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河南机电高等专科学校课程设计报告书课程名称：自动化职业技能培训系部名称：自动控制系专业班级：姓名：学号：2011年5月13日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。本课题重点在于气动机械手关节结构参数化设计和其可行性分析。由于气动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少，肌肉本身的动特性还在研究中，因此本课题具有一定的难度，在研究过程中注重静态指标的满足。本文重点解决的问题——结构设计及仿真。本课题中主要内容是：（1）设计气动机械手关节结构；（2）关节结构的参数设计；（3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的结果为止。目标：满足气动机械手关节结构的设计要求。关键词：气动肌肉；结构设计；气动机械手关节；运动学仿真目录第1章绪论………………………………………………………………………………………11.1研究气动机械手的意义…………………………………………………………………11.2气动机械手在国内外的发展现状及应用………………………………………………21.3气动技术发展状况及优缺点……………………………………………………………41.4气动机械手的发展方向…………………………………………………………………6第2章气动机械手关节结构形式设计……………………………………………………82.1气动肌肉结构、特性及模型……………………………………………………………82.1.1气动肌肉的基本结构……………………………………………………………82.1.2气动肌肉的特性…………………………………………………………………82.1.3气动肌肉的模型…………………………………………………………………92.2气动机械手的基本结构………………………………………………………………112.3气动机械手关节结构设计……………………………………………………………122.3.1关节的基本方式………………………………………………………………122.3.2肩关节结构设计………………………………………………………………122.3.3肘关节结构设计………………………………………………………………142.3.4腕关节结构设计………………………………………………………………16第3章气动机械手关节结构参数设计…………………………………………………183.1参数设计优点…………………………………………………………………………183.2肩关节结构参数设计…………………………………………………………………183.2.1第一肩关节结构参数设计……………………………………………………183.2.2第二肩关节结构参数设计……………………………………………………203.2.3第三肩关节结构参数设计……………………………………………………223.3肘关节结构参数设计…………………………………………………………………233.3.1X轴方向上的结构参数设计……………………………………………………233.3.2Y轴方向上的结构参数设计……………………………………………………243.4腕关节结构参数设计…………………………………………………………………26第4章气动机械手关节的模拟仿真………………………………………………………274.1仿真内容………………………………………………………………………………27气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析24.2仿真方法………………………………………………………………………………274.3气动机械手关节的运动学分析………………………………………………………284.3.1第一肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………284.3.2第二肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………284.3.3肘关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………294.3.4肘关节Y轴方向的运动仿真及分析……………………………………………304.3.5腕关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………314.3.6腕关节Z轴方向的运动仿真及分析……………………………………………324.3.7第一二肩关节，肘关节X轴方向，腕关节X轴方向的运动仿真及分析………324.3.8第一二肩关节，肘关节Y轴方向，腕关节Z轴方向的运动仿真及分析………33第5章结论……………………………………………………………………………………33参考文献………………………………………………………………………………………34致谢……………………………………………………………………………………………36第1章绪论1.1研究气动机械手的意义近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。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析2控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究[1]。从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20％以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一[2]。传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。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[3]。气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应浙江理工大学本科毕业设计(论文)3用[4]。1.2气动机械手在国内外的发展现状及应用由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对机器人或机械手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。传统观点认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外，气源工作压力较低，抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受，对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果，它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析4力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。从上述实例可见，气动机器人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言，“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区域。气动技术发展至今，用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，很多场合使用低速气缸，其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从根本上改变了传统上的观点——“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域，以适应各种层次的速度等级需要[5]。气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气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。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[6]。而气动机械手作为机械手的一种，它具有