气动肌肉驱动手爪的设计与分析
机械手气动手爪的结构分析与选择
机械⼿⽓动⼿⽖的结构分析与选择机械⼿⽓动⼿⽖的结构分析与选择⽔利部信息研究所 吴淑英在⾃动⽣产线中,各种型式的机械⼿应⽤越来越⼴泛。
现代的机械⼿采⽤各种电⽓、机械、液压、⽓动传动机构,并⽤电⼦系统进⾏控制,以实现模仿⼈的⼿臂和⼿指动作。
⽽其⼿⽖的结构也是各式各样,但以⽓动⼿⽖应⽤较为普遍。
1 ⽓动⼿⽖的优缺点优点:(1)快速性。
⽓动⼿⽖以压缩空⽓驱动,具有⽓压传动的优点,运动速度快,⼿⽖的开闭时间短,⼯作频率可达100～180次 m in。
(2)体积⼩,重量轻。
由于采⽤铝合⾦等轻⾦属,并实现紧凑的设计,⼿⽖机构⼀般重量在300～1500g之间。
(3)采⽤特殊密封结构,不必润滑。
(4)开闭动作均可⽤压缩空⽓驱动,⼯作压⼒可调,把持⼒稳定可靠。
(5)具有内部磁性发讯装置,⼿⽖的开闭动作可以得到确认,提⾼⼯作可靠性。
(6)⼀般⽓动⼿⽖机构都考虑在各个⽅向上可以安装,⽅便⽤户,并备有各种形状的⼿指,适应不同⼯件。
缺点:把持⼒受⼀定限制,当需要较⼤把持⼒时,⼿⽖体积过⼤。
2 ⽓动⼿⽖的分类与结构分析⽓动⼿⽖⽬前已经逐渐成为⼀种标准产品,由专业⽓动元件⼚⽣产并供给⽤户选择。
综合各种⼿⽖结构,按⼿⽖的运动情况分平⾏开闭型⼿⽖;⽀点开闭型⼿⽖;180°转⾓开闭型⼿⽖;三⽖或四⽖定⼼式⼿⽖。
结构分析选例以下⼏种(其中平⾏开闭型⼿⽖有4种)。
211 铰链式平⾏开闭⼿⽖图1为⼀种较简单平⾏开闭⼿⽖的结构。
⽓缸的活塞由压缩空⽓驱动,通过活塞杆7上的⽀点轴2带动拨叉3转动,再通过传动轴4使⼿⽖1沿导向槽做平⾏移动。
图中为双作⽤⽓缸,也可为单作⽤⽓缸返回运动靠弹簧完成。
⽓缸直径可设计成直径10～25mm,⼿⽖开闭⾏程可为5～15mm,⽓缸体为铝合⾦,活塞杆7为不锈钢材料。
活塞上的磁铁环9为位置传感器的发讯装置。
图1 铰链式平⾏开闭⼿⽖结构⽰例11⼿⽖ 21⽀点轴 31拨叉 41传动轴 51⽀轴 61拨叉座 71活塞杆 81弹簧 91磁环该结构的特点是重量轻,体积⼩,最⼩型重量为75g,最⼤型为300g,因此,可以与⼩型机械⼿配套使⽤。
机械手气动手爪的结构分析与选择
机械手气动手爪的结构分析与选择水利部信息研究所 吴淑英 在自动生产线中,各种型式的机械手应用越来越广泛。
现代的机械手采用各种电气、机械、液压、气动传动机构,并用电子系统进行控制,以实现模仿人的手臂和手指动作。
而其手爪的结构也是各式各样,但以气动手爪应用较为普遍。
1 气动手爪的优缺点 优点:(1)快速性。
气动手爪以压缩空气驱动,具有气压传动的优点,运动速度快,手爪的开闭时间短,工作频率可达100～180次 m in。
(2)体积小,重量轻。
由于采用铝合金等轻金属,并实现紧凑的设计,手爪机构一般重量在300～1500g之间。
(3)采用特殊密封结构,不必润滑。
(4)开闭动作均可用压缩空气驱动,工作压力可调,把持力稳定可靠。
(5)具有内部磁性发讯装置,手爪的开闭动作可以得到确认,提高工作可靠性。
(6)一般气动手爪机构都考虑在各个方向上可以安装,方便用户,并备有各种形状的手指,适应不同工件。
缺点:把持力受一定限制,当需要较大把持力时,手爪体积过大。
2 气动手爪的分类与结构分析 气动手爪目前已经逐渐成为一种标准产品,由专业气动元件厂生产并供给用户选择。
综合各种手爪结构,按手爪的运动情况分平行开闭型手爪;支点开闭型手爪;180°转角开闭型手爪;三爪或四爪定心式手爪。
结构分析选例以下几种(其中平行开闭型手爪有4种)。
211 铰链式平行开闭手爪图1为一种较简单平行开闭手爪的结构。
气缸的活塞由压缩空气驱动,通过活塞杆7上的支点轴2带动拨叉3转动,再通过传动轴4使手爪1沿导向槽做平行移动。
图中为双作用气缸,也可为单作用气缸返回运动靠弹簧完成。
气缸直径可设计成直径10～25mm,手爪开闭行程可为5～15mm,气缸体为铝合金,活塞杆7为不锈钢材料。
活塞上的磁铁环9为位置传感器的发讯装置。
图1 铰链式平行开闭手爪结构示例11手爪 21支点轴 31拨叉 41传动轴 51支轴 61拨叉座 71活塞杆 81弹簧 91磁环该结构的特点是重量轻,体积小,最小型重量为75g,最大型为300g,因此,可以与小型机械手配套使用。
(完整版)基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动_力学仿真毕业设计
南京工程学院毕业设计说明书(论文)系部：机械工程学院专业：机械电子工程题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真指导者：闫华副教授评阅者：2015 年 5 月南京毕业设计说明书（论文）中文摘要由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用SolidWorks绘制手指的三维图，利用ADAMS和MATLAB 进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。
关键词：仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Dynamic simulation of multi joint robotic fingers based on pneumatic muscle driven muscle AbstractBecause of the small proportion of pneumatic muscle, compact structure and small space occupancy, etc. In this paper, a slider crank mechanism drive the finger bending. The slider crank mechanism is driven by artificial muscles, Firstly, designing pneumatic muscle finger joint structure, And with the SolidWorks drawing fingers entity graph, using ADAMS and MATLAB co-simulation of the dynamics, the fingertip set certain load, input linear drive of the three joints of the fingers, to observe the change of the angular velocity of the finger tip and three driving force of change, finally according to the driving principle of the pneumatic muscle was analyzed by gas dynamic muscle dexterous order to realize the control of the flexion angles of finger joints.Keywords: Dexterous ; Pneumatic muscles; Dynamic simulation目录前言 (1)第一章绪论 (2)1.1课题项目的背景 (2)1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (2)1.3气动技术的介绍以及发展前景 (4)1.4论文研究的内容和方法 (6)第二章多关节手指的结构设计及建模 (7)2.1 气动肌肉的介绍 (7)2.1.1 气动肌肉的内部结构 (7)2.2 气动机械手指的基本结构 (8)2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍 (8)2.2.2 整体设计方案的设计 (8)2.2.3 手指的关节设计 (9)2.2.4手指关节的建模 (11)2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 (11)第三章多关节手指的动力学仿真分析 (12)3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (12)3.2 动力学仿真过程介绍 (13)3.2.1 ADAMS参数设置过程 (13)3.2.2 建立MATLAB控制模型 (16)3.3 动力学仿真结果分析以及结论 (17)第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (18)4.1气动肌肉回路原理和设计 (18)4.1.1气动回路器件的选择 (19)4.2灵巧手指的关节控制系统 (20)4.2.1控制系统的原理 (20)4.2.2控制系统的硬件选择 (21)4.3 DA控制界面的设计和程序的编写 (22)|第五章结论及总结 (24)参考文献 (25)致谢 (26)前言随着机器人技术的日益成熟，工业机器人极有可能最终取代机床，成为新一代工业生产的基础。
气动肌肉驱动的灵巧手指及模糊PID控制
动 ，故将远指关 节和近指关 节由两个交叉 状柔索耦 合， 实现联动（ 图 ２ ， 如 ）共有 １ 自由度 ， 个 其他关节各
由１ 对气动人工肌肉驱动 ， 各有 １ 自由度 ， 个 因此共 ３ 个 自由度 。 中侧摆关节的 自由度用 于实现手指的横 其 向摆 动 ， 其方 向与指掌关节的 自由度相互垂 直 ， 这两 个垂直的 自由度配合起来可 以完成 手指在 空中画圆 的动 作 。
１ 引 言
笔者所在实验室研制 了的五指仿人灵巧手 ， 采用 气动人工肌肉驱动 ， 腱传动。气动人工肌 肉 自身具很 强 的非线性特性【， ｌ腱传动会 给手指上非控制 目标关 Ｊ 节带来角度耦合 和附加力矩 ， 所以难 以对灵 巧手指 进行精确建模 。 需要设计一种不依赖模型的控制算法 对灵巧手指进行位置控 制 ， 从而为整只灵巧手的控制 打下基 础 。
宽
ｌ ５ ｍｍ
Hale Waihona Puke 高 １ ５ｍｍ 需要不 同的参数。 单一的 ＰＤ参数使得系统动态性能 Ｉ 恶化 ， 抗干扰能力差。模糊控制是一种语言控制， 不依 赖于被控对象 的数学模型 ， 算法简单 ， 易于实现 ， 能够 直接从操作者经验归纳 、 优化得到 ， 且适应能力好 、 抗 干扰能力强。然而 ， 模糊控制的控制作用只能按档处 理， 控制精度不高 ， 存在静态误差 。因此 ， 将模糊控制 与 ＰＤ控制相结合 ，利用模 糊控制的非线 性逼近能 Ｉ 力， 利用 ＰＤ控制消除静差 ， Ｉ 提高控制精度 ， 组成一种 复合控制器 ， 获得更好 的控制效果 。 ２ 气 动肌 肉驱 动的 灵巧 手指
灵 巧 手 指 的 外形 按 照 人 手 食 指 的 结 构 和 比例 设 计Ｉ， ｃ ｉ ｅ 型气动人工肌肉驱动 ， ｊ Ｍ ｋ ｂｎ ｊ ｈ 腱传动ｒ ２ Ｉ 。
气动机械手的设计毕业设计论文
气动机械手的设计毕业设计论文
首先，根据气动机械手的工作原理和结构要求，我们选择了推杆气缸
作为驱动元件。
推杆气缸具有行程长、推力大的优势，适用于机械手的多
个关节。
在设计中，我们根据机械手所需的运动范围和推力要求选择了适
当的推杆气缸型号，并进行了合理的布置和装配。
其次，对于气动机械手的结构设计，我们选择了材料强度高、重量轻
的铝合金材料，并进行了强度计算和结构分析。
在设计过程中，我们考虑
了机械手在工作过程中的受力情况，确定了各个关节的尺寸和连接方式，
以保证机械手的稳定性和可靠性。
再次，对于气动机械手的控制系统设计，我们选择了先进的气动控制
阀及传感器，以实现机械手的精确控制。
在设计中，我们考虑了机械手的
运动范围、速度和承载能力等因素，确定了合适的控制策略，并进行了模
拟和仿真分析，以验证控制系统的性能。
最后，在气动机械手的实验验证与优化方面，我们通过搭建实验平台，对设计的机械手进行了性能测试和优化实验。
在实验中，我们利用传感器
和测量仪器对机械手的运动轨迹、力矩和功耗等进行了实时监测和分析，
以评价机械手的性能和效能，并对其进行了相应的优化设计。
综上所述，本文设计了一种气动机械手，并进行了详细的分析与优化。
通过设计和实验验证，证明了机械手的可行性和优越性。
未来可以进一步
改进和扩展该设计，以满足不同领域的自动化需求，并提高气动机械手的
性能和稳定性。
气动机械手的设计
气动机械手的设计气动机械手是一种通过空气压缩来推动工作的机械手。
它具有高效性、灵活性和经济性等特点，被广泛应用于工业生产中。
在设计气动机械手时，需要考虑到机械手的结构、工作原理、控制系统和安全保护等方面。
下面将详细介绍气动机械手的设计。
首先，气动机械手的结构设计是设计的重点之一、机械手的结构应该能够满足工作的要求，并且具有足够的稳定性和强度。
通常，气动机械手由底座、活动臂、末端执行器和控制系统等部分组成。
底座是机械手的支撑结构，应该能够提供足够的稳定性，并且能够旋转和移动。
活动臂是机械手的延伸部分，通常由多节连接的臂组成，可以实现多个自由度的运动。
末端执行器是机械手的工作部分，通常用来夹取、举起和放置物体等操作。
控制系统是机械手的大脑，负责控制机械手的运动和工作。
其次，气动机械手的工作原理非常重要。
在设计气动机械手时，需要确定它是通过何种方式来实现工作。
一种常用的方法是利用空气压缩来推动机械手的动作。
这种方式具有操作简单、成本低廉和动力充足等优点，但也存在着一定的缺点，如速度较慢、噪音较大等。
另一种方法是利用气体的膨胀和收缩来实现机械手的动作。
这种方式通常使用气囊或者气缸来完成，具有速度快、精度高和噪音小等优点，但也存在着限制压力和动力不足等缺点。
此外，气动机械手的控制系统是设计的关键之一、控制系统负责控制机械手的运动和工作，通常采用基于计算机的控制系统。
这种控制系统能够实现对机械手的精确控制，并且可以根据需要进行编程。
在设计控制系统时，需要考虑到参数调整、运动规划和故障检测等方面。
另外，为了提高控制系统的可靠性和安全性，还需要设计相应的安全保护措施，如急停按钮、限位开关和防护罩等。
最后，气动机械手的安全保护是设计的重要部分。
由于气动机械手通常用于工业生产中，工作环境复杂，存在着一定的安全隐患。
因此，在设计气动机械手时，需要考虑到安全保护的方面。
首先，机械手的结构应该能够满足安全要求，并且能够防止意外事故的发生。
气动机械手控制系统设计分析
气动机械手控制系统设计分析气动机械手是一种用气压作为动力源的机械手臂，主要应用于工业自动化制造中的装配、夹取等工作。
气动机械手控制系统是机械手操作的重要组成部分，本文将从气动机械手控制系统设计分析的角度，对气动机械手控制系统相关问题进行分析。
一、气动机械手控制原理气动机械手的控制原理是通过空气压力驱动气缸活塞，改变气缸活塞的位置从而实现机械手臂的运动。
气动机械手控制系统一般由执行机构、感应元件、控制器、传感器等组成，其中最重要的部分就是控制器。
在气动机械手控制系统中，控制器是独立的微型计算机，其主要功能是根据操作者的设定来计算控制信号并形成控制指令，同时控制器还负责接收传感器的信号，控制气缸的开闭以及控制气压的大小等。
控制器一般使用PLC（可编程逻辑控制器）或PC（个人计算机）等。
二、气动机械手控制系统设计1、控制器选型气动机械手控制系统设计的一个重要因素是选择控制器类型。
可编程逻辑控制器（PLC）是主要的控制器类型之一，它是一种基于电子技术的智能控制器，具有可编程性和可扩展性特点。
PLC的应用是非常广泛的，它可以用于机器人、制造业、自动化系统等领域。
另外，个人计算机（PC）也可以作为气动机械手控制器。
相比PLC，PC的可编程性更强，其控制功能也更加灵活。
不过，PC在可靠性和实时性方面相对较弱，其控制系统需要通过编写控制软件或使用现有的控制程序来实现。
因此，在实际应用中需要根据具体的控制要求和性能要求来选择控制器类型。
2、传感器选型在气动机械手控制系统中，传感器是非常重要的部分，它能够实现机械手运动的持续监测和位置检测。
传感器的选型应该根据需求进行，有以下几种常用传感器：（1）接触式传感器：可以感知物体的接触情况，通常用于检测机械手夹持物体的情况。
（2）光电传感器：可以感知物体的存在和位置，通常用于检测工件的位置和方向。
（3）压力传感器：可以感知气压变化，通常用于检测气缸的工作状态。
（4）编码器：可以检测机械手的位置和方向，通常用于机械手的导航。
气动机械手的设计
题目：气动机械手的设计专业：机械设计制造及其自动化学生：（签名）__________指导教师：（签名）__________摘要气动机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。
机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。
气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。
关键词：气动机械手；气缸；气动回路。
Subject: The design of pneumatic manipulator.AbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design.This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts,it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop.目录1 绪论 (1)1.1 机械手简史 (1)1.2 机械手的分类 (3)1.3 机械手的组成 (6)1.4 应用机械手的意义 (8)2 机械手总体设计方案和气动回路的设计 (10)2.1 机械手的运动规划 (10)2.2 机械手基本形式的选择 (12)2.3 机械手的主要部件及运动 (13)2.4 驱动机构的选择 (13)2.5 机械手的技术参数列表 (13)2.6 气动回路的设计 (14)3 气动机械手的机械结构设计 (15)3.1 机械手末端执行器的设计 (15)3.1.1 末端执行器的概述 (15)3.1.2 末端执行器的运动和驱动方式 (16)3.1.3 末端执行器的典型结构 (16)3.1.4 末端执行器的具体设计 (17)3.2 机械手手臂的设计 (19)3.2.1 机械手手臂的设计要求 (19)3.2.2 机械手手臂的具体设计方案 (20)3.2.3 伸缩手臂的设计 (21)3.2.4 升降手臂的设计 (24)3.2.5 回转臂设计 (26)4 结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)1 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
气动柔性按摩机械手爪的设计与实现
型气动肌肉。 如图 １ 所示， 腕关节是由 ３ 根气动肌肉
按摩时的柔软度和舒适性， 手掌是由硅胶材料制成的
机构， 利用 Ａｒｄｕｉｎｏ 发送 ＰＷＭ 信号控制电磁阀的通
应人体 背 部 构 造。 根 据 掌 按 手 法 接 触 面 积 ５５ ～ ６５
以 １２０°均布于上下 ２ 个安装座之间而组合成的并联
ＺＨＡＮＧ Ｙｕ，ＬＵ Ｄｅｎｇｙｕ，ＺＨＡＯ Ｗｅｎｃｈｕａｎ，ｅｔ ａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍａｓｓａｇｅ ｍａｎｉｐｕｌａ⁃
ｔｏｒ［ Ｊ］ ．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ＆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（９） ：２８－３３．
设
法完全信任按摩的效果和安全性。 随着软体机器人的
其手法单一、 柔性不高。 ２０１７ 年新加坡南洋理工大
大学利用柔性驱动器研制出软体手部康复机器人， 用
计了每根手指具有 ２ 个自由度的四指拿捏机器人， 但
发展， 柔性材料在医疗领域得到应用。 ２０１４ 年哈佛
学协助 ＺＨＡＮＧ 等研发出两代推拿机器人 ＥＭＭＡ
需求。 因此， 在实际工作中， 为防止气囊内部颗粒物
挤压及频繁充吸气造成气囊疲劳撕裂， 将气囊壁厚设
为 ３ ｍｍ。
流体流动特性， 手掌膨胀， 整体较软； （ ３） 负压状
态下， 气囊内部与负压泵连通， 颗粒物间围压变大，
具有类固体高刚度特性， 手掌收缩， 整体偏硬； （４）
精密调压阀和真空比例阀分别调节气囊中正、 负压
空阻塞原理实现气囊的变刚度， 并在柔软特性的基础上提高了手掌承载力。 基于 Ｙｅｏｈ 超弹本构模型， 对不同壁厚气囊变
形进行仿真分析并确定参数值。 通过压缩刚度和手法力度测量实验， 对手掌气囊的变刚度性能进行测试， 得到手法力度与
气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计_彭光正
第26卷 第7期2006年7月北京理工大学学报T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26 No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计彭光正, 余麟, 刘昊(北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京 100081)摘 要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:AStructural Design of a Dexterous Hand Actuated byPneumatic Artificial MusclePENG Guang -zheng , YU Lin , LIU H ao(Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstituteof Technology ,Beijing 100081,China )A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match upw ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn . 机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手.在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做了实验.1 仿人灵巧手驱动的选择驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.到目前为止,绝大多数多指灵巧手采用电机驱动[2-3].但是电机输出功率和它的体积是一对矛盾.大功率电机体积大,不便于集成在灵巧手中,减速和力矩传递也是个难题.体积小的电机输出功率不够,难以提供给手指关节足够的握持力.气动人工肌肉(PMA )结构简单、紧凑,在小型、轻质的机械手开发中具有突出优势;它的高度柔性使其在机器人柔顺性方面很有应用潜力;它安装简便、不需要复杂的机构及精度要求,甚至可以沿弯角安装;无滑动部件,动作平滑,响应快,可实现极慢速的,更接近于自然生物的运动;同时,它还具备价格低廉、输出力/自重比高、节能、自缓冲、自阻尼、防尘、抗污染等优点,所以在灵巧手的设计中采用PMA 驱动的方式.在实际应用中一般使用成对的PMA 构成各种形式的驱动关节,其驱动力靠相互抗衡的一对PMA 的压力差产生,不用减速机构,可以直接驱动,也可以将其中一只PMA 用弹簧代替.2 整体结构设计灵巧手的整体结构采用一体化设计,将驱动手指的人工肌肉放置于前臂,驱动手腕的人工肌肉放置于上臂,通过人造腱来传递动力和运动,加强了仿生的效果,同时可以有效地减小手掌和手指的体积和质量[4].所设计的仿人灵巧手外形如图1所示.图1 仿人灵巧手外形图Fig .1 A figure of the dexterous hand作为仿人机械手,所设计的灵巧手有5根手指.虽然4指灵巧手,甚至3指灵巧手同样能出色地完成抓取动作,但是5指灵巧手能更好地完成抓取动作,使得抓取控制更简单.抓取物体时,每个手指所负责的任务就不必划分得十分明确,控制算法自然会比较简单[5].驱动装置采用英国Shadow 公司的Mckibben 型气动人工肌肉,传动方式采用人工腱传动.所有手指由柔索驱动,而人工肌肉则固定于前臂上,柔索穿过手掌与人工肌肉相连(图2).驱动手腕动作的人工肌肉固定于大臂上.图2 气动肌肉安装位置示意图Fig .2 Fixing of PM A采用一对气动人工肌肉驱动.每根人工肌肉直径6mm ,长150mm ,质量10g ,最大拉力达70N .灵巧手有5根手指,不包括腕部在内一共有17个自由度(图3).其中拇指4个关节,4个自由度;食指4个关节,3个自由度;中指4个关节,3个自由度;无名指4个关节,3个自由度;小指5个关节,4个自由度,一共由34根气动人工肌肉驱动.腕部2个关节,2个自由度,由4根气动人工肌肉驱动.除拇指外,4指远端的2个关节采用机械耦合,使2个自由度合并为1个,即减少了驱动器的数量,同时又使得手指的运动更像人类的手指[6].图3 灵巧手自由度示意图Fig .3 DOF of the dexterous hand灵巧手由手掌、手指组成(图4).手掌由3部分组成:拇指掌骨、中间掌、小指掌骨,其中中间掌是食指、中指和无名指掌骨的合并掌.这一简化设计使得灵巧手的机械结构简单,同时提供了一个传感器信号调理电路的空间,而且它不会影响整个手的仿生运动.5根手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指,其中食指、中指和无名指在结构和长度上均相同,小指与其它3指相比,结构相同,长度略短.当5指伸直且4指平行时,中心线间距20mm ,给佩戴人工皮肤留下足够的空间;拇指与食指呈20°角.拇指有4个关节:拇指指间关节、拇指掌指关节、拇指腕掌关节,其中拇指腕掌关节设计为拇指远端腕掌关节和拇指近端腕掌关节.拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现拇指腕掌关节的功能,即将实际594北京理工大学学报 第26卷关节在两个自由度方向分解并分别设计;其它4指均有4个关节:远端指间关节、近端指间关节、指掌关节、横向摆动关节,其中指掌关节和横向摆动关节共同作用实现指掌关节的功能.图4 灵巧手背面与正面示意图Fig .4 Back and palm of the dexterous hand 拇指远端腕掌关节横向摆动范围为0°～60°,4指指根横向摆动关节运动范围为-15°～+15°,其它关节运动范围均为0°～90°.灵巧手的尺寸与人类的手接近,如表1所示.表1 灵巧手主要尺寸表Ta b .1 Main size of dexterous handmm拇指食指中指无名指小指掌宽掌长掌厚80106106106879090203 手指的结构设计3.1 设计思想目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想,即内骨骼设计和外骨骼设计.外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮,用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上,而且难于安装触觉传感器;内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫.仿人灵巧手采用内骨骼设计.肌腱是人手实现运动的关键.仿照人类手指的自然设计采用两条PMA 驱动一个关节,一根PMA 的收缩力通过柔索传到手指腹面,做屈指运动,另一根的PMA 收缩力通过柔索传到手指背面,做伸指运动.人手的肌腱穿过附着于骨骼上的内部具有润滑脂的腱鞘,腱鞘具有很好的弹性,在骨骼弯曲时具有良好的适应性,最大限度地减少了关节连接处的部件.在仿人灵巧手的设计中运用了这种思想,所有的柔索(人工腱)均带有腱鞘,靠腱鞘的柔性变形来适应各种弯曲,使柔索能顺利地将人工肌肉的运动从小臂传递到手指上.在灵巧手的设计中,采用橡胶软管作为柔索的腱鞘,以减少关节旋转给柔索带来的摩擦.3.2 设计结构拇指是最灵活的手指,其外形如图5所示.图5 拇指外形图Fig .5 Figure of the thumb拇指的结构如图6所示,可以看到,拇指由远端指节骨、近端指节骨和拇指侧掌骨构成.在5指并拢时,拇指指肚与手掌掌心面成45°,4指指肚与掌心面平行.这样设计的好处是,在抓取物体时,拇指可以用正面来接触物体表面,可以更好地传递力,使触觉传感器更好地反馈接触面上产生的信号;另一方面也符合人手的形状[7].图6 拇指的结构Fig .6 S tructure of the thumb拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现595第7期 彭光正等:气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计拇指腕掌关节的功能.人手拇指腕掌关节是一个可以绕2个自由度方向转动的关节,而所设计的拇指腕掌关节将实际关节在2个自由度方向分解并分别设计,这样既降低机械结构的复杂性,又能实现所需的功能.拇指远端腕掌关节横向摆动的范围在0°～60°之间.如果加上拇指伸直时与4指的20°夹角,可以做到几乎垂直地竖起大拇指,这样设计的目的可使灵巧手更像人手,做出像张开5指、竖起大拇指等动作.第1指节与第2指节之间由滑轮与轴承连接,构成拇指指间关节,驱动该关节的柔索在第1指节的滑轮上缠绕2到3圈,起到固定的作用(图7),并向后穿过第2、第3指节以及手掌和手腕,最后与固定于小臂上的人工肌肉相连.拇指上其它关节的驱动方式同拇指指间关节的驱动方式,每个关节由一对人工肌肉驱动.图7 指关节柔索驱动示意图Fig .7 Finger joint driven by flexible rigging其它4个手指均各有4个关节,3个自由度.这4个手指采用相同的结构,只是小指在长度上比食指、中指及无名指短一些(图8).图8 其它4指外形图Fig .8 A figure of the other fingers以中指为例,共有远端指骨间关节、近端指骨间关节、掌指关节以及横向摆动关节4个关节.人类手指的掌指关节有2个自由度,所以近端的2个关节实际上是对人类手指的掌指关节的分解.远侧2个关节由柔索实现联动,有1个自由度.其它关节各由一对人工肌肉驱动,各有1个自由度.其中横向摆动关节的自由度用于实现手指的横向摆动,它与指掌关节的转轴是相互垂直的,可以使指端在空中画圆.在日常生活中人们都有这样的经验,在没有外力作用的情况下,手指远侧的两个关节几乎不可能独立运动,它们在弯曲或伸直过程中,两个关节转角存在着某种联动关系.在仿人灵巧手的设计上(图9),绕R 1的柔索固定在中指节骨上,绕R 2的柔索固定在远指节骨上,R 3固定于近指节骨上,当人工肌肉产生X 1方向上的形变量时,柔索带动R 2即近端指间关节转动产生θ1角度.R 3是通过轴承和R 1同轴的,它不随R 1转动,实际上可以说R 3根本不转动,它只是提供一个比较光滑的柔索通道.R 3轴和R 2轴通过交叉型的柔索串联起来,所以,当近端指间关节转动时,交叉型柔索在R 3上的切点会相对于原来的位置发生移动,从而带动R 2即远端指间关节转动θ2角.图9 单个手指运动示意图Fig .9 M ovement of a finger仿人灵巧手的抓取动作是靠整只手来完成的,手指、手掌都会参与到这一动作中.考虑到掌骨和腕掌关节在抓持物体时起到重要的作用,在拇指和小指侧各设计有掌骨,由此带来的腕掌关节使得灵巧手的动作更加丰富,在对物体包围抓握时可以与物体贴合得更好些,有助于手中所抓物体的稳定,物体不会轻易从手中滑落.食指、中指和无名指近侧的掌骨被设计成一个整块,构成了手掌,并且可以提供安装传感器信号调理电路的空间.图10 柔索在手掌中的布局Fig .10 Tendons in palm4 柔索的布局手掌内部主要包含柔索挡件,它们用于连接并支撑手掌上下2片,起到限制柔索的活动范围、引导柔索走向的作用(图10).596北京理工大学学报 第26卷5 结 论仿人灵巧手在设计上尽量体现了仿生的要求,其外形小巧,结构简单.由于采用气动人工肌肉作为驱动装置,该手具有很好的柔顺性.针对所设计的机器人灵巧手,建立了以工控机为核心的控制系统,采用SMC公司ITV0050比例阀控制每根肌肉的动作,对手指的驱动进行了实验.实验结果表明采用一对气动人工肌肉驱动手指关节是可行的,而且关节联动部分的设计是可行的,此种灵巧手在外形和手指关节的运动空间方面达到了拟人的效果.参考文献:[1]W alker R.Shadow dextrous hand technical specifica tio n[M].London:The Shadow Robot Company,2005. [2]Biagiotti L.Desig n aspects for advanced robo t hands[C]∥P roceedings of I EEE International Conference on I ntelli-gent Robots and Sy usanne,Switzerland:[s.n.],2002:1-16.[3]Butterf J.DL R handⅡ:nex t g eneration of a dexterousrobo t hand[C]∥P roceedings of the2001IEEE Interna-tional Conference o n Robotics&Automation.Seoul,K o-rea:[s.n.],2001:21-26.[4]Lov chik C S.T he robonaut hand:a dexterous robot handfor space[C]∥Proceeding s of the1999IEEE Inter nationalConference on Robotics and Automation.Detroit,M ichi-gan:[s.n.],1999:907-912.[5]Bicchi A.Hands for dex terous manipula tio n and robustgrasping:a difficult road toward simplicity[J].I EEET ransactions on Robotics and Automation,2000,16(6): 652-662.[6]Jacobsen S C.T he U TA H/M IT dex terous hand:w ork inprog ress[J].T he International Journal of Robo tics Re-search,1984,3(4):21-50.[7]Kaw asaki H.Dex terous anthropo mo rphic robo t hand withdistributed tactile sensor:Gifu hand II[J].M echatro nics,IEEE/A SM E T ransactio ns,2002,7(3):296-303.(责任编辑:赵秀珍)(上接第592面)参考文献:[1]Salton G,Wo ng A,Yang C S.A vector space model forautomatic indexing[J].Communications o f the ACM,1975,18(11):613-620.[2]Yang Y,Pedersen J.A comparative study on feature setselection in tex t categ oriza tio n[C]∥P roceedings of the14th International Conference on M achine Learning.N ashville,T N:M organ K aufmann,1998:412-420. 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[4]Soucy P,M ineau G W.Beyo nd TF IDF weig hting for textcatego rizatio n in the vecto r space model[C]∥I nterna tio nalJoint Conference on A rtificial Intelligence.Edinburgh,Sco tland:U K,2005:1130-1135.[5]F ranca D,F abrizio S.Supervised term weighting fo r auto-mated tex t catego rization[C]∥Proceeding s of the2003ACM Symposium on A pplied Computing.M elbourne,Flo rida,USA:A CM,2003:784-788.[6]M ladenic D,G robelnik M.F eature selection for unbal-anced class distributio n and native bayes[C]∥Proceedingsof the16th Inter national Co nference o n M achine Lear n-ing.San F rancisco,CA:M org an Kaufmann,1999:258-267.[7]M ineau G W.A simple KN N algorithm for tex t catego-rization[C]∥International Conference o n Data M ining.San Jose,Califo rnia,USA:IEEE Computer Society,2001:647-648.[8]Joachims T.Tex t categ orizatio n with suppor t vecto r ma-chines:Learning w ith many relevant features[C]∥Euro-pean Conference on M achine Learning.Chemnitz,Ger-many:Spring er,1998:137-142.[9]David D L,Ringuette M.A comparison of two learningalgorithms for text categorization[C]∥T hird Annual Sym-posium on Document Analysis and Information Retrieval.Las V egas,N V:ISRI,1994:81-93.(责任编辑:李玉丹)597第7期 彭光正等:气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计。
毕业论文气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析
3.2.3第三肩关节结构参数设计……………………………………………………22
3.3肘关节结构参数设计…………………………………………………………………23
3.3.1X轴方向上的结构参数设计……………………………………………………23
The problem this passage mainly resolves----mechanical design and simulation.
The main content ofthis subject:
(1) Design thejointstructure of pneumaticmanipulator;
人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。
气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动关节，这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。而且由于其类似生物体驱动关节的方式，因此具有刚度和位置能独立控制等仿生关节具有的优点。
4.3.3肘关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………29
4.3.4肘关节Y轴方向的运动仿真及分析……………………………………………30
气动机械手设计调研报告
气动机械手设计调研报告气动机械手是利用空气压缩机产生气动力驱动的机械手。
它的设计和应用在各个领域都具有重要意义。
本调研报告将对气动机械手的设计和应用进行调研，并分析其优点和不足之处。
一、气动机械手的设计原理气动机械手的设计原理基于空气压缩机产生的气动力。
气压通过管道传输到机械手的气缸中，使活塞运动，从而驱动机械手实现抓取、搬运等动作。
气动机械手具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的优点，适用于需要快速、精确和连续运动的场合。
二、气动机械手的应用场景气动机械手广泛应用于工业生产线、仓储物流、自动化仪器等领域。
在工业生产线上，气动机械手可以承担物料的搬运和组装任务，提高生产效率和质量。
在仓储物流领域，气动机械手可以实现货物的快速装卸和分拣，减少人力成本。
在自动化仪器领域，气动机械手可以用于实验操作、样品处理等任务。
三、气动机械手的优点1. 结构简单：气动机械手由气缸、活塞、连接杆等简单组件组成，易于制造和维护。
2. 快速响应：气动机械手响应速度快，可以实现高频率和高精度的动作。
3. 负载能力大：气动机械手可以通过增加气源的压力来增加负载能力，适用于重物搬运等任务。
4. 成本低：相比于电动机或液压机械手，气动机械手的成本较低。
四、气动机械手的不足之处1. 控制复杂：气动机械手的控制需要通过气源的压力和流量控制来实现，相对复杂。
2. 动力不稳定：由于气压在工作过程中会波动，气动机械手的力和速度也会有所波动，不够稳定。
3. 环境要求高：气动机械手的工作环境需要保持相对清洁和无尘，否则容易影响气缸的正常运动。
五、发展趋势和展望随着自动化技术的进步和工业生产的需求增长，气动机械手将会有更广泛的应用。
未来的气动机械手可能会在控制系统和驱动方式上有所创新，以提高其精度和稳定性。
此外，利用智能传感器和人工智能技术，可以实现气动机械手的自主控制和智能操作，提高其效率和灵活性。
综上所述，气动机械手具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点，在工业生产线、仓储物流、自动化仪器等领域有广泛的应用前景。
柔顺气动手爪的设计研究
（ ａ ｇｈ ｕ Ｐ ｌ ｅ ｈ ｉ Ｃ ｌ ｇ ， ａ ｇｈ ｕ２ ５ ０ ， ｈｎ ） Ｙ ｎ ｚｏ ｏ ｔｃ ｎｃ ｏ ｅｅ Ｙ ｎ ｚ ｏ ２ ０ ９ Ｃ ｉａ ｙ ｌ
Ａｂｔａ ｔＯ ｅｏ ｅｉ ｐｒ ｎ ｒｑ ｉ ｍ ｎｓ ｆ ｂｔ ｒ ｐｒ ｓ ｒｓｉｇｏｊｃ ｆ ａ ｄｃｍ ｌ ｎ ａ． ｓ ｃ ： ｎ ｆｈ ｏｔ ｔｅ ｕｒ ｅ ｔ ｏ ａｒ ｏ ｇ ｐ ｅ ａｐｎ ｂｅｔ ｉ ａ ａ ｎ ｏ ｐｉ ｔ ｙ ｒ ｔ ｍ ａ ｅ ｏ ｉ ｉｇ ｓｎ ｓ ｅ ａ ｗ
关 键 词 ： 动肌 肉 ； 爪 ； 顺 性 ； 取 操 作 气 手 柔 抓
中Байду номын сангаас图分 类 号 ：Ｐ ４ Ｔ２ １
文献标识码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ８— ６ ３ ２０ ） ２ ０ ３一 ３ １０ ３ ９ （０ ８ ０ —０２ ｏ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ｌ ｘ ｂ ｅ Ｇｒ ｐ ｅ ｔ ａ ｅ ｙ Ｐｎ ｕ ａ ｉ ｕ ｃ ｅ ｓｇ ｆ ｔ ｅ Ｆ ｅ ｉ ｌ ｉ ｐ ｒ Ａｃ ｕ ｔ ｄ ｂ ｅ ｍ ｔｃ Ｍ ｓ ｌ ｓ
（ 扬州 职业 大学 ， 江苏 扬州
摘
２５ ０ ） ２ ０９
要 ： 全 柔顺 地 抓 取 对 象是 机 器 人 手 爪 的 一 项 重要 指 标 ， 安 气动 肌 肉作 为 一 种 类 似 生物 肌 肉 的 柔性 驱
动 器 ， 以有 助 于 实现 这 一 目标 。文 中讨 论 基 于 生物 运 动 机 制 的 仿 人 两指 手 爪 的 结 构 和 工 作 原 理 ， 析 了气 可 分 动 肌 肉的输 入 压 力是 决 定 手 指抓 取 力和 手 指 张 角 大小 的 唯 一 因素 ， 手 指 的 柔顺 控 制 提 供 了理 论依 据 。 为
多功能气动上料机械手手抓设计
机械手手抓设计专用工艺装备设计概念分类特点设计原则机械手由操作机 ( 机械本体 ) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
液压式机械手气压式机械手电动式机械手混合式机械手气动机械手的概念气动机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。
按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节 其运动速度。
由于气动驱动系统 价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍 。
另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
楔块杠杆式手爪滑槽式手爪连杆杠杆式手爪齿轮齿条式手爪平行杠杆式手爪零件图虚拟环境的应用气动手抓在ABB机器人中的使用：机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手运用于自动生产线中它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不间断重复同一种工作，不知疲劳，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此气动机械手的应用已受到许多部门的重视，并越广泛的运用到生产中。
机器人气动手爪的设计与研究
K 中被剔除的数学期望: K [ 1- ( 1- P 0 ) - K 学期望 : K q=K P0 ) - K P0 )
K- 1 K K
P0
( 1- P 0 )
4 . 2 真空发生器的设计 真空发生器是用来产生真空, 结构简单, 体积小, 无可动机械部 件, 安装和使用很方 便, 因此应 用很广 泛 , 真空发生器的产生的真空度可达 88 kPa , 真空发生 器的结构原理 (如图 5)所示。它是由先收缩后扩张的 拉瓦尔喷管 1 、 负 压腔 2 和接收管 3 等组 成, 有 供气 口、 排气口和真空口, 当供气口的供气压力高于一定值 后 , 喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性 , 高速射
图 6 真空影响时间曲线
最大吸入流量 Q m ax = ( 2 ~ 3 )
Q
[ 4]
Q m ax = 2 9 . 32 = 18 . 64( L /m in ) 应该选择最大吸入流量比 Qm ax 还 大的真空发生 器
P 0; 检测后产品中的不合格率为 : P 0 - {K P0 P0
K K- 1
+ 2
( 1- P 0 )
K- 1
]}
{K - {K P0
+ 2
[ 1- ( 1- P 0 ) - K
( 1- P 0 )
]}
当 K = 20 时 , q = 0 . 000393 ; 当 K 的个数为 20时已 经完全满足最后产品的次品率小于 0 . 0005 的要求, 故 使用 2 个剔除装置可以完全满足系统的检测要求。 4 结论 本文针对目前钎焊环人工检测效率低 , 误判率高 等局限性, 提出了一种缺陷钎焊环的机器视觉自动检 测系统 , 并通过理论验证与实际分析。对系统各部分
视觉机器人气动机械手爪设计开题报告
开题报告课题：视觉机器人气动机械手爪设计一、课题的意义及价值本课题是基于视觉位姿估计的机器人目标跟踪总课题的一个模块，将对机器人的末端执行器----气动机械手爪进行设计，同时设计手爪气动控制系统。
手爪是机器人与抓取对象等直接接触并进行作业的装置，是整个机器人的关键部件之一，它的性能好坏对提高机器人的工作效率，发挥机器人的作用影响很大。
气动手爪主要有以下的优点:(1)快速性。
气动手爪以压缩空气驱动，具有气压传动的优点，运动速度快，手爪的开闭时间短，工作频率可达100一150次m/ni。
(2)体积小，重量轻。
由于采用铝合金等轻金属，并实现紧凑的设计，手爪机构一般重量在300一15009之间。
(3)采用特殊密封结构，不必润滑。
(4)开闭动作均可用压缩空气驱动，工作压力可调，把持力稳定可靠。
(5)具有内部磁性发讯装置，手爪的开闭动作可以得到确认，提高工作可靠性。
(6)一般气动手爪机构都考虑在各个方向上可以安装，方便用户，并备有各种形状的手指，适应不同工件。
由于具有上述优点，气动手爪在生产实际中的应用需求不断增长，因而发展比较迅速。
目前，气动手爪已经逐渐成为一种标准产品，但不是说本课题就没有研究的意义了，现在许多厂家要求为他们的机器人设计专门的手爪满足生产的需求。
所以本课题为视觉机器人专门设计一个手爪还是有很的意义和市场价值的。
二、文献综述视觉机器人的研究现状及发展趋势机器人是自动执行工作的机器装置既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能的原则纲领行动。
它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
近年来机器人在越来越多的领域里得到了应用，也越来越为人们所熟悉，同时也是学者研究的热门课题。
视觉机器人是机器人的一类。
视觉机器人将视觉处理与机器人技术相结合,使机器人具有与周围环境交互的能力,是智能机器人最重要的发展方向之一,在视觉抓取、动态跟踪、自动装配、远程手术、移动机器人、危险环境作业、空间站对接等领域都获得了广泛的应用。
气动握爪原理
气动握爪原理气动握爪是一种常见的机械装置，通常用于工业自动化领域。
它通过利用气动原理，实现对物体的夹紧、放松和移动等操作。
本文将介绍气动握爪的原理、工作方式以及应用领域。
一、原理概述气动握爪的原理基于气动动力技术，主要利用气压差产生力的作用。
通过控制气体流动的开启和关闭，实现对握爪的夹紧和放松。
二、工作方式气动握爪通常由气缸、指爪和控制系统组成。
气缸是握爪的执行器，通过控制气体的进出实现夹紧和放松的动作。
指爪是握爪的夹持部分，它根据气缸的运动来实现对物体的夹持。
具体地，当气缸内的气体被压缩时，其内部压力增加。
这种增加的压力会将气缸的活塞向外推动，从而导致指爪的闭合。
当气体被释放时，气缸内部的压力下降，活塞受到外部的作用力，使得指爪打开。
为了进行精确控制，气动握爪通常配备了控制系统，可以通过调整气缸内压力的大小和持续时间来控制夹紧力的大小和夹持时间的长短。
三、应用领域气动握爪由于其灵活性和可靠性，被广泛应用于许多工业自动化领域。
以下是几个主要的应用场景：1. 汽车制造业：气动握爪可用于汽车生产线上的零部件夹持和搬运作业，提高生产效率和安全性。
2. 电子制造业：气动握爪可用于电子产品组装线上的零部件夹持和定位，确保组装的准确性和一致性。
3. 物流和仓储业：气动握爪可用于货物搬运、装卸和堆垛等操作，提高物流效率。
4. 包装行业：气动握爪可用于物品的夹持和定位，实现自动化包装流水线。
总结：气动握爪利用气动原理实现夹紧和放松的动作，通过控制气体流动的开启和关闭来实现对物体的夹持。
它在工业自动化领域具有广泛的应用，常用于汽车制造、电子制造、物流和仓储以及包装行业等。
随着科技的不断进步，气动握爪的设计和应用也在不断创新发展，为自动化生产带来更多的便利和效益。
气动机械手的结构设计-分析及控制的研究
气动机械手的结构设计\分析及控制的研究摘要：随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。
在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。
尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。
关键词：模拟人体手臂; 关节型机器人Abstract: with the microelectronics technology, the sensor technology, control technology and machinery manufacturing technology level of rapid development, application field of robot gradually expand from car into other fields. In all types of robot, simulation of a human arm robot joints, with compact structure, accounting for the space is little, sports a large space etc, and is one of the most widely used a robot. Especially by flexible joints of the flexibility of the bionic robot composed in service robot and rehabilitation robots the application fields and demand more and more outstanding.Keywords: simulation human arm; Joint robot1、引言近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
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关键词：气动肌肉；手爪；柔顺性；抓取操作
中图分类号：ＴＰ２４２
文献标识码：Ａ
’
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｒｉｐｐｅｒ Ａｃｔｕａｔｉｅｄ ｂｙ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｍｕｓｃｌｅｓ
ＷＥＩ ＹＵ．ｆｅｎ．ＹＡＮＧ Ｑｉ．ｗｅｎ
（Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ）
［５］龚振邦．机器人机械设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９５．
［６］Ｔｓａｇａｒａｋｉｓ Ｎ，Ｃａｌｄｗｅｌｌ Ｄ Ｇ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｎｌｕ∞ｌｅ ａｃｔｕａｔｏｒｓ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ｉｕｔｅｍａ－
ｌｆ。２＝＝石石‘‘丁７ｊ磊ｊ磊面面而
由上述式子可得指端夹持力为：
，＝ｎｌ｝一，葩７。－
（４）
０１
。２
巴ｌ＝２５＇ｎ＇ｆｆｏＰ。［口（１一勋Ｉ占１）２一ｂ］１
，ｋ＝２５订玩只［Ｄ（１一＾锄岛）２一ｂ］Ｊ
式中，占。和占：分别为手指处于初始位置时，内侧肌肉和外侧 肌肉的初始收缩率。
从上面的推导可知，当手指结构参数（ｃ＝１４ ｈｉｍ．ｒ＝３４
｝Ｉ
一
ｌ
皂一
、
ｏ
峨
彩
靼
＾。）、也囊嘏枣巾
、扣
▲图７（ａ）张角口与压力差ＡＰ的测试曲线
¨ 地 ¨
８
Ｎ，‰Ｒ ６
４ ２
Ｐ２ ０．５ＭＰａ一０ ＰＩ·ｎ ＯＭＰａ
Ｐ１ ０—０．５ＭＰａ／
Ｐｌ。ｎ．∞。ｆｊ
ｆ
｝
。
０．５
０．２５
０
０．２５
０．５
压力Ｐｌ，Ｐ应曲线 ▲图７（ｃ）指端夹持力，的实验曲线
针对手指这个特殊的驱动关节，笔者采用一种新的方式 来安装两根气动肌肉，如图２和图３所示。气动肌肉的一端 固定到手掌底部，当肌肉充气收缩时，这一端将作为固定端 保持不动。气动肌肉的另一端通过钢丝绳绕过销子３和销 子４固定到销子２上，当肌肉充气伸缩时，这一端将作为自 由端随手指一起运动。销子３和销子４等距离排列在和销 子１同一条直线上，这样就把气动肌肉对销子２的直线拉力 转换成对销子ｌ的转动扭矩，套在销子３和销子４上的尼龙 管用于减小钢丝绳与销子之间的摩擦，销子１在这里用作指 关节的转轴，与平行连杆固接在一起，其一端加工出－ｄ，凸 台，用于电位器的安装，电位器不仅用于指关节转角的测量，
一，＋，ｍｌｃｏｓ，／，１一％ｃｏ却２＋以ｃｏ够＋％ｃｏ啦＝０１
Ｆｍｌ ｓｉｎ４，ｌ＋，ｍ２ｓｉｎ咖２一Ｍｓｉ唯一Ｎａａｉ妒＝０
Ｊ
（２）
式中，ｓｉｎｇ，，、ｓｉｎ也、ｃｏ啦。、ｃｏ哪：可用下列式子表示，其中２。和
ｆ２分别为销子２到销子４和销子３的距离。
ｓ；呻·＝半ｓｉ咄＝守
ｃ。咄＝气产ｃ。咄＝鼍竽 （３）
接触的地方，装在机器人的手腕部，协助机器人进行灵巧、柔
［３］杨钢．李宝仁。刘军．一种新型气动执行元件—气动人工肌
顺的抓取操作。
肉［Ｊ］－中国机械丁程·２００３，１４（１５）：１３４７—３４９． ［４］施光林，周爱国，钟廷修，等．气动人工肌肉与标准气缸的力特性
比较［Ｊ］．上海交通大学学报，２００４，３８（８）：１３４８一１３５３．
ｆｉｎｇｅｒ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｇｒａｓｐ ｓｏｆｔ ｏｒ ｆｒａｇｉｌｅ ｏｂｊｅｃｔｓ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｕｓｃｌｅ；ｆｉｎｇｅｒ；ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ；ｇｒａｓｐ
万方数据
第６期
卫玉芬等：气动肌肉驱动手爪的设计与分析
５９
而且可以间接算出手指处于这个位置时两根气动肌肉的收 缩量。
销子５ 销子２ 销子４ 销子１ 销子３
▲图２三维造型图
钢 娃ｐ—
气 动 肌 肉
调 节 螺 栓
▲图３气动肌肉安装示意图
８为收缩率，￡为有效收缩长度，厶＝７４ ｎ瑚为初始有效收缩 长度，Ｄｏ＝５．５ ｍｍ为初始直径，％＝２４０。为初始编织角，这 三个参数是指在充气压力为零，负载为７０ Ｎ时测得，Ｋ为收 缩率的修正系数。
ｌｔｎｌｌｔｌ）和两根气动肌肉的初始收缩率（取岛＝０．１６）确定后， 指端输出力Ｆ的大小将只与关节转角口及两根气动肌肉的
机械设计与研究
第２６卷
输入压力Ｐ．和Ｐ２有关，而与约束反力Ⅳ＾和虬无关。当手指 运动到抓取位置后，改变气动肌肉输入压力Ｐ。和Ｐ２的值可 以调节手指端部的夹持力。
２手爪特性测试
手爪特性测控系统如图６所示，控制气动肌肉充气压力 的压力比例阀ＶＹｌｌ００是日本ＳＭＣ公司的产品；关节转角的 测量采用一小型电位器；拉力传感器为蚌埠大江传感器厂的 ＤＬＢ５；数据采集卡使用台湾研华公司的ＰＣＩｌ７１０；软件部份 用ＬａｂＶＩＥＷ进行编程。
ｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｆｌｃｅ ｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。２０００：３６４１～３６４６．
［７］Ｂｅｒｔｒａｎｄ Ｔｏｎｄｕ，Ｐｉｅｒｒｅ Ｌｏｐｅｚ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍｃｋｉｂｂｅｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｃｔｕａｔｏｒＢ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍａｇａ－
第２６卷第６期 ２０１０年１２月
机械设计与研究
Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．２６ Ｎｏ．６ Ｄｅｅ．，２０１０
文章编号：１００６－２３４３（２０１０）０６－０５８－０３
气动肌肉驱动手爪的设计与分析
卫玉芬。杨琪文 （扬州职业大学，江苏 扬州２２５００９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｆｅｎｗｅｉ＠１２６．ｃｏｒｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｒｏｂｏｔ ｇｒｉｐｐｅｒ ｉｓ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ａ ｓａｆｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｗａｙ．
Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｕｓｃｌｅｓ ｃａｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｌｉｋｅ ｎａｔｕｒａｌ ｍｕｓｃｌｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ
图８为手爪的抓取实例，进一步证实以气动肌肉驱动的 手爪可以实现对柔软易变形、易碎等多种物体的抓取操作。
以上借鉴生物关节中肌肉群的差动运动机制，以气动肌 肉为驱动器，提出了一种新的气动手指，为了简化手指的结 构，减轻手部的重量，气动肌肉在手爪内的安装采用了对称 三角方式，代替常用的链轮和链条机构把气动肌肉的的直线 运动转换成手指关节的转动。理论分析和实验测试证明手 指的抓取过程可分步进行，首先，手指根据预先设定的目标
手爪是机器人与抓取对象等直接接触并进行作业的装 置，是整个机器人的关键部件之一，它的性能好坏对提高机 器人的工作效率，发挥机器人的作用影响很大。在现有的各 种机器人手爪中，操作功能最多、最完善的是多指多关节灵 巧手，它可以模仿人手完成多种动作，但复杂的结构和传感 系统使其成本高昂、限制了它的应用范围。气动手爪由于具 有体积小、重量轻、速度快、使用方便等特点，在机器人领域 的应用范围较广，但由于不能对夹持位置和夹持力进行有效 的控制，因而难以实现对物体的柔顺抓取操作¨。１。
下面以四根直径为６ ｍｍ的气动肌肉作为驱动器，模仿 生物运动机制，设计了一仿人两指手爪，建立了手爪的夹持 力模型，分析了气动肌肉的初始输入压力和初始收缩率对手 指张开范围与夹持力大小的影响，指出内外侧肌肉的输入压 力值是决定手指夹持力大小的重要因素，实验证明该手爪可 以有效地对多种易碎、柔软的物体进行抓取操作。
参考文献
快速运动到抓取位置，其次，逐渐增加抓取力，直到达到预定
［１］张寺彬，杨庆华，胥芳，等．９ｔ器Ａ．多指灵巧手及其驱动系统研
竺不仅 罂可 竺以 ：用＝：在！易：燃曼易票爆麓等号危！璧险耋场型合０，苎而詈且娄可意以篓用翌在曼与氅人烹密Ⅲ切窆婺銎”攥。坚磊莘≥箍篇：篆蒜，器“翼３６“，手（“２１０…的１）０…４：操２３，－２２作…９０．（灵…”３焉…一≥。算４“尚”．“”机“械“工‘
１ 手爪的结构设计和工作原理
气动肌肉是一种由压缩空气控制的可收缩的直线驱动 器，而关节的转动通常由两根气动肌肉配置成图ｌ所示的形 式。借助链轮、链条机构向外传送扭矩。
若给两根气动肌肉同时输入初始压力Ｐ０，则轴的转角为
收稿日期：２０１０—０７—２２
▲图１ 常用转动关节气动肌肉安装示意图
零，两根肌肉在初始位置达到平衡；若往其中一根输入压力 尸０＋△尸，另一根输入压力Ｐ０一△尸，则它们将在一个新的位 置达到平衡。当把这种方式运用于驱动指关节时，链轮的使 用将成为一个主要问题，它不仅增加手爪的体积和重量，而 且会使指部关节的机械结构变得较为复杂口。５ Ｊ。
▲图６手爪特性测控系统图
使用图６的测控系统，对手指的动态特性、静态特性、指 端输出力分别进行了测试，测试过程中，气动肌肉的初始压 力均取ｅｏ＝０．２５ ＭＰａ（手指张角可达到最大）。图７ａ为手 指张开后（Ｐ．＝０，Ｐ２＝０．２５ ＭＰａ），给气动肌肉输入阶跃压差 信号，手指的动态响应曲线。从图中可以看出，手指闭合时 间小于５０ ｎｌ￥（包括压力比例阀的响应时间为３０ Ｉｌｌｓ）。图７ （ｂ）为手指张角口与压差△Ｐ的静态特性曲线，从图中可以 看出，手指的张开和闭合过程存在较大的滞环，但经过多次 反复实验，证明其重复性很好，即指关节转角可用于开环方 式进行控制。图７ｃ为手指处于最大张角时，调节两根气动 肌肉的输入压力Ｐ．和Ｐ２（钢丝绳的预张紧力为２ Ｎ），指端 输出力，的变化曲线。由图中可以看出，手指完全张开时， 指端输出力Ｆ最大可以达到１３ Ｎ。实验证明随着手指张角 的减小，指端输出力Ｆ的最大值在逐渐减小。