(23)
[0063] (22)式中，ΔΜ/ = Mdi+Mxi+Mfi-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；Mxi与M fi分别表示 按照公式（14)和（15)计算得到的各离散位置i中的最大值（也就是大臂在某个位置时， 小臂重力矩与负载力矩在小臂工作区间内的最大值），M di和Mpi'分别表示按照公式（13) 和（16)计算得到的各离散位置i的力矩值；（22)式表示，取& (X) '等于在各离散位置i上 ΔM/绝对值最大的那个值；
[0064] (23)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 械手大臂负载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；
[0065] 第2. 4步、根据设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、力学参数的数学模型及 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 法对设计变量X5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，得到在该 负载状态时气动支撑缸所需的支撑力；
[0066] 第2. 5步、按照每个气动支撑缸承担支撑力X5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充气压力值；
[0068] 式中
[0069] P--不同负载状态下气动支撑缸内气体压力，单位为兆帕
[0070] X5不同负载状态下气动支撑缸支撑力，单位为牛
[0071] d气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米
[0072] 本发明的工作方法如下：当确定出抓取目标物体所需气动支撑缸支撑力后，就可 通过气动压力控制回路来调节气动支撑缸内部的气体压力：使用先导型减压阀和电气比 例压力阀，可以实现对气动支撑缸压力的无级调整控制，使得气动支撑缸能够任意地输出 所需要的支撑力，即，针对性地提供不同负载状态下所需的平衡力矩，使机械手大臂可以用 较小的驱动力实现对重负载目标物体的搬运。机械手松开对重负载目标物体的夹持前，通 过气动压力控制回路来调节气动支撑缸内部的气体压力回到初始气压，满足机械手空载时 的平衡要求。
[0073] 本发明气动支撑缸和气动压力控制回路，也可用液压缸和液压控制回路替代。
[0074] 本发明也可在类似抓取式机械手的起吊装置大臂或搬运机械手上得到应用。
[0075] 本发明的优点在于：对机械手大臂采用了一种支撑力可调的气动平衡装置及其 优化设计方法，可在机械手空载及不同负载工况时，有针对性地对其工作范围内手臂的重 力矩及负载重力矩进行有效平衡，使得大臂可用较小的驱动力矩实现对较大负载的顺利搬 运，该装置具有结构空间紧凑、重力矩平衡效果好、所需驱动力矩小、允许负载变化范围大、 耗能低、大大降低机械手的重容比等优点。
【附图说明】
[0076] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0077] 图1为本发明机械手大臂变支撑力气动平衡装置的结构原理图。
[0078] 图2为气动压力控制回路原理图。
[0079] 图3为实施例中所述机械手数学模型的结构简图。
[0080] 图4为实施例中无负载时，采用和不采本发明时的大臂电机所需基本驱动力矩的 变化曲线对照图。
[0081] 图5为实施例中机械手负载为1公斤时，采用和不采用本发明时的大臂电机所需 基本驱动力矩的变化曲线对照图。
[0082] 图6为实施例中机械手负载为5公斤时，采用和不采用本发明时的大臂电机所需 基本驱动力矩的变化曲线对照图。
[0083] 图7为实施例中机械手负载为10公斤时，采用和不采用本发明时的大臂电机所需 基本驱动力矩的变化曲线对照图。
[0084] 图中，100-机械手，101-基座；102-大臂；103-小臂；104-手部；200-气动支撑 缸；300-气动压力控制回路；301-稳压型减压阀；302-微雾分离器；303-电气比例压力阀； 304-单向节流阀；305-先导型减压阀；306-压力表；307-气源。
【具体实施方式】
[0085] 如图1所示，抓取式机械手手臂100主要由机械手基座101、机械手大臂102、机械 手小臂103、及机械手手部104部件组成。
[0086] 本发明的机械手大臂支撑力可调平衡装置如图1所示，在机械手大臂102和机械 手基座101的两侧，对称安装有两个气动支撑缸200,每个气动支撑缸200的两端分别铰接 在机械手大臂102和机械手基座101上，在两个气动支撑缸200与气源307之间连接有气 动压力控制回路300 ;所述气动压力控制回路300如图2所示，主要由稳压型减压阀301、微 雾分离器302、电气比例压力阀303、单向节流阀304、先导型减压阀305及三个压力表306 连接构成；通过先导型减压阀305和电气比例压力阀303实现对气动支撑缸200内部压力 的实时无级控制，使得气动支撑缸200能适当输出机械手大臂102所需要的支撑力。
[0087] 下面以具体实例说明优化设计方法。
[0088] 已知一机械手大臂102长度为OO1= 0. 55米、大臂俯仰关节0到大臂重心G i长度 为OG1 = 0. 275米，机械手大臂重量m i = 5公斤；小臂103长度为0 P2= 0. 55米，小臂俯仰 关节点(^到小臂简化重心点G 2长度为O P2= 0. 32米，机械手小臂重量m 2= 2. 5公斤；机 械手手部104关节点O2到手部及负载简化重心点G 3的长度为O 2G3= 0. 13米，机械手手部 的重量m3= 0. 9公斤。选用的2个气动支撑缸200的活塞杆直径15毫米，缸筒内径30毫 米。
[0089] 在安装气动平衡装置前，首先需要计算气动支撑缸200在空载时的安装位置参 数，以及气动支撑缸200所需初始支撑力。
[0090] 而后，我们以负载分别为1公斤、5公斤、10公斤时为例，来计算气动支撑缸200在 不同负载时所需的支撑力。
[0091] 上述机械手大臂支撑力平衡装置的设计方法，如下：
[0092] 第一步，设计气动支撑缸两端分别在机械手大臂和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，
[0093] 步骤1、设定计算点和设计参数
[0094] 如图3所示，机械手基座101坐落在点S上，大臂俯仰关节点为0,位于点S正上 方，大臂重心点为G 1;小臂俯仰关节点为0 i，小臂的简化重心点为G2;手部俯仰关节点为0 2， 手部及负载简化重心位置点为G3。气动支撑缸与机械手基座铰接点为M，，M点位于0点下 方偏右，过点M做OS的垂线交于L点，延长(^与LM，交于点P ;气动支撑缸与机械手大臂 铰接点为N，N点位于机械手大臂上。气动支撑缸下铰接点M相对于大臂俯仰关节点0的水 平及竖直位移分别为LM、OL ;气动支撑缸上铰接点N与大臂俯仰中心0的距离为ON ;机械 手大臂俯仰运动时与地面夹角为α (实施例取值范围为[30°~90° ])，小臂俯仰运动时 与水平面夹角为β (实施例取值范围为[-60°~60° ])，大臂和小臂夹角为γ (取值范围 为[0°~150° ])，机械手手部始终保持水平姿态。
[0095] 步骤2、确定设计变量
[0096] 取气动支撑缸200下铰接点M与大臂俯仰关节点0的水平位移量LM为变量乂1;气 动支撑缸200下铰接点M与大臂俯仰关节点0的竖直位移量OL为变量X 2;气动支撑缸200 与机械手大臂102的铰接点N与大臂俯仰关节0的距离ON为变量X3;气动支撑缸支撑力为 变量X 4;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；
[0097] 此时的机械手大臂102长度为定长OO1= 0. 55米，大臂俯仰关节0到大臂重心G i 的长度为定长OG1= 0. 275米；小臂103长度为定长0 P2= 0. 55米，小臂俯仰关节0 $1」小 臂重心长度为定长O1G2= 0. 32米；机械手手部104俯仰关节点0 2到手部及负载简化重心 位置G3的长度为定长0 2G3= 0. 13米；机械手大臂102重量为m 5公斤，小臂103的重 量1112= 2. 5公斤，机械手手部重量m3= 0. 9公斤；
[0098] 步骤3、确定变量Xn X2、X3、X4的取值范围作为约束条件，并随机进行初始化赋值
[0099] X1的取值范围为[0~0.07米]，X2的取值范围为[0~0.2米]，X3的取值范围 为[0~0· 53米]，X4的取值范围为[10~2000牛];
[0100] 步骤4、建立大臂102和小臂103活动范围内的手臂力学参数的数学模型
[0101] 手臂力学参数主要包括：大臂关节气动平衡装置的平衡力矩Mp、大臂俯仰重力矩 Md、小臂俯仰重力矩Mx，手部重力矩Ms，力矩单位为牛米；
[0102] Md= m! · g · Ld (1)
[0103] Mx= m2 · g · Lx (2)
[0106] (I)、（2)、（3)、（4)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中
[0107] g = 9.8米/秒2为重力加速度；
[0108] Ld为大臂重力臂长度，L d= OG i · cos α，单位为米；
[0109] Lx为小臂重力臂长度，L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，单位为米；
[0110] Ls为手部重力臂长度，L s= 00 i · cos a +O1O2 · COS β +O2G3，单位为米；
[0111] Ld为气动支撑缸平衡力臂长度，Ld= X3 · sin Z ONM (5)，单位为米；