機械手臂設計

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1、 動伺服技術走出實驗室，氣動技術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、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚，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。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。由于氣動機械手有結構簡單、易實現無級調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點。 圖2-3 長度與張力的關系

2、 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動器，負載不變（如圖2-4a）。假設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特性的一種理想工作狀態(tài)：當加壓時，氣動肌肉在預拉伸狀態(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保持力，利用它的運動來移動作用力小的元件。 (a) (b) 圖2-4不同外力作用下氣

3、動肌肉表現形式 當外力發(fā)生變化時（如圖2-4b），氣動肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預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。這些氣動肌肉會產生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應用[26]。 在機械設計手的設計過程中，為了簡化設計的模型，使設計過程簡單明了，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

4、，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構 本課題所設計的氣動機械手的結構如圖2-7所示。 1. 機架 2. 氣動肌肉 3. 第一肩關節(jié) 4. 第二肩關節(jié) 5. 機架臂 6. 第三肩關節(jié) 7. 大臂 8. 肘關節(jié) 9. 小臂 10. 腕關節(jié) 11. 氣爪 圖2-7 氣動機械手的結構 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。氣動機械手能夠實現4個自由度（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的原動件數目，此機構有4個原動件，因此可得有4個

5、自由度）的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現各自關節(jié)的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現機械手的動作要求。驅動第一肩關節(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 氣動機械手關節(jié)結構設計 2.3.1 關節(jié)的基本方式 在氣動機械手設計中，有4個自由度，相當于4個獨立的關節(jié)。每個關節(jié)的驅動原理都是相同的，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來驅動關節(jié)。其原理如圖2-8所示。這種方式驅動的關節(jié)，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關，而其

6、位置則和2個肌肉的壓力差有關，因此可以實現關節(jié)位置和剛度的獨立控制[27]。 圖2-8 關節(jié)的基本驅動方式 2.3.2 肩關節(jié)結構設計 1) 第一肩關節(jié)的設計 第一肩關節(jié)主要是由2根氣動肌肉作為驅動，實現繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標在圖2-7中，下同）轉動這1個自由度，其結構簡圖如圖2-9(a)所示。三維建模的第一肩關節(jié)結構如圖2-9(b)所示。 圖2-9(a) 第一肩關節(jié)結構簡圖 圖2-9(b) 第一肩關節(jié)三維結構圖 2) 第二肩關節(jié)的設計 第二肩關節(jié)和其下的4根機架臂相連接，為的是實現繞X軸旋轉這1個自由度，其結構簡圖如圖2-10a所示。三維

7、建模的第二肩關節(jié)結構如圖2-10b所示。 圖2-10(a)第二肩關節(jié) 圖2-10(b)第二肩關節(jié) 結構簡圖 三維結構圖 3) 第三肩關節(jié)的設計 第三肩關節(jié)是連接第二肩關節(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節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結構圖如圖2-11所示。

8、 圖2-11第三肩關節(jié)三維結構圖 2.3.3肘關節(jié)結構設計 1) 虎克鉸簡介 氣動機械手的設計難點主要在于肘關節(jié)和腕關節(jié)的實現。最靈活的關節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現復雜，控制難度比較大。在許多氣動機械手的研究中，采用的驅動器都是電機，為實現肩關節(jié)的3個自由度，結構往往比較復雜[28,29]。作為2個自由度的機構，虎克鉸的結構比較簡單，且2個自由度之間的運動可以獨立進行控制。由于驅動方式的限制，虎克鉸的應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進行控制，實現兩個自由度的運動。在本設計中，采用如圖2-12所示的虎克鉸形式來實現肘關節(jié)的2個自由度[27]。

9、 圖2-12 虎克鉸的基本結構 2) 肘關節(jié)的結構設計 肘關節(jié)主要是由一個虎克鉸的結構構成。由于虎克鉸能夠實現2個自由度，并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關節(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構，其三維結構如圖2-13所示。 圖2-13 氣動肌肉連接件 肘關節(jié)是連接大臂與小臂的重要關節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結構，其三維結構圖如圖2-14所示。其中一些重要的尺寸參數分別 圖2-14 肘關節(jié)三維結構圖 由X、Y軸方向來確定，肘關節(jié)X軸方向上的結構簡圖如圖2-15a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與

10、氣動肌肉沒有相互轉動，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結構簡圖如圖2-15b所示。當不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現繞不同軸的旋轉。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繞Y軸的轉動。同樣的左、右各為一對時，可以實現繞X軸的轉動。 (a) X軸方向 (b) Y軸方向 圖2-15 肘關節(jié)X、Y軸方向的結構簡圖 2.3.4 腕關節(jié)結構設計 腕關節(jié)大體上與肘關節(jié)的結構相似，主要有一個虎

11、克鉸的結構構成。同樣能夠實現2個自由度，與肘關節(jié)不同的是繞著X軸、Z軸的旋轉。腕關節(jié)和小臂的連接件和肘關節(jié)的連接件一樣（如圖2-13），是兩個方向單一的鉸鏈點。腕關節(jié)通過前部支撐桿和肘關節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結構如圖2-16所示。 圖2-16 腕關節(jié)三維結構圖 腕關節(jié)設計過程中的一些重要尺寸參數有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方向上的結構簡圖如圖2-17(a)所示，Z軸如圖2-17(b)所示。 (a) X軸方向 (b) Z軸方向 圖2-17 腕關節(jié)X、Z軸方向的結構簡圖 第3章 氣動機械手關節(jié)結構參數

12、設計 3.1 參數設計優(yōu)點 一個產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。在設計的初級階段主要是考慮方案的可行性，確定方案后，參數化設計各個結構零件，可以獲得最滿意的結果[30]。 結合本次所設計的氣動機械手，參數化設計零件的優(yōu)點是在相同的結構下，使每一個關節(jié)獲得最大的運動范圍，即繞各自的轉動軸獲得最大的轉動角。 3.2 肩關節(jié)結構參數設計 3.2.1第一肩關節(jié)結構參數設計 第一肩關節(jié)的結構簡圖如圖3-1所示。 圖3-1 第一肩關節(jié)的結構簡圖 假定CBOEC1是第一肩關節(jié)開始的運動位置，BDD1E可繞O點旋轉

13、，逆時針旋轉的極限位置是B1OE1，這時出現死點的現象，即當CB1O在同一直線上，連接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O點到CD的垂線交CD的延長線于F點。設OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=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，根據結構可得b=35mm。 （2）確定L 根據氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為250mm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構（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點的長度L=225+50=27

14、5mm，L的范圍是（27525）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。 設為逆時針旋轉時的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。 =BOC=FBOFCO=arctanarctan =arctanarctan (3-1) 由公式（3-1）可知： tan=== (3-2) 由于tan在是單調增函數，b，L為已知，所以當a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于O點處裝有一根20mm的連接桿

15、，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm，即半寬a=15mm。 （4）確定d 由公式(2)可知，tan=1.079 47.2o 當=47.2o代入公式(1-1)可知d無解。 計算BOE旋轉到B1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CB1250mm，C1E1300mm。 CB1=COB1O=COR= =250mm (3-3) 由公式(3-3)可得mm (3-4) 已知C1OE1=2 (3-5) 其中C1O=CO= =

16、 E1O=R== = arctanarctan 代入公式(3-5)可得mm (3-6) 根據氣動肌肉的結構，在安裝時，2d24mm， 即 d12mm (3-7) 有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 mm 由公式(3-2)知tan=，由于d<

17、 =0.564 得=29.4o。 所以第一肩關節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為(29.4o，29.4o)。 3.2.2第二肩關節(jié)結構參數設計 第二肩關節(jié)的結構簡圖如圖3-2所示。 假定CAOEC1是第二肩關節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點A，E可繞O點旋轉，逆時針的極限位置是A1OE1，即當CA1O在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E1O。作O點到CA的垂線交CA的延長線于F點。連接AE，作O點垂直AE交AE于B點。設AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R。 （1）確定L 根據氣動肌肉的型號

18、，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%，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構（如圖2-5）的長度，兩個鉸鏈點的長度L=207+67=274mm，L的范圍是（27423）mm。 （2）確定b 設為逆時針旋轉時的最大角度，可知AOA1=,EOE1=，由于AOCEOC1，所以EOC1=AOC=。 =AOC=FAOFCO=arctan arctan=arctanarctan (3-8) 有公式（3-8）可知： tan=== (3-9) 由于tan在是單調增

19、函數，L為已知，所以當b取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于由于O點處裝有一根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=1.787 得 60.8o 當60.8o代入公式(3-8)可知a無解。 計算AOE旋轉到A1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CA1251mm，C1E1297mm。 CA1=COA1O=COR= =251mm (3-10) 由公式(3-10)可得mm (3-11) 已知

20、C1OE1=2 (3-12) 其中C1O=CO= = E1O=R== = arctanarctan 代入公式(3-12)可得mm (3-13) 根據氣動肌肉的結構，在安裝時，2a24mm，即 a12mm (3-14) 有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得 mm 由公式(3-9)知 tan=,由于a<

21、是最大的,在這里取a=23mm。 （4）確定 由公式(3-9)得 tan===0.983 得=44.5o 所以第二肩關節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(44.5o，44.5o)。 3.2.3第三肩關節(jié)結構參數設計 第三肩關節(jié)通過大臂上的氣動肌肉連接到肘關節(jié)上。第三肩關節(jié)的零件尺寸與肘關節(jié)的零件尺寸有關，其零件尺寸是通過肘關節(jié)的零件尺寸來確定的。因此第三肩關節(jié)的零件參數化設計詳見肘關節(jié)的零件設計。 3.3 肘關節(jié)結構參數設計 肘關節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個方向，即X軸和Y軸方向。下面分別就X軸和Y軸方向上的參數化設計進行闡述。 3.3.1 X軸方向上的結構參數設計

22、 肘關節(jié)在X軸方向上的結構簡圖如圖3-3所示。 假定CABC1是肘關節(jié)開始的運動位置，A，B可繞O點旋轉, 順時針旋轉的極限位置是A1OB1，這時出現死點現象，即當CA1O在同一直線上，連接A1O，B1O。設OA= 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,根據結構得b=45mm。 （2）確定L 根據氣動肌肉的型號，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%，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構（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點的長度L=207+50=257m

23、m，L的范圍是（25723）mm。 （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。 設為順時針旋轉時的最大角度，可知AOC1=，BOB1=。 tan== (3-15) 由公式(3-15)可知，tan在是單調增函數，b，L為已知，所以當a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。當a0時，=90o。 計算AOB旋轉到A1OB1的極限位置，其中A1C2b+Lmin=245+234 =324mm。B1C12b+Lmax=245+

24、280=370mm。 A1C= COA1O= A1O=a324mm (3-16) 由公式(3-16)可得 mm (3-17) 已知BOB1=，得OBB1=， B1BC1=OBB1+OBC1=+= (3-18) == 得BB1= BC1=AC=2b+L=347mm =arctan 代入公式(3-18)得mm (3-19) 根據氣動肌肉的結構，在安裝時，2a24mm， 即 a12mm

25、 (3-20) 由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得 mm 由公式(3-15)可知 tan==，且已知L=257mm，b=45mm，當取最小值a=12時，tan取得最大值。 （4）確定 tan====28.9 得 =88.0 o 所以肘關節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(88.0o，88.0o)。 由此可以得到第三肩關節(jié)的兩個鉸鏈點之間的距離為2a=24mm。 3.3.2 Y軸方向上的結構參數設計 肘關節(jié)在Y軸方向上的結構簡圖如圖3-4所示。 假定CAOA1C1是肘關節(jié)開始的運動位置，D，B可繞O點旋轉

26、,作以O點為圓心，OD為半徑的圓。順時針旋轉的極限位置是D1OB1，這時出現死點的現象，即當CD1O在同一直線上，連接DO，D1O，BO，B1O，C1O。設OA= a，AD= b，DC=L。 （1）確定a 設為順時針旋轉時的最大角度，可知DOC=，BOB1=。由于DOCBOC1，所以BOC1=DOC =。 =DOC=AOCAOD =arctanarctan =arctanarctan (3-21) 有公式（3-21）可知： tan=====1.10 可得 47.8o 計算DOB旋轉到D1OB1的極限位置，其中CD1234mm，C1B1280mm。

27、 CD1=COD1O= =234mm (3-22) 由公式(3-22)可得mm (3-23) 已知C1OB1=2 (3-24) 其中C1O=CO= = B1O=R== =arctanarctan 代入公式(3-24)可得mm (3-25) 根據氣動肌肉的結構，在安裝時，2a24mm， 即 a12mm

28、 (3-26) 有(3-23)、(3-25)、(3-26)式得 mm 可知 tan=，由于a<

29、向。 （1）X軸方向上的結構參數設計 腕關節(jié)X軸方向上的結構簡圖與肘關節(jié)X軸方向的一樣，因此直接得到結果： 取最小值a=12mm時，tan取得最大值，tan=28.9，得=88.0 o。 腕關節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為(88.0o，88.0o)。 由此可以得到腕肩關節(jié)擋板上的兩個鉸鏈點之間的距離為2a=24mm。 （2）Z軸方向上的結構參數設計 腕關節(jié)Z軸方向上的結構簡圖與肘關節(jié)Y軸方向的一樣，因此直接得到結果： 取最大值a=32mm時，tan取得最大值，tan=0.563，得=29.4o。 腕關節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍為(29.4o，29.4o)。 由此可以得

30、到腕關節(jié)兩塊擋板的兩個鉸鏈點之間的距離為2a=64mm。 第4章 氣動機械手關節(jié)的模擬仿真 4.1 仿真內容 運動仿真是結構構設計的一個重要內容,氣動機械手是一個復雜的機構，確定結構后，在運行中還會發(fā)生干涉現象，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，對結構零件不斷進行修改，最終滿足設計要求[31]。 仿真的基本內容是對結構進行可行性分析，運動學分析，增大機械手的運動范圍，使其更好的滿足生產需要。結合本次設計的氣動機械手，仿真的內容是 (1)第一肩關節(jié)的運動仿真； (2)第二肩關節(jié)的運動仿真； (3)肘關節(jié)X軸方向的運動仿真； (4)肘關節(jié)Y軸方向的運動仿真

31、； (5)腕關節(jié)X軸方向的運動仿真； (6)腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真； (7)第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)X軸方向，腕關節(jié)X軸方向的運動仿真； (8)第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)Y軸方向，腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真。 4.2 仿真方法 運動仿真是結構設計的一個重要內容,在Pro/E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現機構的運動仿真。在整體設計后, 通過仿真可以模擬機構的運動,從而檢查機構的運動是否達到設計要求,是否發(fā)生干涉，實現機構的設計與運動軌跡校核。同時,可直接分析各運動副與構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系及關鍵部件的

32、受力情況。在Pro/E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現產品設計、分析的參數化和全相關,反映機構的真實運動情況[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手關節(jié)的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動機械手關節(jié)的三維模型，然后完成整個機械手的裝配，設置關節(jié)的安裝位置為機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動機械手關節(jié)的仿真模型。 4.3氣動機械手關節(jié)的運動學分析

33、 仿真時，氣動肌肉作為動力源，極限位置是氣動肌肉與轉動軸（鉸鏈點）在同一條直線上，即出現死點的位置。 4.3.1第一肩關節(jié)的運動仿真及分析 第一肩關節(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，無干涉現象，通過測量極限位置的角度，得到=29.4o，所以第一肩關節(jié)繞Z軸的實際最大運動范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-1 第一肩關節(jié)仿真效果圖 4.3.2第二肩關節(jié)的運動仿真及分析 第二肩關節(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，無干涉現象

34、，通過測量極限位置的角度，得到=44.5o，所以第二肩關節(jié)繞X軸的實際最大運動范圍為(44.5o，44.5o)。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-2 第二肩關節(jié)仿真效果圖 4.3.3肘關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 肘關節(jié)X軸方向運動前后的位置如圖4-3所示，其中圖（a）表示向上轉動，圖（b）表示向下轉動。在此過程中，均發(fā)生干涉現象，發(fā)生圖（a）現象的原因是：①肘關節(jié)有一塊擋板連接板，向上轉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

35、象是由于原因②。 （a1）運動前 （a2）運動后 （a） 向上轉動 （b1）運動前 （b2）運動后 （b）向下轉動 圖4-3肘關節(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A1的位置，這里取a=25mm。相應的腕關節(jié)在X軸方向上的a=25mm。修改后的肘關節(jié)X軸方向運動到極限位置的效果圖如圖

36、4-4所示。繞X軸的運動范圍為（60.4 o，32.6 o）。 （a1）運動前 （a2）運動后 （a） 向上轉動 （b1）運動前 （b2）運動后 （b）向下轉動 圖4-4修改后肘關節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.4肘關節(jié)Y軸方向的運動仿真及分析 肘關節(jié)Y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象，通過通過測量極限位置的角度，得到=29.4o，所以肘關節(jié)繞Y軸的實際最大運動范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運動前

37、 （b）運動后 圖4-5 肘關節(jié)Y軸方向仿真效果圖 4.3.5腕關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 腕關節(jié)在X軸方向上的零件尺寸已經根據肘關節(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，無干涉現象，通過測量極限位置的角度，得到= 70.7o，所以腕關節(jié)繞Z軸的實際最大運動范圍為(70.7o，70.7o)。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-6 腕關節(jié)X軸方向仿真效果圖 4.3.6腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析 腕關節(jié)Z

38、軸方向運動前后的位置如圖4-7（a）和4-7（b）所示。此過程中無干涉現象，通過通過測量極限位置的角度，得到=29.4o，所以腕關節(jié)繞X軸的實際最大運動范圍為(29.4o，29.4o)。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-7 腕關節(jié)Z軸方向仿真效果圖 4.3.7第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)X軸方向，腕關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析 第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)X軸方向，腕關節(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象，說明此次設計的氣動機械手能在預期的范圍內進行運動。 （a）運動前

39、 （b）運動后 圖4-8 總運動效果圖（1） 4.3.8第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)Y軸方向，腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析 第一、二肩關節(jié)，肘關節(jié)Y軸方向，腕關節(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象，說明此次設計的氣動機械手能在預期的范圍內進行運動。 （a）運動前 （b）運動后 圖4-9 總運動效果圖（2） 第5章 結論 本文設計了一個全部由氣動肌肉驅動的機械手，從整體結構到各個關節(jié)、手臂零件的設計，通過理論計算和三維模擬

40、仿真，對各個關節(jié)進行優(yōu)化，最終實現氣動機械手關節(jié)最大的運動范圍，滿足預期設計要求。 各個關節(jié)的最大運動范圍如下： （1）肩關節(jié) 第一肩關節(jié) (29.4o，29.4o) 第二肩關節(jié) (44.5o，44.5o) （2）肘關節(jié) 肘關節(jié)X軸方向 (60.4 o，32.6 o) 肘關節(jié)Y軸方向 (29.4o，29.4o) （3）腕關節(jié) 腕關節(jié)X軸方向 (70.7o，70.7o) 腕關節(jié)Z軸方向 (29.4o，29.4o) 該機械手能夠實現4個自由度的運動，氣動肌肉具有控制精確的特點，在抓取物品等進行生產實踐時，能夠實現高精度的動作，基本滿足了實際應用需要。 該氣動機械手具

41、有輕巧、安全和控制簡單等特點，可以用于工廠機器人，服務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技術出版社，2005.26~28. [2] SMC(中國)有限公司.現代實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.36~37. [3] 隋立明， 張立勛.氣動肌肉驅動仿生關節(jié)的理論分析[J].機床與液壓，2007, 35(6):218~219. [4] Qiu Yangzhen, Lin Yimeng. Research and Applications of High Precision Pneumatic

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49、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?！髮W四年來對我的栽培。 （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!）