[發(fā)明專利]大臂關(guān)節(jié)氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010109907.3
• 申請日: 2010-02-06
• 公開（公告）號(hào): CN101804634A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 樊炳輝;張志獻(xiàn);江浩;孫高祚;孫愛芹;王傳江;徐文尚;鄒吉祥;樊東哲
• 申請（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J17/00
• 分類號(hào): B25J17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種大臂關(guān)節(jié)氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)，其特征在于，它是一種演化的空間擺動(dòng)導(dǎo) 桿機(jī)構(gòu)，該空間擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由固定在機(jī)架上的上球鉸支座和下球鉸支座、一 個(gè)鉸接在上球鉸支座上的拐狀桿和一個(gè)兩端分別鉸接在下球鉸支座與拐狀桿一 端的氣動(dòng)支撐桿共同組成；拐狀桿與氣動(dòng)支撐桿的鉸接也為球鉸接；

設(shè)上球鉸支座的中心點(diǎn)為O、下球鉸支座的中心點(diǎn)為D且D點(diǎn)在O點(diǎn)的正 下方、氣動(dòng)支撐桿與拐狀桿鉸接的球鉸中心點(diǎn)為E、拐狀桿的上拐點(diǎn)為B、拐狀 桿的下拐點(diǎn)為F、大臂的重心在BF向下延長線上的P點(diǎn)處、當(dāng)大臂在初始位置 時(shí)BF向上延長線與過O點(diǎn)水平線的交點(diǎn)為A、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)E點(diǎn)在高 度方向上距離O點(diǎn)為定長AF、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上距離O 點(diǎn)為定長AP、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)正面看P點(diǎn)在水平方向上偏離O點(diǎn)為定長 AO、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)側(cè)面看本平衡結(jié)構(gòu)關(guān)于OD線對(duì)稱布置、BF線與E 點(diǎn)的距離為FE。

2.一種如權(quán)利要求1所述的大臂關(guān)節(jié)氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，步驟如下：

第一步：確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選取

設(shè)上球鉸支座的中心點(diǎn)為O、下球鉸支座的中心點(diǎn)為D且D點(diǎn)在O點(diǎn)的正 下方、氣動(dòng)支撐桿與拐狀桿鉸接的球鉸中心點(diǎn)為E、拐狀桿的上拐點(diǎn)為B、拐狀 桿的下拐點(diǎn)為F、大臂的重心在BF向下延長線上的P點(diǎn)處、當(dāng)大臂在初始位置 時(shí)BF向上延長線與過O點(diǎn)水平線的交點(diǎn)為A、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)E點(diǎn)在高 度方向上距離O點(diǎn)為定長AF、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上距離O 點(diǎn)為定長AP、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)正面看P點(diǎn)在水平方向上偏離O點(diǎn)為定長 AO、當(dāng)大臂在初始位置時(shí)側(cè)面看本平衡結(jié)構(gòu)關(guān)于OD線對(duì)稱布置、BF線與E 點(diǎn)的距離為FE；

取氣動(dòng)支撐桿的氣動(dòng)推力值為設(shè)計(jì)變量x₁，單位：N；

取O、D兩中心點(diǎn)間的距離OD長度為設(shè)計(jì)變量x₂，單位：mm；

取FE長度為設(shè)計(jì)變量x₃，單位：mm；

在不超出大臂結(jié)構(gòu)尺寸情況下，取AF為最大值；

第二步：根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定x₁、x₂、x₃的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值；

第三步：在大臂活動(dòng)范圍內(nèi)，建立關(guān)于大臂關(guān)節(jié)氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)的外擺平衡 力矩M_wp、外擺重力矩M_wz、前擺平衡力矩M_qp和前擺重力矩M_qz的力學(xué)參數(shù)的 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，如下：

上述外擺平衡力矩M_wp、外擺重力矩M_wz、前擺平衡力矩M_qp和前擺重力矩 M_qz的單位均為Nm；

L1=AF2+(AO-x3)2·sinγ1/1000]]>

L2=AP2+AO2·sin(θ1+α1)/1000]]>

L₃＝AF·sinγ₂/1000

L₄＝APsinα₂/1000

M_wp＝x₁·L₁

M_wz＝m·g·L₂

M_qp＝x₁·L₃

M_qz＝m·g·L₄

其中：L₁為外展擺動(dòng)時(shí)的平衡力臂，單位：m；

L₂為外展擺動(dòng)時(shí)的重力臂，單位：m；

L₃為前后擺動(dòng)時(shí)的平衡力臂，單位：m；

L₄為前后擺動(dòng)時(shí)的重力臂，單位：m；

α₁為大臂外擺角度，自變量，單位：度，；

γ₁是在正面視圖中的∠OED，在運(yùn)動(dòng)中是變量，可根據(jù)α₁及各參數(shù)利用幾 何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得，單位：度；

θ1=∠OPA=arctg(AOAP),]]>單位：度，定值；

α₂為大臂前后擺動(dòng)角度，單位：度，自變量；

γ₂是在側(cè)面視圖中的∠OED，在運(yùn)動(dòng)中是變量，可根據(jù)α₁及各參數(shù)利用 幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得，單位：度；

m為大臂重量，單位：kg；

g為重力加速度；

第四步：根據(jù)大臂的結(jié)構(gòu)空間和工作空間、氣動(dòng)支撐桿的結(jié)構(gòu)與性能、 運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生相互干涉的要求，確定設(shè)計(jì)變量的約束函數(shù)如下：

g₁(x)＝x₁-500≤0

g₂(x)＝100-x₁≤0

g₃(x)＝x₂-150≤0

g₄(x)＝90-x₂≤0

g₅(x)＝x₃-OA≤0

g₆(x)＝60-x₃≤0

第五步：建立以大臂在前、后擺動(dòng)或外展擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平衡力 矩與大臂重力矩之差絕對(duì)值的最大值能達(dá)到最小的目標(biāo)函數(shù)：

f₁(x)＝max(abs(ΔM_1i))

f₂(x)＝max(abs(ΔM_2i))

min?f(x)＝max(f₁(x)，f₂(x))

其中ΔM_1i＝M_wpi-M_wzi，表示大臂外展擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平衡力矩與大臂 外擺重力矩之差在不同位置時(shí)的數(shù)值，i＝1......n；

ΔM_2i＝M_qpi-M_qzi，表示大臂前后擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平衡力矩與大臂前 擺重力矩之差在不同位置時(shí)的數(shù)值，i＝1......n；

f₁(x)表示大臂外展擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平衡力矩與大臂重力矩之差絕 對(duì)值的最大值；

f₂(x)表示大臂前后擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平衡力矩與大臂重力矩之差絕 對(duì)值的最大值；

f(x)是f₁(x)和f₂(x)中的最大值，是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是使得f(x)達(dá) 到最小，即，使得大臂在前后擺動(dòng)或外展擺動(dòng)時(shí)氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的平 衡力矩與大臂重力矩之差絕對(duì)值中的最大值達(dá)到最小；

第六步：根據(jù)設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、大臂力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo) 函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約束的優(yōu)化 設(shè)計(jì)算法對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量x₁、x₂、x₃進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；

第七步：輸出優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果及其運(yùn)動(dòng)仿真圖形。

3.如權(quán)利要求2所述的大臂關(guān)節(jié)氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在 于：

所述的大臂重m＝10kg；

所述的P點(diǎn)在高度方向上距離上球鉸支座(1)中心點(diǎn)O的距離為 AP＝330mm；

所述的球鉸(5)中心點(diǎn)E在高度方向上距離上球鉸支座(1)中心點(diǎn)O的 距離為AF＝310mm；

所述的P點(diǎn)在水平方向上偏離O點(diǎn)的距離為AO＝98mm；

所述的大臂的活動(dòng)范圍為外展擺動(dòng)0°-90°、前后擺動(dòng)-90°-90°；

所述的氣動(dòng)支撐桿(4)的氣動(dòng)推力值為x₁＝399.9595N；

所述的上球鉸支座(1)和下球鉸支座(2)的中心距OD長度為x₂＝91.8500 mm；

所述的BF線與球鉸(5)中心點(diǎn)E間距離FE長度為x₃＝60.0000mm；

所述的目標(biāo)函數(shù)為f(x)＝8.4720Nm。