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课题名称:气动机械手关节构造设计及运动
学仿真剖析
摘要
跟着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞快发展,
机器人的应用领域逐渐从汽车拓展到其余领域。在各样种类的机器人中,模拟人
体手臂而构成的关节型机器人,拥有构造紧凑、所占空间小、运动空间大等长处,
是应用最为宽泛的机器人之一。特别由柔性关节构成的柔性仿活力器人在服务机
器人及痊愈机器人领域中的应用和需求愈来愈突出。
本课题要点在于气动机械手关节构造参数化设计和其可行性剖析。因为气动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少,肌肉自己的动特征还在研究中,所以本课题拥有必定的难度,在研究过程中侧重静态指标的知足。
本文要点解决的问题——构造设计及仿真。
本课题中主要内容是:
1)设计气动机械手关节构造;
2)关节构造的参数设计;
3)用仿真软件进行运动过程模拟剖析以此来改良构造设计,直到得出满意的
结果为止。
目标:知足气动机械手关节构造的设计要求。
要点词:气动肌肉;构造设计;气动机械手关节;运动学仿真
1
气动机械手关节构造设计及运动学仿真剖析
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmicroelectronictechnology,sensortechnology,
controltechnologyandtherapiddevelopmentofmechanicalmanufacturingtechnics,

typesofrobots,thejoint-typerobotwhichiscomposedofthesimulationofhumanarms,hasgreatadvantagessuchascompactconstruction,littlespaceaccounted,andwidemotionspace,,flexible
bio-robotwhichiscomposedofflexiblejointsisapplicatedandneededmoreandmoreprominentinthefieldofserviceandrehabilitation.
Thefocusofthissubjectisthemachanismdesignanditsfeasibilityanalysisofthepneumaticmusclearmjoints,,informationislittle,thedynamiccharacteristicsofthemuscleisstillunderstudy,thissubjecthascertaindifficulty,andpayattentiontothesatisfactionofthestaticindexinthecourseofstudying.
Theproblemthispassagemainlyresolves----mechanicaldesignandsimulation.
Themaincontentofthissubject:
(1)
Designthejointstructureofpneumaticmanipulator;
(2)
Parametricdesign
;
ofthejointstructure
(3)Usingsimulationsoftwaretosimulatestructureinordertoimprovethemechanicaldesignuntilobtainthesatisfactoryresult.
Goal:Achievetheoptimizeddesigningofpneumaticmanipulator.
Keywords:Pneumaticmuscles;Structuraldesign;Pneumaticmanipulatorjoint;
Kinematicsemulation
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目
录
摘
要
Abstract
第1章绪论
1

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第2章气动机械手关节构造形式设计
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9

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第3
章气动机械手关节构造参数设计
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2
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X
23
Y
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第4章气动机械手关节的模拟仿真
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28
28
X
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Y
30
X
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Z
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XX
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YZ
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第5章结论
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参照文件
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道谢
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气动机械手关节构造设计及运动学仿真剖析
第1章绪论

近20年来,气动技术的应用领域快速拓宽,特别是在各样自动化生产线上获取宽泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相联合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵巧,性能更为靠谱;气动机械手、柔性自动生产线的快速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促使了电气比率伺服技术的发展。现代控制理论的发展,负气动技术从开关控制进入闭环比率伺服控制,控制精度不停提高;因为气动脉宽调制技术拥有构造简单、抗污染能力强和成本便宜等特色,国内外都在鼎力开发研究[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年月,液压与气动元件的产值比约为9:1,而30多年后的今日,在工业技术发达的欧美、日本国家,该比率已达到6:4,甚至靠近5:5。我国的气动行业起步较晚,但发展较快。从20世纪80年月中期开始,气动元件产值的年递加率达20%以上,高于中国***产值均匀年递加率。跟着微电子技术、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要点技术之一。
传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这类方式来驱动关节,地点精度能够达到很高,但其刚度常常很大,实现关节的柔顺运动较困难。
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气动机械手关节构造设计及运动学仿真剖析
而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时,简单造***身和环境的损害。所以,在很多服务机器人或痊愈机器人研究中,保证机器人的关节拥有必定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。
人类关节拥有目前机器人所不具备的优秀特征,既能够实现较正确的地点控制又拥有很好的柔顺性。这类特征主假如由关节所采纳的抗衡性肌肉驱动方式所
决定的。目前模拟生物关节的驱动方式在仿活力器人中获取愈来愈多的应用。在这类应用中为获取近似生物关节的优秀特征,一般都采纳拥有近似生物肌肉特征的人工肌肉。
气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较宽泛的一种驱动器,拥有重量轻、构造简单及控制简单等长处,在类人机器人、爬行机器人及痊愈协助器材中获取了应用。其基本应用形式多半采纳一对气动肌肉构成关节的方式。气动肌肉最简单和最常有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,
这类方式战胜了气动肌肉变化长度较小的弊端,能够实现大的转动位移。并且因为其近似生物体驱动关节的方式,所以拥有刚度和地点能独立控制等仿生关节拥有的长处。
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。最近几年来,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对比,显示出独到的优胜性,获取了愈来愈宽泛的应用。

因为机器人或机械手都需要能快速、正确的抓取工件,因此对机器人或机械手提出了更高的要求,即他们一定拥有高定位精度、能快速反响、有必定的承载能力、足够的空间和灵巧的自由度以及在随意地点都能自动定位。
传统看法以为,因为气体拥有压缩性,所以,在气动伺服系统中要实现高精
度定位比较困难(特别在高速状况下,仿佛更难想象)。别的,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宽泛接受,关于气
动机器人伺服控制系统的研究起步较晚,但已获得了重要成就,它在工业自动化
领域应用正在遇到愈来愈多的宽泛关注。
90年月初,
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本科毕业设计(论文)
制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘察员,也被称为FESTO的“六足动
物”。、可编程控
制器和传感器等,创建了一个在荷马史诗中最强健最英勇的希腊英豪——阿基里
斯。它能在人不易进入的危险地区、污染或放射性的环境中进行地形侦探。六脚
电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视阻碍物,能安全的绕过它,并在
行走过程中记录和采集数据。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能在六个不一样方向控制机器人的运动,。往常假如有三个脚与地面接触,机器人便能以一种安稳的姿态行走,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,一个摇动马达控制脚伸展、退回,另一个摇动马达则负责环绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调理速度用的单向节流阀,使机械驱动零件在运动时保持安稳,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地点,当封闭电源时,他们
便回到初始地点。别的,操作者能在任何一点上停止机器人的运动,假如机器人的传感器在它的有效范围内检测到阻碍物,机器人也会自动停止。
由汉诺威大学资料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它能在两个互相垂直的表面上行走(包含从地面到墙面或许从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(依据步距设置)的吸盘随和缸,一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替互换,近似脚踏似的运动方式,使机器人产生旋转步进运动。这类攀墙式机器人可被用于工具搬运或履行多种操作,如在核能发电站、高层建筑物气动机械手地点伺服控制系统的研究或船舶长进行打扫、查验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作,操作者只要输入运转的目标距离,而后计算机便能自动计算出必需的单步运转。操作者可对机器人进行监控。
从上述实例可见,气动机器人己经获得了实质性的进展。就它在三维空间内的随意定位、随意姿态抓取物体或握手而言,“阿基里斯”六脚勘察员、攀墙机器人都显示出它们拥有足够的自由度来适应工作空间地区。气动技术发展到现在,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行问题了,气缸低速运动安稳性这一点也不行问题了,好多场合使用低速气缸,其速度在5mm/s的状况下也能安稳运转。所以从根本上改变了传统上的看法——
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气动机械手关节构造设计及运动学仿真剖析
“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击抖动或低速运转不安稳的缺
陷”。气缸的运转从低速5mm/s到高速5~10m/s,表示了它有一个十分丰富、宽广的速度地区,以适应各样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,跟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季。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎峙的场面。我国对气动技术随和动机械手的研究与应用都比较晚,但跟着投入力度和研发力度的加大,我国自主研制的很多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥侧重要作用。跟着微电子技术的快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确立了坚固的物质技术基础。因为气动机械手有构造简单、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到的长处。
因为气压传动系统使用安全、靠谱,能够在高温、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,它拥有
构造简单、重量轻、动作快速、安稳、靠谱、节能和不污染环境、简单实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等长处[7,8-9]。所以,气动机械手被宽泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工[10],食品和药品的包装
[7,11-12]、精细仪器和军事上[13,14-15]。
现代汽车制造工厂的生产线,特别是主要工艺是焊接的生产线,大多采纳了气动机械手。车身在每个工序的挪动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速靠近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采纳了各样特别功能的气动机械手。高频次的点焊、力控的正确性及达成整个工
序过程的高度自动化,可谓是最有代表性的气动机械手应用之一[2]。
气动机械手用于对食品德业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装;用于
烟草工业的自动卷烟和自动包装等很多工序。如酒、油漆灌装气动机械手;自动加盖、安装和拧紧气动机械手,牛奶盒装箱气动机械手等[8,11]。
别的,气动系统、气动机械手被宽泛应用于制药与医疗器材上。如:气动自动调理病床[15],Robodoc机器人,daVinci外科手术机器人等[17]。

气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术,气动元件是气动技术中最重要的组
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本科毕业设计(论文)
成部分,用气动元件构成的传动和控制系统己宽泛应用于公民经济各部门的成套设施和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体(比如压缩空气或惰性气体和热气体)为工作介质进行能量和信号的传达,进而实现生产过程自动化的一门技术,它包含气压传动随和动控制双方面的内容[18,19]。
气动技术的发展历程,是从单个元件到控制系统,从纯真机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。
人类对空气进行利用,以其为传达能量的介质可追忆到几千年从前。但真切对起性质和基来源理进行系统的研究也是从本世纪开始,形成以气压传动系统动力学随和动控制理论为主要内容的一门学科——气动系统理论。
目前,气动和液压是两种较为广泛应用的传动和控制方式,二者有很多相同点,也有很多不一样点,气动技术真切成为全球各个工业部门所接受并宽泛应用,是因为日趋急迫的生产自动化和操作程序合理化的需要,也因为气动技术拥有以下很多长处:
气动技术以空气为工作介质,空气随地可取,且粘性小,在管内流动阻力小,便于集中供气和远距离输送。因此,大部分工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质,是气动技术在宽泛的各样应用拥有安全、方便和花费低的长处。压缩空气没有生产火花的危险。所以,它始于有易燃或爆炸潜伏危险的工矿。
气动元件机构简单,价钱便宜,用过的空气可向大气排放,办理方便,不用使用回收管道。
气动系统洁净,即便有泄露,也不会像液压系统那样污染产品和环境,不受电磁扰乱,电子系统则有之。
气动系统保护不复杂,也不需要特别的培训和实验设施。
适应性强,现有的机器可方便的改为气动传动,气缸能够直接安装在要求卖力的地方。
便于进行能量储藏,能够进行应急或系统需要用。
气压传动自己有过载保护性能。气动履行元件能长久在满负荷下工作,在过载时自动停止。
气动元件运动速度高,~,有的高
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