[发明专利]一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法

说明书

一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，采用简单弹簧重力补偿方式，将弹簧安装在力反馈设备大臂和小臂的线传动减速机构从动轮上，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”，并将其与连接点位置作为优化量，平均力矩误差作为优化的适应度函数，使用改进的简单粒子优化算法迭代优化，使得力反馈设备的大臂和小臂机构能够获得最优的简单弹簧重力补偿。本发明仅使用两根弹簧，实现了对力反馈设备的大臂机构和小臂机构的重力补偿，该设计简单，易实现和改装。

技术领域

本发明涉及用于力反馈设备中的弹簧重力补偿方法，尤其涉及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。

背景技术

一个理想的力反馈设备能够准确的将虚拟环境或者是远端环境的反馈力传递给操作者，这就要求理想的力反馈设备应具有高的后驱性、低的惯量、低的摩擦、高的刚度、合适的工作空间，没有齿侧间隙以及高的控制带宽等。当操作者通过力反馈设备与虚拟环境或者是远端环境进行人机交互时，力反馈设备操作器所受的重力会降低设备的后驱性，增加设备的摩擦影响，从而影响设备的力反馈性能。因此，为了使力反馈设备具有较好的性能，对力反馈设备进行重力补偿至关重要。

在弹簧重力补偿方法中，使用弹簧几乎不会增加机械设备本身的重量和惯量，且弹簧的设计和加工简单易实现，弹簧重力补偿方法已经广泛用于各类机械设备中进行重力补偿。在力反馈设备中也常采用弹簧重力补偿方法对设备的操作器进行重力补偿。在现有的力反馈设备中，常见重力补偿方法有：Rahman等提出了一种重力补偿方法(详见：Asimple technique to passively gravity-balance articulate-ed mechanisms[J].ASME Trans Mech Des.1995；117(4):655～58.)，该方法采用一个或者多个线性弹簧和小轮，用于补偿单个连杆和多个连杆的系统，但是该弹簧重力补偿方法复杂，需要额外添加其他机械装置，提高了系统的设计成本和复杂度，也易使弹簧与机械连杆之间形成机械干涉，影响系统操作性能。Omega力反馈设备(专利号：US 8,188,843 B2)使用弹簧并结合不规则圆凸轮和钢丝绳来进行重力补偿，但是该补偿方式需额外设计和加工凸轮，这增加了设计成本和复杂度；其次，由于不规则圆凸轮的半径是随凸轮转动角度变化的非线性量，当力反馈设备在快速操作时，连接凸轮钢和弹簧的钢丝绳不会一直保持在同一水平面，易导致弹簧和钢丝绳产生拉伸间隙，这和齿轮间齿侧间隙相类似，会导致力反馈系统的稳定性能降低。Rongfang Fan将Rahman方法和Omega力反馈设备使用的方法相结合为PHANTOMPremium1.5设计了重力补偿的方法(详见：Improvement of Dynamic Transparency ofHaptic Device by Using Spring Balance[C].Proceedings of the 2012IEEEInternational Conference on Robotics and Biomimetics,2012:1075～1080.)，但是也同样存在上述Rahman和Omega力反馈设备(专利号：US 8,188,843B2)中的问题。国外学者Ahmad Mashayekhi等提出了基于简单弹簧的重力补偿方法(详见：VirSense:a novelhaptic device with fixed-base motors and a gravity compensation system,Industrial Robot:An International Journal,2014,41(1):37～49.)。尽管AhmadMashayekhi等提出的简单弹簧重力补偿方法能够对连杆的重力进行补偿，但是该方法只是人为的给出弹簧连接点位置，并没有建立最优弹簧重力补偿数学模型，未从弹簧重力补偿的最优连接点位置，弹簧最优的自由长度和最优平均刚度系数角度去设计弹簧重力补偿。