機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

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1、參考文獻(xiàn)34致謝36動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手迎來(lái)了嶄新的春天。冃前在世界上形成了以日木、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)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(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國(guó)家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重耍作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)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(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。圖2?3長(zhǎng)度與張力的關(guān)系2.1.3氣動(dòng)肌肉的模型在最簡(jiǎn)單的情況下，氣動(dòng)肌肉

2、用作單作用驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載不變（如圖2-4a）o假設(shè)氣動(dòng)肌肉上該負(fù)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(zhǎng)度，這是考慮氣動(dòng)肌肉的技術(shù)特性的一種理想工作狀態(tài)：當(dāng)加壓時(shí)，氣動(dòng)肌肉在預(yù)拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動(dòng)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(dòng)肌肉在擴(kuò)張狀態(tài)時(shí)無(wú)作用力（如允許附加上負(fù)載），首先就要加上用于提升負(fù)載目的的保持力，利用它的運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)作用力小的元件。壓力/體積Is（a）（b）圖2-4不同外力作用下氣動(dòng)肌肉表現(xiàn)形式當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)（如圖2?4b）,氣動(dòng)肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對(duì)用作“氣彈簧”的氣動(dòng)肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈

3、簧剛度都是變化的。氣動(dòng)肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。這些氣動(dòng)肌肉會(huì)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"I。在機(jī)械設(shè)計(jì)手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明了，采用如圖2?5的二維簡(jiǎn)化模型。在三維模擬仿真階段，由于氣動(dòng)肌肉所做的是拉圖2-5二維簡(jiǎn)化模型圖2-6三維簡(jiǎn)化模型伸運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)肌肉的這種運(yùn)動(dòng)形式，把氣動(dòng)肌肉屮部的隔膜軟管的圓柱體改為長(zhǎng)方體，并且為了定義滑動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)形式的方便，把每一根氣動(dòng)肌肉看做是由左右兩根等長(zhǎng)的半根氣動(dòng)肌肉組成（如圖2?6）。2.2氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。動(dòng)肌肉在常壓或體積不變的情況

4、下可用作彈簧。這些氣動(dòng)肌肉會(huì)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"I。在機(jī)械設(shè)計(jì)手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明了，采用如圖2?5的二維簡(jiǎn)化模型。在三維模擬仿真階段，由于氣動(dòng)肌肉所做的是拉圖2-5二維簡(jiǎn)化模型圖2-6三維簡(jiǎn)化模型伸運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)肌肉的這種運(yùn)動(dòng)形式，把氣動(dòng)肌肉屮部的隔膜軟管的圓柱體改為長(zhǎng)方體，并且為了定義滑動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)形式的方便，把每一根氣動(dòng)肌肉看做是由左右兩根等長(zhǎng)的半根氣動(dòng)肌肉組成（如圖2?6）。2.2氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。210358Z01.機(jī)架2.氣動(dòng)肌肉3.第一肩關(guān)節(jié)4.第二肩關(guān)節(jié)5.機(jī)架臂6

5、.第三肩關(guān)節(jié)7.人臂&肘關(guān)節(jié)9.小臂10.腕關(guān)節(jié)11.氣爪圖2-7氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)機(jī)械手主耍由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動(dòng)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有4個(gè)原動(dòng)件，因此可得有4個(gè)自由度）的運(yùn)動(dòng)，其各自的口由度的驅(qū)動(dòng)全部由氣動(dòng)肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過(guò)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各口關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使物品在空間上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作耍求。驅(qū)動(dòng)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有2根氣動(dòng)肌肉組成，機(jī)架臂有4根氣動(dòng)肌肉組成，大臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉，小臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉。2.3氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.

6、3.1關(guān)節(jié)的基本方式在氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)中，有4個(gè)自由度，相當(dāng)于4個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理都是和同的，即由一對(duì)和當(dāng)于人類拮抗的氣動(dòng)肌肉和互Z間的對(duì)抗作用來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。其原理如圖2?8所示。這種方式驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，其剛度和兩個(gè)肌肉的壓力之和有關(guān)，而其位置則和2個(gè)肌肉的壓力差有關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的獨(dú)立控制創(chuàng)。圖2-8關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動(dòng)方式2.3.2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)第一肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)第肩關(guān)節(jié)主耍是由2根氣動(dòng)肌肉作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞Z軸(X、Y、Z軸的方向標(biāo)在圖2?7中，下同)轉(zhuǎn)動(dòng)這1個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。圖2-9(a)第一肩關(guān)

7、節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖2-9(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(jì)第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機(jī)架臂相連接，為的是實(shí)現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)這1個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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/JiO圖2-10(b)第二肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖圖240(a)第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)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小部支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機(jī)架臂的帶動(dòng)下，使得大臂、小臂