[發(fā)明專利]大臂關(guān)節(jié)氣動平衡結(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: 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: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及用于平衡機(jī)器人手臂或假肢大臂肩關(guān)節(jié) 處重力矩的氣動平衡結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

目前，在機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)或假肢大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采用各種驅(qū)動結(jié)構(gòu)來實(shí) 現(xiàn)大臂負(fù)載狀態(tài)下的前后擺驅(qū)動或外展驅(qū)動。當(dāng)對機(jī)器人手臂或假肢手臂進(jìn)行 前后擺驅(qū)動或外展驅(qū)動時(shí)，必然存在要克服大臂肩關(guān)節(jié)處重力矩的問題。大臂 的重力矩越大，驅(qū)動大臂所需的驅(qū)動力矩就越大。若提供一種大臂關(guān)節(jié)重力矩 平衡結(jié)構(gòu)，就能夠隨著大臂關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的變化而提供相應(yīng)的比較接近大臂重 力矩的平衡力矩，從而減小大臂運(yùn)動所需的驅(qū)動力矩。又由于該平衡結(jié)構(gòu)必須 要與手臂結(jié)構(gòu)相匹配，所以如何在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對大臂重力矩的最佳 平衡，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決上述問題而發(fā)明一種大臂關(guān)節(jié)氣動平衡結(jié)構(gòu)及其優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明的大臂關(guān)節(jié)氣動平衡結(jié)構(gòu)是一種演化的空間擺動導(dǎo)桿 機(jī)構(gòu)。該空間擺動導(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 的氣動支撐桿共同組成；拐狀桿與氣動支撐桿的鉸接也為球鉸接。

當(dāng)拐狀桿做前后擺動或外展擺動時(shí)，就帶動手臂實(shí)現(xiàn)前后擺動或外展擺動。 氣動支撐桿隨著大臂的運(yùn)動而伸縮變化，氣動支撐桿在伸縮過程中其推力基本 不變。無論手臂是前后擺動還是外展擺動，氣動支撐桿的推力都會對手臂的重 力矩產(chǎn)生一定的平衡力矩。

為合理地設(shè)計(jì)大臂關(guān)節(jié)氣動平衡結(jié)構(gòu)各部分的結(jié)構(gòu)尺寸，并選擇合適的氣 動支撐桿的推力值，以使機(jī)械手或假肢獲得結(jié)構(gòu)緊湊、重力矩平衡效果好、耗 能小、運(yùn)動啟動快、無運(yùn)動干涉的目的，本發(fā)明采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟如 下：

1、確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選取

設(shè)上球鉸支座1的中心點(diǎn)為O、下球鉸支座2的中心點(diǎn)為D且D點(diǎn)在O點(diǎn) 的正下方、氣動支撐桿4與拐狀桿3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、手臂的重心在BF向下延長線上的P點(diǎn)處，當(dāng)手臂在 初始位置(即：BF處于鉛垂方向)時(shí)BF向上延長線與過O點(diǎn)水平線的交點(diǎn)為 A、當(dāng)手臂在初始位置時(shí)E點(diǎn)在高度方向上距離O點(diǎn)為定長AF、當(dāng)手臂在初始 位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上距離O點(diǎn)為定長AP、當(dāng)手臂在初始位置時(shí)正面看P 點(diǎn)在水平方向上偏離O點(diǎn)為定長AO、當(dāng)手臂在初始位置時(shí)側(cè)面看本平衡結(jié)構(gòu)關(guān) 于OD線對稱布置、BF線與E點(diǎn)的距離為FE；

取氣動支撐桿的氣動推力值為設(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。

2、根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定x₁、x₂、x₃、x₄的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值；

3、在大臂活動范圍內(nèi)，建立關(guān)于大臂關(guān)節(jié)氣動平衡結(jié)構(gòu)的外擺平衡力矩 M_wp(單位：Nm)、外擺重力矩M_wz(單位：Nm)、前擺平衡力矩M_qp(單位： Nm)和前擺重力矩M_qz(單位：Nm)的力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，如下：

L1=AF2+(AO-x3)2·sinγ1/1000]]>