機械手臂設(shè)計

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1、參考文獻34致謝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。冃前在世界上形成了以日木、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)揮著重耍作用。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

2、用作單作用驅(qū)動器，負(fù)載不變（如圖2-4a）o假設(shè)氣動肌肉上該負(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(dāng)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(fù)載），首先就要加上用于提升負(fù)載目的的保持力，利用它的運動來移動作用力小的元件。壓力/體積Is（a）（b）圖2-4不同外力作用下氣動肌肉表現(xiàn)形式當(dāng)外力發(fā)生變化時（如圖2?4b）,氣動肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈

3、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"I。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圖2-5二維簡化模型圖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，把氣動肌肉屮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）。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。動肌肉在常壓或體積不變的情況

4、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"I。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圖2-5二維簡化模型圖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，把氣動肌肉屮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）。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。210358Z01.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

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氣動機械手的結(jié)構(gòu)氣動機械手主耍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，其各自的口由度的驅(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)各口關(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)機械手的動作耍求。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.

6、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(dāng)于4個獨立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都是和同的，即由一對和當(dāng)于人類拮抗的氣動肌肉和互Z間的對抗作用來驅(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創(chuàng)。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)計第肩關(guān)節(jié)主耍是由2根氣動肌肉作為驅(qū)動，實現(xiàn)繞Z軸(X、Y、Z軸的方向標(biāo)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。圖2-9(a)第一肩關(guān)

7、節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖圖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/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)簡圖第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第三肩關(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，在機架臂的帶動下，使得大臂、小臂