机械手臂设计

机械⼿臂设计

(33)

参考⽂献 (34)

致谢 (36)

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单、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

在最简单的情况下，⽓动肌⾁⽤作单作⽤驱动器，负载不变（如图2-4a）。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理想⼯作状态：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。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，利⽤它的运动来移动作⽤⼒⼩的元件。

(a) (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，这使得它可很好地适⽤于具体应⽤[26]。

在机械设计⼿的设计过程中，为了简化设计的模型，使设计过程简单明了，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

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膜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. 机架

2. ⽓动肌⾁

3. 第⼀肩关节

4. 第⼆肩关节

5. 机架臂

6. 第三肩关节

7. ⼤臂

8. 肘关节

9. ⼩臂10. 腕关节11. ⽓⽖

图2-7 ⽓动机械⼿的结构

⽓动机械⼿主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要求。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，相当于4个独⽴的关节。每个关节的

驱动原理都是相同的，即由⼀对相当于⼈类拮抗的⽓动肌⾁相互之间的对抗作⽤

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]。

图2-8 关节的基本驱动⽅式2.3.2 肩关节结构设计

1) 第⼀肩关节的设计

第⼀肩关节主要是由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(a) 第⼀肩关节结构简图

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所⽰。

图2-10(a)第⼆肩关节 图2-10(b)第⼆肩关节

结构简图 三维结构图 3) 第三肩关节的设计

第三肩关节是连接第⼆肩关节和⼤臂的纽带。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)虎克铰简介

⽓动机械⼿的设计难点主要在于肘关节和腕关节的实现。最灵活的关节形式就是球铰，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，虎克铰的结构⽐较简单，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，虎克铰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2-12所⽰的虎克铰形式来实现肘关节的2个⾃由度[27]。

图2-12虎克铰的基本结构2)肘关节的结构设计

肘关节主要是由⼀个虎克铰的结构构成。由于虎克铰能够实现2个⾃由度，并且虎克铰的2根轴相互垂直，这就要求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铰链点结构，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2-14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轴⽅向来确定，肘关节X轴⽅向上的结构简图如图2-15a所⽰，绿⾊表⽰的是肌⾁连接件，由于在X轴⽅向上，其与⽓动肌⾁没有相互转动，因此表⽰成同⼀条直线，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2-15b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，主要有⼀个虎克铰的结构构成。同样能够实现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⼀样（如图2-13），是两个⽅向单⼀的铰链点。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2-16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X轴，Z轴⽅向来确定。其在X轴⽅向上的结构简图如图2-17(a)所⽰，Z轴如图2-17(b)所⽰。

(a) X轴⽅向

(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

⼀个产品的问世主要包括提出想法，初步确定⽅案，探讨⽅案进⾏可⾏性分析，最终确定⽅案，研制，以及最终成型。在设计的初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CBOEC1是第⼀肩关节开始的运动位置，BDD1E可绕O点旋转，逆时针旋转的极限位置是B1OE1，这时出现死点的现象，即当CB1O在同⼀直线上，连接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设OA= a，AD=d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。

（1）确定bb是肌⾁连接件的铰链点到肩部肌⾁连接件的距离，根据结构可得b=35mm。（2）确定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 ，在加上⽓动肌⾁本⾝结构（如图2-5）的其他长度，两个铰链点的长度L=225+50=275mm ，L 的范围是（275±25）mm 。

（3）确定aa 是如图2-8

b 所⽰的肩部肌⾁连接件宽度的⼀半，d 是长度的⼀半。

设α为逆时针旋转时的最⼤⾓度，可知∠BOB 1=α，∠EOE 1=α，由于?BOC ??EOC ，所以∠EOC 1=∠BOC=α。

α=∠BOC=∠FBO -∠FCO=arctan OF FB -arctan OF FC

=arctan d a b +-arctan d a b L

++ (3-1) 由公式（3-1）可知：tan α=1d d a b a b L d d a b a b L -++++?+++=2()()dL a b a b L d ++++=()()L a b a b L d d

++++ ≤2()()

L a b a b L +++ (3-2) 由于tan α在(0,)2

πα∈是单调增函数，b ，L 为已知，所以当a 取得最⼩值时，tan α取得最⼤值，即α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=15mm 。

（4）确定d

由公式(2)可知，tan α≤2752(1535)(1535275)+++=1.079 α≤47.2o

当α=47.2o代⼊公式(1-1)可知d ⽆解。

计算BOE 旋转到B 1OE 1的极限位置，其中⽓动肌⾁CB 1≥250mm ，C 1E 1≤300mm 。CB 1=CO -B 1O=CO -R=2222OF CF OF BF +-+ =2222()()d a b L d a b +++-++≥250mm (3-3)

由公式(3-3)可得088.4d ≤ mm (3-4) 已知∠C 1OE 1=2α2222111111C E C O E O 2C O E O cos 2300α=+-??≤ (3-5) 其中C 1O=CO= 22OF CF += 22()d a b L +++

E 1O=R=22O

F BF +=22()d a b ++

α= arctan d a b +-arctan d a b L

++ 代⼊公式(3-5)可得036.1d ≤ mm (3-6)

根据⽓动肌⾁的结构，在安装时，2d ≥24mm ，

即 d ≥12mm (3-7)

有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 1236.1d ≤≤mm

由公式(3-2)知tan α=2()()dL a b a b L d ++++，由于d<2d <<()()a b a b L +++，所以取最⼤的d 时，可以得到最⼤的tan α，也就是最⼤的α,在这⾥取d=36mm 。

（5）确定α

由公式(3-2)得 tan α=2()()dL a b a b L d ++++=236275(1535)(1535275)36?++++ =0.564