[发明专利]大臂关节气动平衡结构及其优化设计方法

权利要求书

1.一种大臂关节气动平衡结构，其特征在于，它是一种演化的空间摆动导 杆机构，该空间摆动导杆机构由固定在机架上的上球铰支座和下球铰支座、一 个铰接在上球铰支座上的拐状杆和一个两端分别铰接在下球铰支座与拐状杆一 端的气动支撑杆共同组成；拐状杆与气动支撑杆的铰接也为球铰接；

设上球铰支座的中心点为O、下球铰支座的中心点为D且D点在O点的正 下方、气动支撑杆与拐状杆铰接的球铰中心点为E、拐状杆的上拐点为B、拐状 杆的下拐点为F、大臂的重心在BF向下延长线上的P点处、当大臂在初始位置 时BF向上延长线与过O点水平线的交点为A、当大臂在初始位置时E点在高 度方向上距离O点为定长AF、当大臂在初始位置时P点在高度方向上距离O 点为定长AP、当大臂在初始位置时正面看P点在水平方向上偏离O点为定长 AO、当大臂在初始位置时侧面看本平衡结构关于OD线对称布置、BF线与E 点的距离为FE。

2.一种如权利要求1所述的大臂关节气动平衡结构的优化设计方法，其特 征在于，步骤如下：

第一步：确定设计变量及其它参数的选取

设上球铰支座的中心点为O、下球铰支座的中心点为D且D点在O点的正 下方、气动支撑杆与拐状杆铰接的球铰中心点为E、拐状杆的上拐点为B、拐状 杆的下拐点为F、大臂的重心在BF向下延长线上的P点处、当大臂在初始位置 时BF向上延长线与过O点水平线的交点为A、当大臂在初始位置时E点在高 度方向上距离O点为定长AF、当大臂在初始位置时P点在高度方向上距离O 点为定长AP、当大臂在初始位置时正面看P点在水平方向上偏离O点为定长 AO、当大臂在初始位置时侧面看本平衡结构关于OD线对称布置、BF线与E 点的距离为FE；

取气动支撑杆的气动推力值为设计变量x₁，单位：N；

取O、D两中心点间的距离OD长度为设计变量x₂，单位：mm；

取FE长度为设计变量x₃，单位：mm；

在不超出大臂结构尺寸情况下，取AF为最大值；

第二步：根据具体设计要求确定x₁、x₂、x₃的取值范围并进行初始化赋值；

第三步：在大臂活动范围内，建立关于大臂关节气动平衡结构的外摆平衡 力矩M_wp、外摆重力矩M_wz、前摆平衡力矩M_qp和前摆重力矩M_qz的力学参数的 动态数学模型，如下：

上述外摆平衡力矩M_wp、外摆重力矩M_wz、前摆平衡力矩M_qp和前摆重力矩 M_qz的单位均为Nm；

L1=AF2+(AO-x3)2·sinγ1/1000]]>

L2=AP2+AO2·sin(θ1+α1)/1000]]>

L₃＝AF·sinγ₂/1000

L₄＝APsinα₂/1000

M_wp＝x₁·L₁

M_wz＝m·g·L₂

M_qp＝x₁·L₃

M_qz＝m·g·L₄

其中：L₁为外展摆动时的平衡力臂，单位：m；

L₂为外展摆动时的重力臂，单位：m；

L₃为前后摆动时的平衡力臂，单位：m；

L₄为前后摆动时的重力臂，单位：m；

α₁为大臂外摆角度，自变量，单位：度，；

γ₁是在正面视图中的∠OED，在运动中是变量，可根据α₁及各参数利用几 何和三角函数知识编程求得，单位：度；

θ1=∠OPA=arctg(AOAP),]]>单位：度，定值；

α₂为大臂前后摆动角度，单位：度，自变量；

γ₂是在侧面视图中的∠OED，在运动中是变量，可根据α₁及各参数利用 几何和三角函数知识编程求得，单位：度；

m为大臂重量，单位：kg；

g为重力加速度；

第四步：根据大臂的结构空间和工作空间、气动支撑杆的结构与性能、 运动时不发生相互干涉的要求，确定设计变量的约束函数如下：

g₁(x)＝x₁-500≤0

g₂(x)＝100-x₁≤0

g₃(x)＝x₂-150≤0

g₄(x)＝90-x₂≤0

g₅(x)＝x₃-OA≤0

g₆(x)＝60-x₃≤0

第五步：建立以大臂在前、后摆动或外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力 矩与大臂重力矩之差绝对值的最大值能达到最小的目标函数：

f₁(x)＝max(abs(ΔM_1i))

f₂(x)＝max(abs(ΔM_2i))

min f(x)＝max(f₁(x)，f₂(x))

其中ΔM_1i＝M_wpi-M_wzi，表示大臂外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂 外摆重力矩之差在不同位置时的数值，i＝1......n；

ΔM_2i＝M_qpi-M_qzi，表示大臂前后摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂前 摆重力矩之差在不同位置时的数值，i＝1......n；

f₁(x)表示大臂外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝 对值的最大值；

f₂(x)表示大臂前后摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝 对值的最大值；

f(x)是f₁(x)和f₂(x)中的最大值，是目标函数，优化设计的结果是使得f(x)达 到最小，即，使得大臂在前后摆动或外展摆动时气动支撑杆产生的平 衡力矩与大臂重力矩之差绝对值中的最大值达到最小；

第六步：根据设计变量、约束函数、大臂力学参数的动态数学模型及目标 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 设计算法对各个设计变量x₁、x₂、x₃进行优化计算，直至达到期望的优化值；

第七步：输出优化设计计算结果及其运动仿真图形。

3.如权利要求2所述的大臂关节气动平衡结构的优化设计方法，其特征在 于：

所述的大臂重m＝10kg；

所述的P点在高度方向上距离上球铰支座(1)中心点O的距离为 AP＝330mm；

所述的球铰(5)中心点E在高度方向上距离上球铰支座(1)中心点O的 距离为AF＝310mm；

所述的P点在水平方向上偏离O点的距离为AO＝98mm；

所述的大臂的活动范围为外展摆动0°-90°、前后摆动-90°-90°；

所述的气动支撑杆(4)的气动推力值为x₁＝399.9595N；

所述的上球铰支座(1)和下球铰支座(2)的中心距OD长度为x₂＝91.8500 mm；

所述的BF线与球铰(5)中心点E间距离FE长度为x₃＝60.0000mm；

所述的目标函数为f(x)＝8.4720Nm。