大臂关节气动平衡结构及其优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种大臂关节气动平衡结构及其优化设计方法，它包括以下内容：确定大臂结构与气动支撑杆平衡结构的形式；确定设计中待优化变量；建立大臂关节气动平衡结构力学参数的动态数学模型；建立约束函数与目标函数；采用有约束优化算法求得本结构的综合最优解；输出优化设计结果及其运动仿真图形。本发明专利技术从安装空间，传动效率，大臂关节运动范围，对大臂重力矩的平衡效果等多方面的因素考虑，求得一个综合最优解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及用于平衡机器人手臂或假肢大臂肩关节处重力 矩的气动平衡结构。
技术介绍
目前，在机器人大臂结构或假肢大臂结构的设计上，采用各种驱动结构来实现大 臂负载状态下的前后摆驱动或外展驱动。当对机器人手臂或假肢手臂进行前后摆驱动或外 展驱动时，必然存在要克服大臂肩关节处重力矩的问题。大臂的重力矩越大，驱动大臂所 需的驱动力矩就越大。若提供一种大臂关节重力矩平衡结构，就能够随着大臂关节运动范 围的变化而提供相应的比较接近大臂重力矩的平衡力矩，从而减小大臂运动所需的驱动力 矩。又由于该平衡结构必须要与手臂结构相匹配，所以如何在有限的结构空间内实现对大 臂重力矩的最佳平衡，是本领域技术人员需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述问题而专利技术一种大臂关节气动平衡结构及其优化设 计方法。为达上述目的，本专利技术的大臂关节气动平衡结构是一种演化的空间摆动导杆机 构。该空间摆动导杆机构由固定在机架上的上球铰支座和下球铰支座、一个铰接在上球铰 支座上的拐状杆和一个两端分别铰接在下球铰支座与拐状杆一端的气动支撑杆共同组成； 拐状杆与气动支撑杆的铰接也为球铰接。当拐状杆做前后摆动或外展摆动时，就带动手臂实现前后摆动或外展摆动。气动 支撑杆随着大臂的运动而伸缩变化，气动支撑杆在伸缩过程中其推力基本不变。无论手臂 是前后摆动还是外展摆动，气动支撑杆的推力都会对手臂的重力矩产生一定的平衡力矩。为合理地设计大臂关节气动平衡结构各部分的结构尺寸，并选择合适的气动支撑 杆的推力值，以使机械手或假肢获得结构紧凑、重力矩平衡效果好、耗能小、运动启动快、无 运动干涉的目的，本专利技术采用优化设计方法，其步骤如下1、确定设计变量及其它参数的选取设上球铰支座的中心点为0、下球铰支座的中心点为D且D点在0点的正下方、气 动支撑杆与拐状杆铰接的球铰中心点为E、拐状杆的上拐点为B、拐状杆的下拐点为F、手臂 的重心在BF向下延长线上的P点处、当手臂在初始位置(即BF处于铅垂方向)时BF向上延长线与过0点水平线的交点为A、当手臂在 初始位置时E点在高度方向上距离0点为定长AF、当手臂在初始位置时P点在高度方向上 距离0点为定长AP、当手臂在初始位置时正面看P点在水平方向上偏离0点为定长AO、当 手臂在初始位置时侧面看本平衡结构关于0D线对称布置、BF线与E点的距离为FE ；取气动支撑杆的气动推力值为设计变量Xl (单位N)；取0、D两中心点间的距离0D长度为设计变量x2 (单位mm)；取FE长度为设计变量X3 (单位mm)；在不超出大臂结构尺寸情况下，取AF为最大值。2、根据具体设计要求确定Xl、x2、x3, X4的取值范围并进行初始化赋值；3、在大臂活动范围内，建立关于大臂关节气动平衡结构的外摆平衡力矩Mwp(单 位Nm)、外摆重力矩Mwz (单位Nm)、前摆平衡力矩Mqp (单位Nm)和前摆重力矩Mqz (单位 Nm)的力学参数的动态数学模型，如下L1 = Vaf2+ (AO-X3)2 -sin ^/1000L2 = Vap2 + AO2 -smC^ + aJ/lOOO L3 = AF · siny2/1000L4 = APsina 2/1000Mwp = X1 · L1Mwz = m · g · L2Mqp = X1 · L3Mqz = m · g · L4其中=L1为外展摆动时的平衡力臂(单位m)；L2为外展摆动时的重力臂(单位m)；L3为前后摆动时的平衡力臂(单位m)；L4为前后摆动时的重力臂(单位m)；α工为大臂外摆角度(单位度)，自变量；Y1是在正面视图中的ZOED(单位度)，在运动中是变量，可根据Q1及各参数利 用几何和三角函数知识编程求得；代=ZOCA=arCtg(^·)(单位度)，定值；α 2为大臂前后摆动角度(单位度)，自变量；Y2是在侧面视图中的ZOED(单位度)，在运动中是变量，可根据Q1及各参数利 用几何和三角函数知识编程求得；m为大臂重量(单位kg)；g为重力加速度；4、根据大臂的结构空间和工作空间、气动支撑杆的结构与性能、运动时不发生相 互干涉的要求，确定设计变量的约束函数如下gl (χ) = Xl-500 ( 0g2(x) = IOO-X1 ^ 0g3 (χ) = x2-150 ( 0 g4 (χ) = 90-x2 ( 0g5 (χ) = X3-OA ^ 0g6 (χ) = 60_x3 彡 05、建立以大臂在前、后摆动或外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力 矩之差绝对值的最大值达能到最小的目标函数f^x) = max(abs(AMli))f2 (χ) = max (abs ( Δ M2i))min f (χ) = max (x)，f2 (x))其中AMli = Mwpi-Mwzi，表示大臂外展摆动时气动支撑杆产生的 平衡力矩与大臂重 力矩之差在不同位置时的数值，i = 1......η；AM2i = Μ_-Μ_，表示大臂前后摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩 之差在不同位置时的数值，i = 1......η；f^x)表示大臂外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝对值 的最大值；f2(x)表示大臂前后摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝对值 的最大值；f(x)是^⑴^P f2(x)中的最大值，是目标函数，优化设计的结果是使得f(x)达 到最小，即，使得大臂在前后摆动或外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩 之差绝对值中的最大值达到最小。6、根据设计变量、约束函数、手臂力学参数的动态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各个设计变量 Xl、X2> X3进行优化计算，直至达到期望的优化值；7、输出优化设计计算结果及其运动仿真图形本专利技术的优点在于1.对大臂采用了一种基于气动支撑杆的气动平衡结构，可有效平衡大臂运动中各 个位置处的重力矩，以满足假肢或机械手的大臂对空间紧凑、重力矩平衡效果好、驱动力矩 小、耗能低、负载波动小、运动启动快、不会发生运动干涉的性能要求。2.采用了优化设计方法，可以根据不同情况的需要，快速获得最佳的各个设计变 量的参数值。附图说明下面参照附图1-附图5说明本专利技术的一个实施例。图1是大臂关节气动平衡结构的原理示意图，其中图l.a是大臂初始状态的主视 图，图1. b是大臂外摆端平状态的主视图，图1. c是大臂初始状态的侧视图，图1. d是大臂 前摆端平状态的侧视图。图例说明1一上球铰支座 2—下球铰支座 3—拐状杆 4一气动支撑杆 5—球铰。图2是对设计结果的运动仿真图形，显示了本结构的0、D、E、F、B各点及其构件在 大臂外摆运动过程中不同位置时的原理关系。图3是对设计结果的运动仿真图形，显示了本结构的0、D、E、F各点及其构件在大 臂前摆运动过程中不同位置时的原理关系。图4是大臂运动过程中，在本平衡结构作用下大臂残余重力矩的变化曲线。图5是优化程序运行框图。具体实施例方式本专利技术的大臂关节气动平衡结构的原理如图1所示。本专利技术的大臂关节气动平衡结构是一种演化的空间摆动导杆机构。由固定在机架 上的上球铰支座1和下球铰支座2、一个铰接在上球铰支座1上的拐状杆3、一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大臂关节气动平衡结构，其特征在于，它是一种演化的空间摆动导杆机构，该空间摆动导杆机构由固定在机架上的上球铰支座和下球铰支座、一个铰接在上球铰支座上的拐状杆和一个两端分别铰接在下球铰支座与拐状杆一端的气动支撑杆共同组成；拐状杆与气动支撑杆的铰接也为球铰接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：樊炳辉，张志献，江浩，孙高祚，孙爱芹，王传江，徐文尚，邹吉祥，樊东哲，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]