i+n^gli+n^gr fn^gli= k Ad1 Vs和 V g对应项系数相消
[0129] 公式十'：m2gr 2= k 2hd2 Vs和V g对应项系数相消
[0130] 步骤十：当系统关系满足以上公式九'和公式十'时，系统达到空间平衡；
[0131] 步骤^--:根据实际物体质量m，调节第一肩关节7的铰接点至第一转动关节11 的铰接点之间的距离h，即可实现空间补偿。
【主权项】
1. 一种机器人三维空间重力平衡补偿装置，其特征在干：所述装置包括第一平衡杆 (1)、第二平衡杆（2)、固定套（3)、大臂杆（4)、小臂杆（5)、肘关节（6)、第一肩关节（7)、第 二肩关节（8)、第三肩关节（9)、连接头（10)、第一转动关节（11)、第二转动关节（12)、第三 转动关节（13)、第一滑轮（14)、第一弹簧（15)、第二滑轮（16)、第二弹簧（17)、平衡杆钢丝 绳（18)、小臂钢丝绳（19)和固定架（20)，第一平衡杆（1)的一端与第一转动关节（11)固定 连接，第一转动关节（11)与第二转动关节（12)铰接，第二转动关节（12)与第三转动关节 (13)铰接，第一平衡杆（1)的另一端与连接头（10)固定连接，第二平衡杆（2)的一端与连 接头（10)铰接，第二平衡杆（2)的另一端与固定套（3)铰接，大臂杆（4)的一端穿过固定 套（3)与肘关节(6)固定连接，固定套（3)绕大臂杆（4)转动，大臂杆（4)的另一端与第一 肩关节（7)通过轴承连接，第一肩关节（7)与第二肩关节（8)铰接，第二肩关节（8)与第三 肩关节（9)铰接，小臂杆（5)的一端与肘关节（6)铰接，第一滑轮（14)和第一弹簧（15)均 固定在第一平衡杆（1)上，且第一滑轮（14)位于第一转动关节（11)的ー侧，第一弹簧（15) 位于连接头（10)的ー侧，第二滑轮（16)和第二弹簧（17)均固定在小臂杆（5)上，且第二 滑轮（16)位于肘关节（6)的ー侧，第二弹簧（17)位于小臂杆（5)的外侧，第三肩关节（9) 和第三转动关节（13)均与固定架（20)固定连接，平衡杆钢丝绳（18)的一端与固定架（20) 固定连接，平衡杆钢丝绳（18)的另一端绕过第一滑轮（14)与第一弹簧（15)固定连接，小 臂钢丝绳（19)的一端与第二平衡杆（2)固定连接，小臂钢丝绳（19)的另一端绕过第二滑 轮（16)与第二弹簧（17)固定连接。
2. 根据权利要求1所述机器人三维空间重力平衡补偿装置，其特征在干：所述大臂杆 (4)的长度与第一平衡杆（1)的长度相同，固定架（20)上在第三肩关节（9)与第三转动关 节（13)之间的距离与第二平衡杆（2)的长度相同。
3. 根据权利要求1或2所述机器人三维空间重力平衡补偿装置，其特征在干：所述第 一平衡杆（1)、第二平衡杆（2)、大臂杆（4)和固定架（20)构成平行四边形。
4. ー种利用机器人三维空间重力平衡补偿装置实现机器人三维空间重力平衡补偿方 法，其特征在干：所述方法是实现平面重力平衡补偿的方法，其步骤如下： 步骤一：计算大臂杆（4)的重力势能W1: 公式一：W1 =mig(r而+h) 其中，其中，!^为大臂杆（4)的质量，g为重力加速度，r1为大臂杆（4)的质量中心点 至第一肩关节（7)与第二肩关节（8)铰接点的长度，(^为cos0i，0:为平行四边形的外侧 大臂杆⑷与固定架（20)之间的锐角，h为第一肩关节（7)的铰接点至第一转动关节（11) 的铰接点之间的距离； 步骤二：计算小臂杆（5)的重力势能W2: 公式一：W2=n^gdiCi+l' 2c1+2+h) =m2g(I1C^r2cic2~^ '2sis2+h) 其中，m2为小臂杆（5)的质量，I大臂杆（4)的长度，I' 2为小臂杆（5)的质量中心 点至肘关节（6)铰接点的长度，c1+2为cos( 9片0 2)，(：2为cos9 2,sin9い82为sin0 2， 92为小臂杆（5)的外侧小臂杆（5)与大臂杆（4)之间的锐角； 步骤三：计算第一平衡杆（1)的重力势能W3: 公式三：W3=m3gr3Ci 其中，1113为第一平衡杆（1)的质量，1' 3为第一平衡杆（1)的质量中心点至第一转动 关节（11)铰接点的长度； 步骤四：计算第二平衡杆（2)的重力势能W4: 公式四：W4=H^gCL1C1+]/ 4) 其中，m4为第二平衡杆（2)的质量，1' 4为第二平衡杆（2)的质量中心点至连接头 (10)铰接点的长度； 步骤五：计算大臂杆（4)、小臂杆（5)、第一平衡杆（1)和第二平衡杆（2)的总势能Vg: 公式五：Vg=Wi+WjWJl= m1gh+m2gh+m4gl'4+^gr1+m2gl1+m3gi' 3+m4gli)ci+m2gl' 2cic2-m2gr步骤六：计算第一弹簧（15)的伸长量x1: 公式六：xf=h2 +df+Zhd1C1 其中，X12为第一弹簧（15)的伸长量的平方，も为平衡杆钢丝绳（18)的长度，Cl12为平 衡杆钢丝绳（18)长度的平方； 步骤七：计算第二弹簧（17)的伸长量x2: 公式七：x| =Ii2 +d! + 2hd2c1+2 其中，X22为第二弹簧（17)的伸长量的平方，d2为小臂钢丝绳（19)的长度，d22为小臂 钢丝绳（19)长度平方； 步骤八：计算第一弹簧（15)和第二弹簧（17)的弹性势能和Vs:
其中，kl为第一弹簧（15)的劲度系数，k2为第二弹簧（17)的劲度系数； 步骤九：为使Vs+Vg=常量，对公式八消除系数，由于重力势能结算结果为负值，故有： 公式九:mWi+n^gli+n^grタボ]^=kAd1Vs和Vg对应项系数相消 公式十：m2gr2=k2hd2Vs和Vg对应项系数相消 步骤十：当系统关系满足以上公式九和十时，系统达到平面平衡，即重力补偿完成。 步骤十一：根据实际物体质量m，调节第一肩关节（7)的铰接点至第一转动关节（11) 的铰接点之间的距离h，即可实现平衡补偿。
5.-种利用机器人三维空间重力平衡补偿装置实现机器人三维空间重力平衡补偿方 法，其特征在干：所述方法是实现空间重力平衡补偿方法，其步骤如下： 步骤一：计算大臂杆（4)的重力势能W1: 公式一' iCj+h) 其中，其中，!!^为大臂杆（4)的质量，g为重力加速度，r1为大臂杆（4)的质量中心点 至第一肩关节（7)与第二肩关节（8)铰接点的长度，Cl*cos0 0:为平行四边形的外侧 大臂杆⑷与固定架（20)之间的锐角，h为第一肩关节（7)的铰接点至第一转动关节（11) 的铰接点之间的距离； 步骤二：计算小臂杆（5)的重力势能W2: 公式二'：ff2=m2g(l1c1+l/J^c1C2-]/J^c0S1S2+!!) 其中，m2为小臂杆（5)的质量，I 大臂杆（4)的长度，I' 2为小臂杆（5)的质量中心 点至肘关节（6)铰接点的长度，Ctl为cos9d，(：2为cos9 2,sin9 2, 82为sin9 2，0 2为 小臂杆（5)的外侧小臂杆（5)与大臂杆（4)之间的锐角；大臂杆（4)轴向自转角； 步骤三：计算第一平衡杆（1)的重力势能W3: 公式三'：W3=m3grふ 其中，1113为第一平衡杆（1)的质量，1' 3为第一平衡杆（1)的质量中心点至第一转动 关节（11)铰接点的长度； 步骤四：计算第二平衡杆（2)的重力势能W4: 公式四'：W4=H^gCL1C1+]/ 4) 其中，m4为第二平衡杆（2)的质量，1' 4为第二平衡杆（2)的质量中心点至连接头 (10)铰接点的长度； 步骤五：计算大臂杆（4)、小臂杆（5)、第一平衡杆（1)和第二平衡杆（2)的总势能Vg: 公式五，：Vg=WJWJWdW4 = m1gh+m2gh+m4gl' 4+(migldn^gldn^grdn^glDCfn^grWtlS1S2 步骤六：计算第一弹簧（15)的伸长量x1: 公式六，：xf=h2 +d| +Zhd1C1 其中，X12为第一弹簧（15)的伸长量的平方，も为平衡杆钢丝绳（18)的长度，Cl12为平 衡杆钢丝绳（18)长度的平方； 步骤七：计算第二弹簧（17)的伸长量x2: 公式七，：x| =h2 +d| +Zhd2Cc1C2 -C0S1S2) 其中，X22为第二弹簧（17)的伸长量的平方，d2为小臂钢丝绳（19)的长度，d22为小臂 钢丝绳（19)长度平方； 步骤八：计算第一弹簧（15)和第二弹簧（17)的弹性势能和Vs:
其中，kl为第一弹簧（15)的劲度系数，k2为第二弹簧（17)的劲度系数； 步骤九：为使Vs+Vg=常量，对公式八消除系数，由于重力势能结算结果为负值，故有： 公式九，：mWi+n^gli+n^grs+n^glfkihdJs和Vg对应项系数相消 公式十'：m2gr2=k2hd2Vs和Vg对应项系数相消 步骤十：当系统关系满足以上公式九'和公式十'时，系统达到空间平衡； 步骤十一：根据实际物体质量m，调节第一肩关节（7)的铰接点至第一转动关节（11) 的铰接点之间的距离h，即可实现空间补偿。
【专利摘要】机器人三维空间重力平衡补偿装置及方法，以解决现有三维空间补偿装置结构复杂的问题。第一平衡杆的一端与第一转动关节连接，第一平衡杆的另一端与连接头连接，第二平衡杆的一端与连接头铰接、另一端与固定套铰接，大臂杆的一端穿过固定套与肘关节固定连接、另一端与第一肩关节连接，小臂杆的一端与肘关节铰接，第一滑轮和第一弹簧均固定在第一平衡杆上，第二滑轮和第二弹簧均固定在小臂杆上，第三肩关节和第三转动关节均与固定架固定连接，平衡杆钢丝绳的一端与固定架固定连接、另一端绕过第一滑轮与第一弹簧固定连接，小臂钢丝绳的一端与第二平衡杆固定连接、另一端绕过第二滑轮与第二弹簧固定连接。本发明用于机器人重力平衡。
【IPC分类】B25J9-00, G06F19-00, B25J19-00
【公开号】CN104626101
【申请号】CN201410765745
【发明人】朱延河, 赵杰, 陈燕燕
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月12日