[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

说明书

技术领域

本发明涉及机械手领域，尤其涉及抓取式机械手大臂重力矩的平衡装置。

背景技术

目前的抓取式机械手手臂主要由大臂、小臂、基座及手部等部件组成，各个关节均有电机驱动。机械手的重容比(机械手重量与负载重量之比)通常在10左右。

抓取式机械手手臂工作中，其大臂常常有空载或负载不同工况。当机械手大臂进行俯仰运动时，必然存在要克服机械手手臂及负载的重力矩问题。当机械手的负载波动比较大时，必需用功率较大的驱动装置提供大臂驱动力矩，但是，这样会增加机械手的重容比。为了达到降低重容比的目的，有的采用了平衡装置，以满足机械手大臂在大负载情况下重力矩变化的需要。目前的气动平衡装置提供的支撑力往往是恒定的，仅能提供衡定的平衡力矩，满足不了负载波动的要求。所以，如何使气动平衡装置在机械手大臂的负载工况变化时，能更有针对性地提供不同工况时所需要的平衡力矩，以大大降低驱动装置的输出力矩的需要、扩展机械手的负载范围、大大降低机械手的重容比、提高机械手应用的经济性和适应性，这是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题,本发明提出了一种机械手大臂支撑力可调的气动平衡装置，并且提出了该装置一些参数的优化设计方法。

一种机械手大臂支撑力可调平衡装置，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。

上述机械手大臂支撑力可调平衡装置的参数优化设计方法如下：

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；