機(jī)械手小臂拉力可調(diào)平衡裝置及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉機(jī)械手領(lǐng)域，尤其涉及抓取式機(jī)械手小臂重力矩的平衡裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的機(jī)械手手臂主要由基座、大臂、大臂平行四連桿、小臂、及手部等部件組成， 各個(gè)關(guān)節(jié)均有電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的重容比（機(jī)械手重量與負(fù)載重量之比）通常在10左右。
[0003] 抓取式機(jī)械手手臂工作中，其小臂常常有空載或負(fù)載不同工況。當(dāng)機(jī)械手小臂進(jìn) 行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然存在要克服機(jī)械手小臂、手部及負(fù)載三者重力矩的問題。當(dāng)機(jī)械手的負(fù) 載波動(dòng)比較大時(shí)，必需用功率較大的驅(qū)動(dòng)裝置提供小臂驅(qū)動(dòng)力矩，但在，這樣會增加機(jī)械手 的重容比。為了達(dá)到降低重容比的目的，有的采用了平衡裝置，以滿足機(jī)械手小臂在大負(fù)載 情況下重力矩變化的需要。目前的氣動(dòng)平衡裝置提供的拉力往往是恒定的，僅能提供衡定 的平衡力矩，滿足不了負(fù)載波動(dòng)的要求。所以，如何使氣動(dòng)平衡裝置在機(jī)械手小臂的負(fù)載工 況變化時(shí)，能更有針對性地提供不同工況時(shí)所需要的平衡力矩，以大大降低驅(qū)動(dòng)裝置的輸 出力矩的需要、擴(kuò)展機(jī)械手的負(fù)載范圍、大大降低機(jī)械手的重容比、提高機(jī)械手應(yīng)用的經(jīng)濟(jì) 性和適應(yīng)性，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種機(jī)械手小臂拉力可調(diào)的氣動(dòng)平衡裝置，并且 提出了該裝置的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0005] -種機(jī)械手小臂拉力可調(diào)平衡裝置，其特征在于，該裝置是在機(jī)械手大臂平行四 連桿機(jī)構(gòu)的桿件和小臂兩側(cè)，左右對稱鉸接安裝有兩個(gè)氣動(dòng)拉力缸，在兩個(gè)氣動(dòng)拉力缸與 氣源之間連接有氣動(dòng)壓力控制回路；所述氣動(dòng)壓力控制回路，主要由氣源、穩(wěn)壓型減壓閥、 微霧分離器、電氣比例壓力閥、先導(dǎo)型減壓閥及壓力表連接構(gòu)成；通過氣動(dòng)壓力控制回路， 實(shí)現(xiàn)對氣動(dòng)拉力缸供氣壓力的無級調(diào)控，使得氣動(dòng)拉力缸能夠按照負(fù)載大小適當(dāng)輸出小臂 所需要的平衡力矩。
[0006] 上述機(jī)械手小臂拉力可調(diào)平衡裝置的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法如下：
[0007] 第一步，設(shè)計(jì)氣動(dòng)拉力缸兩端分別在機(jī)械手大臂平行四連桿機(jī)構(gòu)桿件和小臂上的 安裝位置參數(shù)以及空載狀態(tài)下氣動(dòng)拉力缸的初始?xì)鈮褐?，以使得空載狀態(tài)下機(jī)械手小臂俯 仰運(yùn)動(dòng)過程中，氣動(dòng)拉力缸產(chǎn)生的平衡力矩與小臂上整體重力矩之差的絕對值達(dá)到最小， 也就是說使小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該提供的基本驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到最?。?br>[0008] 第1. 1步、設(shè)定計(jì)算點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)
[0009] 設(shè)機(jī)械手基座為點(diǎn)S，大臂俯仰關(guān)節(jié)為點(diǎn)0,位于點(diǎn)S正上方，大臂重心簡化為點(diǎn)G ; 小臂俯仰關(guān)節(jié)為點(diǎn)O1，小臂的重心簡化為點(diǎn)G1;機(jī)械手手部始終保持水平姿態(tài)，手部俯仰關(guān) 節(jié)為點(diǎn)O 2，手部及負(fù)載重心簡化為點(diǎn)G2;氣動(dòng)拉力缸的尾端鉸接點(diǎn)P位于大臂平行四連桿機(jī) 構(gòu)的桿件上，而且在O 1點(diǎn)的正上方，這樣，無論大臂怎樣前后擺動(dòng)，，都不會影響小臂平 衡裝置的平衡效果，所以本發(fā)明的應(yīng)用可以不考慮大臂的擺動(dòng)位置問題；拉力氣缸首端鉸 接點(diǎn)為Q，點(diǎn)Q位于小臂上。大臂俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)與水平面的夾角為α，小臂俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)與水平 面的夾角為β ;
[0010] 第1. 2步、確定設(shè)計(jì)變量
[0011] 取氣動(dòng)拉力缸尾端鉸接點(diǎn)P與小臂俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn)O1的距離〇 f為變量X1，單位為 米，氣動(dòng)拉力缸首端鉸接點(diǎn)Q與小臂俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn)O1的距離0 A為變量X2，單位為米；氣動(dòng)拉 力缸拉力為變量X3，單位為牛；小臂俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)與大臂的夾角的最大取值范圍為[30°~ 150° ]，且小臂與水平面夾角β不超過60° ;取大臂與地面的夾角α為90°時(shí)進(jìn)行計(jì)算， 此時(shí)小臂活動(dòng)范圍最大，β為[-60°~60° ];此時(shí)小臂長度為定長O1O2，小臂俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn) 〇1到小臂重心G i長度為定長0 iGi，手部俯仰關(guān)節(jié)點(diǎn)〇2到手部及負(fù)載簡化重心G 2的長度為 定長O2G2，長度單位為米；小臂重量為Hl 1，手部重量為m2，重量單位為公斤；
[0012] 第1. 3步、根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定變量Xn X2、X3的取值范圍，作為約束條件，并隨 機(jī)對變量Xp X2、X3進(jìn)行初始化賦值：
[0013] 確定，X1的取值范圍為[0.04~0.20]米，X2的取值范圍為[0.05~0.50]米，X 3 的取值范圍為[10~2000]牛；
[0014] 第1. 4步、在小臂活動(dòng)范圍內(nèi)，建立氣動(dòng)拉力缸的平衡力矩Mp，小臂俯仰重力矩Mx， 手部俯仰重力矩札的力學(xué)數(shù)學(xué)模型，力矩的單位為牛米：
[0018] (1) (2) (3)式是隨小臂俯仰位置而變化的，其中
[0019] g = 9. 8米/秒2為重力加速度；
[0020] Lx為小臂重力臂長度：L x= 0 P1 · sin (I β I)，單位為米；
[0021] Ls為手部重力臂長度：LS= 0 A · sin(| β |)+02G2，單位為米；
[0022] Lp為氣動(dòng)拉力缸平衡力臂長度：
單位為米；
(4)式中，PQ為氣動(dòng)拉力缸長度： 單位為 米；
[0023] 第1. 5、建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)
[0024] f j (x) = max (abs ( Δ Mi)) (5)
[0025] f (x) = min (fj (x)) (6)
[0026] (5)式中，AMi= Mxi+Msi_Mpi，i = 1，2,3…n，表示小臂在俯仰過程各離散位置i 時(shí)，氣動(dòng)拉力缸產(chǎn)生的平衡力矩與機(jī)械手小臂及手部重力矩之差，Mxi、Msi、Mpi分別表示小 臂俯仰在各離散位置i時(shí)按照公式（1)、（2)、（3)計(jì)算的力矩值；（5)式表示取& (X)等于 小臂在各個(gè)離散位置i上AMi絕對值最大的那個(gè)值；
[0027] (6)式的f(x)是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果就是使得f(x)達(dá)到最小，即使得機(jī)械 手小臂空載狀態(tài)時(shí)所需的基本驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到最?。?br>[0028] 第I. 6步、根據(jù)上述設(shè)計(jì)變量、變量取值范圍、桿件活動(dòng)范圍、手臂力學(xué)參數(shù)的動(dòng) 態(tài)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)，編制出優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約 束的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法對各個(gè)設(shè)計(jì)變量Xi、X 2、X3進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；輸出 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，確定出氣動(dòng)拉力缸安裝位置參數(shù)Xp &和氣動(dòng)拉力缸初始拉力X 3;
[0029] 第1. 7步、按照每個(gè)氣動(dòng)拉力缸承擔(dān)初始拉力X3的一半，由氣動(dòng)拉力缸結(jié)構(gòu)參數(shù)， 代入（7)式，可計(jì)算得到每個(gè)氣動(dòng)拉力缸在空載時(shí)所需的初始?xì)鈮褐?br>[0031] 式中
[0032] Ptl為氣動(dòng)拉缸內(nèi)初始?xì)怏w壓力，單位為兆帕；
[0033] X3為氣動(dòng)拉缸拉力，單位為牛；
[0034] D為氣動(dòng)拉缸缸筒內(nèi)徑，單位為毫米；
[0035] d為氣動(dòng)拉缸活塞桿直徑，單位為毫米；
[0036] 通過上述設(shè)計(jì)，使空載狀態(tài)下小臂俯仰運(yùn)動(dòng)過程中，氣動(dòng)拉力缸產(chǎn)生的平衡力矩 與小臂和手部的自重力矩之差的絕對值達(dá)到最小，也就是說使小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該提供的基 本驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到了最?。?br>[0037] 第二步，設(shè)計(jì)氣動(dòng)拉力缸在負(fù)載情況下小臂俯仰運(yùn)動(dòng)過程中所需的動(dòng)態(tài)氣壓，以 使得負(fù)載狀態(tài)下機(jī)械手小臂俯仰運(yùn)動(dòng)過程中，氣動(dòng)拉力缸產(chǎn)生的平衡力矩與小臂上整體 重力矩之差的絕對值達(dá)到最小，也就是說使小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該提供的基本驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到最 小，計(jì)算過程如下：
[0038] 第2. 1步、將第一步所得的Xp &值分別給0 f和O1Q賦值；設(shè)抓取物體的負(fù)載重 量為m3，仍有小臂重量為Hi1，手部重量為m 2;機(jī)械手手部始終保持水平姿態(tài)；設(shè)氣動(dòng)拉力缸 拉力為變量X4，單位為牛，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，取其變化范圍為[10~2000]牛，作為約束條 件；
[0039] 第2. 2步、在小臂工作范圍內(nèi)，建立氣動(dòng)拉力缸的平衡力矩Mp'，小臂俯仰重力矩 Mx，負(fù)載及手部重力矩Mf的力學(xué)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，力矩單位為牛米；有
[0040] Mx= m! · g · Lx (8)
[0041] Mf= (m 2+m3) · g · Lf (9)
[0042] Mp' = X4 · Lp' (10)
[0043] (8)、（9)、（10)式是隨小臂俯仰位置而變化的，其中
[0044] 1^為小臂重力臂長：L x= 0 P1 · sin (I β I)，單位米；
[0045] 1^為手部與負(fù)載重力臂長：Lf = 0 A · sin(| β |)+0；^，單位米；
[0046] Lp'為氣動(dòng)拉力缸平衡力臂長：
單位為米（11); (11)式中PQ為氣動(dòng)拉力缸長
，單位為米；