氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析

 
摘  要
隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構成的關節(jié)型機器人，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優(yōu)點，是應用最為廣泛的機器人之一。尤其由柔性關節(jié)組成的柔性仿生機器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。
本課題重點在于氣動機械手關節(jié)結構參數化設計和其可行性分析。由于氣動肌肉柔性關節(jié)的研究歷史短、資料少，肌肉本身的動特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標的滿足。
本文重點解決的問題——結構設計及仿真。
本課題中主要內容是：
（1）設計氣動機械手關節(jié)結構；
（2）關節(jié)結構的參數設計；
（3）用仿真軟件進行運動過程模擬分析以此來改善結構設計，直到得出滿意的結果為止。
目標：滿足氣動機械手關節(jié)結構的設計要求。
關鍵詞：氣動肌肉；結構設計；氣動機械手關節(jié)；運動學仿真

 
Abstract
With the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of mechanical manufacturing technics, the application of robots is expanded from cars to other fields progressively. In all types of robots, the joint-type robot which is composed of the simulation of human arms, has great advantages such as compact construction, little space accounted, and wide motion space, is one of the most widely used robots.In particular, flexible bio-robot which is composed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabilitation.
The focus of this subject is the machanism design and its feasibility analysis of the pneumatic muscle arm joints, and then finish the mechanical design of the machanism parts of anthropomorphic robot joint. Because research history of pneumatic muscles flexible joints is short, information is little, the dynamic characteristics of the muscle is still under study, this subject has certain difficulty,  and pay attention to the satisfaction of the static index in the course of studying.
The problem this passage mainly resolves----mechanical design and simulation.
The main content of this subject:
(1) Design the joint structure of pneumatic manipulator;
(2) Parametric design of the joint structure;
(3)Using simulation software to simulate structure in order to improve the mechanical design until obtain the satisfactory result.
Goal: Achieve the optimized designing of pneumatic manipulator.
Key words: Pneumatic muscles; Structural design; Pneumatic manipulator joint; Kinematics emulation

 
目  錄
摘  要
Abstract
第1章 緒論………………………………………………………………………………………1
1.1研究氣動機械手的意義…………………………………………………………………1
1.2 氣動機械手在國內外的發(fā)展現狀及應用………………………………………………2
1.3 氣動技術發(fā)展狀況及優(yōu)缺點……………………………………………………………4
1.4 氣動機械手的發(fā)展方向…………………………………………………………………6
第2章 氣動機械手關節(jié)結構形式設計……………………………………………………8
2.1 氣動肌肉結構、特性及模型……………………………………………………………8
2.1.1 氣動肌肉的基本結構……………………………………………………………8
2.1.2 氣動肌肉的特性…………………………………………………………………8
2.1.3 氣動肌肉的模型…………………………………………………………………9
2.2 氣動機械手的基本結構………………………………………………………………11
2.3 氣動機械手關節(jié)結構設計……………………………………………………………12
2.3.1 關節(jié)的基本方式………………………………………………………………12
2.3.2 肩關節(jié)結構設計………………………………………………………………12
2.3.3 肘關節(jié)結構設計………………………………………………………………14
2.3.4 腕關節(jié)結構設計………………………………………………………………16
第3章 氣動機械手關節(jié)結構參數設計…………………………………………………18
 3.1參數設計優(yōu)點…………………………………………………………………………18
 3.2 肩關節(jié)結構參數設計…………………………………………………………………18
  3.2.1 第一肩關節(jié)結構參數設計……………………………………………………18
  3.2.2 第二肩關節(jié)結構參數設計……………………………………………………20
  3.2.3 第三肩關節(jié)結構參數設計……………………………………………………22
 3.3 肘關節(jié)結構參數設計…………………………………………………………………23
  3.3.1 X軸方向上的結構參數設計……………………………………………………23
 
  3.3.2 Y軸方向上的結構參數設計……………………………………………………24
 3.4 腕關節(jié)結構參數設計…………………………………………………………………26
 
第4章 氣動機械手關節(jié)的模擬仿真………………………………………………………27
 4.1 仿真內容………………………………………………………………………………27
 4.2 仿真方法………………………………………………………………………………27
 4.3 氣動機械手關節(jié)的運動學分析………………………………………………………28
4.3.1 第一肩關節(jié)的運動仿真及分析…………………………………………………28
4.3.2 第二肩關節(jié)的運動仿真及分析…………………………………………………28
4.3.3 肘關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析……………………………………………29
4.3.4 肘關節(jié)Y軸方向的運動仿真及分析……………………………………………30
4.3.5 腕關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析……………………………………………31
 
4.3.6 腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析……………………………………………32
4.3.7 第一二肩關節(jié)，肘關節(jié)X軸方向，腕關節(jié)X軸方向的運動仿真及分析………32
4.3.8 第一二肩關節(jié)，肘關節(jié)Y軸方向，腕關節(jié)Z軸方向的運動仿真及分析………33
第5章 結論……………………………………………………………………………………33
參考文獻………………………………………………………………………………………34
致謝……………………………………………………………………………………………36