[发明专利]肘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肘关节或假肢肘关节重力矩的气动平衡结构。 

背景技术

目前，在机器人肘关节或假肢肘关结构的设计上，采用各种驱动结构来实现小臂负载状态下的运动。当对机器人小臂或假肢小臂进行驱动时，必然存在需要克服小臂肘关节处重力矩的问题。小臂的重力矩越大，驱动肘关节所需的驱动力矩就越大。若提供一种小臂肘关节重力矩平衡装置，就能够随着小臂运动范围的变化而提供相应的比较接近小臂肘关节处重力矩的平衡力矩，从而使驱动小臂所需的的驱动力矩大大变小。由于该平衡结构必须要与手臂结构和工作空间相匹配，所以，如何在有限的结构空间内实现对小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小臂肘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。 

为合理地设计肘关节气动平衡结构尺寸，选择合适的气动拉杆拉力值，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)。 

2、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； 

3、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