO=E1O=R0 (1) 確定L 根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為 230mm的氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的

20、 20%，在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半， 即是207mm,再加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)(如圖 2-5)的 長度，兩個鉸鏈點的長度 L=207+67=274mm，L的范 圍是(274 _ 23) mm。 (2) 確定b 設(shè)〉為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知 AOAi=： , EOEi=：，由于：AOC 三:EOCi，所以 —EOCi = — AOC=。 FA :=AOC= FAO - FCO=arctanOF OF a a arcta n =arcta n arcta n — (3-8) FC 圖3-2第二JH關(guān)節(jié) 有公式 tan：= (3-8)可知:

21、aL b b L 1 a 旦 b(b L) a2 b b L L 2*b(b L) (3-9) b b + L 15 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 由于tan〉在一(0,1)是單調(diào)增函數(shù)，L為已知，所以當b取得最小值時， 2 tan〉取得最大值，即：-取得最大值。由于由于 O點處裝有一根.一 20mm的連接 桿，因此取合適的最小的 b=20mm (3) 確定a 由公式(3-9)可知，tan〉- 274 2,20(20 274) =1.787 得 ：乞60.80 當「60.8。代入

22、公式(3-8)可知a無解。 計算AOE旋轉(zhuǎn)到 AiOEi的極限位置，其中氣動肌肉 CAi - 251mm， # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) CiEi - 297mm。 CA仁CO -AiO=CO -R= .OF2 CF2 - . OF2 AF2 =.a2—(廠L)2 一「a2 b2 - 251mm (3-10) 由公式(3-10)可得 0 a m 41.3 mm (3-11) 已知/ C1OE1=2 :- C1E12 二 C1O2 E1O-2C1O E1O cos2： < 2972 (3-12) 其中 C1O=CO= OF2 CF2 = . a2—(b

23、—L)2 E1O=R=、OF2 AF2 = a2 b2 a a :=arcta n arcta n — b b + L 代入公式(3-12)可得0 a乞23.4 mm (3-13) 根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時, 2a- 24mm，即 a - 12mm 有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得 1 2_ a _ 2 3.m4n (3-14) 由公式(3-9)知 aL 2 b(b ■ L) a ,由于a<<L, a2<<b(b - L),所以取最大 17 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) #

24、 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) 的a時，可以得到最大的tan〉，也就是最大的〉，在這里取a=23mm (4) 確定 由公式(3-9)得 aL 2 b(b L) a 23^274 2 20(20 274) 23 =0.983 得：=44.5o 所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(-44.5o 44.50。 3.2.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 第三肩關(guān)節(jié)通過大臂上的氣動肌肉連接到肘關(guān)節(jié)上。 第三肩關(guān)節(jié)的零件尺寸 與肘關(guān)節(jié)的零件尺寸有關(guān)，其零件尺寸是通過肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來確定的。因此 第三肩關(guān)節(jié)的零件參數(shù)化設(shè)計詳見肘關(guān)節(jié)的零件設(shè)計。 3.3肘關(guān)節(jié)結(jié)

25、構(gòu)參數(shù)設(shè)計 肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個方向， 即X軸和丫軸方向。下面分別就 X軸和丫軸方向上的參數(shù)化設(shè)計進行闡述。 3.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 圖*3肘關(guān)節(jié)在兀軸 肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。 假定CABC 1是肘關(guān)節(jié)開始的運動位置，A，B可繞0點 旋轉(zhuǎn)，順時針旋轉(zhuǎn)的極限位置是 A10B1，這時出現(xiàn)死點現(xiàn)象， 即當CA10在同一直線上，連接A10, B10。設(shè)0A= a，AD= b，DD1=L。紅色虛線框表示肘部擋板。 （1） 確定b b是肌肉連接件的長度，根據(jù)結(jié)構(gòu)得b=45mm。 （2） 確定L 根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為23

26、0mm的 氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的 20%，在運動的開 始位置，取其最大收縮長度的一半，即是 207mm,在加上氣 動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點的長度 L=207+50=257mm, L 的范圍是（257 _ 23） mm。 方向上的結(jié)構(gòu) （3）確定a A, B表示肘部擋板上連接肌肉連接件的兩個鉸鏈點，a是兩個鉸鏈點距離的 一半。 設(shè)〉為順時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知? AOC1=〉，? BOB1=〉。 tan： = AC =^2b （3-15） AO a 由公式（3-15）可知，tan〉在…（0,—）是單調(diào)增函數(shù)，b，L為已知，所以當a 2

27、取得最小值時，tan〉取得最大值，即?取得最大值。當a " 0時，〉=90Ob 計算AOB旋轉(zhuǎn)到A1OB1的極限位置，其中 A1C-2b+Lmin=2 45+234 =324mm。BiCi ^2b+Lmax=2 45+280=370mm。 AiC= CO —AiO=、0A2 AC2 一 AiO= a2 (2b L)2 _a_ 324mm (3-16) 由公式(3-16)可得 0 a 乞 2 3.mm (3-17) 已知.BOB1=：，得 OBB1=1 2 a B1BC1=._ OBB1+._ OBC1= —— +—=二 2 2 2 2 2 2 Of 2 B1C

28、1 = BB1 BC1 - 2BB1 BC1 cos二-一乞 370 (3-18) 2 2 2 2 2 2 2 BB1 OB1 OB —2cos ： =a a —2cos： =2a - 2cos: 得 BB仁?. 2a2 -2cos : BC1=AC=2b+L=347mm 丄 L +2b (3-19) (3-20) :=arctan— a 代入公式(3-18)得 0 a _ 22.4 mm 根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2a-24mm, 即 a - 12mm 由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得 12乞 a 2 2mm 由公式(3-15)可知 tan：

29、=:AC = -―*，且已知 L=257mm，b=45mm，當取 AO a 最小值a=12時，tan〉取得最大值。 (4) 確定: =28.9 丄 AC L+2b 257 +2 乂 45 tan = = = AO a 12 得：=88.0 o 所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(-88.0Q 88.00。 由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)的兩個鉸鏈點之間的距離為 2a=24mm。 3.3.2 丫軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 肘關(guān)節(jié)在丫軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-4所示。 假定CAOA 1C1是肘關(guān)節(jié)開始的運動位置，D，B可繞O點旋轉(zhuǎn)，作以O(shè)點 為圓心，OD為半徑的圓。順時針旋轉(zhuǎn)的極限位

30、置是 D1OB1,這時出現(xiàn)死點的現(xiàn) 象，即當CDiO在同一直線上，連接 DO, DiO, BO, B1O, C1O。設(shè)0A= a , AD= b ， DC=L o ///////// (1)確定a 設(shè)〉為順時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知 C1 / DOC= j，乙 BOBi=二。由于二 DOC = \ BOCi， 所以 BOC仁 DOC = ： o :-=DOC= ? AOC- AOD 丄 AC x AD =arcta n arctan—— AO AO =arctan __「arctanb a a 有公式(3-21)可知： (3-21) b L b tan ：=—

31、—a 1 aL L ? = < b L b b(b L) a b(b L) a a a a a Di E b B1 圖H肘關(guān)們、軸 2*(廠L) 可得 257 =1.10 2、、45(45 257) 計算DOB旋轉(zhuǎn)到DiOBi的極限位置，其中 CDi -234mm，C1B1 二 280mm。 21 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) 方向上的結(jié)構(gòu)簡圖+ CD仁CO -DiO= OA2 AC2 -,0A2 AD2 =a2 (b L)2 a2 b2 - 23

32、4mm (3-22) # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) (3-23) 由公式(3-22)可得0 a乞58.2 mm 已知? CiOBi=2 : (3-24) 2 2 2 2 CiBi =CiO BiO -2CiO BiO cos2： - 280 其中 CiO=CO= .OA2 AC2 = ...a2 (b L)2 BiO=R= .0A2 AD2 = . a2 b2 :-=arcta n -arcta nb a (3-25) 代入公式(3-24)可得0 a z 32.4 mm 根據(jù)

33、氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2a-24mm, 即 a-12mm (3-26) 有(3-23)、(3-25)、(3-26)式得 12^a^ 3 2.m4m 可知tan〉= aL 2，由于a<<L， a2<<b(b L)，所以取最大的a時, b(b + L) +a 可以得到最大的tan:-，也就是最大的:-,在這里取a=32mm。 (2) 確定: aL 32 257 所以 tan - = 2 2 =0.563 b(b + L) +a 45(45+257)+32 得：=29.4ob 所以肘關(guān)節(jié)繞丫軸的理論最大運動范圍為(-29.4Q 29.46 由此可以得

34、到第三肩關(guān)節(jié)長度方向的兩個鉸鏈點之間的距離為 2a=64mm。 3.4腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 腕關(guān)節(jié)加上小臂的結(jié)構(gòu)等同于肘關(guān)節(jié)加上大臂的結(jié)構(gòu)，因此肘關(guān)節(jié)的零件尺 寸確定于腕關(guān)節(jié)的零件尺寸確定完全一樣， 唯一不同的是肘關(guān)節(jié)是X , Y軸方向, 腕關(guān)節(jié)是X， Z軸方向。 (1) X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 腕關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖與肘關(guān)節(jié)X軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果： 取最小值a=12mm時，tan〉取得最大值，tan〉=28.9，得〉=88.0 q 腕關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為(-88.00 88.00。 由此可以得到腕肩關(guān)節(jié)擋板上的兩個鉸鏈點之間的距離為 2a=24mm。 (

35、2) Z軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 腕關(guān)節(jié)Z軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖與肘關(guān)節(jié) 丫軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果： 取最大值a=32mm時，tan〉取得最大值，tan〉=0.563，得〉=29.4q 腕關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(-29.40 29.40)b 2a=64mm。 由此可以得到腕關(guān)節(jié)兩塊擋板的兩個鉸鏈點之間的距離為 第4章氣動機械手關(guān)節(jié)的模擬仿真 4.1仿真內(nèi)容 運動仿真是結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容，氣動機械手是一個復(fù)雜的機構(gòu)，確 定結(jié)構(gòu)后，在運行中還會發(fā)生干涉現(xiàn)象，因此需要進行運動學仿真分析， 確保方 案可行。在運動仿真過程中，對結(jié)構(gòu)零件不斷進行修改，最終滿足設(shè)計要求 ［3

36、1］。 仿真的基本內(nèi)容是對結(jié)構(gòu)進行可行性分析， 運動學分析，增大機械手的運動 范圍，使其更好的滿足生產(chǎn)需要。結(jié)合本次設(shè)計的氣動機械手，仿真的內(nèi)容是 (1) 第一肩關(guān)節(jié)的運動仿真； (2) 第二肩關(guān)節(jié)的運動仿真； (3) 肘關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真； (4) 肘關(guān)節(jié)丫軸方向的運動仿真； (5) 腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真； (6) 腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運動仿真； (7) 第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真； (8) 第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)丫軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運動仿真。 4.2仿真方法 運動仿真是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容,在Pro/E的Mechanism模

37、塊中,通過對 機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器使其運動起來，來實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。在整體設(shè)計后, 通過仿真可以模擬機構(gòu)的運動，從而檢查機構(gòu)的運動是否達到設(shè)計要求，是否發(fā) 生干涉，實現(xiàn)機構(gòu)的設(shè)計與運動軌跡校核。同時，可直接分析各運動副與構(gòu)件在 某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情 況。在Pro/E環(huán)境下進行機構(gòu)的運動仿真分析，不需要復(fù)雜的數(shù)學建模、也不需要 復(fù)雜的計算機語言編程，而是以實體模型為基礎(chǔ)，集設(shè)計與運動分析于一體，實現(xiàn) 產(chǎn)品設(shè)計、分析的參數(shù)化和全相關(guān)，反映機構(gòu)的真實運動情況［32］。 本文以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動機 械

38、手關(guān)節(jié)的運動仿真模型。首先在 Pro/E中建立氣動機械手關(guān)節(jié)的三維模型，然 后完成整個機械手的裝配，設(shè)置關(guān)節(jié)的安裝位置為機構(gòu)運動的初始位置，添加驅(qū) 動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷 25 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) 的修改和完善，才能生成所要求的氣動機械手關(guān)節(jié)的仿真模型。 4.3氣動機械手關(guān)節(jié)的運動學分析 仿真時，氣動肌肉作為動力源，極限位置是氣動肌肉與轉(zhuǎn)動軸（鉸鏈點）在 同一條直線上，即出現(xiàn)死點的位置。 4.3.1第一肩關(guān)節(jié)的運動仿真及分析 第一肩關(guān)節(jié)運動前后的位置如圖 4-1（a）和4-1 （b）所示。在此運動過程中， 無

39、干涉現(xiàn)象，通過測量極限位置的角度，得到 :=29.4o所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸 的實際最大運動范圍為（-29.4o 29.40。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-1第一肩關(guān)節(jié)仿真效果圖 4.3.2第二肩關(guān)節(jié)的運動仿真及分析 第二肩關(guān)節(jié)運動前后的位置如圖 4-2（a）和4-2（b）所示。在此運動過程中， 無干涉現(xiàn)象，通過測量極限位置的角度，得到:=44.50所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸 的實際最大運動范圍為（-44.50 44.50。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-2第二肩關(guān)節(jié)仿真效果圖 4.3.3肘關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 肘關(guān)節(jié)X軸方向運動前后的位置如圖4-3所

40、示，其中圖（a）表示向上轉(zhuǎn)動, 圖（b）表示向下轉(zhuǎn)動。在此過程中，均發(fā)生干涉現(xiàn)象，發(fā)生圖（a）現(xiàn)象的原因 是：①肘關(guān)節(jié)有一塊擋板連接板， 向上轉(zhuǎn)動時氣動肌肉碰到擋板連接板而發(fā)生 干涉；②由于擋板上的鉸鏈點的距離太近， 在運動到極限位置之前， 兩對氣動 肌肉就已發(fā)生了干涉。發(fā)生圖（b）現(xiàn)象是由于原因②。 （aj運動前 （a2）運動后 （a） 向上轉(zhuǎn)動 （bi）運動前 （b2）運動后 （b ）向下轉(zhuǎn)動 圖4-3肘關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 其中原因①是無法解決的，不過可以通過增加擋板的長度來增加向上轉(zhuǎn)過 的角度；原因②可以通過增加擋板上的鉸鏈點的距離（如圖 3-3）即AB=2a

41、 的長度來改善，值得一提的是改變 a的長度，A點不能運行到Ai的位置，這里 取a=25mm。相應(yīng)的腕關(guān)節(jié)在X軸方向上的a=25mm。修改后的肘關(guān)節(jié)X軸方向 運動到極限位置的效果圖如圖 4-4所示。繞X軸的運動范圍為（-60.4 o 32.6 0。 (aj運動前 (a2)運動后 (a) 向上轉(zhuǎn)動 (bi)運動前 (b2)運動后 (b )向下轉(zhuǎn)動 圖4-4修改后肘關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.4肘關(guān)節(jié)丫軸方向的運動仿真及分析 肘關(guān)節(jié)丫軸方向運動前后的位置如圖4-5(a)和4-5 (b)所示。在此過程 中無干涉現(xiàn)象，通過通過測量極限位置的角度，得到 :=29

42、.4o所以肘關(guān)節(jié)繞丫 軸的實際最大運動范圍為(-29.4o 29.40。 (a)運動前 (b)運動后 圖4-5肘關(guān)節(jié)Y軸方向仿真效果圖 4.3.5腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 腕關(guān)節(jié)在X軸方向上的零件尺寸已經(jīng)根據(jù)肘關(guān)節(jié)在 X軸方向的零件尺寸進行 修改。運動前后的位置如圖4-6（a）和4-6 （b）所示。在仿真過程中，無干涉現(xiàn) 象，通過測量極限位置的角度，得到〉=70.70,所以腕關(guān)節(jié)繞Z軸的實際最大運 動范圍為（—70.70 70.70。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-6腕關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.6腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析 腕關(guān)節(jié)Z軸方向運

43、動前后的位置如圖4-7（a）和4-7 （b）所示。此過程中無 干涉現(xiàn)象，通過通過測量極限位置的角度，得到 :=29.40,所以腕關(guān)節(jié)繞X軸的 實際最大運動范圍為（-29.40 29.40。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-7腕關(guān)節(jié)Z軸方向仿真效果圖 4.3.7第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié) X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向運動前后的位置如圖 4-8（a）和4-8（b）所示。在此過程中無干涉現(xiàn)象，說明此次設(shè)計的氣動機械手 能在預(yù)期的范圍內(nèi)進行運動。 (a)運動前 (b)運動后 圖4-8總運動效果圖 (1) 4.

44、3.8第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)丫軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析 第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié) 丫軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向運動前后的位置如圖 4-9(a)和4-9 (b)所示。在此過程中無干涉現(xiàn)象，說明此次設(shè)計的氣動機械手 能在預(yù)期的范圍內(nèi)進行運動。 (a)運動前 (b)運動后 圖4-9總運動效果圖(2) 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)進行優(yōu)化， 最終實現(xiàn) 氣動機械手關(guān)節(jié)最大的運動范圍，滿足預(yù)期設(shè)計要求。 各個關(guān)節(jié)的最大運動范圍如下： (1) 肩關(guān)節(jié) 第一肩關(guān)節(jié)(-

45、29.4o 29.40 第二肩關(guān)節(jié)(-44.50 44.50 (2) 肘關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié)X軸方向 (-60.4 o 32.6 0 肘關(guān)節(jié)丫軸方向 (-29.40 29.40 33 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) (3) 腕關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié)X軸方向 (一70.70 70.70 腕關(guān)節(jié)Z軸方向 (-29.4q 29.40 # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) # 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文) 該機械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度的運動，氣動肌肉具有控制精確的特

46、點，在抓 取物品等進行生產(chǎn)實踐時，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的動作，基本滿足了實際應(yīng)用需要。 該氣動機械手具有輕巧、安全和控制簡單等特點，可以用于工廠機器人， 服務(wù)機 器人等和人密切接觸的場合。 參考文獻 [1] 徐炳輝?氣動手冊[M].上?？茖W技術(shù)出版社，2005. 26~28. [2] SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2005.36~37. [3] 隋立明， 張立勛.氣動肌肉驅(qū)動仿生關(guān)節(jié)的理論分析 [J].機床與液壓，2007, 35(6) :218~219. [4] Qiu Yan gzhe n, Lin Yime ng. Research and

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54、8, 17(2):48~49 . 35 浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 致謝 本畢業(yè)論文是在我的導師教授的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。 她嚴肅的科 學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課 題的選擇到項目的最終完成，老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。 半年 來，老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至 的關(guān)懷，在此謹向老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此我還要感謝研究生，正是由于她的幫助和支持，我才能克服一個一個的 困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完 成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的 謝意!同時感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們！ 最后感謝我的母校 大學四年來對我的栽培。 #