一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法。
【背景技术】
[0002] 力反馈设备常使用弹簧补偿重力，其优点在于:弹簧质量轻便，不会在力反馈设备 上增加过多的重量和惯量，从而影响力反馈设备的操作性能。在力反馈设备中，使用弹簧进 行重力补偿方法有多种：简单弹簧重力补偿、零自由长度弹簧重力补偿和凸轮弹簧重力补 偿以及一些其他的弹簧重力补偿方式。
[0003] 所谓简单弹簧重力补偿，是指不借助其他辅助设备，例如:小轮、连杆，非规则凸轮 等，仅使用弹簧对力反馈设备进行重力补偿。在该方法中，弹簧一端连接在所需补偿的力反 馈设备的操作臂上，另一端固定在力反馈设备的固定支架上，为了获得完全的弹簧重力补 偿，弹簧刚度系数K必须是变量，因此，该类弹簧都是非线性弹簧，导致在实际工程应用中设 计困难。通常的工程应用中，为了降低弹簧设计的复杂度，常用线性弹簧来代替非线性弹 簧，该线性弹簧的刚度系数常采用所需补偿重力的连杆处在不同角度时所需的重力补偿量 的平均值来求取弹簧的平均刚度系数，并用该平均刚度系数作为线性弹簧的刚度系数，从 而实现连杆的重力补偿。然而，由于弹簧和所需补偿的力反馈设备操作臂直接相连，易造成 弹簧与连杆在部分的运动空间中发生机械干涉。为了避免上述存在的影响，Ahmad Mashayekhi巧妙的将弹簧安装在减速机构从动轮上，而不是与力反馈设备操作臂直接相 连，设计了一种结构新颖的简单弹簧重力补偿方式（详见：VirSense:a novel haptic device with fixed-base motors and a gravity compensation system,Industrial Robot:An International Journal，2014,41(l):37~49·)。但是Ahmad Mashayekhi的设计 方法只是人为的给出弹簧连接点位置，在设计弹簧重力补偿时，并没有建立最优弹簧重力 补偿数学模型，未曾考虑重力补偿的弹簧最优连接点位置、弹簧最优的自由长度和最优平 均刚度系数。针对上述问题，李春泉等提出了一种基于改进简单粒子算法的力反馈设备最 优弹簧重力补偿方法，将弹簧安装在力反馈设备大臂和小臂的线传动减速从动轮上，充分 考虑了弹簧的连接点位置、自由长度和刚度系数对重力补偿的影响，建立了非线性约束关 系的重力补偿模型，引入"拉伸自由长度比"，将连接点位置与"拉伸自由长度比"作为优化 量，平均力矩误差作为优化的适应度函数，使用改进简单粒子优化算法迭代优化，使得力反 馈设备的手臂机构能够获得最优的弹簧重力补偿。
[0004] 在简单弹簧重力补偿中，尽管上述方法能够进行重力补偿，但是不能实现力反馈 设备完全的弹簧重力补偿，这是由于弹簧自由长度不为零，如果需要实现完全重力补偿，所 设计的弹簧刚度系数必然非线性。然而，在实际工程中，所采用线性弹簧来代替实际的非线 性弹簧刚度系数。因此，利用简单线性弹簧是不能对力反馈设备进行完全重力补偿。为了使 用线性弹簧实现力反馈设备的充分补偿，Rongfang Fan使用了线性弹簧，定滑轮和钢丝绳， 将定滑轮安装在PHANToM Premiuml. 5操作臂上，钢丝绳一端固定在操作臂上与定滑轮相切 后，连接在力反馈设备的固定支架上，设计了一种零自由长度弹簧的重力补偿方式(详见： Improvement of Dynamic Transparency of Haptic Device by Using Spring Balance [C].Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics ,2012:1075~1080.)，当定滑轮半径与定滑轮固定轴长度都等于零时，该方法 可以获得完全的重力补偿。在实际设计中，由于滑轮的半径和滑轮的固定位置长度总是很 难保证都同时为零，此外滑轮和钢丝绳之间的连接总是存在摩擦，这些都导致了零自由长 度弹簧的完全重力补偿方式也会产生补偿偏差。相比简单弹簧重力补偿，零自由长度弹簧 重力补偿方式需要额外增加钢丝绳以及定滑轮，固定和安装相对前者复杂。此外，和简单弹 簧重力补偿一样，滑轮和钢丝绳也会与力反馈操作臂在某些位置上形成机构间的相互干 涉，影响连杆的工作空间。而且上述Rongfang Fan的方法中，仅仅是对PHANToM Premiuml. 5 中单个操作臂进行重力补偿。实际上，在Rongfang Fan所提出方法中的零自由长度弹簧重 力补偿方式中，将定滑轮和钢丝绳分别安装在力反馈设备首尾相连的大臂和小臂上，由于 大臂和小臂在操作过程中的相对位置不断发生变化，此时，该方法对小臂的重力补偿会失 效。再者，小臂上的连杆、滑轮和钢丝绳与大臂是相互运动的，因此，可能会导致大臂上的弹 簧和钢丝绳在一些位置上与小臂相互干涉，也可能存在某些位置，使得大臂上的弹簧完全 松弛，达不到补偿的效果。因此，采用线性弹簧、定滑轮和钢丝绳安装在串联力反馈设备操 作臂上的此类零自由长度弹簧重力补偿方法也是存在缺陷的。
[0005]凸轮弹簧重力补偿方式也能够实现对力反馈设备的重力进行补偿。Omega力反馈 设备采用弹簧、钢丝绳并结合单个不规整圆周构成的凸轮对力反馈设备进行重力补偿(专 利号：US 8,188,843 B2) Jongfang Fan也使用了一种原理上类似于Omega力反馈设备凸轮 弹簧相结合的重力补偿方法用于PHANTOM Premiuml .5中进行重力补偿(详见：Improvement of Dynamic Transparency of Haptic Device by Using Spring Balance[C] .Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，2012:1075~1080 ·)。凸轮弹簧重力补偿方式也能够完全对力反馈设备的操 作臂进行重力补偿，这是该方式的最大优点。但是，该补偿方式也存在如下问题:首先，进行 重力补偿时要额外设计和加工凸轮，并且要将凸轮安装到现有的力反馈设备的连杆的传动 轴上，这增加了设计和安装的成本及复杂度;其次，由于凸轮的半径是以凸轮转动角度作为 自变量的函数，当力反馈设备在快速运动时，连接凸轮和弹簧的钢丝绳不会一直保持在同 一平面，这就造成了弹簧和钢丝绳产生拉伸间隙，引入时延量，这和齿轮间齿侧间隙相类 似，容易使得弹簧和钢丝绳滑落，也会降低力反馈系统的稳定性。
[0006] 上述所提及的弹簧补偿重力方式，主要用于力反馈设备中进行重力补偿。此外，还 存在许多其他的弹簧重力补偿方式，在现有文献和专利中，这些方法并没有使用在力反馈 设备中。尽管那些弹簧重力补偿的方式有优点，但是它们要么设计复杂，不易实现和改装在 现有的力反馈设备上，要么是为一些特定的机构所设计的，不具有力反馈设备重力补偿设 计的普遍意义。
[0007] 综上所述，通过分析了各类力反馈设备弹簧重力补偿方法的特点，我们公开了一 种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，将力反馈设备重力补偿的弹簧和定滑 轮分别安装在力反馈设备的底座机构从动轮上的弹簧固定安装面上，弹簧一端连接钢丝绳 一端，该钢丝绳另一端连接到力反馈设备的减速机构处;该弹簧另一端连接另外一条钢丝 绳一端，该钢丝绳另一端固定在底座机构从动轮上的弹簧固定安装面上。该方法的优点在 于:将弹簧和定滑轮安装在底座机构从动轮上的弹簧固定安装面上，而不是安装在力反馈 设备的大臂机构或者是小臂机构上，减轻了力反馈设备大臂机构或者是小臂机构的惯量， 避免了钢丝绳与大臂机构或者小臂机构在某些位置上相互干涉。并对该零自由长度弹簧重 力补偿方法建立数学模型，在理论上充分论证了该方法能够实现完全的重力补偿。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有的弹簧重力补偿技术所存在的问题，公开了一种力反馈设备的零 自由长度弹簧重力补偿方法，用于对力反馈设备进行重力补偿。将力反馈设备重力补偿的 弹簧和定滑轮分别安装在力反馈设备底座机构从动轮上的弹簧固定安装面上，重力补偿弹 簧一端连接在底座减速机构从动轮上的弹簧固定安装面，另一端通过钢丝绳相连经过定滑 轮连接在大臂或者小臂减速从动轮上，用于实现对大臂或者小臂机构零自由长度弹簧重力 补偿。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0010] 本发明所述的其特征是方法步骤为：
[0011] (1)将大臂的重力补偿弹簧一端连接在底座减速机构从动轮上的弹簧固定安装 面，另一端通过钢丝绳相连经过定滑轮连接在大臂减速机构从动轮上与大臂反向延长线与 从动轮边沿交接点处，用于实现对大臂机构零自由长度弹簧重力补偿；
[0012] (2)将小臂的重力补偿弹簧一端连接在底座减速机构从动轮上的弹簧固定安装 面，另一端通过钢丝绳相连经过定滑轮连接在小臂减速机构从动轮边沿交接点处，用于实 现对小臂机构零自由长度弹簧重力补偿。
[0013] 本发明充分考虑了定滑轮的半径长度和安装位置对重力补偿的影响，对该零自由 长度弹簧重力补偿方式建立了数学模型，从理论上证明了该弹簧重力补偿方式能够对力反 馈设备实现完全的重力补偿。
[0014] 本发明的优点是:将弹簧和定滑轮安装在力反馈设备底座机构从动轮上的弹簧固 定安装面上，而不是安装在力反馈设备的大臂机构或者是小臂机构上，这就减轻了力反馈 设备大臂机构或者是小臂机构的惯量，避免了钢丝绳与大臂机构或者小臂机构在某些位置 上相互干涉。此外，该发明方法也充分考虑定滑轮的半径长度和安装位置对重力补偿的影 响，对该零自由长度弹簧重力补偿方式建立了数学模型，证明了该弹簧重力补偿方法能够 对力反馈设备实现完全的重力补偿。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明弹簧重力补偿连接机构图。
[0016] 图中：1为底座，2为底座减速从动轮，3为底座减速主动轮，4为直流电机