[发明专利]大臂关节气动平衡结构及其优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及用于平衡机器人手臂或假肢大臂肩关节 处重力矩的气动平衡结构。

背景技术

目前，在机器人大臂结构或假肢大臂结构的设计上，采用各种驱动结构来实 现大臂负载状态下的前后摆驱动或外展驱动。当对机器人手臂或假肢手臂进行 前后摆驱动或外展驱动时，必然存在要克服大臂肩关节处重力矩的问题。大臂 的重力矩越大，驱动大臂所需的驱动力矩就越大。若提供一种大臂关节重力矩 平衡结构，就能够随着大臂关节运动范围的变化而提供相应的比较接近大臂重 力矩的平衡力矩，从而减小大臂运动所需的驱动力矩。又由于该平衡结构必须 要与手臂结构相匹配，所以如何在有限的结构空间内实现对大臂重力矩的最佳 平衡，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题而发明一种大臂关节气动平衡结构及其优 化设计方法。

为达上述目的，本发明的大臂关节气动平衡结构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。

当拐状杆做前后摆动或外展摆动时，就带动手臂实现前后摆动或外展摆动。 气动支撑杆随着大臂的运动而伸缩变化，气动支撑杆在伸缩过程中其推力基本 不变。无论手臂是前后摆动还是外展摆动，气动支撑杆的推力都会对手臂的重 力矩产生一定的平衡力矩。

为合理地设计大臂关节气动平衡结构各部分的结构尺寸，并选择合适的气 动支撑杆的推力值，以使机械手或假肢获得结构紧凑、重力矩平衡效果好、耗 能小、运动启动快、无运动干涉的目的，本发明采用优化设计方法，其步骤如 下：

1、确定设计变量及其它参数的选取

设上球铰支座1的中心点为O、下球铰支座2的中心点为D且D点在O点 的正下方、气动支撑杆4与拐状杆3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、手臂的重心在BF向下延长线上的P点处，当手臂在 初始位置(即：BF处于铅垂方向)时BF向上延长线与过O点水平线的交点为 A、当手臂在初始位置时E点在高度方向上距离O点为定长AF、当手臂在初始 位置时P点在高度方向上距离O点为定长AP、当手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、当手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。

2、根据具体设计要求确定x₁、x₂、x₃、x₄的取值范围并进行初始化赋值；

3、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(单位：Nm)、外摆重力矩M_wz(单位：Nm)、前摆平衡力矩M_qp(单位： Nm)和前摆重力矩M_qz(单位：Nm)的力学参数的动态数学模型，如下：

L1=AF2+(AO-x3)2·sinγ1/1000]]>