[发明专利]肘关节气动平衡结构及其优化设计方法

权利要求书

1.一种肘关节气动平衡结构的优化设计方法，其特征在于，该肘关节气动 平衡结构是一种演化的摆动导杆机构，该摆动导杆机构由大臂、小臂、固定在 大臂上的上铰链座、固定在小臂上的下铰链座、铰接大臂与小臂的肘关节铰链、 一个两端分别铰接在上铰链座与下铰链座的气动拉杆所组成；当小臂绕肘关节 铰链转动时，气动拉杆随着小臂的运动而伸缩变化，气动拉杆在伸缩过程中其 拉力基本不变；当大臂不动或仅做小幅度摆动时，气动拉杆的拉力对小臂运动 中的重力矩能够产生有效的平衡力矩；该肘关节气动平衡结构的优化设计方法 如下：

第一步：确定设计变量及其它参数的选取

设上铰链座的中心点为A、下铰链座的中心点为C、肘关节铰链的中心点为 O、小臂重心位置为P、小臂处于初始铅锤位置时过O点的垂线与过A点的水 平线交于B点、小臂处于初始铅锤位置时过O点的垂线与过C点的水平线交于 D点、小臂处于初始铅锤位置时过O点的垂线与过P点的水平线交于E点、小 臂处于初始铅垂位置时P点在高度方向上与O点的距离为定值OE、小臂处于初 始铅垂位置时P点在水平方向上与O点的距离为定值EP、大臂在小臂工作时其 轴线处于铅垂方向或仅做小幅度摆动；

取B、O两点间的距离BO长度为设计变量x₁(单位：mm)；

取A、B两点间的距离AB长度为设计变量x₂(单位：mm)；

取D、O两点间的距离DO长度为设计变量x₃(单位：mm)；

取C、D两点间的距离CD长度为设计变量x₄(单位：mm)；

取气动拉杆的拉力值为设计变量x₅(单位：N)；

第二步：根据具体设计要求确定x₁、x₂、x₃、x₄、x₅的取值范围并进行初始 化赋值；

第三步：在小臂活动范围内，建立关于肘关节气动平衡结构的小臂重力矩 M_z(单位：Nm)和小臂平衡力矩M_p(单位：Nm)的力学参数的动态数学模型， 如下：

γ＝π-β₂+β₁+α

AC=x12+x22+x32+x42-2x12+x22·x32+x42·cosγ]]>

θ=arctg(EPOE)]]>

L1=x12+x22·x32+x42·sinγ1000·AC]]>

L2=EP2+OE2·sin(α-θ)/1000]]>

M_P＝x₅·L₁

M_Z＝m·g·L₂

其中：β₁＝∠COD(单位：度)，当诸x值选定后，可运用三角函数方法编程求出；

β₂＝∠AOB(单位：度)，当诸x值选定后，可运用三角函数方法编程求出；

α是小臂转过的角度(单位：度)，运动范围是0°-135°，自变量；

L₁为肘关节摆动时的平衡力臂(单位：m)，运动中是变量，可根据机构运 动中自变量α的角度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得；

L₂为肘关节摆动时的重力臂(单位：m)，运动中是变量，可根据机构运动 中自变量α的角度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得；

AC是气动拉杆长度(单位：mm)，运动中是变量，可根据机构运动中自 变量α的角度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得；

γ＝∠AOC(单位：度)，运动中是变量，可根据机构运动中自变量α的角 度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得；

θ＝∠EOP(单位：度)，运动中是定值；

m为小臂重量(单位：kg)；

g为重力加速度；

第四步：根据大臂与小臂的结构空间、小臂运动范围、拉杆结构尺寸与工 作性能、不能发生运动干涉各方面要求，确定设计变量的约束函数如下：

g₁(x)＝200-x₁≤0

g₂(x)＝x₁-300≤0

g₃(x)＝60-x₂≤0

g₄(x)＝x₂-100≤0

g₅(x)＝70-x₃≤0

g₆(x)＝x₃-110≤0

g₇(x)＝40-x₄≤0

g₈(x)＝x₄-80≤0

g₉(x)＝50-x₅≤0

g₁₀(x)＝x₅-300≤0

g₁₁(x)＝β₁+β₂-45°≤0

第五步：建立以小臂在运动时气动拉杆产生的平衡力矩与小臂重力矩之差 绝对值的最大值达到最小的目标函数：

min f(x)＝max(abs(ΔM_i))

其中ΔM_i＝M_pi-M_zi表示小臂弯曲运动时气动拉杆产生的平衡力矩与手臂重 力矩之差在不同位置时的数值，i＝1......n；

f(x)是ΔM_i中的最大绝对值，i＝1......n，是目标函数，优化设计的结果是使 得f(x)达到最小，即，使得小臂在运动过程中的各个位置上，气动拉杆产生的平 衡力矩与小臂重力矩之差绝对值的最大值达到最小；

第六步：根据设计变量、约束函数、小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、x₄、x₅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。

2.如权利要求1所述的肘关节气动平衡结构的优化设计方法，其特征在于：

所述的小臂重m＝5kg；

所述的P点在高度方向上偏离肘关节铰链(3)的距离为OE＝200mm；

所述的P点在水平方向上偏离肘关节铰链(3)的距离为EP＝40mm；

所述的小臂活动范围为0°-135°；

所述的上铰链座(3)和肘关节铰链(5)的中心在高度方向上的距离BO为 x₁＝142.8524mm；

所述的上铰链座(3)和肘关节铰链(5)的中心在水平方向上的距离AB为 x₂＝60.2724mm；

所述的小臂(2)处于初始铅垂位置时下铰链座(4)和肘关节铰链(5)的 中心在高度方向上的距离DO为x₃＝48.2917mm；

所述的小臂(2)处于初始铅垂位置时下铰链座(4)和肘关节铰链(5)的 中心在水平方向上的距离CD为x₄＝13.1928mm；

所述的气动拉杆(6)的拉力值为x₅＝187.5694N；

所述的目标函数的值为f(x)＝1.4031Nm。