[发明专利]一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法

说明书

一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，(1)将大臂的重力补偿弹簧一端连接在底座减速机构从动轮上的弹簧固定安装面，另一端通过钢丝绳相连经过定滑轮连接在大臂减速机构从动轮上与大臂反向延长线与从动轮边沿交接点处；(2)将小臂的重力补偿弹簧一端连接在底座减速机构从动轮上的弹簧固定安装面，另一端通过钢丝绳相连经过定滑轮连接在小臂减速机构从动轮边沿交接点处。本发明减轻了力反馈设备大臂机构或者是小臂机构的惯量，避免了钢丝绳与大臂机构或者小臂机构在某些位置上相互干涉。并充分考虑定滑轮的半径长度和安装位置对重力补偿的影响，证明了该弹簧重力补偿方法能够对力反馈设备实现完全的重力补偿。

技术领域

本发明涉及一种力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法。

背景技术

力反馈设备常使用弹簧补偿重力，其优点在于：弹簧质量轻便，不会在力反馈设备上增加过多的重量和惯量，从而影响力反馈设备的操作性能。在力反馈设备中，使用弹簧进行重力补偿方法有多种：简单弹簧重力补偿、零自由长度弹簧重力补偿和凸轮弹簧重力补偿以及一些其他的弹簧重力补偿方式。

所谓简单弹簧重力补偿，是指不借助其他辅助设备，例如：小轮、连杆，非规则凸轮等，仅使用弹簧对力反馈设备进行重力补偿。在该方法中，弹簧一端连接在所需补偿的力反馈设备的操作臂上，另一端固定在力反馈设备的固定支架上，为了获得完全的弹簧重力补偿，弹簧刚度系数K必须是变量，因此，该类弹簧都是非线性弹簧，导致在实际工程应用中设计困难。通常的工程应用中，为了降低弹簧设计的复杂度，常用线性弹簧来代替非线性弹簧，该线性弹簧的刚度系数常采用所需补偿重力的连杆处在不同角度时所需的重力补偿量的平均值来求取弹簧的平均刚度系数，并用该平均刚度系数作为线性弹簧的刚度系数，从而实现连杆的重力补偿。然而，由于弹簧和所需补偿的力反馈设备操作臂直接相连，易造成弹簧与连杆在部分的运动空间中发生机械干涉。为了避免上述存在的影响，AhmadMashayekhi巧妙的将弹簧安装在减速机构从动轮上，而不是与力反馈设备操作臂直接相连，设计了一种结构新颖的简单弹簧重力补偿方式(详见：VirSense:a novel hapticdevice with fixed-base motors and a gravity compensation system,IndustrialRobot:An International Journal,2014,41(1):37～49.)。但是Ahmad Mashayekhi的设计方法只是人为的给出弹簧连接点位置，在设计弹簧重力补偿时，并没有建立最优弹簧重力补偿数学模型，未曾考虑重力补偿的弹簧最优连接点位置、弹簧最优的自由长度和最优平均刚度系数。针对上述问题，李春泉等提出了一种基于改进简单粒子算法的力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，将弹簧安装在力反馈设备大臂和小臂的线传动减速从动轮上，充分考虑了弹簧的连接点位置、自由长度和刚度系数对重力补偿的影响，建立了非线性约束关系的重力补偿模型，引入“拉伸自由长度比”，将连接点位置与“拉伸自由长度比”作为优化量，平均力矩误差作为优化的适应度函数，使用改进简单粒子优化算法迭代优化，使得力反馈设备的手臂机构能够获得最优的弹簧重力补偿。