硕士
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摘要
——气动肌肉机械手的机构和控制系统的设计和实现
1.气动肌肉机械手的工作原理及系统构成
气动肌肉机械手采用德国公司FESTO生产的气动人工肌肉作为驱动器，气动人工肌肉如图1所示。结合图1，气动人工肌肉工作原理：如果将气动人工肌肉充气就会产生收缩；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩。直径变细,长度增加，收缩力减小。但是.气动人工肌肉在无压状态下输出力为零，无承载能力。气动人工肌肉的运动方式和力,长度特性酷似生物肌肉。
图1
根据气动肌肉的工作原理和人的手臂的工作特点， 决定各采用4根气动肌肉的作为前臂和后臂的驱动器，前臂和后臂之间用三自由度的并联机构来连接，其功能类似人手臂上的肘关节。机械手的末端执行机构也有一个三自由度的并联机构来实现，其作用类似人的手臂的腕关节。整个气动机械手的平面图，如图2。
图2
为了使机械手实现多自由度，高精度，多功能操作。控制系统成为实现机械手执行具体任务非常关键的一环。控制系统采用了具有高精度日本MSN公司生产的压力传感器和德国公司FESTO生产的位移传感器及编码式角度传感器。利用数据采集卡，实现A/D和D/A的转化，选用C++ Builder作为编程工具并结合模糊PID控制原理，完成对机械手的精确控制。整个机械手系统简图如图3。
图3
根据以上简图，气动肌肉机械手内容主要包括：气动肌肉机械手并联机构设计及其分析、气路设计、控制系统设计、辅助控制的电路设计、气动肌肉空气动力学分析。
2.气动肌肉机械手设计
2.1．气动肌肉机械手并联机构设计及理论分析
气动肌肉机械手并联机构设计选用Unigraphics(UG)作为关节机械结构的建模工具。UG为用户提供了一个基于过程的虚拟产品开发设计环境，从而优化了产品设计与制造，实现了知识驱动型自动化和利用知识库进行建模，同时能自上而下进行设计以确定子系统和接口，实现完整的系统库建模。采用UG运动模块仿真模块（Motion Simulation）是CAE应用软件，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。运动仿真模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动防真。运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析零件的角度和位移变化。
气动肌肉机械手关节采用是3自由度并联机构，参考并联驱动的多自由度平台的设计和各种不同结构形式。同时考虑到气动人工肌肉只能够产生拉力,在尽量减少驱动器的数目和减少控制系统的复杂性的指导思想下,为了使多自由度关节实现多种既定的运动形式,并尽量提高该关节的刚性、承载能力和相应速度。因此综合以上考虑,气动人工肌肉机械手关节采用并联驱动的3自由度并联机构。
并联机构的运动学分析，即机构的位置分析。其意义是在气动肌肉在充气或者放气的时候，产生位移变化，而此时并联机构在气动肌肉的驱动下的空间也随着变化，因此可以根据位移变化通过并联机构机器人机构学理论来求解输出件的位置姿态。这样就可以理论分析气动肌肉内压力，气动肌肉位移及机构的空间位置。同时也为控制系统实现高精确提供了可能。
图4
如图4所示 ，A1，A2，A3，A4为由于驱动器的作用下各转动副产生的转角。在机构运动学分析时，为了便于分析，把机构简化成如上图所示。上图中把气动肌肉驱动器换成汽缸，因为它们的输出方式一样，都是产生线形位移。运动学分析是根据机器人运动学理论。主要采用了D-H表示法来解决末端机构在气动肌肉驱动下的角度变化。结合图4，可以看到在各运动副中都表有坐标系，D-H表示法就是根据坐标系的移动和转动，来确定末端机构平台转动角度。从坐标1到坐标2，再到坐标3，到最后4。同样的方法从另一侧坐标1，到坐标6，再到坐标5，最后坐标4。而坐标4就是由于驱动器输出位移后相对是绝对坐标系1的空间位置变化。
从坐标1到坐标2发生平动和转动：
从坐标2到坐标3发生平动和转动：
从坐标2到坐标3发生平动：
所以坐标4的最后空间位置：
=
同理可得坐标1，到坐标6，再到坐标5，最后坐标4，也可以得到坐标4的最后空间位置
由于两个矩阵都表示末端平台的空间位置所以两个矩阵相等，从而可以得到输出位移L1，L2和末端平台的空间位置的关系。
根据以上公式可以得出A1，A3，L1，L2的数学关系：
结论，末端机构平台转动时的角度为35度如图4.c，移动位移为44mm。
2.2 气路设计和气动肌肉的力学特性分析
气动回路设备主要包括气动人工肌肉采用FESTO公司的MAS-20人工气动肌肉、比例压力阀、两位三通阀、减压阀等。
气动肌肉的力学特性分析主要是对气动肌肉的气体压力、流量和气动肌肉位移变化的关系。气动肌肉在充气和放气的过程中，经向截面也随着变化。说明气动肌肉边界条件是在变化的，在这种情况下分析空气压力和流量比较复杂。为了使问题简单化，采用气动肌肉进行实验分析。通过压力传感器时时检测气动肌肉内压力变化，并参考气动肌肉
材料
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本身应变和应力的关系来确定边界条件。在多次通过以上
办法
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，可以定性分析压力和流量的关系。通过以上方法，利用位移传感器和压力传感器也可以定性分析流量和气动肌肉的关系。总之，利用实验来分析气动肌肉的气体压力、流量和气动肌肉位移变化的关系比较简单且可行。
2.3 控制系统设计
气动人工肌肉机械手平台的计算机控制系统采用一台P4微机作为控制机，并在其主板上安装一块数据采集板，该数据采集板可以同时进行12路差分信号的A/D采样，每路A/D采样频率达到10kHz,精度为12位。
气动人工肌肉系统在引入微机控制以后使得软件构架十分清晰。在搭建好的气动人工肌肉机械手平台上开发控制系统软件也变得十分快捷。在综合考虑和分析如何控制气动人工肌肉机械手后，利用C++biulder自主开发了机械手控制软件，实现控制机械手的动作功能和实现对机械手的监控功能。通过持续采集数据和分析数据并反馈给系统，利用数据采集卡的输出信号控制电磁阀来产生机械手动作，同时程序逻辑中允许机械手在非动作状态进行电、气路测试。由前面分析可知，设计软件系统的工作主要分两部分，包括程序主控部分和数据采集部分。程序控制主界面主要分气路测试、电路测试和人工操作控制三个主功能。
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