機(jī)械手大臂支撐力可調(diào)平衡裝置及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械手領(lǐng)域，尤其涉及抓取式機(jī)械手大臂重力矩的平衡裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的抓取式機(jī)械手手臂主要由大臂、小臂、基座及手部等部件組成，各個關(guān)節(jié)均 有電機(jī)驅(qū)動。機(jī)械手的重容比（機(jī)械手重量與負(fù)載重量之比）通常在10左右。
[0003] 抓取式機(jī)械手手臂工作中，其大臂常常有空載或負(fù)載不同工況。當(dāng)機(jī)械手大臂進(jìn) 行俯仰運(yùn)動時，必然存在要克服機(jī)械手手臂及負(fù)載的重力矩問題。當(dāng)機(jī)械手的負(fù)載波動比 較大時，必需用功率較大的驅(qū)動裝置提供大臂驅(qū)動力矩，但是，這樣會增加機(jī)械手的重容 比。為了達(dá)到降低重容比的目的，有的采用了平衡裝置，以滿足機(jī)械手大臂在大負(fù)載情況下 重力矩變化的需要。目前的氣動平衡裝置提供的支撐力往往是恒定的，僅能提供衡定的平 衡力矩，滿足不了負(fù)載波動的要求。所以，如何使氣動平衡裝置在機(jī)械手大臂的負(fù)載工況變 化時，能更有針對性地提供不同工況時所需要的平衡力矩，以大大降低驅(qū)動裝置的輸出力 矩的需要、擴(kuò)展機(jī)械手的負(fù)載范圍、大大降低機(jī)械手的重容比、提高機(jī)械手應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和 適應(yīng)性，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種機(jī)械手大臂支撐力可調(diào)的氣動平衡裝置，并 且提出了該裝置一些參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。
[0005] -種機(jī)械手大臂支撐力可調(diào)平衡裝置，其特征在于，該裝置是在機(jī)械手大臂和大 臂基座兩側(cè)，對稱安裝有兩個氣動支撐缸，每個氣動支撐缸的兩端分別鉸接在機(jī)械手大臂 和大臂基座上，在兩個氣動支撐缸與氣源回路之間連接有氣動壓力控制回路；所述氣動壓 力控制回路，主要由氣源、穩(wěn)壓型減壓閥、微霧分離器、電氣比例壓力閥、先導(dǎo)型減壓閥、單 向節(jié)流閥及壓力表連接構(gòu)成；通過氣動壓力控制回路，可實現(xiàn)對氣動支撐缸供氣壓力的實 時無級調(diào)控，使得氣動支撐缸能夠按照負(fù)載大小適當(dāng)輸出大臂所需要的平衡支撐力。
[0006] 上述機(jī)械手大臂支撐力可調(diào)平衡裝置的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法如下：
[0007] 第一步，設(shè)計氣動支撐缸兩端分別在機(jī)械手大臂和大臂基座上的安裝位置參數(shù)和 空載狀態(tài)下氣動支撐缸的初始?xì)鈮褐?，以使得空載狀態(tài)下機(jī)械手大臂及小臂在俯仰運(yùn)動 過程中，氣動支撐缸產(chǎn)生的平衡力矩與手臂整體重力矩之差的絕對值達(dá)到最小，也就是說 使大臂驅(qū)動電機(jī)應(yīng)該提供的基本驅(qū)動力矩達(dá)到最??；
[0008] 第1. 1步、設(shè)定計算點(diǎn)和設(shè)計參數(shù)
[0009] 設(shè)機(jī)械手基座為點(diǎn)S，大臂俯仰關(guān)節(jié)為點(diǎn)0,位于點(diǎn)S正上方，大臂重心簡化為點(diǎn) G1;小臂俯仰關(guān)節(jié)為點(diǎn)〇 i，小臂的重心簡化為點(diǎn)G2;機(jī)械手手部始終保持水平姿態(tài)，手部俯 仰關(guān)節(jié)為點(diǎn)O2，手部及負(fù)載的重心都簡化為點(diǎn)G3;設(shè)氣動支撐缸與機(jī)械手基座的鉸接點(diǎn)為 點(diǎn)M，點(diǎn)M位于點(diǎn)0右下方，過點(diǎn)M做OS的垂直線交于點(diǎn)L，延長(^與LM的延長線相交于 點(diǎn)P ;設(shè)氣動支撐缸與機(jī)械手大臂的鉸接點(diǎn)為點(diǎn)N，點(diǎn)N位于機(jī)械手大臂上，機(jī)械手大臂俯仰 運(yùn)動時與地面夾角為α，小臂俯仰運(yùn)動時與水平面夾角為β，大臂和小臂夾角為γ ;
[0010] 第1. 2步、確定設(shè)計變量
[0011] 取氣動支撐缸與機(jī)械手基座的鉸接點(diǎn)M與大臂俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn)0的水平位移量LM為 變量X1;氣動支撐缸與機(jī)械手基座的鉸接點(diǎn)M與大臂俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn)0的豎直位移量OL為變量 X2;氣動支撐缸與機(jī)械手大臂的鉸接點(diǎn)N與大臂俯仰關(guān)節(jié)0的距離ON為變量X 3;氣動支撐 缸支撐力為變量X4;上述變量X η X2、X3的長度單位為米，X 4的支撐力單位為牛；
[0012] 此時的機(jī)械手大臂長度為定長OO1，大臂俯仰關(guān)節(jié)0到大臂重心G1的長度為定長 〇6 1;小臂長度為定長0 P2，小臂俯仰關(guān)節(jié)Oglj小臂重心長度為定長0 A2;手部俯仰關(guān)節(jié)0 2到 手部重心長度為定長O2G3，長度單位為米；機(jī)械手大臂重量為Iii 1，小臂重量為1112，手部重量為 m3，重量單位為公斤；
[0013] 第1. 3步、根據(jù)具體設(shè)計要求確定變量乂1、&、\、\的取值范圍，作為約束條件，并 隨機(jī)對變量Xp X2、X3、\進(jìn)行初始化賦值：
[0014] 其中，X1的取值范圍為[0~0.07米]，X2的取值范圍為[0~0.2米]，X 3的取值 范圍為[0~0· 53米]，X4的取值范圍為[10~2000牛];
[0015] 第1. 4步、建立大臂和小臂活動范圍內(nèi)的手臂力學(xué)參數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型
[0016] 手臂力學(xué)參數(shù)包括：大臂關(guān)節(jié)氣動平衡裝置的平衡力矩Mp，大臂俯仰重力矩M d，小 臂俯仰重力矩Mx，手部重力矩Ms，力矩單位為牛米，有：
[0021] (1)、（2)、（3)、（4)式是隨手臂俯仰位置而變化的，其中
[0022] g = 9. 8米/秒2為重力加速度；
[0023] Ld為大臂重力臂長度，L d= OG i · cos α，單位為米；
[0024] Lx為小臂重力臂長度，L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，單位為米；
[0025] Ls為手部重力臂長度，L s= 00 i · cos a +O 1O2 · cos β +02G3,單位為米；
[0026] Lp為氣動支撐缸平衡力臂長度，L p= X 3 · sin Z ONM (5)，單位為米；
為氣動支撐缸長，單 位為米；
[0029] (6)及（7)式中 PM = XdX2Ztana (8)
[0030] PN = X3+X2/sina (9)
[0031] 第I. 5步、建立優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)
[0032] f j (x) = max (abs ( Δ Mi)) (10)
[0033] f (x) = min (fj (x)) (11)
[0034] (10)式中，AMi= Mdi+Mxi+Msi_Mpi，i = 1，2,3···η，表示大臂和小臂在俯仰過程各離 散位置i時，氣動支撐缸產(chǎn)生的平衡力矩與機(jī)械手總體重力矩之差；其中M xi與Msi分別表 示按照公式（2)和公式（3)計算得到的各離散位置i中的最大值，Mdi、Mpi分別表示按照公 式（1)和公式（4)計算得到的各離散位置i的力矩值；（10)式表示，取& (X)等于在各離散 位置i上對值最大的那個值；
[0035] (11)式的f(x)是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果就是使得f(x)達(dá)到最小，即：使得機(jī) 械手大臂空載狀態(tài)時所需的基本驅(qū)動力矩達(dá)到最??；
[0036] 第1. 6步、根據(jù)上述設(shè)計變量、變量取值范圍、桿件活動范圍、手臂力學(xué)參數(shù)的數(shù) 學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)，編制出優(yōu)化設(shè)計的計算機(jī)程序，并輸入計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約束的 優(yōu)化設(shè)計算法對各個設(shè)計變量Xp X2、X3、X4進(jìn)行優(yōu)化計算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；輸出優(yōu) 化設(shè)計計算結(jié)果，從而確定出氣動支撐缸安裝位置參數(shù)Xp X2、X3及氣動支撐缸內(nèi)部的初始 支撐力X4;
[0037] 第1. 7步、按照每個氣動支撐缸承擔(dān)初始支撐力X4的一半，由氣動支撐缸結(jié)構(gòu)參 數(shù)，可以計算得到每個氣動支撐缸所需的初始充氣壓力值：
[0039] 式中
[0040] PtlS氣動支撐缸內(nèi)初始?xì)怏w壓力，單位為兆帕
[0041] X4為氣動支撐缸支撐力，單位為牛
[0042] d為氣動支撐缸活塞桿直徑，單位為毫米
[0043] 通過上述設(shè)計，使空載狀態(tài)下大臂俯仰運(yùn)動過程中，支撐缸產(chǎn)生的平衡力矩與機(jī) 械手總體自重力矩之差的絕對值達(dá)到最小，也就是說使大臂驅(qū)動電機(jī)應(yīng)該提供的基本驅(qū)動 力矩達(dá)到了最??；
[0044] 第二步，在負(fù)載情況下，設(shè)計支撐缸在大臂俯仰運(yùn)動過程中所需的動態(tài)氣壓，以 使得在負(fù)載狀態(tài)下，機(jī)械手大臂及小臂在俯仰運(yùn)動過程中，氣動支撐缸產(chǎn)生的平衡力矩與 手臂整體重力矩之差的絕對值達(dá)到最小，也就是說：使大臂驅(qū)動電機(jī)應(yīng)該提供的基本驅(qū)動 力矩達(dá)到最小；計算過程如下：
[0045] 第2. 1步、將第一步所得的X2、X3值分別賦給LM、OL與ON ;設(shè)定抓取物體的負(fù) 載重量為Hl4公斤，負(fù)載的重心位置也簡化為點(diǎn)G3;仍設(shè)定機(jī)械手大臂重量為Hl 1，小臂重量為 Hl2，手部重量為％;機(jī)械手手部始終保持水平姿態(tài)；設(shè)定支撐力為設(shè)計變量X 5，取其變化范 圍為[10~2000]牛，作為約束條件；
[0046] 第2. 2步、在大臂和小臂活動范圍內(nèi)，建立起氣動支撐缸的平衡力矩Mp'、大臂俯仰 重力矩Md、小臂俯仰重力矩M x和負(fù)載及手部重力矩M {的力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，上述力矩單 位為牛米，有：
[0051] (13)、（14)、（15)、（16)式是隨手臂俯仰位置而變化的，其中
[0052] Ld為大臂重力臂長：L d= OG i · cos α，單位為米；
[0053] 1^為小臂重力臂長：L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，單位為米；
[0054] 1^為負(fù)載及手部重力臂長：L f = 00 i · cos a +O1O2 · cos β +O2G3，單位為米；
[0055] Ld'為氣動支撐缸平衡力臂長：LD' = ON · sin Z ONM (17)，單位為米；
,為氣動支撐缸 長，單位為米；
[0058] (18)及（19)式中 PM = LM+OL/tana (20)
[0059] PN = 0N+0L/sina (21)
[0060] 第2· 3步、建立優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)
[0061] f j (x)' = max (abs ( Δ Mi')) (22)
[0062] f (X)，= min (A (X)，）