[发明专利]机械手大臂支撑力可调平衡装置及其参数优化设计方法

权利要求书

1.一种机械手大臂支撑力可调平衡装置，其特征在于，其特征在于，该装置是在机械手大臂和大臂基座两侧,对称安装有两个气动支撑缸,每个气动支撑缸的两端分别铰接在机械手大臂和大臂基座上，在两个气动支撑缸与气源回路之间连接有气动压力控制回路；所述气动压力控制回路，主要由气源、稳压型减压阀、微雾分离器、电气比例压力阀、先导型减压阀、单向节流阀及压力表连接构成；通过气动压力控制回路，可实现对气动支撑缸供气压力的实时无级调控，使得气动支撑缸能够按照负载大小适当输出大臂所需要的平衡支撑力。

2.如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置，其特征在于，所述的气动支撑缸和气动压力控制回路分别用液压缸和液压控制回路替代。

3.一种如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置参数的优化设计方法，其特征在于：

第一步，设计气动支撑缸两端分别在机械手大臂和大臂基座上的安装位置参数和空载状态下气动支撑缸的初始气压值,以使得空载状态下机械手大臂及小臂在俯仰运动过程中，气动支撑缸产生的平衡力矩与手臂整体重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使大臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小；

第1.1步、设定计算点和设计参数

设机械手基座为点S，大臂俯仰关节为点O，位于点S正上方，大臂重心简化为点G₁；小臂俯仰关节为点O₁，小臂的重心简化为点G₂；机械手手部始终保持水平姿态，手部俯仰关节为点O₂，手部及负载的重心都简化为点G₃；设气动支撑缸与机械手基座的铰接点为点M，点M位于点O右下方，过点M做OS的垂直线交于点L，延长OO₁与LM的延长线相交于点P；设气动支撑缸与机械手大臂的铰接点为点N，点N位于机械手大臂上，机械手大臂俯仰运动时与地面夹角为α，小臂俯仰运动时与水平面夹角为β，大臂和小臂夹角为γ；

第1.2步、确定设计变量

取气动支撑缸与机械手基座的铰接点M与大臂俯仰关节点O的水平位移量LM为变量X₁；气动支撑缸与机械手基座的铰接点M与大臂俯仰关节点O的竖直位移量OL为变量X₂；气动支撑缸与机械手大臂的铰接点N与大臂俯仰关节O的距离ON为变量X₃；气动支撑缸支撑力为变量X₄；上述变量X₁、X₂、X₃的长度单位为米，X₄的支撑力单位为牛；

此时的机械手大臂长度为定长OO₁，大臂俯仰关节O到大臂重心G₁的长度为定长OG₁；小臂长度为定长O₁O₂，小臂俯仰关节O₁到小臂重心长度为定长O₁G₂；手部俯仰关节O₂到手部重心长度为定长O₂G₃，长度单位为米；机械手大臂重量为m₁，小臂重量为m₂，手部重量为m₃，重量单位为公斤；

第1.3步、根据具体设计要求确定变量X₁、X₂、X₃、X₄的取值范围，作为约束条件，并随机对变量X₁、X₂、X₃、X₄进行初始化赋值：

其中，X₁的取值范围为[0～0.07米]，X₂的取值范围为[0～0.2米]，X₃的取值范围为[0～0.53米]，X₄的取值范围为[10～2000牛]；

第1.4步、建立大臂和小臂活动范围内的手臂力学参数关系的数学模型

手臂力学参数包括：大臂关节气动平衡装置的平衡力矩M_p，大臂俯仰重力矩M_d，小臂俯仰重力矩M_x，手部重力矩M_s，力矩单位为牛米，有：

M_d＝m₁·g·L_d   (1)

M_x＝m₂·g·L_x   (2)

M_s＝m₃·g·L_s   (3)

M_p＝X₄·L_p   (4)

(1)、(2)、(3)、(4)式是随手臂俯仰位置而变化的,其中

g＝9.8米/秒²为重力加速度；

L_d为大臂重力臂长度，L_d＝OG₁·cosα，单位为米；

L_x为小臂重力臂长度，L_x＝OO₁·cosα+O₁G₂·cosβ，单位为米；

L_s为手部重力臂长度，L_s＝OO₁·cosα+O₁O₂·cosβ+O₂G₃，单位为米；

L_p为气动支撑缸平衡力臂长度，L_p＝X₃·sin∠ONM(5)，单位为米；

(5)式中∠ONM=arcsin(PM·sinαMN)---(6)]]>

(6)式中MN=PM2+PN2-2·PM·PN·cosα---(7)]]>为气动支撑缸长，单位为米；

(6)及(7)式中PM＝X₁+X₂/tanα   (8)

PN＝X₃+X₂/sinα   (9)

第1.5步、建立优化设计的目标函数

f_i(x)＝max(abs(ΔM_i))   (10)

f(x)＝min(f_i(x))   (11)

(10)式中，ΔM_i＝M_di+M_xi+M_si-M_pi，i＝1，2，3…n，表示大臂和小臂在俯仰过程各离散位置i时,气动支撑缸产生的平衡力矩与机械手总体重力矩之差；其中M_xi与M_si分别表示按照公式(2)和公式(3)计算得到的各离散位置i中的最大值，M_di、M_pi分别表示按照公式(1)和公式(4)计算得到的各离散位置i的力矩值；(10)式表示，取f_i(x)等于在各离散位置i上ΔM_i绝对值最大的那个值；

(11)式的f(x)是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)达到最小，即：使得机械手大臂空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第1.6步、根据上述设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、手臂力学参数的数学模型及目标函数，编制出优化设计的计算机程序，并输入计算机进行运行，采用有约束的优化设计算法对各个设计变量X₁、X₂、X₃、X₄进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，从而确定出气动支撑缸安装位置参数X₁、X₂、X₃及气动支撑缸内部的初始支撑力X₄；

第1.7步、按照每个气动支撑缸承担初始支撑力X₄的一半,由气动支撑缸结构参数，可以计算得到每个气动支撑缸所需的初始充气压力值：

p0=2X4πd2---(12)]]>

式中

p₀为气动支撑缸内初始气体压力，单位为兆帕

X₄为气动支撑缸支撑力，单位为牛

d为气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米

通过上述设计，使空载状态下大臂俯仰运动过程中，支撑缸产生的平衡力矩与机械手总体自重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使大臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到了最小；

第二步，在负载情况下,设计支撑缸在大臂俯仰运动过程中所需的动态气压，以使得在负载状态下，机械手大臂及小臂在俯仰运动过程中，气动支撑缸产生的平衡力矩与手臂整体重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说：使大臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小；计算过程如下：

第2.1步、将第一步所得的X₁、X₂、X₃值分别赋给LM、OL与ON；设定抓取物体的负载重量为m₄公斤，负载的重心位置也简化为点G₃；仍设定机械手大臂重量为m₁，小臂重量为m₂，手部重量为m₃；机械手手部始终保持水平姿态；设定支撑力为设计变量X₅，取其变化范围为[10～2000]牛，作为约束条件；

第2.2步、在大臂和小臂活动范围内，建立起气动支撑缸的平衡力矩M_p'、大臂俯仰重力矩M_d、小臂俯仰重力矩M_x和负载及手部重力矩M_f的力学参数的数学模型，上述力矩单位为牛米，有：

M_d＝m₁·g·L_d   (13)

M_x＝m₂·g·L_x   (14)

M_f＝(m₃+m₄)·g·L_f   (15)

M_p'＝X₅·L_p'   (16)

(13)、(14)、(15)、(16)式是随手臂俯仰位置而变化的,其中

L_d为大臂重力臂长：L_d＝OG₁·cosα，单位为米；

L_x为小臂重力臂长：L_x＝OO₁·cosα+O₁G₂·cosβ，单位为米；

L_f为负载及手部重力臂长：L_f＝OO₁·cosα+O₁O₂·cosβ+O₂G₃，单位为米；

L_p'为气动支撑缸平衡力臂长：L_p'＝ON·sin∠ONM   (17)，单位为米；

(17)式中∠ONM=arcsin(PM·sinαMN)---(18)]]>

(18)式中MN=PM2+PN2-2·PM·PN·cosα---(19),]]>为气动支撑缸长，单位为米；

(18)及(19)式中PM＝LM+OL/tanα   (20)

PN＝ON+OL/sinα   (21)

第2.3步、建立优化设计的目标函数

f_i(x)'＝max(abs(ΔM_i'))   (22)

f(x)'＝min(f_i(x)')   (23)

(22)式中，ΔM_i'＝M_di+M_xi+M_fi-M_pi'，i＝1，2，3…n，表示大臂和小臂在俯仰过程各离散位置i时,气动支撑缸产生的平衡力矩与机械手总体重力矩之差；M_xi与M_fi分别表示按照公式(14)和(15)计算得到的各离散位置i中的最大值(也就是大臂在某个位置时，小臂重力矩与负载力矩在小臂工作区间内的最大值)，M_di和M_pi'分别表示按照公式(13)和(16)计算得到的各离散位置i的力矩值；(22)式表示，取f_i(x)'等于在各离散位置i上ΔM_i'绝对值最大的那个值；

(23)式的f(x)'是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)'达到最小，即使得机械手大臂负载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第2.4步、根据设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、力学参数的数学模型及目标函数编制优化设计的计算机程序，并输入计算机进行运行，采用有约束的优化设计算法对设计变量X₅进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，得到在该负载状态时气动支撑缸所需的支撑力；

第2.5步、按照每个气动支撑缸承担支撑力X₅的一半,由气动支撑缸结构参数，可以计算得到每个气动支撑缸所需的充气压力值；

p=2X5πd2---(24)]]>

式中

p---不同负载状态下气动支撑缸内气体压力，单位为兆帕；

X₅---不同负载状态下气动支撑缸支撑力，单位为牛；

d---气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米。