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气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

 
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

 
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  录
摘  要
Abstract
第1章 绪论………………………………………………………………………………………1
1.1研究气动机械手的意义…………………………………………………………………1
1.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用………………………………………………2
1.3 气动技术发展状况及优缺点……………………………………………………………4
1.4 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……………………………………………………8
2.1 气动肌肉结构、特性及模型……………………………………………………………8
2.1.1 气动肌肉的基本结构……………………………………………………………8
2.1.2 气动肌肉的特性…………………………………………………………………8
2.1.3 气动肌肉的模型…………………………………………………………………9
2.2 气动机械手的基本结构………………………………………………………………11
2.3 气动机械手关节结构设计……………………………………………………………12
2.3.1 关节的基本方式………………………………………………………………12
2.3.2 肩关节结构设计………………………………………………………………12
2.3.3 肘关节结构设计………………………………………………………………14
2.3.4 腕关节结构设计………………………………………………………………16
第3章 气动机械手关节结构参数设计…………………………………………………18
 3.1参数设计优点…………………………………………………………………………18
 3.2 肩关节结构参数设计…………………………………………………………………18
  3.2.1 第一肩关节结构参数设计……………………………………………………18
  3.2.2 第二肩关节结构参数设计……………………………………………………20
  3.2.3 第三肩关节结构参数设计……………………………………………………22
 3.3 肘关节结构参数设计…………………………………………………………………23
  3.3.1 X轴方向上的结构参数设计……………………………………………………23
 
  3.3.2 Y轴方向上的结构参数设计……………………………………………………24
 3.4 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………………………………………………………27
 4.1 仿真内容………………………………………………………………………………27
 4.2 仿真方法………………………………………………………………………………27
 4.3 气动机械手关节的运动学分析………………………………………………………28
4.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………28
4.3.2 第二肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………28
4.3.3 肘关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………29
4.3.4 肘关节Y轴方向的运动仿真及分析……………………………………………30
4.3.5 腕关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………31
 
4.3.6 腕关节Z轴方向的运动仿真及分析……………………………………………32
4.3.7 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………32
4.3.8 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