全气动多自由度关节型机器人的结构设计

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1、本科毕业设计说明书（论文）第46页共46页全气动多自由度关节型机器人的结构设计课题研究的背景和意义机器人技术是集合了诸多学科为一体的一门综合技术，是关键的自动化技术[1]。机器人的应用，延伸和扩大了人的手足和大脑的功能，能代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压等恶劣环境下的工作，减少伤亡事故，对提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件、改变劳动结构以及促进相关学科的技术进步，均发挥了重大的社会效益和经济效益[2]。因此，机器人尤其是工业机器人的研究与应用越来越受到各国的关注。然而，当前所应用的大多数伺服机器人都是利用电机或液压驱动的，在易燃易爆的环境中不宜使用，

2、所以气动伺服机器人已经成为气动技术领域的热门研究课题。气压传动作为机器人驱动形式的一种，现在已经被广泛地用于工业生产中。由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。气动伺服定位技术的出现，受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景[3]。目前气动机器人的研究多集中在直角坐标型气动机器人上,对关节型气动机器人研究很少。由于关节型机器人具有操作灵活、适用范围广、占地面积小等优点，SMC南京技术中心研究设计了一套全气动多自由度关节型机器人

3、，并对样机进行了试验分析。在前期的试验工作中发现，该气动机器人存在较大的定位误差，尤其是腰部回转关节在定位时存在很大的摆动误差，严重影响了机器人的工作特性。因此需要对气动机器人进行结构分析，通过结构优化设计来提高机器人的定位精度。这将会进一步提高该气动关节型的工作性能，使其能更加适应工业生产的需要。1.1国内外气动机器人的研究现状本科毕业设计说明书（论文）第46页共46页气动机器人的研究历史并不长，由于机器人需要能快速、准确地定位，实际上对机器人提出了一个基本要求，即它们必须具有高精度、快速反应、一定的承载力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等

4、特性。气压传动由于其工作介质是压缩空气，由于气体存在较大的可压缩性，因此对气动元件进行精确的定位比较困难，这一直是困扰气动机器人发展的技术难题之一。但是气动机器人具有运动速度快，结构简单，成本低等特点，尤其是适用于易燃、易爆等特殊场合，所以气动机器人的研究一直得到人们的关注。20世纪90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制了一个电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘探员，可以在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察；由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人可以在两个相互垂直的表面行走，可以在核能发电站、高层建

5、筑物或船舶上进行清扫、检验和安装工作。随着气动伺服技术的发展，该项技术同样应用在了机器人上，如早在1997年国外就有大学做过气动伺服插装试验，用于对木料的轴孔进行插装工作；应用了32个SPC100气动伺服控制器的Tron－X电子气动机器人（如图2.1），可以完成和人的握手，它的头部、腰部、双手能完成像人类一样灵活的弯曲运动，并具有良好的柔韧性；另外还有可用于分拣的气动机械手（如图1.2），使用气动伺服技术可以在X、Y平面上的任意点定位，并将检测后不合格的产品分拣出来[4,5]。图2.1Tron－X电子气动机器人图2.2气动机械手本科毕业设计说明书（论文）第46页共

6、46页在国内有很多高校和研究部门在气动机器人的研究上也取得了令人瞩目的成绩。由浙江大学研制成功的书法气动机器人具有良好的轨迹跟踪特性，能完成毛笔字的书写。北京航天航空大学研制成功的全气动擦窗机器人能完成高层建筑玻璃幕墙繁重而又危险的清洗工作，如图2.3所示。浙江工业大学研制的全气动蠕动机器人不仅能在地面运动，还能在竖直表面或者管道内爬升。北京工业大学研制的带视觉系统的全气动插装机器人，能识别工件的形状，自动实现对不同形状轴孔的插装作业。由哈尔滨工程大学和吉林化工学院共同研制的气动穿地龙机器人，利用自激振动的气动冲击，且结构简单、控制部件少、控制方法容易[6～10]

7、。图2.3气动擦窗机器人最新发展起来的模块化气动机械手，如图2.4所示，由于气动元件能够完成直线、旋转、吸取、抓取等动作，并有多种规格的可选择，使得气动机器人、气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意组合。例如：组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手和滑块型气动机械手，以及其它各类气动机械手[11]。图2.4模块化气动机械手本科毕业设计说明书（论文）第46页共46页另外在气动机器人的驱动执行元件方面也有了新的发展。最突出的是气动人工肌腱的运用。气动人工肌腱结构简单，可直接驱动，输出力/自重比高，运动接

8、近自然生物