气动机械手关节结构设计

侯兰香，李凤刚，赵钟波

(1，3.枣庄学院 机电工程学院，山东 枣庄 277160;2.化学化工与材料科学学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

气动机械手是用于搬运和安装的机械设备，它由驱动系统，控制系统，执行系统和人工智能系统四部分组成，可以完成抓取和旋转等各种动作.因其具有结构简单、动作迅速、节能和环保等优点，因而被广泛应用.

1 气动肌肉结构和特征

1.1 气动肌肉的基本结构

气动肌肉作为气动机械手的基本组成结构，它对机械手的影响类似我们人体的肌肉.机械手就是由这些气动肌肉组成的.气动肌肉的结构示意图如图1所示.

图1 气动肌肉的结构示意图Fig.1 Structure Diagram of Pneumatic Muscle

1.2 气动肌肉的特点

气动肌肉的工作方式:气动肌肉是一种拉伸驱动器，它由一个收缩系统和与之对应的连接器构成.收缩系统是由一种密封的橡胶管组成.当内压增大时管道就会沿某一方向扩张，反之，当外压增大时气动肌肉就会向相反的方向收缩［1］.

气动肌肉长度和张力的关系:气动肌肉的最大长度是在零压力和零负载情况下定义的.其关系如图2所示.

气动肌肉的作用:气动肌肉作为一种单作用驱动器，其负载是不变的.在无外界压力的情况下，肌肉会被拉伸到一定的长度.随着施加外压，它会出现各种情况，而且能量耗损很少［2］.

当外界压力发生变化后，气动肌肉与其受力方向保持一致.气动肌肉在正常状态下，则会产生不同的弹簧特征，这些特性使它可以适应于具体的应用.

图2 气动肌肉长度与张力的关系示意图Fig.2 Pneumatic Muscle Length and Tension Relation Diagram

2 气动机械手的基本结构

气动机械手主要是由机架，关节和气爪三部分组成.其结构如图3所示:

图3 气动机械手的结构示意图Fig.3 Structure Diagram of Pneumatic Manipulator

当给上述的机械手加上气压传动系统与相应的控制系统后，其最前端的气爪便可在空间中抓取物品并完成预定的运动［3］.

3 气动机械手关节结构设计

3.1 肩关节结构设计

第一肩关节结构设计

第一肩关节结构由两根气动肌肉驱动，其结构如图4所示.

通过对第一肩关节的结构设计，可以使力传递到第二肩关节，从而为机械手最后的运动奠定力学基础.

图4 第一肩关节结构示意图Fig.4 Structure Diagram of The First Shoulder Joint

第二肩关节的结构设计

第二肩关节由四根机架臂连接在一起构成其基本结构，它可以实现传递力的作用，并将第一肩关节的力传递给第三肩关节，其结构如图5所示.

图5 第二肩关节结构示意图Fig.5 Structure Diagram of The Second Shoulder Joint

第三肩关节的结构设计

第三肩关节的作用在于能够很好的将第二关节和大臂连接在一起.肩部连接腕和中部撑杆是其最重要的两个零件［4］.它在整个机械手的关节结构中是最为复杂的，因此对它的结构设计是非常困难的.其结构如图6所示.

图6 第三肩关节结构示意图Fig.6 Structure Diagram of The Third Shoulder Joint

3.2 肘关节的结构设计

肘关节是由一个虎克铰组成.因为虎克铰结构的特殊性，要求肘关节和大臂的连接件要有两个方向的单一的铰链点结构，其中的重要参数由X，Y轴方向来确定，肘关节在X，Y轴的结构如图7所示.

图7 肘关节在X，Y方向的结构示意图Fig.7 Structure Diagram of Elbow Joint in X，Y Direction

肘关节是机械手做各种动作的关键所在，通过它可以使机械臂向各个方向进行运动，比如各种旋转动作就是通过肘关节来实现的.

3.3 虎克铰的简介

虎克铰是轴线通过同一点的两个运动副的组合体，该机构可以使构件存在两个相对转动的自由度.因为它具有的两个独立的转角范围较大，抗拉强度高，所以常常被用于各种形式的并联机器中［5］.

虎克铰分为锥轴虎克铰和分体式虎克铰.锥轴虎克铰，是一种用于并联定位的虎克铰.它包括十字顶尖轴、无内套的滚珠轴承、密封端盖、静铰链体和动铰链体.分体式虎克铰，可以解决现有技术中所存在的工艺性差、传动精度低以及结构尺寸较大、质量重、成本高的问题，使得上叉形铰链座相对于下叉形铰链座沿两个独立的轴进行旋转，实现二维相对转动［6］.

4 气动机械手关节结构参数设计

4.1 参数化设计的概念及意义

参数化设计分为两个部分:参数化图元和参数化修改引擎.参数化设计可以使用户对于各种结构的设计自动的在其相关联的部分反映出来，任意视图下所发生的变化都能进行参数化，从而保证了图纸的一致性，无需对所有视图进行修改，且使设计变的清晰、明了，从而提高了工作效率和工作质量.

在参数化设计中，需要依据工程中的几何关系和结构关系来确定具体的设计准则.为了满足各种设计准则和设计要求，我们需要综合考虑机械材料的几何尺寸，此外，还需要设置各个工程参数的初值.更加重要的是，我们每次改变某些参数后还要保证各种机械的基本关系保持不变.因此，设计中需要设计者的大脑保持高度的清晰.目前，参数化设计应用比较广泛，它用于二维模式的同时，也被广泛的用于三维模式.

气动机械手关节结构参数化的优点就是在相同的结构下，使每一个关节获得最大的运动范围.

4.2 肩关节结构参数的设计

第一肩关节结构的参数设计

第一肩关节的结构如图8所示，CBOEC1是第一肩关节运动的起始位置，且整个关节可以绕O点转动，逆时针转动的极限位置是CB1O和C1EO，此时会出现死点，由机械原理可知在四点位置处有:CB1O处于同一直线上.连接BO，EO，B1O，C1O，并做O点至CD的垂线交CD的延长线于点F.设:OA=a，BD=b，AD=d，BC=L，BO=B1O=EO=E1O=r，气动肌肉逆时针转动的最大转角为α.已知:BD是铰链点到肩部肌肉的距离，且BD=b=35mm，所要求的量有:a，d，L，α.

L的确定:

首先，根据启动肌肉的型号，选择没有充气的气动肌肉，其长度为250mm，这种气动肌肉的最大行程为原长的1/5，即:气动肌肉是最大行程为50mm，再加上气动肌肉本身的长度，则有:L=250+50=300mm，即:链接气动肌肉的铰链间的距离为:300mm.

图8 第一肩关节结构示意图Fig.8 Structure Diagram of The First Shoulder Joint

a的确定:

a是肩部肌肉连接件宽度的一半，d是两根气动肌肉之间距离的一半.因为A是气动肌肉逆时针转动的最大角度，由图8可知:∠BOB1=α=∠EOE1，因为ΔBOC与ΔEOC1全等，故:∠EOC1=∠BOC=α且有:

由公式(4－1)可得:

因为当α在(0°，90°)取值时，tanα是单调递增函数，b和L均为已知量，所以当a取最小值时，tanα取得最大值.又因为O点装有直径为20mm的连接杆，故:取肩部肌肉连接杆的宽度至少为20mm，即:a≧10mm.

d的确定:

将L=300，a=10，b=35带入(4 －2)可得:

α≤50.2°

将α=50.2°带入公式(4－1)可得:d=40mm.

确定α:

由以上公式易得:

得:α =34.9°

所以，第一肩关节的理论最大运动范围是(－34.9°，34.9°).

第二肩关节结构的参数设计

第二肩关节的结构如图9所示.假设:CAOEC1是第二关节运动的起始位置，铰链A，E可绕O点转动，结构逆时针转动的极限位置在CA1O处，又机械原理可知，CA1O在同一条直线上.连接AO，A1O，EO，AB=a1，过O点作CA的垂线，垂足为F.再过O点作AE的垂线垂足为B.设:AB=a1，OB=b1，AC=L1，AO=A1O=EO=E1O，下面来确定其他参数:

图9 第二肩关节结构示意图Fig.9 Structure Diagram of The Second Shoulder Joint

L1的确定:

根据气动肌肉的类型，选择没有充气时的气动肌肉，其长度为230mm，它的最大行程是原长的1/5，即:46mm，再加上原长，则:连接气动肌肉的铰链间的距离为:L1=230mm+46mm=276mm

b1的确定:

设α1为逆时针旋转的最大角度，则有:∠AOA1=α=∠EOE1，由ΔAOC与ΔEOC1全等的关系得:

由(4－4)得:

又因为O点处装有直径为20mm的连接杆，因此b1取最小值20mm，即:b1=20mm.

a1的确定:

可得:α1≤60.8°.将 α1=60.8°代入4 － 6可得:

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

α1的确定:

计算得:α1=28.6°

4.3 肘关节结构的参数化设计

肘关节的零件尺寸分别在X，Y轴上确定.

肘关节在X轴上的参数设计

肘关节在X轴上的结构如图10所示，在图中A和B可绕O点转动，当机构逆时针转动时，它的极限位置在A1OB1处，此时将出现死点，由机械原理可知，CA1O在同一条直线上.连接B1O，A1O.设:OA=a2，AD=b2，DD1=L2，机构逆时针转过的最大角为α2.已知，AD是肌肉连接件的长度，且AD=b2=50mm，下面确定其他各个参数.

首先，根据气动肌肉的类型，选择没有充气时的气动肌肉，其长度为240mm，其最大行程是原长的1/5，即:48mm，加上本身长度，则有:L2=240+48=288mm.

确定a2:

由图10可得:∠AOC1=α =∠BOB1，故:

其中，L2=288mm，b2=50mm.解得:a2=21.8mm

确定α2:

图10 肘关节在X方向的结构图Fig.10 Structure Diagram of Elbow Joint in X Direction

得:α2=87°

所以，肘关节绕X轴的理论最大运动范围是:(－87°，87°).

肘关节在Y轴上的参数设计

肘关节在Y轴上的结构如图11所示.

图11 肘关节在Y方向的结构图Fig.11 Structure Diagram of Elbow Joint in Y Direction

图中D，B可绕O转动，机构在CD1O出现死点，连接DO，D1O，BO，B1O，C1O.设OA=a3，AD=b2=50mm，DC=L2=288mm，α3为顺时针旋转的最大角度，下面分别求a3和α3

由图11可知:∠BOC1=∠DOC=α3

可得:α3=47.8°

CD1为气动肌肉的原长，CD1=240mm，故:

将 L2=288，b2=50 代入，得:a3=31.4mm

所以，肘关节绕Y轴的理论最大运动范围是(－47.8°，47.8°)

5 结论

为了使气动机械手动作更加灵活，这里仅对其关节结构进行了局部设计，要使气动机械手真正实现运动，还需有控制系统和传动系统的帮助.

［1］胡增荣，沈爱军.气动肌肉的研究与应用概述［J］.液压气动与密封，2009(05).

［2］王阶，金英子，唐智红.一种气动肌肉机械手关节的机构设计与实现［J］.机床与液压，2009(07).

［3］陈键锋，许振胤，施光林.一种混合驱动式多关节双机械臂的设计与实验［J］.机电一体化，2011(05).

［4］周惠明.关节型机械手的结构创新设计［J］.煤矿机械，2007(10).

［5］于晖，孙立宁，张秀峰，蔡鹤皋.虎克铰工作空间研究及其在6－HTRT并联机器人中的应用［J］.中国机械工程，2002(21).

［6］赵强，阎绍泽.双端虎克铰型六自由度并联机构的动力学模型［J］.清华大学学报(自然科学版)，2005(05).