机械手臂设计

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，负载不变（如图

2-4a）o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。

刊载：常量

1

i0

(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

OO

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..2.气动肌..3.第一肩关..4.第二肩关..5.机架臂

6.第三肩关..7.大..8.肘关..9.小..10.腕关..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。

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］。

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图2-9(b)所示。

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

图240(b)第二肩关节

结构简图三维结构图

3)第三肩关节的设计

第三肩关节是连接笫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）虎克较简介

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

就是球较，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,虎克较的结构比较简朴,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，虎克铉的应用在机器人中

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2T2所示的虎克钱形式来实现肘关节的2

个自由度［27］。

图2・12虎克较的基本结构

2）肘关节的结构设计

肘关节重要是由一个虎克较的结构构成。由于虎克较可以实现2个自由度，并且

虎克较的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

两个方向单一的较链点结构，其三维结构如图2T3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2T4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2T5a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2T5b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，重要有一个虎克较的结构构成。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273）,是两个方向单一的较链点。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276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：(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2T7(b)所示。

3O

卜

0O

(a)X轴方向

O-----------3---------------O-----

a

o----------------------------o-----

(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］。

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CB0EC1是第一肩关节开始的运动位置，BDD1E可绕0点旋转，逆时针旋

转的极限位置是B10E1,这时出现死点的现象，即当CB10在同一直线上，连接

BO,B1O,EO,E10,C10o作O点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设OA二

a,AD=d,BD=b,BC=L,BO=B1O=EO=EIO=Ro

(1)拟定b

b是肌肉连接件的钱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，两个较链点的长度

L=225+50=275mm,L的范围是(27525)mm。

(3)拟定a

a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=。

OPOF

a=ABOOZFBO-ZFCO=arctan--arclan—

FBFC

=arctan--------arctan-----------(3-1)

a+ba+b+L

由公式(3-1)可知：

tanct=a+ba+b+L_______吆_______________4________

idd(a+b)(a+Z?+L)+d2(a+b)(a+b+L)

a+ba+b+Ld

</L(3-2)

2y](a+b)(a+b+L)

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=15mmo

(4)拟定d

由公式(2)可知,tan=1.079

a<47.2°

当a=47.2。代入公式(1-1)可知d无解。

计算BOE旋转到B1OEI的极限位置，其中气动肌肉CB1250mm,

C1E1300mmo

CBI=CO-B1O=CO-R=yjoF2+CF2-J。尸+。尸

=Jd2+(a+b+L)2-4d2+(a+bl22250mm(3-3)

由公式(3-3)可得0yd<88.4mm(3-4)

己知NCiOEi=2a

CiEi2=CiO2+E1O2-2CiOxEiOxcos2cr<3OO2(3-5)

其中00=8=y]OF2+CF2=[储+(a+C+L)2

EiO=R=dOF-BF2=J屋+(.+4)2

dd

a—arctan--------arctan-----------

a+ba+b+L

代入公式(3-5)可得0yd<36.1mm(3-6)

根据气动肌肉的结构，在安装时,2d24mm,

即d212mm(3-7)

有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得12<J<36.1mm

由公式(3-2)知urn=:由丁,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Q

由公式(3-2)得tana=------------------=---------空空--------

(a+b)(a+b+L)+d2(15+35)(15+35+275)+362

=0.564

得a=29.4°o

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，钱缝点

A,E可绕。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,ElOo

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,

AC=L,AO=A1O=EO=E10=R。

(1)拟定L

根据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为230mm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2()7mm,再加上气动肌肉自身结构

(如图2-5)的长度，两个钱链点的长度L=207+67=274mm,L的范围是(27423)

mm。

(2)拟定b

设为逆时针旋转时的最大角度，可知AOA1=,EOE1=,由于

AOCEOC1,所以EOC1=AOC=。

OF

a=Z.AOC=ZFAO-ZFCO=arctan----

FA

OFaa_

arctan---=arctan---arctan----z(3-8)

FCbb+L

有公式(3-8)可知：

aa

bh+faLL

tana=—~=---------~-——

图第二肩关节aab(b+L)+a-?b(b+L)

3-21+-X-----------rG

bb+La

L

<—(3-9)

2y/b(b+L)

由于tan在是单调增函数,L为已知，所以当b取得最小值时,tan取得最

大值，即取得最大值。由于由于O点处装有一根20mm的连接杆，因此取合适

的最小的b=20mm°

(3)拟定a

由公式(3-9)可知，tan=1.787

得a<60.8。

当a<60.8°代入公式(3-8)可知a无解。

计算AOE旋转到A1OE1的极限位置，其中气动肌肉CAI251mm,

C1E1297mmo

CA1=CO-AIO=CO-R=ylOF2+CF2-ylOF2^AF2

2222

=y]a+(b+L)->]a+/22251mm(3-10)

由公式(3-10)可得0YaK41.3mm(3-11)

己知/CiOEi=2a

CiEi2=CiO2+EiO2-2CIOXEIOXCOS2(2<2972(3-12)

其中C1O=CO=yjOF2+CF2=

E1O=R=J。尸+K尸=J/+加

aa

a=arctan--arctan-----

bb+L

代入公式(3-12)可得0Y〃W23.4mm(3-13)

根据气动肌肉的结构，在安装时,2a24mm,即

a212mm(3-14)

有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得12<a<23.4mm

由公式(3-9)知tan=，由于a«L,«，所以取最大的a时，可以得到最大的

tan,也就是最大的，在这里取a=23mm。

(4)拟定a

aL23x274

由公式(3-9)得tana----------=----------=-0-.-9-8-3-

b(b+L)+a220(207+274)+23

得a=44.5°

所以第二肩关节绕X轴的理论最大运动范围为(44.5°,44.5°)0

3.2.3第三肩关节结构参数设计

第三肩关节通过大臂上的气动肌肉连接到肘关节上。第三肩关节的零件尺寸与时

关节的零件尺寸有关，其零件尺寸是通过肘关节的零件尺寸来拟定的。因此第三

肩关节的零件参数化设计详见肘关节的零件设计。

3.3肘关节结构参数设计

肘关节的零件尺寸拟定可以分为两个方向，即X轴和Y轴方向。下面分别就X轴

和Y轴方向上的参数化设计进行阐述。

3.3.1X轴方向上的结构参数设计

肘关节在X轴方向上的结构简图如图3-3所示。

假定CABC1是肘关节开始的运动位置，A,B可绕O点旋转,

顺时针旋转的极限位置是A10B1,这时出现死点现象，即当

CA10在同一直线上，连接A1O,B10。设0A=a,AD=b,

DD1=LO红色虚线框表达肘部挡板。

(I)拟定b

b是肌肉连接件的长度，根据结构得b=45mm。

(2)拟定L

根据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为230mm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207mm,在加上气动肌

肉自身结构(如图2-5)的其他长度，两个较链点的长度

L=207+50=257mm,L的范围是(25723)mm。

图3-3肘关节在X轴

方向上的结构简图J

(3)拟定a

A,B表达肘部挡板上连接肌肉连接件的两个狡链点，a是两个锐链点距离的

一半。

设为顺时针旋转时的最大角度，可知AOC1=,BOB1=。

ACL+2b

tana=(3-15)

~AOa

由公式(3T5)可知，tan在是单调增函数，b,L为已知，所以当a

取得最小值时，lan取得最大值，即取得最大值。当a0时，-90。。

计算AOB旋转到A10B1的极限位置，其中A1C2b+Lmin=245+234

=324mm。BiCi<2b+Lmax=2x45+280=370inm。

A1C=CO-AIO=NW+AC2-A10=^a2+(2b^-L)2-a>324mm(3-16)

由公式(3-16)可得OYAW23.8mm(3-17)

己知BOB1=,得OBB1=,

7T—ryJT(y

ZBIBCI=ZOBBI+ZOBCI=-~~-+-=^--

222

BICI2=BBI2+BCI2-2BBIXBCIXCOS^--|<3702(3-18)

BBl2=OBi2+OB2-2cosa=a2+a2-2coscr=2a2-2costz

得BBi=J2a」-28sa

BCi=AC=2b+L=347mm

L+2b

a=arctan-----

a

代入公式(3-18)得0ya«22.4mm(3-19)

根据气动肌肉的结构，在安装时,2a24mm,

即a>12mm(3-20)

由(3-17)、(3/9)、(3-20)式得12WaW22.4mm

由公式(3-15)可知tan==,且己知L=257mm,b=45mm,当取最小值a=12时,

tan取得最大值。

(4)拟定仪

ACL+2z?_257+2x45

tana==28.9

~AO~a12-

得a=88.0°

所以肘关节绕X轴的理论最大运动范围为(88.0°,88.0°)。

由此可以得到第三肩关节的两个较链点之间的距离为2a=24mm。

3.3.2Y轴方向上的结构参数设计

肘关节在Y轴方向上的结构简图如图3-4所示。

假定CA0A1C1是肘关节开始的运动位置,D,B可绕0点旋转，作以0点为圆心,

0D为半径的圆。顺时针旋转的极限位置是D1OB1,这时出现死点的现象，即当

CD1O在同一直线上，连接DO,DIO,BO,BIO,CIO。设OA=a,AD=b,DC=L。

/////////、(1)拟定a

设为顺时针旋转时的最大角度，可知

DOC=,BOB1=o由于DOCBOC1,所以

BOC1=DOC=o

a=ZDOC=ZAOC-ZAOD

ACAD

=arctan------arctan----

AOAO

b+Lb

=arctan-------arctan—(3-21)

aa

有公式(3-21)可公

b+Lb

aa_山_L

^b-i-L^b-b(b+L)-^-a2~b(b+L)।口

aaa

L_257

=1.10

2jbS+L)-2〃5(45+257)

可得a<47.8°

计算DOB旋转到DIOBI的极限位置，其中CDI234mm,ClBl280mm。

CDi=CO-DiO=VfM2+AC2-AW+AD7

=yja24-0+L)2-\la2+b22234mm(3-22)

由公式(3-22)可得0ya工58.2mm(3-23)

已知ZCiOBi=2«

CiBi2=CiO2+BiO2-2CiOxBiOxcos2a<2802(3-24)

其中C1O=CO=xioA'+AC2=^a2+(b+L)2

BiO=R=y/o^+AD2=

b+Lb

a=arctan---------arctan—

aa

代入公式(3-24)可得0yaK32.4mm(3-25)

根据气动肌肉的结构，在安装时,2a24mm,

即a212mm(3-26)

有(3・23)、(3・25)、(3・26)式得1244K32.4mm

可知tan=,由于a〈<L,«,所以取最大的a时，可以得到最大的tan,也

就是最大的，在这里取a=32mmo

(2)拟定a

aL32x257

所以tana==0.563

b(b-\-L)+a245(45+257)+32?

得a=29.4°。

所以肘关节绕Y轴的理论最大运动范围为(29.4°,29.4°)o

由此可以得到第三肩关节长度方向的两个钱链点之间的距离为2a=64mm。

3.4腕关节结构参数设计

腕关节加上小臂的结构等同于肘关节加上大臂的结构，因此肘关节的零件尺寸

拟定于腕关节的零件尺寸拟定完全同样，唯一不同的是肘关节是X,Y轴方向,

腕关节是X,Z轴方向。

(1)X轴方向上的结构参数设计

腕关节X轴方向上的结构简图与肘关节X轴方向的同样，因此直接得到结

果:

取最小值a=12mm时,tan取得最大值,tan=28.9,得=88.()°。

腕关节绕Z轴的理论最大运动范围为(88.0、88.0°)。

由此可以得到腕肩关节挡板上的两个钱链点之间的距离为2a=24mm。

(2)Z轴方向上的结构参数设计

腕关节Z轴方向上的结构简图与肘关节Y轴方向的同样，因此直接得到结

果：

取最大值a二32mm时，tan取得最大值,tan=0.563,得=29.4"。

腕关节绕X轴的理论最大运动范围为(29.4。，29.4。)。

由此可以得到腕关节两块挡板的两个较链点之间的距离为2a=64mm。

第4章气动机械手关节的模拟仿真

4.1仿真内容

运动仿真是结构构设计的一个重要内容,气动机械手是一个复杂的机构，拟

定结构后，在运营中建会发生干涉现象，因此需要进行运动学仿真分析•，保证

方案可行。在运动仿真过程中，对结构零件不断讲行修改，最终满足设计规定

[31]o

仿真的基本内容是对结构进行可行性分析，运动学分析，增大机械手的运

动范围，使其更好的满足生产需要。结合本次设评的气动机械手，仿真的内容是

(1)第一肩关节的运动仿真；

(2)第二肩关节的运动仿真；

(3)肘关节X轴方向的运动仿真；

(4)肘关节Y轴方向的运动仿真；

(5)腕关节X轴方向的运动仿真；

(6)腕关节Z轴方向的运动仿真;

(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;

(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。

4.2仿真方法

运动仿真是结构设计的一个重要内容,在Pro/E的Mechanism模块中,通过对机构

添加运动副、驱动器使其运动起来，来实现机构的运动仿真。在整体设计后，通

过仿真可以模拟机构的运动，从而检查机构的运动是否达成设计规定，是否发生

干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时，可直接分析各运动副与构件在某

一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的互相运动关系及关键部件的受力情

况。在Pro/E环境下进行机构的运动仿真分析，不需要复杂的数学建模、也不需

要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基砧,集设计与运动分析于一体,实

现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况[32]o

本文以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立气动机械手

关节的运动仿真模型。一方面在Pro/E中建立气动机械手关节的三维模型，然后

完毕整个机械手的装配，设立关节的安装位置为机构运动的初始位置，添加驱

动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断

的修改和完善，才干生成所规定的气动机械手关节的仿真模型。

4.3气动机械手关节的运动学分析

仿真时，气动肌肉作为动力源，极限位置是气动肌肉与转动轴(钱链点)在同一

条直线上，即出现死点的位置。

4.3.1第一肩关节的运动仿真及分析

第一肩关节运动前后的位置如图4-1(a)和4-1(b)所示。在此运动过程中，无

干涉现象，通过测量极限位置的角度，得到二29.4。，所以第一肩关节绕2轴

的实际最大运动范围为(29.4°,29.4°)。

(a)运动前(b)运动后

图4・1第一肩关节仿真效果图

4.3.2第二肩关节的运动仿真及分析

第二肩关节运动前后的位置如图4-2(a)和4一2(b)所示。在此运动过程

中，无干涉现象，通过测量极限位置的角度，得到“4.5°,所以笫二肩关节

绕X轴的实际最大运动范围为(44.5°,44.5。)。

(a)运动前(b)运动后

图4-2第二肩关节仿真效果图

4.3.3肘关节X轴方向的运动仿真及分析

肘关节X轴方向运动前后的位置如图4-3所示，其中图(a)表达向上转动，图

(b)表达向下转动。在此过程中，均发生干涉现象，发生图(a)现象的因素是:

①肘关节有一块挡板连接板，向上转动时气动肌肉碰到挡板连接板而发生干涉；

②由于挡板上的较链点的距离太近，在运动到极限位置之前，两对气动肌为就

已发生了干涉。发生图(b)现象是由于因素②。

运动前

(ai)(a2)运动后

(a)向上转动

(bi)运动前(b2)运动后

(b)向下转动

图4-3肘关节X轴方向仿真效果图

其中因素①是无法解决的，但是可以通过增长挡板的长度来增长向上转过的角

度；因素②可以通过增长挡板上的钱链点的距离(如图3-3)即AB=2a的长度来

改善，值得一提的是改变a的长度,A点不能运营到A1的位置.，这里取a=25mm。

相应的腕关节在X轴方向上的a=25mmo修改后的肘关节X轴方向运动到极限

位置的效果图如图4-4所示。绕X轴的运动范围为(60.4°,32.6°)。

运动前

(ai)(a2)运动后

(a)向上转动

运动前

(bi)(b2)运动后

<b)向下转动

图4-4修改后肘关节X轴方向仿真效果图

4.3.4肘关节Y轴方向的运动仿真及分析

肘关节Y轴方向运动前后的位置如图4-5(a)和4-5(b)所示。在此过程中无

干涉现象，通过通过测量极限位置的角度，得到二29.4。，所以肘关节绕Y轴

的实际最大运动范围为(29.4。，29.4°)o

(a)运动前(b)运动后

图4・5肘关节Y轴方向仿真效果图

4.3.5腕关节X轴方向的运动仿真及分析

腕关节在X轴方向上的零件尺寸已经根据肘关节在X轴方向的零件尺寸进行修

改。运动前后的位置如图4-6(a)和4-6(b)所示。在仿真过程中，无干涉现

象，通过测量极限位置的角度，得到=70.7°,所以腕关节绕Z轴的实际最大

运动范围为(70.7°,70.7°)o

(a)运动前(b)运动后

图4-6腕关节X轴方向仿真效果图

4.3.6腕关节Z轴方向的运动仿真及分析

腕关节Z轴方向运动前后的位置如图4-7(a)和4-7(b)所示。此过程中无干

涉现象，通过通过测量极限位置的角度，得到二29.4。，所以腕关节绕X轴的

实际最大运动范围为(29.4°,29.4°)o

(a)运动前(b)运动后

图4-7腕关节Z轴方向仿真效果图

4.3.7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

第一、二肩关节，肘关节X轴方向，腕关节X轴方向运动前后的位置如图68(a)

和4-8(b)所示。在此过程中无干涉现象，说明本次设计的气动机械手能在预

期的范围内进行运动。

(a)运动前(b)运动后

图4・8总运动效果图(1)

4.3.8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

第一、二肩关节，肘关节Y轴方向，腕关节Z轴方向运动前后的位置如图4-9(a)

和4-9(b)所示。在此过程中无干涉现象，说明本次设计的气动机械手能在预

期的范围内进行运动。

(a)运动前(b)运动后

图4・9总运动效果图(2)

第5章结论

本文设计了一个所有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，满足预期设计规定。

各个关节的最大运动范围如下：

(1)肩关节

第一肩关节(294°,29.4°)

笫二肩关节(44.5°,44.5。)

(2)肘关节

肘关节X轴方向(60.4°,32.6°)

肘关节Y轴方向(29.4°,29.4°)

(3)腕关节

腕关节X轴方向(70.7°,70.7°)

腕关节Z轴方向(29.4°,29.4°)

该机械手可以实现4个自由度的运动，气动肌肉具有控制精确的特点，在抓取物

品等进行生产实践时，可以实现高精度的动作，基本满足了实际应用需要。

该气动机械手具有轻巧、安全和控制简朴等特点，可以用于工厂机器人，服务机

器人等和人密切接触的场合。

参考文献

[1]徐炳辉.气动手册[M].上海科学技术出版社,2023徐6~28.

[2]SMC(中国)有限公司.现代实用技术[M].北京：机械工业出版社,2023.36^37.

[3]隋立明，张立勋.气动肌肉驱动仿生关节的理论分析[J].机床与液压，2023,

35(6):218^219.

[4.Qi.Yangzhen.Li.Yimeng.Researc.an.Application,o.Hig.Precisio.Pneumati.^ani

pulator.Hydrauli.Pressur.an.Pneumatic[J].2023.28(4):55~56.

[5]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应注[J].液压与气动技，1999,

12(5):13^16.

[6]姜继海，宋锦春，高常识.液压与气压传动[M].高等教育出版社，2023.52~海.

[7]B.Tondu,P.Lopez.ModelingandcontrolofMcKibbenartificialmusclerobot

actuators[J].IEEEControlSystemMagazine,2023,27(6):15~38.

[8]上海工业大学流控研究室.气动技术基础[M].机械工业出版社，1982.2广22.

[9]杜来林，等.液压与气压传动[M].北京大学出版社，2023.10^13.

[10]郑洪生.气压传动[M].机