[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，其特征是步骤为：(1)将大臂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，用于实现对大臂机构的零自由长度弹簧重力补偿；大臂机构用连杆OO1表示，连杆OO1重力力矩为T＝B cosθ；大臂转轴用O来表示，经过O点作一点水平线NL，N点和L点分别为该水平线上的两点；大臂重力补偿弹簧的刚度系数为K，它的拉伸力对O所产力矩的力臂OI长度为h，其中I为从O点作一条垂线与PQ延长线相交，该交点为I点，则大臂重力补偿弹簧的拉力为Fs，力矩为Ts＝Fsh；连杆OO1的转角∠O1OL＝θ；经过O0点作一条水平线，从Q点作一条垂线与该水平线相交，交点为F；从P点作一条垂线与QF垂直，交点为D；经过O点、O3点和O0点作一条直线，从Q点作一条垂线与该直线相交于G点，从P点作一条垂线与该直线相交于E点；大臂减速从动轮半径用的长度为r，∠ION＝∠FQP＝θ1，∠QON＝θ，OG长度等于r sinθ，QG长度等于r cosθ；大臂重力补偿弹簧的一端固定在M处，另外一端与钢丝绳相连水平相切并交于定滑轮R点处；钢丝绳的另一端与固定在大臂减速机构从动轮Q点上一直延伸到定滑轮上与定滑轮P点相交，Q点在OO1的反向延长线与从动轮圆环外径相交处；定滑轮圆心为O3，半径长为r′，O0点为定滑轮的固定支撑点，到定滑轮圆心的距离为l，OO0的长度为a；其中W点为QP与定滑轮相切延伸后与FM的交点；∠QWF＝∠PO3E＝β；连杆OO1与OO0重合时，重力力矩T＝B cosθ等于0；为了保证零自由长度的大臂重力补偿弹簧进行重力补偿，此时，大臂重力补偿弹簧拉伸长度应等于自由长度；这样，大臂重力补偿弹簧与定滑轮和钢丝绳相结合就组成了零自由长度的大臂重力补偿弹簧的重力补偿方式；可求出钢丝绳QR之间长度为QP长度加上PR之间的圆弧长度：连杆OO1与OO0重合时，重力力矩T＝B cosθ等于0，将此时钢丝绳QR的长度记为QR0；连杆OO1与OO0不重合时，∠QWF＝∠PO3E＝β，则当Q点位于任意一点位置时，O3E的长度为r′cosβ，DF长度等于ER长度等于l‑r′cosβ，所以QD长度为a‑r sinθ‑l+r′cosβ，DP长度为r cosθ‑r′sinβ，其中，在ΔQDP中，QP的长度为：则钢丝绳的QR长度为：所以，大臂重力补偿弹簧的拉伸长度为：ΔQR＝QR‑QR0              (4)则大臂重力补偿弹簧的拉力为：Fs＝KΔQR                     (5)大臂重力补偿弹簧的力矩为：Ts＝KΔQRh                           (6)其中，h＝r cos(θ‑θ1)                     (7)利用已求出的QD长度、DP长度和QP长度，可求出：为了使得大臂重力补偿弹簧拉伸力矩能够完全补偿连杆的重力力矩T＝B cosθ，则通过大臂重力补偿弹簧所产生补偿重力的力矩应该等于T＝B cosθ，所以有如下等式成立：B cosθ＝KΔQRh＝KrΔQR cos(θ‑θ1)            (10)将式(1)，(3)，(8)和(9)代入(10)可求出大臂重力补偿弹簧的刚度系数K等于：其中，φ′＝(QP+r′β‑QR0)/QP，a′＝a‑l+r′cosβ，u′＝r′sinβ；针对式(11)，假如l＝r′＝0，a＝r则定滑轮的圆心O3与O0就完全重合；为了保证大臂机构的零自由长度弹簧重力补偿，必定存在：当连杆OO1与OO0重合时，即重力力矩T＝B cosθ等于0，此时，大臂重力补偿弹簧的拉伸长度等于自由长度，即Q点和O0点两点重合，也即是QO0长度等于0；这样，大臂重力补偿弹簧与定滑轮和钢丝绳相结合就组成了完全的零自由长度弹簧重力补偿方式，大臂重力补偿弹簧的刚度系数K为常数：(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，用于实现对小臂机构的零自由长度弹簧重力补偿；对于小臂机构的重力补偿，需换成小臂机构的参数即可。