本科毕业设计说明书（论文）
机器人的研究一直得到人们的关注。
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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
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 1.1），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 1.1 Tron－X电子气动机器人
图 1.2 气动机械手
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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 1.3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]。
图 1.3 气动擦窗机器人
最新发展起来的模块化气动机械手，如图 1.4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 1.4 模块化气动机械手
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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，运动接近自然生物的运动，具有高柔性[12]。上海大学研究设计了基于气动人工肌腱的可穿着式机器人用于护理工作，减轻了护理工作中繁重体力活动。北京理工大学研制的气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，基本能够实现人类关节的运动柔顺性，具有良好的应用前景[13，14]。如图 1.5所示的机械手由多条气动人工肌腱驱动。
图 1.5 气动肌腱机械手
1.3 本课题研究的内容
目前在工业运用上大多数机器人都是电机或液压驱动的，这使得机器人在易燃易爆，食品药品加工领域不易使用，全气动的机器人能够满足以上情况的需要。对机器人的精确控制需要通过伺服技术实现，目前气动直线伺服技术逐渐成熟，而摆动伺服技术仍处于研究和探索阶段，所以目前国内外发展的气动机器人大都是直角坐标型机器人。SMC南京技术中心研制的全气动多自由度关节型机器人具有结构紧凑，所占空间体积小，工作空间大，动作灵活的特点。
全气动关节型机器人由于结构复杂，精确控制比较困难。本课题是在技术中心前期所研制气动机器人样机的基础上对其结构进行优化设计，进一步提高机器人的控制精度。
通过对全气动机器人的运行状态的观察和分析，发现系统存在几个明显的问题： （1）腰部回转运动在定位时出现很大的超调量，出现振动回摆，严重影响了末端执行器定位的精度。
（2）手腕部份的辅助气动机构有时无法正确定位，出现反复定位的情况。 （3）气动机器人的工作部分转动惯量过大，使得整个系统在定位时的冲击很大。
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课题主要研究的内容有以下几个方面：
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本课题主要针对气动机器人腰部关节定位不准的问题对其进行结构优化设计。本
（1）分析了原有结构的缺点以及引起定位不准的原因，综合分析各种传动方式的优缺点，确定腰部回转关节的总体优化方案。
（2）根据优化方案进行结构设计，加工出优化结构装置，并进行装配调试。 （3）通过试验研究，分析气动机器人在结构优化前后的工作特性 ，得出优化结论。
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2 全气动关节型机器人的结构优化总体技术方案
2.1 现有系统的结构分析
SMC南京技术中心研制的全气动多自由度关节型机器人的整体结构如图 2.1所示。
图 2.1 全气动多自由度关节型机器人的总体结构
腰关节手腕肩关节肘关节全气动关节型机器人具有五个运动自由度，它们分别是： （1）腰关节的回转运动
系统采用SMC公司的ML2B直线伺服气缸，利用一组齿轮齿条结构把直线伺服气缸的直线运动转换为腰关节的回转运动。 （2）肩关节和肘关节的俯仰运动
系统采用SMC公司的CE2系列直线伺服气缸，通过CE2直线伺服气缸在直线行程内的任意位置定位功能实现肩关节和肘关节的俯仰角度的定位。 （3）腕部的俯仰运动
这里采用了SMC公司的CRB2摆动气缸，由于摆动气缸只能在起点和终点两个位置定位，为了实现手腕姿态的多种要求，系统设计了一种新型的气动辅助机构，该机构能使摆动气缸在摆动范围内实现多点的精确可靠的定位位置。 （4）腕部的回转运动
系统采用SMC公司的MRHQ复合气缸，它能同时实现腕部的回转运动和手爪的开合运动。