气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

河南质量工程职业学院

毕业设计（论文）

题目气动机器手枢纽结构设计及运动学仿真阐发

系别机电工程系

专业机电一体化

班级

学生姓名

学号

指导西席

定稿日期2012年3月10日

摘要

随着微电子技能、传感器技能、控制技能和机器制造工艺水平的飞速生长，呆板人

的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在种种类型的呆板人中，模拟人体手臂而组成

的枢纽型呆板人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为遍及的

呆板人之一。尤其由柔性枢纽组成的柔性仿生呆板人在办事呆板人及康复呆板人领域中

的应用和需求越来越突出。

本课题重点在于气动机器手枢纽结构参数化设计和其可行性阐发。由于气动肌肉柔

性枢纽的研究历史短、资料少，肌肉自己的动特性还在研究中，因此本课题具有一定的

难度，在研究历程中注重静态指标的满足。

本文重点解决的问题一一结构设计及仿真。

本课题中主要内容是：

(1)设计气动机器于枢纽结构；

(2)枢纽结构的参数设计；

(3)用仿真软件进行运动历程模拟阐发以此来改进结构设计，直到得出满意的结果

为止。

目标：满足气动机器手枢纽结构的设计要求。

要害词：气动肌肉；结构设计；气动机器手枢纽；运动学仿真

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmicroelectronictechnology,sensortechnology,control

technologyandtherapiddevelopmentofmechanicalmanufacturingtechnics,theapplication

ofrobotsisexpandedfromcarstootherfieldsprogressively.Inalltypesofrobots,the

joint-typerobotwhichiscomposedofthesimulationofhumanarms,hasgreatadvantages

suchascompactconstruction,littlespaceaccounted,andwidemotionspace,isoneofthe

mostwidelyusedrobots.Inparticular,flexiblebio-robotwhichiscomposedofflexiblejoints

isapplicatedandneededmoreandmoreprominentinthefieldofserviceandrehabilitation.

Thefocusofthissubjectisthemachanismdesignanditsfeasibilityanalysisofthe

pneumaticmusclearmjoints,andthenfinishthemechanicaldesignofthemachanismpartsof

anthropomorphicrobotjoint.Becauseresearchhistoryofpneumaticmusclesflexiblejointsis

short,informationislittle,thedynamiccharacteristicsofthemuscleisstillunderstudy,this

subjecthascertaindifficulty,andpayattentiontothesatisfactionofthestaticindexinthe

courseofstudying.

Theproblemthispassagemainlyresolves----mechanicaldesignandsimulation.

Themaincontentofthissubject:

(1)Designthejointstructureofpneumaticmanipulator;

(2)Parametricdesignofthejointstructure;

(3)Usingsimulationsoftwaretosimulatestructureinordertoimprovethemechanicaldesign

untilobtainthesatisfactoryresult.

Goal:Achievetheoptimizeddesigningofpneumaticmanipulator.

Keywords：Pneumaticmuscles;Structuraldesign;Pneumaticmanipulatorjoint;

Kinematicsemulation

目录

摘要..................................................................I

Abstract..............................................................................................................................II

1绪论.....................................................................1

............................................................................................................................................................1

1.2气动机器手在海内外的生长现状及应用.................................2

气动技能生长状况及优缺点.............................................4

1.4气动机器手的生长偏向...............................................6

2气动机器手枢纽结构形式设计..........................................8

2.1气动肌肉结构、特性及模型..........................................8

气动肌肉的根本结构..............................................8

气动肌肉的特性...................................................8

气动肌肉的模型...................................................9

2.2气动机器手的根本结构.............................................11

2.3气动机器手枢纽结构设计...........................................12

枢纽的根木方法.................................................12

肩枢纽结构设计.................................................12

肘枢纽结构设计.................................................14

腕枢纽结构设计.................................................16

3气动机器手枢纽结构参数设计.........................................18

.......................................................................................................................................18

3.2肩枢纽结构参数设计................................................18

第一肩枢纽结构参数设计..........................................18

第二肩枢纽结构参数设计..........................................20

第三肩枢纽结构参数设计..........................................22

3.3肘枢纽结构参数设计................................................23

X轴偏向上的结构参数设计.........................................23

Y轴偏向上的结构参数设计.........................................24

3.4腕枢纽结构参数设计................................................26

4气动机器手枢纽的模拟仿真.............................................27

4.1仿真内容..........................................................27

4.2仿真要领..........................................................27

4.3气动机器手枢纽的运动学阐发.......................................28

4.3.1第一肩枢纽的运动仿真及阐发..................................28

第二肩枢纽的运动仿真及阐发.....................................28

肘枢纽X轴偏向的运动仿真及阐发..................................29

肘枢纽Y轴偏向的运动仿真及阐发..................................30

腕枢纽X轴偏向的运动仿真及阐发.................................31

腕枢纽Z轴偏向的运动仿真及阐发..................................32

4.3.7第一二肩枢纽，肘枢纽X轴偏向，腕枢纽X轴偏向的运动仿真及阐发…32

第一二肩枢纽，肘枢纽Y轴偏向，腕枢纽Z轴偏向的运动仿真及阐发…33

5结论...................................................................33

参考文献....................................................................34

致谢.......................................................................36

第1章绪论

1.1研究气动机器手的意义

近20年来，气动技能的应用领域迅速拓宽，尤其是在种种自动化生产线上得

到遍及应用。电气可编程控制技能与气动技能相结合，使整个系统自动化水平更

高，控制方法更灵活，性能越发可靠；气动机器手、柔性自动生产线的迅速生长,

对气动技能提出了更多更高的要求；微电子技能的引入，促进了电气比例伺服技

能的生长。现代控制理论的生长，使气动技能从开关控制进入闭环比例伺服控制，

控制精度不停提高；由于气动脉宽调制技能具有结构简朴、抗污染能力强和本钱

低廉等特点，海内外都在鼎力大举开发研究⑴。

从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业生长很快。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，在产业技能发达

的欧美、日本国度，该比例己到达6:4,甚至靠近5:5。我国的气动行业起步较晚,

但生长较快。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，

高于中国机器产业产值平均年递增率。随着微电子技能、PLC技能、盘算机技能、

传感技能和现代控制技能的生长与应用，气动技能已成为实现现代传动与控制的

要害技能之一⑵。

传统的呆板人枢纽多由电机或液（气）压缸等来驱动。以这种方法来驱动枢

纽，位置精度可以到达很高，但其刚度往往很大，实现枢纽的柔顺运动较困难。

而柔顺性差的呆板人在和人打仗的场所使用时,容易造成人身和情况的伤害。因

此，在许多办事呆板人或康复呆板人研究中，确保呆板人的枢纽具有一定的柔顺

性提高到了一个很重要的职位。

人类枢纽具有目前呆板人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控

制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由枢纽所接纳的反抗性肌肉驱动方法所

决定的。目前模仿生物枢纽的驱动方法在仿生呆权人中得到越来越多的应用。在

这种应用中为得到类似生物枢纽的良好特性，一般都接纳具有类似生物肌肉特性

的人工肌肉。

气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较遍及的一种驱动器，具有重量轻、

结构简朴及控制容易等优点，在类人呆板人、爬行呆板人及康复帮助器械中得到

了应用。其根本应用形式多数接纳一对气动肌肉组成枢纽的方法。气动肌肉最简

朴和最常见的使用方法是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动枢纽，

这种方法克服了气动肌肉变革长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。并且由

于其类似生物体驱动枢纽的方法，因此具有刚度和位置能独立控制等仿生枢纽具

有的优点⑶。

气动机器手是集机器、电气、气动和控制于一体的典范机电一体化产物。近

年来，机器手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣情况内，

与电动和液压驱动的机器手相比，显示出奇特的优越性，得到了越来越遍及的应

用⑷。

气动机器手在海内外的生长现状及应用

由于呆板人或机器手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对呆板人或机器

手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反响、有一定的承载

能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。

传统看法认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精

度定位比力困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。别的，气源事情压力较低,

抓举力较小。气动技能作为呆板人中的驱动功效已经被产业界遍及担当，对付气

动呆板人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要结果，它在产业自动化

领域应用正在受到越来越多的遍及存眷。

90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院传授领导的综合技能部开发研制的电子

气动呆板人一一“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。Y.Bando

传授接纳了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等,

创造了一个在荷马史诗中最结实最勇敢的希腊英雄一一阿基里斯。它能在人不易

进入的危险区域、污染或放射性的情况中进行地形侦察。六脚电子气动呆板人的

上方安装了一个照相机来探视障碍物，能宁静的绕过它，并在行走历程中记载和

收集数据。六脚电子气动呆板人行走的所有步伐由FPC101-B可编程控制器摔制I，

FPC101-B能在六个差别偏向控制呆板人的运动，最大行走速度/s。通常如果有三

个脚与地面打仗，呆板人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三

个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另

一个摆动马达则卖力围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调治速度用的

单向节流阀，使机器驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下事情。控

制气缸的阀内置在呆板人休内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，

气动阀被切换到事情状态位置.，当封闭电源时，他们便回到初始位置别的，操

纵者能在任何一点上停止呆板人的运动，如果呆板人的传感器在它的有效范畴内

检测到障碍物，呆板人也会自动停止。

由汉诺威大学质粒科学研究院设计的气动攀墙呆板人，它能在两个相互垂直

的外貌上行走（包罗从地面到墙面大概从墙面到天花板上）。该呆板人轴心的圆周

边上装备着等距离（凭据步距设置）的吸盘和睦缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸

力的瓜代互换，类似脚踏似的运动方法，使呆板人产生旋转步进运动。这种攀墙

式呆板人可被用于东西搬运或执行多种操纵，如在核能发电站、高层修建物气动

机器手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清三、查验和安装事情。呆板人用

遥控方法进行半自动操纵，操纵者只需输入运行的目标距离，然后盘算机便能自

动盘算出须要的单步运行。操纵者可对呆板人进行监控。

从上述实例可见，气动呆板人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内

的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言，“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙呆

板人都显示出它们具有足够的自由度来适应事情空间区域。气动技能生长至今，

用直线气缸、旋转马达来解决气动呆板人中i般的枢纽运动和空间自由度己经不

成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，许多场所使用低速气缸，

其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从底子上改变了传统上的看法一一

“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有打击颤抖或低速运行不平稳的缺

陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速510ni/s,表明了它有一个十分富厚、宽广

的速度区域，以适应种种条理的速度品级需要⑸。

气动技能经历了一个漫长的生长历程，随着气动伺服技能走出实验室，气动

技能及气动机器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

气动技能、气动机器手三足鼎立的局面。我国对气动技能和睦动机器手的研究与

应用都比力晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国白主研制的许多气动机

器手已经在汽车等行业为国度的生长进步发挥着重要作用。随着微电子技能的迅

速生长和机器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

机器手奠基了坚固的物质技能底子。由于气动机器手有结构简朴、易实现无级调

速、易实现过载掩护、易实现庞大的行动等诸多奇特的优点。

由于气压传动系统使用宁静、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多灰

尘、强磁，辐射等恶劣情况下事情⑹。而气动机器手作为机器手的一种，它具有

结构简朴、重量轻、行动迅速、平稳、可靠、节能和不污染情况、容易实现无级

调速、易实现过载掩护、易实现庞大的行动等优点⑺倒。所以，气动机器手被遍

及应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工的，食品和药品的包装

""⑵、精密仪器和军事上⑸。

现代汽车制造工场的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多接纳了

气动机器手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定

工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速靠近、减速软着陆后的变压控制点焊，都

接纳了种种特殊功效的气动机器手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工

序历程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机器手应用之一⑵。

在彩电、冰箱等家用电器产物的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等

种种电子产物的装配流水线上，不但可以看到种种巨细不一、形状差别的气缸、

气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物

品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加快度限制十分严格的芯片搬运系统，

接纳了平稳加快的SIN气缸I⑹。

气动机器手用于市食品行'业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于

烟草产业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机器手；自动

加盖、安装和拧紧气动机器手，牛奶盒装箱气动机器手等㈤

别的，气动系统、气动机器手被遍及应用于制药与医疗器械上。如：气动自

动调治病床।⑸，Robodoc呆板人，daVinci外科手术呆板人等

气动技能生长状况及优缺点

气动技能是一门正在蓬勃生长的新技能，气动元件是气动技能中最重要的组

成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己遍及应用于百姓经济各部分的成套

设备和自动化生产线上。气动技能是以压缩气体:例如压缩空气或惰性气体和热

气体）为事情介质进行能量和信号的通报，从而实现牛产历程白动化的一门技能，

它包罗气压传动和睦动控制两方面的内容1电⑼。

气动技能的生长历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机器系统到机电一

体化的庞大高科技产物的历程。

人类对空气进行利用，以其为通报能量的介质可追溯到几千年以前。但真正

对起性质和根本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动

力学和睦动控制理论为主要内容的一门学科一一气动系统理论。

目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方法，两者有许多相同

点，也有许多差别点，气动技能真正成为全世界各个产业部分所担当并遍及应用，

是由于日益迫切的生产自动化和操纵步伐公道化的需要，也由于气动技能具有以

下许多优点：

(1)气动技能以空气为事情介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻

力小，便于会合供气和远距离输送。因而，大多数工场有方便的压缩空气气源。

作为事情介质的压缩空气的物理性质，是气动技能在遍及的种种应用具有宁静、

方便和用度低的优点。压缩空气没有生产火花的危险。因此，它始于有易燃或爆

炸潜在危险的工矿。

(2)气动元件机构简朴，代价低廉，用过的空气可向大气排放，处置惩罚方

便，不必使用接纳管道。

(3)气动系统清洁，纵然有泄漏，也不会像液压系统那样污染产物和情况，

不受电磁滋扰，电子系统则有之。

(4)气动系统维护不庞大，也不需要特殊的培训和实验设备。

(5)适应性强，现有的呆板可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要

求着力的地方。

(6)便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。

(7)气压传动自己有过载掩护性能。气动执行元件能恒久在满负荷下事情，

在过载时自动停止。

(8)气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为0.05〜0.7m/s,有的高

达1〜3m/s,高速气缸可达15m/s。

观察资料表明，目前气动装置在产业自动扮装备中占很重要的职位。

固然，气动技能也有其缺点：

(1)压缩空气需要进行除尘、除水处置惩罚.

(2)空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速

度的精确控制带来很大的影响。

(3)系统运行时排放空气的噪声较大。

(4)气动信号的通强速度远比电信号低，并且有较大的延迟和失真，因而气

动控制技能不宜用于高速通报和处置惩罚信息的庞大系统，并旦气动信号的传送

距离也受到限制。

尽管气动技能上有一些缺点，但它的优点照旧主要的，所以气动技能能在各

个产业部分中得到日益遍及的应用。而气动元件更是一种经济实用的机器化、自

动化的理想元件。现在，气动技能和电子电器、液压技能一样，都成为自动化生

产历程的有效技能之一，在百姓经济中起着越来越大的作用。气动技能由风动技

能及液压技能演变、生长而成为独立的技能门类不到50年，却已经充实显示出它

在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、生长最快，也最容易吸

收及重视的技能之一，气动技能己成为各个行业不可缺少的一部分。在外洋，气

动被称为“廉价的自动化技能”。

气动技能由几个主要的历史生长阶段。至50年代初，大多数元件从液压元件

改革或演变过来，体积很大。60年代，开始组成产业控制系统，应用成体系，不

再与风动技能相提并论。在70年代，由于与电子技能的结合应用，在自动化领域

得到遍及的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。90年代末本世纪初，气动

技能突破了传统的死区，经历着奔腾性的生长，重复精度达0.01mm的模块化气动

机器手，5mm/s低速平稳运行及5l0m/s高速运动的差别气缸相继问世。在与盘算

机、电气、传感、通讯等技能相结合的底子上产生了智能气动这一看法（气动比

例与伺服、智能阀岛、模块化机器手）。气动伺服定位技能可使气缸在气动机器

手位置伺服控制系统的研究高速运动3nlln/s情况下实现任意点自动定位。智能阀

岛技能十分理想的解决了整个自动化生产线的疏散与会合控制问题。现代气功的

生长趋势是微型化、集成化、模块化、智能化如⑵。

1.4气动机器手的生长偏向

1）重复高精度

精度是指呆板人、机器手到达指定点的精确水平，它与驱动器的辨别率以及

反馈装置有关⑷。重复精度是指如果行动重复多次，机器手到达同样位置的精确

水平C重复精度比精度更重要，如果一个呆板人定位不敷精确，通常会显示一个

牢固的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限

定的是一个随机误差的范畴，它通过一定次数地重复运行呆板人来测定I⑶。随着

微电子技能和现代控制技能的生长，以及气动伺服技能走出实验室和喙动伺服定

位系统的成套化。气动机器手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更辽阔，

如核产业和军事产业等⑵。

2）模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机器手称为简朴的传输技能，而把

模块化拼装的气动机器手称为现代传输技能。模块化拼装的气动机器手比组合导

向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装

置，使机器手运动自如。由于模块化气动机器手的驱动部件接纳了特殊设计的滚

珠轴承，使它具有高帆性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一

代气动机器手的一个重要特点。模块化气动机器手使同一机器手可能由于应用差

别的模块而具有差别的功效，扩大了机器手的应用范畴，是气动机器手的一个重

要的生长偏向㈤。

智能阀岛的出现充提高模块化气动机器手和陛动呆板人的性能起到了十分

重要的支持作用。因为智能阀岛原来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，

它对疏散上的会合控制起了十分重要的作用，特别对机器手中的移动模块。

3）机电气一体化

由“可编步伐控制器〜传感器〜气动元件”组成的典范的控制系统仍然是自

动化技能的重要方面；生长与电子技能相结合的自适应控制气动元件，使气动技

能从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”：省配线的复合集成系统，不但

淘汰配线、配管和元件，并且拆装简朴，大大提高了系统的可靠性⑵2，

现在，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控

制线圈变得越来越可能。气动机器手、气动控制越来越离不开PLC,而阀岛技能

的生长，又使PLC在气动机落手、气动控制中变得越发得心应手阂。

第2章气动机器手枢纽结构形式设计

2.1气动肌肉结构、特性及模型

气动肌肉的根本结构

图2-2气动肌肉的结构

1.管接螺母质粒：精制铝合金，光明阳极氧化;

2.法兰质粒：精制铝合金，蓝色阳极氧化;

3.内部圆锥质料：精制铝合金，光明阳极氧化;

4.盘形弹簧质料：钢；

5.密封圈质糕：NBR；

6.隔阂软管质粒：芳香族物质，CR

气动肌肉的特性

1）气动肌肉的事情方法

气动肌肉是一种拉伸驱动器，它模仿自然肌肉的运动，气动肌肉由一个收缩

系统和符合的连接器组成。这个收缩系统由一段被高强纤维包裹的密封橡胶管组

成。纤维形成了一个三维的棱形网状结构。当内部有压力时，管道就在球面偏向

上扩张，因此产生了拉伸力和肌肉纵向的收缩运动。拉伸力在收缩开始时最大，

并与行程成线形比例干系减小。气动肌肉的可使用事情行程高达其额定长度的

25%O气动肌肉只能做拉伸驱动器。球面偏向的扩张不能用于夹紧，因为收缩运

动引起的外部摩擦可能损坏肌肉。

2）气动肌肉长度和负载的干系

气动肌肉的额定长度是在无压力，无负载的情况下界说的。它相当于接口间

可见的那部分肌肉的长度。当气动肌肉受外力作用预拉伸时，它就被拉长了（如

图2-3所示）；另一方面，当受压时，肌肉收缩，其长度减小。

_5^----»■--------•------•-------

105110115120125130135

长度L/显

图2-3长度与张力的干系

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，负载稳定（如图2-犯）。

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能特性的一种理想事情状态：当加压时，气

动肌肉在预拉伸状态下有最大的输着力和最佳动态性能，并且耗气量最小。在这

种情况下，可用的力也最大。如果要求气动肌肉在扩张状态时无作用力（如允许

附加上负载），首先就要加上用于提升负载目的的保持力，利用它的运动来移行

动用力小的元件。

常最i

i

(a)(b)

图2-4差别外力作用下气动肌肉体现形式

当外力产生变革时(如图2-4b),气动肌肉像一根弹簧；它与力的作用偏向

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革的。气

动肌肉在常压或体积稳定的情况下可用作弹簧。这些气动肌肉会产生差别的弹簧

特性，这使得它可很好地适用于具体应用困。

在机器设计手的设计历程中，为了简化设计的模型，使设计历程简朴明了，

接纳如图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

0----------------------O

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,并且为了界说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气动机器手的根本结构

本课题所设计的气动机器手的结构如图2-7所示。

1.机架2.气动肌肉3.第一肩枢纽4.第二肩枢纽5.

机架臂

6.第三肩枢纽7.大臂8.肘枢纽9.小臂10.腕枢纽11.

气爪

图2-7气动机器手的结构

气动机器手主要由起牢固支撑作用的机架、机器臂和睦爪三部分组成。气动

机器手能够实现4个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度便是机构的

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

自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的

驱动实现各自枢纽的转动，使物品在空间上运动，凭据公道的控制，最终实现机

器手的行动要求。驱动第一肩枢纽的运动有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气动机器手枢纽结构设计

枢纽的根本方法

在气动机器手设计中，有4个自由度，相当于4个独立的枢纽。每个枢纽的

驱动原理都是相同的，即由一对相当于人类拮抗的气动肌肉相互之间的反抗作用

来驱动枢纽。其原理如图2-8所示。这种方法驱动的枢纽，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，因此可以实现枢纽位置和

刚度的独立控制⑶。

图2-8枢纽的根本驱动方法

肩枢纽结构设计

1)第一肩枢纽的设计

第一肩枢纽主要是由2根气动肌肉作为驱动，实现绕Z轴(X、Y、Z轴的偏

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

维建模的第一肩枢纽结构如图2-9(b)所示。

图2-9(b)第一肩枢纽三维结构图

2)第二肩枢纽的设计

第二肩枢纽和其二的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2T0a所示。三维建模的第二肩枢纽结构如图2T0b

所示。

图2-L0(a)第二肩枢纽图2-10(b)第二肩枢纽

结构简图三维结构图

3)第三肩枢纽的设计

笫三肩枢纽是连接第二肩枢纽和人臂的纽带。主要零件是肩部连接腕和中部

支撑杆。其中肩部连接腕牢固在肩部连接轴上，在机架臂的动员下，使得大臂、

小臂及气爪整体绕X轴的转动，其另一功效是连接大臂的4根气动肌肉。中部支

撑杆是用来牢固肘枢纽，是大臂的支撑杆。其三维结构图如图2T1所示。

图2-11第三肩枢纽三维结构图

肘枢纽结构设计

1）虎克较简介

气动机器手的设计难点主要在于肘枢纽和腕枢纽的实现。最灵活的枢纽形式

就是球钱，有3个自由度，但是其实现庞大，控制难度比力大。在许多气动机器

手的研究中，接纳的驱动器都是电机，为实现肩枢纽的3个自由度，结构往往比

力庞大附作为2个自由度的机构，虎克较的结构比力简朴，且2个自由度之间

的运动可以独立进行控制。由于驱动方法的限制，虎克钱的应用在呆板人中不是

很常见。本研窕接纳气动肌肉，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，接纳如图2T2所示的虎克较形式来实现肘枢纽的2个自

由度叫

图2-12虎克钱的根本结构

2）肘枢纽的结构设计

肘枢纽主要是由一个虎克钱的结构组成。由于虎克钱能够实现2个自由度，

并且虎克钱的2根轴相互垂直，这就要求肘枢纽与大臂的气动肌肉的连接件必须

具有两个偏向单一的钱链点结构，其三维结构如图2-13所示。

图2-13气动肌肉连接件

肘枢纽是连接大臂与小臂的重要枢纽。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肘枢纽三维结构图

由X、Y轴偏向来确定，肘枢纽X轴偏向上的结构简图如图2T5a所示，绿色体现的

是肌肉连接件，由于在X轴偏向上，其与气动肌肉没有相互转动，因此体现成同

一条直线，绿色只是说明这里另一个零件,Y轴偏向上的结构简图如图2-15b所示。

当差别相邻的两根气动肌肉组成一对时，可以实现绕差别轴的旋转。如图2T4

（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,

可知背面的是一对，在运动历程中可以实现绕Y粕的转动。同样的左、右各为一

对时，可以实现绕X轴的转动。

//////

图2-15肘枢纽X、Y轴偏向的结构简图

腕枢纽结构设计

腕枢纽大要上与肘枢纽的结构相似，主要有一个虎克较的结构组成。同样能

够实现2个自由度，与肘枢纽差别的是绕着X轴、Z轴的旋转。腕枢纽和小臂的连

接件和肘枢纽的连接件一样（如图2T3）,是两个偏向单一的较链点。腕枢纽通

过前部支撑杆和肘枢纽牢固，前端安装有一个气爪。其三维结构如图2-16所示。

图2T6腕枢纽三维结构图

腕枢纽设计历程中的一些重要尺寸参数有X粕，Z轴偏向来确定。其在X轴偏

向上的结构简图如图2-17(a)所示，Z轴如图2T7⑹所示。

0---------------------3--------------------------------------0

0------------------------------3---------------------------------------o

(a)X轴偏向

----------O---------------------3----------------------------o-----------

a

----------O---------------------3----------------------------o----------

(b)Z轴偏向

图2-17腕枢纽X、Z轴偏向的结构简图

第3章气动机器手枢纽结构参数设计

3.1参数设计优点

一个产物的问世主要包罗提出想法，开端确定方案，探讨方案进行可行性阐

发，最终确定方案，研制，以及最终成型。在设「的低级阶段主要是考虑方案的

可行性，确定方案后，参数化设计各个结构零件，可以得到最满意的结果⑻;

结合本次所设计的气动机器手，参数化设计零件的优点是在相同的结构下,

使每一个枢纽得到最大的运动范畴，即绕各自的转动轴得到最大的转动角。

肩枢纽结构参数设计

第一肩枢纽结构参数设计

第一肩枢纽的结构简图如图3-1所示。

/

/

/

/

/

/

/

/

图3-1第一肩枢纽的结构简图

假定CB0EC1是第一肩枢纽开始的运动位置，BDD1E可绕。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,BIO,EO,E10,CIO。作0点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设0A=a,

AD二d,BD二b,BC二L,BO二BIO=EO=E10=Ro

(1)确定b

b是肌肉连接件的钱链点到肩部肌肉连接件的距离，凭据结构可得b=35mmo

(2)确定L

凭据气动肌肉的型号，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乐在运动的开始位置，取其最大收缩长度的一半，便是

225mm,在加上气动肌'肉自己结构(如图2-5)的其他长度，两个钱链点的长度

>225+50=275nun,L的范畴是(275±25)nun。

(3)确定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a为逆时针旋转时的最大角度，可知/B0Bl=a,NE0El=a,由于

ABOC^AEOC,所以/£0€1=/所以二。

OFOF

a-/-BOC=ZI?B0-ZFCO=arctan-------arctan-----

FBFC

dd小F、

二arclan--------arctan------------(3-L

a+ba+b+L

由公式(3-1)可知:

dd

tana;"+卜-，+「+」二________些_______二________L____

I工dd(a+b)(a+b+L)+d2(a+b)(a+/?+£)

1十----x--------------------------------十ci

a+ba+b+Ld

(3-2)

2&a+b)(a+b+L)

由于tana在a日：0二)是单调增函数，b,L为己知，所以当a取得最小值

2

时，tana取得最大值，即a取得最大值。由于0点处装有一根020所的连接杆,

因此取肩部肌肉连接件的宽度为30mm,即半宽a=15mmo

(4)确定d

275

由公式(2)可知,tana<

2,(15+35)(15+35+275)

a<°

当a°代入公式(1-1)可知d无解。

盘算BOE旋转到BOE1的极限位置，其中气动肌肉CB1>250mm,C1E1<30Dmmo

CB1=CO-B10=CO-R=doF、CF2-SF2+BF?

=(d2+(a+b+L)2-J『+(a+b)2>250mm(3-3)

由公式(3-3)可得0ydW88.4mm(3-4)

已知NC10El=2a

CiEi2=CIO2+EIO2-2CIOXEIOXCOS26Z<3002(3-5)

其中C1OCOyiOF2-iCF2=yld2+(a+b+L)2

E10=R=J。尸+犷=y]d2+(a+b)2

dd

a=arctan---------arctan-----------

a+ba+b+L

代入公式(3-5)可得0Yd(36.1mm

(3-6)

凭据气动肌肉的结构，在安装时，2dN24mn,

即d>12mm(3-7)

有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得12Vd436.1mm

由公式(3-2)知tana-,，由于d<<L,

(。+6)(。+/)+£)+/

d2«(a+h\a+h+L),所以取最大的d时，可以得到最大的tana,也就是最大

的a,在这里取d=36mnu

(5)确定a

________dL________36x275

由公式(3-2)得tana二

(a+6)(。+b+L)+d"(15+35)(15+35+275)+36?

得a。。

所以第一肩枢纽绕Z轴的理论最大运动范畴为(-°°)。

第二肩枢纽结构参数设计

第二肩枢纽的结构简图如图3-2所示。

假定CA0EC1是第二肩枢纽开始的运动位置，较链点A,E可绕。点旋转，

逆时针的极限位置是A10E1,即当CA10在同一条直线上,连接AO,A10,EO,ElOo

作。点到CA的垂线交CA的延长线于F点。连接AE,作0点垂直AE交AE于B

点。设AB=a,0B=b,AC=L,A0=A10=E0=E10=Ro

(1)确定L

凭据气动肌肉的型号，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蛤在运动的开

始位置，取其最大收缩长度的一半，便是207mm,再加上气

动肌肉自己结构(如图2-5)的长度，两个较链点的长度

L=207+67=274mm,L的范畴是(274±23)皿

(2)确定b

图3-2第二肩关节设a为逆时针旋转时的最大角度，可知

NAOA】=a,NEOE】=a,由于AAOC二AEOC，所以NEOC尸NA0C=a。

OF

a-/-AOC=ZFAO-ZFCO=arctan-----

FA

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

FChb+L

有公式(3-8)可知:

aa

hA□,/aLL

tana=-D±L_=----------------_

1+3，-帅+b(b+L)

L)+a-+4

bb+L

L

<—(3-9)

2Mb+L)

由于tana在ac(Q工)是单调增函数，L为己知，所以当b取得最小值时，

2

tana取得最大值，即a取得最大值。由于由于0点处装有一根020廊的连接杆,

因此取符合的最小的b=20mmo

(3)确定a

274

由公式(3-9)可知，lanaW

2/0(20+274)

得a<

当a4。代入公式(3-8)可知a无解。

盘算AOE旋转到AQE1的极限位置，其中气动肌肉CA1>251mm,ClEl<297mm0

CA1=CO-A10=C0-R=《OF?+CF?-y/oF2+AF2

y]a2+(h+L)2-\la2+h22251mm

(3-10)

由公式(3T0)可得0YoW41.3mm(3-11)

已知NC1OE1=2a

CiEi2=CiO2+EiO2-2CiOxEiOxcos2a<2972(3-12)

其中CIO二CO二ylOF2+CF2=M+(b+L¥

E10二R=Jo92+力/27a2+b2

aa

a-arctan—arctan----

bb+L

代入公式(3-12)可得OYOW23.4mm

(3-13)

凭据气动肌肉的结构，在安装时，2a>24mm,即

a212mm(3-14)

有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得12WaW23.4mm

由公式(3-9)知tana=--------由于a«L,/,所以我最

b(b+L)+a"

大的a时，可以得到最大的tancr,也就是最大的二，在这里取a=23mm。

(4)确定。

aL23x274

由公式(3-9)得tana

b(b+L)+a220(20+274)+232

得a°

所以第一肩枢纽绕X轴的理论最大运动范畴为(-°°)。

第三肩枢纽结构参数设计

第三肩枢纽通过大臂上的气动肌肉连接到肘枢纽.上。第三肩枢纽的零件尺寸

与肘枢纽的零件尺寸有关，其零件尺寸是通过肘枢纽的零件尺寸来确定的。因此

第三肩枢纽的零件参数化设计详见肘枢纽的零件设计。

3.3肘枢纽结构参数设计

肘枢纽的零件尺寸确定可以分为两个偏向，即X轴和Y轴

偏向。下面分别就X轴和Y轴偏向上的参数化设计进行论述。

X轴偏向上的结构参数设计

肘枢纽在X轴偏向上的结构简图如图3-3所示。

假定CABC1是肘枢纽开始的运动位置，A,B可绕。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A10,B10o设0A=a,AD=b,

图3-3肘关节在X轴

DDl=Lo赤色虚线框体现肘部挡板。

方向上的结构简图

(1)确定b

b是肌肉连接件的长度，凭据结构得b=45nlm。

(2)确定L

凭据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为230nmi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，便是

207mm,在加上气动肌为自己结构(如图2-5)的其他长度，两个较链点的长度

L=207+50=257mm,L的范畴是(257±23)mm0

(3)确定a

A,B体现肘部挡板上连接肌肉连接件的两个钱链点，a是两个较链点距离的

一半。

设a为顺时针旋转时的最大角度，可知NA0C1=a,NB0B1二a。

L+2b

tanaAC

To

(3-15)

由公式(375)可知，tana在a£(0,9是单调增函数，b,L为己知，所以当

a取得最小值时，Idna取得最大值，即a取得最大值。当a-0时，二-90"。

盘算A0B旋转到A10B1的极限位置，其中AlC>2b+Lmin=2x45+234

=324mmoB1C1<2b+Lmax=2x45+280=370mmo

A1C=CO-MO=yJOA2+AC2-A10=^2+(2^+A)2-a>324mm(3-16)

由公式(376)可得0YaW23.8mm(3-17)

已知NB0Bl=a,得N0BB1二二二三，

2

ZBlBCl=ZOBBl+ZOBCl=^^-+-=^--

222

BiCi2=BB/+BCi2-2BBixBCixcos^--<3702(3-18)

2

BBl2=OBr+OB2-2cosa=a2+a2-2cosa=2a2-2cosa

得RR1=J2a2-2cosa

BCl=AC=2b+L=347nm

L+2b

a=arctan-----

a

代入公式(3T8)得0YaW22.4mm(3-19)

凭据气动肌肉的结构，在安装时，2a>24mm,

即a>12mm(3-20)

由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得12«a«22.4mni

由公式(3T5)可知tana二42二上也■,且已知L=257mm,b=45mm,当取

AOa

最小值a=12时，tana取得最大值。

(4)确定a

ACL+2b257+2x45

tana=---=-----=----------

AOa12