为气动支撑缸长， 单位为米；
[0114] (6)及（7)式中 PM = X^X2Ztana (8)
[0115] PN = X3+X2/sin a (9)
[0116] 步骤5、建立优化设计的目标函数为：
[0117] f j (x) = max (abs ( Δ Mi)) (10)
[0118] f (X) = min 况(X)) (11)
[0119] (10)式中，AMi= Mdi+Mxi+Msi-Mpi，i = 1，2,3…n，表示大臂 102 和小臂 103 在俯 仰过程各个离散位置i时，气动支撑缸200产生的平衡力矩与机械手总体重力矩之差；其 中Mxi与M si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，M di、 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 fi(x)等于在各离散位置i上对值最大的那个值；
[0120] (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102空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；
[0121] 步骤6、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Xi、x 2、x3、X4进行优化计算，经运行优化计算，获得各个设计变量 的计算结果为：
[0122] X1= 0.04 米；
[0123] X2= 0.09 米；
[0124] X3= 0· 53 米；
[0125] X4= 280 牛；
[0126] 可得目标函数^〇〇=4.4牛米。
[0127] 步骤7、按照每个气动支撑缸承担初始支撑力X4= 280牛的一半，气动支撑缸200 的活塞杆直径15毫米，缸筒内径30毫米（此处无用），代入（12)式
[0129] 式中
[0130] Ptl为气动支撑缸200内初始气体压力，单位为兆帕
[0131] X4为气动支撑缸200支撑力，单位为牛
[0132] d为气动支撑缸200活塞杆直径，单位为毫米
[0133] 可以计算得到空载状态时，每个气动支撑缸200内气体压力Ptl= 0. 79兆帕。
[0134] 上述气动支撑缸200所需的初始支撑力计算结果见表1和图4,表1中的第一栏0 公斤负载即为空载；从图4看出，空载时，由于气动支撑缸200的支撑力作用，实施例的大臂 102在α为[30°~90° ]范围内运动时，大臂102的驱动电机所需基本驱动力矩的绝对 值不超过4. 4牛米，理论上，选择的电机输出扭矩大于4. 4牛米即满足基本需要；如果不采 用本发明方法，大臂102运动到α =90°时所需电机基本驱动力矩为5牛米左右，运动到 α =30°时所需电机驱动力矩达到30.9牛米，力矩曲线波动较大，理论上，选择的电机输 出扭矩得大于30. 9牛米才满足基本需要；
[0135] 通过上述设计，使空载状态下大臂俯仰运动过程中、气动支撑缸200产生的平衡 力矩与小臂103和手部104的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。
[0136] 第二步，设计气动支撑缸200在负载情况下大臂俯仰运动过程中所需的动态气 压，计算过程如下：
[0137] 步骤1、将第一步所得的Xp X2、X3值分别赋给LM、OL与ON ;分别取负载m 4为1公 斤、5公斤、10公斤；仍然有机械手大臂重量为Iii1= 5公斤，小臂的重量1112= 2. 5公斤，手部 的重量m3= 0· 9公斤；
[0138] 确定设计变量为变量X5，取其变化范围为[10~2000]牛，作为约束条件；步骤2、 在大臂和小臂活动范围内，建立此时关于大臂关节气动平衡装置的平衡力矩M p'、大臂俯仰 重力矩Md、小臂俯仰重力矩凡和负载及手部的重力矩M {的力学参数的数学模型，力矩单位 牛米，有：
[0143] (13)、（14)、（15)、（16)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中
[0144] g = 9.8米/秒2为重力加速度；
[0145] Ld为大臂重力臂长度，L d= OG i · cos α，单位为米；
[0146] Lx为小臂重力臂长度为，L x= 00 i · cos a +O1G2 · cos β，单位为米；
[0147] Lf为负载重力臂长度，L f= 00丨· cos a +O1O2 · cos β +O2G3，单位为米；
[0148] Lp'为气动支撑缸平衡力臂长度，Lp' = ON · sin Z ONM (17)，单位为米；
即气动支撑缸 长，单位为米；
[0151] (18)及（19)式中 PM = LM+OL/tana (20)
[0152] PN = ON+OL/sina (21)
[0153] 步骤3、建立优化设计的目标函数
[0154] f j (x)' = max (abs ( Δ Mi')) (22)
[0155] f (X) ' = min (A (X) '） (23)
[0156] (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；
[0157] (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；
[0158] 步骤4、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X 5进行优化计算，经运行优化计算，获得在X 5不同负载工况下的计算结果。
[0159] 计算结果如表1所示，根据计算结果绘制的力矩曲线图见图4-图7。
[0160] 步骤5、按照每个气动支撑缸承担支撑力X5的一半，气动支撑缸200的活塞杆直 径15毫米，缸筒内径30毫米，代入（24)式，计算得到每个气动支撑缸200在不同负载下 所需的气压值分别如表1所示
[0162] 式中
[0163] X5不同负载状态下气动支撑缸200支撑力，单位为牛
[0164] d气动支撑缸200活塞杆直径，单位为毫米
[0165] P--不同负载状态下气动支撑缸200内气体压力，单位为兆帕
[0166] 表1 :空载及负载1公斤、5公斤、10公斤时的优化设计相关数据
[0167]
[0168] 由表1可以看出，本发明能对机械手100上述负载范围的重力矩进行有效平衡，理 论上，被平衡掉的重力矩可达86% -95%，可以大大降低对驱动大臂102所需动力矩的要 求。本机械手的总重量（带基座及其电机等）不超过30公斤，其设计的负载重量可以达到 10公斤，其重容比为3左右，相对通常的重容比为10左右的状况，本机械手的轻量化效果明 显；各负载所需气动支撑缸200支撑力有一定规律可循，对于上表未涉及的负载所需气动 支撑缸200支撑力可用插值法求出。
[0169] 当确定出抓取目标物体所需气动支撑缸200内部动态压力值之后，可以通过气动 压力控制回路300来实时调节气动支撑缸200内部气体压力：使用先导型减压阀305和电 气比例压力阀303来实现对气动支撑缸200压力的实时无级调控，使得气动支撑缸能够适 当地输出所需要的支撑力，即，使得气动支撑缸200能够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102可以用较小的驱动力实现对重负载物体的搬运。机械手 松开对重负载物体的夹持前，通过气动压力控制回路300来实时调节气动支撑缸200内部 的气体压力回到第一步所得到的初始气压值，满足机械手100空载时的平衡要求。
[0170] 本发明气动支撑缸200和气动压力控制回路300,也可以用液压支撑缸和液压控 制回路替代，其基本原理是相通的。
[0171] 本发明也可以在类似抓取式机械手的起吊装置或搬运机械手等的大臂上得到应 用。
[0172] 本发明所涉及的优化设计方法及气动、液压控制系统知识等均为本领域内公知性 内容，不再赘述。
【主权项】
1. 一种机械手大臂支撑力可调平衡装置，其特征在于，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。2. 如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置，其特征在于，所述的气动支 撑缸和气动压力控制回路分别用液压缸和液压控制回路替代。3. -种如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置参数的优化设计方法，其 特征在于： 第一步，设计气动支撑缸两端分别在机