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； 第I. 1步、设定计算点和设计参数 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O1，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a，小臂俯仰运动时与水平面夹角为0，大臂和小臂夹角为Y; 第1. 2步、确定设计变量 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X3;气动支撑缸支 撑力为变量X4;上述变量XpX2、X3的长度单位为米，X4的支撑力单位为牛； 此时的机械手大臂长度为定长OO1，大臂俯仰关节〇到大臂重心G1的长度为定长OG1; 小臂长度为定长O1O2，小臂俯仰关节〇jl」小臂重心长度为定长〇P2;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IH1，小臂重量为m2，手部重量为m3， 重量单位为公斤； 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XpX2、X3、\进行初始化赋值： 其中，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]; 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 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Md，小臂俯 仰重力矩Mx，手部重力矩Ms，力矩单位为牛米，有： Md=mJ?g?Ld (1) Mx=m2 ?g?Lx (2) Ms=m3 ?g?Ls (3) Mp=X4-Lp (4) (I) 、（2)、（3)、（4)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中 g= 9. 8米/秒2为重力加速度； Ld为大臂重力臂长度，Ld=OGi?cosa，单位为米； Lx为小臂重力臂长度，Lx= 00i?cosa+O1G2 ?cos|3，单位为米； Ls为手部重力臂长度，Ls= 00i?cosa+O1O2 ?cos|3 +O2G3，单位为米； Lp为气动支撑缸平衡力臂长度，Lp=X3 ?sinZONM(5)，单位为米；米； (6)及（7)式中PM=X^A/tana(8) PN=X3+X2/sina(9) 第I. 5步、建立优化设计的目标函数fi(x) =max(abs(AMi)) (10) f(x) =min(A(x)) (11) (10)式中，AMi=MdJMxJMsi-Mpi,i= 1，2, 3-n，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Mxi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AMi*对值最大的那个值； (II) 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； 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XpX2、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XnX2、&及气动支撑缸内部的初始支撑 力X4; 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：式中 Ptl为气动支撑缸内初始气体压力，单位为兆帕X4为气动支撑缸支撑力，单位为牛 d为气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米 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； 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： 第2. 1步、将第一步所得的XpX2、X3值分别赋给LM、OL与ON;设定抓取物体的负载重 量为m4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mi，小臂重量为m2， 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X5，取其变化范围为 [10~2000]牛，作为约束条件； 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Mx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： Md=m!?g?Ld (13) Mx=m2 ?g?Lx (14) Mf=(m3+m4) ?g?Lf (15) M; =X5 ?V(16) (13)、（14)、（15)、（16)式是随手臂俯仰位置而变化的，其中Ld为大臂重力臂长：Ld=OG丨?cosa，单位为米； 1^为小臂重力臂长：Lx= 00丨?cos a+O1G2 ?cos 0，单位为米； 1^为负载及手部重力臂长：Lf= 00i?cos a+O1O2 ?cos |3+O2G3，单位为米； Lp'为气动支撑缸平衡力臂长：LP' =ON?sinZONM (17)，单位为米；位为米； (18)及（19)式中PM = LM+OL/tan a (20) PN = ON+OL/sina (21) 第2. 3步、建立优化设计的目标函数f i (x)'= max (abs(AMi')) (22) f (x)'= min (fj (x)') (23) (22)式中，AM/ =Mdi+Mxi+Mfi-Mpi'，i=l，2,3-n，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Mfi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），Mdi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fi(x)'等于在各离散位置i上AM/ 绝对值最大的那个值； (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； 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； 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；式中 P---不同负载状态下气动支撑缸内气体压力，单位为兆帕； X5-不同负载状态下气动支撑缸支撑力，单位为牛； d-气动支撑缸活塞杆直径，单位为毫米。4. 一种如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置的工作方法，其特征在 于，当确定出抓取目标物体所需气动支撑缸支撑力后，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第1阶段所得到的初始气压，满足机械手空载时的平衡要求。5. -种如权利要求1所述的机械手大臂支撑力可调平衡装置在类似抓取式机械手的 起吊装置大臂或搬运机械手上的应用。
【专利摘要】本发明公开了一种机械手大臂支撑力可调平衡装置及其参数优化设计方法，该装置是在机械手大臂和大臂基座之间设有气动支撑缸,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、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，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。
【IPC分类】B25J19/00, G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104959998
【申请号】CN201510387462
【发明人】樊炳辉, 冯磊, 王传江, 高波, 张坤, 江守雷, 宗亚伟
【申请人】山东科技大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月30日