机械手臂设计

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