机械手大臂支撑力可调平衡装置及其参数优化设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] -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。
[0006] 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：
[0007] 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；
[0008] 第1. 1步、设定计算点和设计参数
[0009] 设机械手基座为点S，大臂俯仰关节为点0,位于点S正上方，大臂重心简化为点 G1;小臂俯仰关节为点〇 i，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0右下方，过点M做OS的垂直线交于点L，延长(^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 ;
[0010] 第1. 2步、确定设计变量
[0011] 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0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0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0的距离ON为变量X 3;气动支撑 缸支撑力为变量X4;上述变量X η X2、X3的长度单位为米，X 4的支撑力单位为牛；
[0012] 此时的机械手大臂长度为定长OO1，大臂俯仰关节0到大臂重心G1的长度为定长 〇6 1;小臂长度为定长0 P2，小臂俯仰关节Oglj小臂重心长度为定长0 A2;手部俯仰关节0 2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Iii 1，小臂重量为1112，手部重量为 m3，重量单位为公斤；
[0013] 第1. 3步、根据具体设计要求确定变量乂1、&、\、\的取值范围，作为约束条件，并 随机对变量Xp X2、X3、\进行初始化赋值：
[0014] 其中，X1的取值范围为[0~0.07米]，X2的取值范围为[0~0.2米]，X 3的取值 范围为[0~0· 53米]，X4的取值范围为[10~2000牛];
[0015] 第1. 4步、建立大臂和小臂活动范围内的手臂力学参数关系的数学模型
[0016] 手臂力学参数包括：大臂关节气动平衡装置的平衡力矩Mp，大臂俯仰重力矩M d，小 臂俯仰重力矩Mx，手部重力矩Ms，力矩单位为牛米，有：
[0021] (1)、（2)、（3)、（4)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中
[0022] g = 9. 8米/秒2为重力加速度；
[0023] Ld为大臂重力臂长度，L d= OG i · cos α，单位为米；
[0024] Lx为小臂重力臂长度，L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，单位为米；
[0025] Ls为手部重力臂长度，L s= 00 i · cos a +O 1O2 · cos β +02G3,单位为米；
[0026] Lp为气动支撑缸平衡力臂长度，L p= X 3 · sin Z ONM (5)，单位为米；
为气动支撑缸长，单 位为米；
[0029] (6)及（7)式中 PM = XdX2Ztana (8)
[0030] PN = X3+X2/sina (9)
[0031] 第I. 5步、建立优化设计的目标函数
[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过程各离 散位置i时，气动支撑缸产生的平衡力矩与机械手总体重力矩之差；其中M xi与Msi分别表 示按照公式（2)和公式（3)计算得到的各离散位置i中的最大值，Mdi、Mpi分别表示按照公 式（1)和公式（4)计算得到的各离散位置i的力矩值；（10)式表示，取& (X)等于在各离散 位置i上对值最大的那个值；
[0035] (11)式的f(x)是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)达到最小，即：使得机 械手大臂空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；
[0036] 第1. 6步、根据上述设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、手臂力学参数的数 学模型及目标函数，编制出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Xp X2、X3、X4进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优 化设计计算结果，从而确定出气动支撑缸安装位置参数Xp X2、X3及气动支撑缸内部的初始 支撑力X4;
[0037] 第1. 7步、按照每个气动支撑缸承担初始支撑力X4的一半，由气动支撑缸结构参 数，可以计算得到每个气动支撑缸所需的初始充气压力值：
[0039] 式中
[0040] PtlS气动支撑缸内初始气体压力，单位为兆帕
[0041] X4为气动支撑缸支撑力，单位为牛
[0042] d为气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米
[0043] 通过上述设计，使空载状态下大臂俯仰运动过程中，支撑缸产生的平衡力矩与机 械手总体自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 力矩达到了最小；
[0044] 第二步，在负载情况下，设计支撑缸在大臂俯仰运动过程中所需的动态气压，以 使得在负载状态下，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；计算过程如下：
[0045] 第2. 1步、将第一步所得的X2、X3值分别赋给LM、OL与ON ;设定抓取物体的负 载重量为Hl4公斤，负载的重心位置也简化为点G3;仍设定机械手大臂重量为Hl 1，小臂重量为 Hl2，手部重量为％;机械手手部始终保持水平姿态；设定支撑力为设计变量X 5，取其变化范 围为[10~2000]牛，作为约束条件；
[0046] 第2. 2步、在大臂和小臂活动范围内，建立起气动支撑缸的平衡力矩Mp'、大臂俯仰 重力矩Md、小臂俯仰重力矩M x和负载及手部重力矩M {的力学参数的数学模型，上述力矩单 位为牛米，有：
[0051] (13)、（14)、（15)、（16)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中
[0052] Ld为大臂重力臂长：L d= OG i · cos α，单位为米；
[0053] 1^为小臂重力臂长：L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，单位为米；
[0054] 1^为负载及手部重力臂长：L f = 00 i · cos a +O1O2 · cos β +O2G3，单位为米；
[0055] Ld'为气动支撑缸平衡力臂长：LD' = ON · sin Z ONM (17)，单位为米；
,为气动支撑缸 长，单位为米；
[0058] (18)及（19)式中 PM = LM+OL/tana (20)
[0059] PN = 0N+0L/sina (21)
[0060] 第2· 3步、建立优化设计的目标函数
[0061] f j (x)' = max (abs ( Δ Mi')) (22)
[0062] f (X)，= min (A (X)，）