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1、浙江理工大學本科畢業(yè)設計(論文)河南機電高等?？茖W校課程設計報告書課程名稱：自動化職業(yè)技能培訓 系部名稱：自動控制系 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 2011年5月 13日37摘 要隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構成的關節(jié)型機器人，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優(yōu)點，是應用最為廣泛的機器人之一。尤其由柔性關節(jié)組成的柔性仿生機器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。本課題重點在于氣動機械手關節(jié)結構參數(shù)化設計和其可行性分析。由于氣動肌肉柔性關節(jié)的研究歷史短、資

2、料少，肌肉本身的動特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標的滿足。本文重點解決的問題結構設計及仿真。本課題中主要內(nèi)容是：（1）設計氣動機械手關節(jié)結構；（2）關節(jié)結構的參數(shù)設計；（3）用仿真軟件進行運動過程模擬分析以此來改善結構設計，直到得出滿意的結果為止。目標：滿足氣動機械手關節(jié)結構的設計要求。關鍵詞：氣動肌肉；結構設計；氣動機械手關節(jié)；運動學仿真目 錄第1章 緒論11.1研究氣動機械手的意義11.2 氣動機械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應用21.3 氣動技術發(fā)展狀況及優(yōu)缺點41.4 氣動機械手的發(fā)展方向6第2章 氣動機械手關節(jié)結構形式設計82.1 氣動肌肉結構、特性及模型

3、82.1.1 氣動肌肉的基本結構82.1.2 氣動肌肉的特性82.1.3 氣動肌肉的模型92.2 氣動機械手的基本結構112.3 氣動機械手關節(jié)結構設計122.3.1 關節(jié)的基本方式122.3.2 肩關節(jié)結構設計122.3.3 肘關節(jié)結構設計142.3.4 腕關節(jié)結構設計16第3章 氣動機械手關節(jié)結構參數(shù)設計18 3.1參數(shù)設計優(yōu)點18 3.2 肩關節(jié)結構參數(shù)設計18 3.2.1 第一肩關節(jié)結構參數(shù)設計18 3.2.2 第二肩關節(jié)結構參數(shù)設計20 3.2.3 第三肩關節(jié)結構參數(shù)設計22 3.3 肘關節(jié)結構參數(shù)設計23 3.3.1 X軸方向上的結構參數(shù)設計23 3.3.2 Y軸方向上的結構參數(shù)設

4、計24 3.4 腕關節(jié)結構參數(shù)設計26第4章 氣動機械手關節(jié)的模擬仿真27 4.1 仿真內(nèi)容27 4.2 仿真方法27 4.3 氣動機械手關節(jié)的運動學分析284.3.1 第一肩關節(jié)的運動仿真及分析284.3.2 第二肩關節(jié)的運動仿真及分析284.3.3 肘關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析294.3.4 肘關節(jié)Y軸方向的運動仿真及分析304.3.5 腕關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析314.3.6 腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析324.3.7 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324.3.8 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33第5章 結論33參考文

5、獻34致謝36第1章 緒論1.1 研究氣動機械手的意義近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究1。從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代，液壓與氣動

6、元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一2。傳統(tǒng)的機器人關節(jié)多由電機或液(氣)壓缸等來驅動。以這種方式來驅動關節(jié)，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現(xiàn)關節(jié)的柔順運動較困難。而柔順性差的機器人在和人接觸的場合使用時，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務機器人或康

7、復機器人研究中，確保機器人的關節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個很重要的地位。人類關節(jié)具有目前機器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實現(xiàn)較準確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關節(jié)所采用的對抗性肌肉驅動方式所決定的。目前模仿生物關節(jié)的驅動方式在仿生機器人中得到越來越多的應用。在這種應用中為得到類似生物關節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。氣動肌肉是人工肌肉中出現(xiàn)較早、應用較廣泛的一種驅動器，具有重量輕、結構簡單及控制容易等優(yōu)點，在類人機器人、爬行機器人及康復輔助器械中得到了應用。其基本應用形式大都采用一對氣動肌肉組成關節(jié)的方式。氣動肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣

8、動肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅動關節(jié)，這種方式克服了氣動肌肉變化長度較小的缺點，能夠實現(xiàn)大的轉動位移。而且由于其類似生物體驅動關節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨立控制等仿生關節(jié)具有的優(yōu)點3。氣動機械手是集機械、電氣、氣動和控制于一體的典型機電一體化產(chǎn)品。近年來，機械手在自動化領域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動和液壓驅動的機械手相比，顯示出獨特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應用4。1.2氣動機械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應用由于機器人或機械手都需要能快速、準確的抓取工件，因而對機器人或機械手提出了更高的要求，即他們必須具有高定位精度、能快速反應、有一定的承載能力、足夠的空間和靈

9、活的自由度以及在任意位置都能自動定位。傳統(tǒng)觀點認為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外，氣源工作壓力較低，抓舉力較小。氣動技術作為機器人中的驅動功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動機器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(yè)自動化領域應用正在受到越來越多的廣泛關注。90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學院Y.Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人“阿基里斯”六腳勘測員，也被稱為FESTO的“六足動物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產(chǎn)的氣動元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了

10、一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄阿基里斯。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個不同方向控制機器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。每個氣缸都裝備了調節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅動部

11、件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關閉電源時，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機器人也會自動停止。由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它能在兩個相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產(chǎn)生旋轉步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬

12、運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控。從上述實例可見，氣動機器人己經(jīng)取得了實質性的進展。就它在三維空間內(nèi)的任意定位、任意姿態(tài)抓取物體或握手而言，“阿基里斯”六腳勘測員、攀墻機器人都顯示出它們具有足夠的自由度來適應工作空間區(qū)域。氣動技術發(fā)展至今，用直線氣缸、旋轉馬達來解決氣動機器人中一般的關節(jié)活動和空間自由度己經(jīng)不成問題了，氣缸低速運動平穩(wěn)性這一點也不成問題了，很多場合使用低速氣缸，其速度在5mm/s的情況下也能平穩(wěn)運行。因此從根本上改變了傳統(tǒng)上的觀點“由壓縮性的空氣作為介質的氣缸運動速度有沖擊顫動或低速運行不平穩(wěn)的缺陷”。氣缸的運行從低速5mm/s到高速510m/s，表明了它有一個十分豐富、寬廣的速度區(qū)域，以適應各種層次的速度等級需要5。氣動技術經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術走出實驗室，氣動技術及氣動機械手迎來了嶄