氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

侯蘭香，李鳳剛，趙鐘波

(1，3.棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160;2.化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

氣動(dòng)機(jī)械手是用于搬運(yùn)和安裝的機(jī)械設(shè)備，它由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)四部分組成，可以完成抓取和旋轉(zhuǎn)等各種動(dòng)作.因其具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作迅速、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用.

1 氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)和特征

1.1 氣動(dòng)肌肉的基本結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)肌肉作為氣動(dòng)機(jī)械手的基本組成結(jié)構(gòu)，它對機(jī)械手的影響類似我們?nèi)梭w的肌肉.機(jī)械手就是由這些氣動(dòng)肌肉組成的.氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure Diagram of Pneumatic Muscle

1.2 氣動(dòng)肌肉的特點(diǎn)

氣動(dòng)肌肉的工作方式:氣動(dòng)肌肉是一種拉伸驅(qū)動(dòng)器，它由一個(gè)收縮系統(tǒng)和與之對應(yīng)的連接器構(gòu)成.收縮系統(tǒng)是由一種密封的橡膠管組成.當(dāng)內(nèi)壓增大時(shí)管道就會(huì)沿某一方向擴(kuò)張，反之，當(dāng)外壓增大時(shí)氣動(dòng)肌肉就會(huì)向相反的方向收縮［1］.

氣動(dòng)肌肉長度和張力的關(guān)系:氣動(dòng)肌肉的最大長度是在零壓力和零負(fù)載情況下定義的.其關(guān)系如圖2所示.

氣動(dòng)肌肉的作用:氣動(dòng)肌肉作為一種單作用驅(qū)動(dòng)器，其負(fù)載是不變的.在無外界壓力的情況下，肌肉會(huì)被拉伸到一定的長度.隨著施加外壓，它會(huì)出現(xiàn)各種情況，而且能量耗損很少［2］.

當(dāng)外界壓力發(fā)生變化后，氣動(dòng)肌肉與其受力方向保持一致.氣動(dòng)肌肉在正常狀態(tài)下，則會(huì)產(chǎn)生不同的彈簧特征，這些特性使它可以適應(yīng)于具體的應(yīng)用.

圖2 氣動(dòng)肌肉長度與張力的關(guān)系示意圖Fig.2 Pneumatic Muscle Length and Tension Relation Diagram

2 氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)機(jī)械手主要是由機(jī)架，關(guān)節(jié)和氣爪三部分組成.其結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖3 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure Diagram of Pneumatic Manipulator

當(dāng)給上述的機(jī)械手加上氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)與相應(yīng)的控制系統(tǒng)后，其最前端的氣爪便可在空間中抓取物品并完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)［3］.

3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由兩根氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.

通過對第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使力傳遞到第二肩關(guān)節(jié)，從而為機(jī)械手最后的運(yùn)動(dòng)奠定力學(xué)基礎(chǔ).

圖4 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure Diagram of The First Shoulder Joint

第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二肩關(guān)節(jié)由四根機(jī)架臂連接在一起構(gòu)成其基本結(jié)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)傳遞力的作用，并將第一肩關(guān)節(jié)的力傳遞給第三肩關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure Diagram of The Second Shoulder Joint

第三肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第三肩關(guān)節(jié)的作用在于能夠很好的將第二關(guān)節(jié)和大臂連接在一起.肩部連接腕和中部撐桿是其最重要的兩個(gè)零件［4］.它在整個(gè)機(jī)械手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中是最為復(fù)雜的，因此對它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常困難的.其結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure Diagram of The Third Shoulder Joint

3.2 肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肘關(guān)節(jié)是由一個(gè)虎克鉸組成.因?yàn)榛⒖算q結(jié)構(gòu)的特殊性，要求肘關(guān)節(jié)和大臂的連接件要有兩個(gè)方向的單一的鉸鏈點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中的重要參數(shù)由X，Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)在X，Y軸的結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 肘關(guān)節(jié)在X，Y方向的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure Diagram of Elbow Joint in X，Y Direction

肘關(guān)節(jié)是機(jī)械手做各種動(dòng)作的關(guān)鍵所在，通過它可以使機(jī)械臂向各個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，比如各種旋轉(zhuǎn)動(dòng)作就是通過肘關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的.

3.3 虎克鉸的簡介

虎克鉸是軸線通過同一點(diǎn)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副的組合體，該機(jī)構(gòu)可以使構(gòu)件存在兩個(gè)相對轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度.因?yàn)樗哂械膬蓚€(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)角范圍較大，抗拉強(qiáng)度高，所以常常被用于各種形式的并聯(lián)機(jī)器中［5］.

虎克鉸分為錐軸虎克鉸和分體式虎克鉸.錐軸虎克鉸，是一種用于并聯(lián)定位的虎克鉸.它包括十字頂尖軸、無內(nèi)套的滾珠軸承、密封端蓋、靜鉸鏈體和動(dòng)鉸鏈體.分體式虎克鉸，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的工藝性差、傳動(dòng)精度低以及結(jié)構(gòu)尺寸較大、質(zhì)量重、成本高的問題，使得上叉形鉸鏈座相對于下叉形鉸鏈座沿兩個(gè)獨(dú)立的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)二維相對轉(zhuǎn)動(dòng)［6］.

4 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念及意義

參數(shù)化設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分:參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎.參數(shù)化設(shè)計(jì)可以使用戶對于各種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自動(dòng)的在其相關(guān)聯(lián)的部分反映出來，任意視圖下所發(fā)生的變化都能進(jìn)行參數(shù)化，從而保證了圖紙的一致性，無需對所有視圖進(jìn)行修改，且使設(shè)計(jì)變的清晰、明了，從而提高了工作效率和工作質(zhì)量.

在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，需要依據(jù)工程中的幾何關(guān)系和結(jié)構(gòu)關(guān)系來確定具體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.為了滿足各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)要求，我們需要綜合考慮機(jī)械材料的幾何尺寸，此外，還需要設(shè)置各個(gè)工程參數(shù)的初值.更加重要的是，我們每次改變某些參數(shù)后還要保證各種機(jī)械的基本關(guān)系保持不變.因此，設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)者的大腦保持高度的清晰.目前，參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用比較廣泛，它用于二維模式的同時(shí)，也被廣泛的用于三維模式.

氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的優(yōu)點(diǎn)就是在相同的結(jié)構(gòu)下，使每一個(gè)關(guān)節(jié)獲得最大的運(yùn)動(dòng)范圍.

4.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的起始位置，且整個(gè)關(guān)節(jié)可以繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的極限位置是CB1O和C1EO，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，由機(jī)械原理可知在四點(diǎn)位置處有:CB1O處于同一直線上.連接BO，EO，B1O，C1O，并做O點(diǎn)至CD的垂線交CD的延長線于點(diǎn)F.設(shè):OA=a，BD=b，AD=d，BC=L，BO=B1O=EO=E1O=r，氣動(dòng)肌肉逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)角為α.已知:BD是鉸鏈點(diǎn)到肩部肌肉的距離，且BD=b=35mm，所要求的量有:a，d，L，α.

L的確定:

首先，根據(jù)啟動(dòng)肌肉的型號(hào)，選擇沒有充氣的氣動(dòng)肌肉，其長度為250mm，這種氣動(dòng)肌肉的最大行程為原長的1/5，即:氣動(dòng)肌肉是最大行程為50mm，再加上氣動(dòng)肌肉本身的長度，則有:L=250+50=300mm，即:鏈接氣動(dòng)肌肉的鉸鏈間的距離為:300mm.

圖8 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure Diagram of The First Shoulder Joint

a的確定:

a是肩部肌肉連接件寬度的一半，d是兩根氣動(dòng)肌肉之間距離的一半.因?yàn)锳是氣動(dòng)肌肉逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度，由圖8可知:∠BOB1=α=∠EOE1，因?yàn)棣OC與ΔEOC1全等，故:∠EOC1=∠BOC=α且有:

由公式(4－1)可得:

因?yàn)楫?dāng)α在(0°，90°)取值時(shí)，tanα是單調(diào)遞增函數(shù)，b和L均為已知量，所以當(dāng)a取最小值時(shí)，tanα取得最大值.又因?yàn)镺點(diǎn)裝有直徑為20mm的連接桿，故:取肩部肌肉連接桿的寬度至少為20mm，即:a≧10mm.

d的確定:

將L=300，a=10，b=35帶入(4 －2)可得:

α≤50.2°

將α=50.2°帶入公式(4－1)可得:d=40mm.

確定α:

由以上公式易得:

得:α =34.9°

所以，第一肩關(guān)節(jié)的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍是(－34.9°，34.9°).

第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖9所示.假設(shè):CAOEC1是第二關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的起始位置，鉸鏈A，E可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的極限位置在CA1O處，又機(jī)械原理可知，CA1O在同一條直線上.連接AO，A1O，EO，AB=a1，過O點(diǎn)作CA的垂線，垂足為F.再過O點(diǎn)作AE的垂線垂足為B.設(shè):AB=a1，OB=b1，AC=L1，AO=A1O=EO=E1O，下面來確定其他參數(shù):

圖9 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure Diagram of The Second Shoulder Joint

L1的確定:

根據(jù)氣動(dòng)肌肉的類型，選擇沒有充氣時(shí)的氣動(dòng)肌肉，其長度為230mm，它的最大行程是原長的1/5，即:46mm，再加上原長，則:連接氣動(dòng)肌肉的鉸鏈間的距離為:L1=230mm+46mm=276mm

b1的確定:

設(shè)α1為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的最大角度，則有:∠AOA1=α=∠EOE1，由ΔAOC與ΔEOC1全等的關(guān)系得:

由(4－4)得:

又因?yàn)镺點(diǎn)處裝有直徑為20mm的連接桿，因此b1取最小值20mm，即:b1=20mm.

a1的確定:

可得:α1≤60.8°.將 α1=60.8°代入4 － 6可得:

60.8 =arctana1/20－arctana1/(20+276)，計(jì)算得:a1=12.3mm

α1的確定:

計(jì)算得:α1=28.6°

4.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

肘關(guān)節(jié)的零件尺寸分別在X，Y軸上確定.

肘關(guān)節(jié)在X軸上的參數(shù)設(shè)計(jì)

肘關(guān)節(jié)在X軸上的結(jié)構(gòu)如圖10所示，在圖中A和B可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的極限位置在A1OB1處，此時(shí)將出現(xiàn)死點(diǎn)，由機(jī)械原理可知，CA1O在同一條直線上.連接B1O，A1O.設(shè):OA=a2，AD=b2，DD1=L2，機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過的最大角為α2.已知，AD是肌肉連接件的長度，且AD=b2=50mm，下面確定其他各個(gè)參數(shù).

首先，根據(jù)氣動(dòng)肌肉的類型，選擇沒有充氣時(shí)的氣動(dòng)肌肉，其長度為240mm，其最大行程是原長的1/5，即:48mm，加上本身長度，則有:L2=240+48=288mm.

確定a2:

由圖10可得:∠AOC1=α =∠BOB1，故:

其中，L2=288mm，b2=50mm.解得:a2=21.8mm

確定α2:

圖10 肘關(guān)節(jié)在X方向的結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure Diagram of Elbow Joint in X Direction

得:α2=87°

所以，肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍是:(－87°，87°).

肘關(guān)節(jié)在Y軸上的參數(shù)設(shè)計(jì)

肘關(guān)節(jié)在Y軸上的結(jié)構(gòu)如圖11所示.

圖11 肘關(guān)節(jié)在Y方向的結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure Diagram of Elbow Joint in Y Direction

圖中D，B可繞O轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)在CD1O出現(xiàn)死點(diǎn)，連接DO，D1O，BO，B1O，C1O.設(shè)OA=a3，AD=b2=50mm，DC=L2=288mm，α3為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的最大角度，下面分別求a3和α3

由圖11可知:∠BOC1=∠DOC=α3

可得:α3=47.8°

CD1為氣動(dòng)肌肉的原長，CD1=240mm，故:

將 L2=288，b2=50 代入，得:a3=31.4mm

所以，肘關(guān)節(jié)繞Y軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍是(－47.8°，47.8°)

5 結(jié)論

為了使氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作更加靈活，這里僅對其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部設(shè)計(jì)，要使氣動(dòng)機(jī)械手真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，還需有控制系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的幫助.

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