[发明专利]四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法

权利要求书

1.一种四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，所述四轴机器人包括基座、腰身、大臂、小臂和腕部，在机器人大臂的侧部设置有用于提供平衡力矩的弹簧储能缸；

其特征是：将位于大臂上端的弹簧储能缸上端点设置为可转动的铰接点，将连接在腰部的弹簧储能缸下端点设置为可调结构；所述可调结构是指：在机器人坐标系中，储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f为可调，储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d为可调；所述机器人坐标系是指：以大臂与腰部的铰接中心为原点O；以大臂驱动电机的输出轴为Y轴，所述Y轴是大臂与腰部之间的铰接轴；以沿大臂竖向中心线、且垂直于Y轴的方向为Z轴；按右手定律确定垂直于YOZ面的方向为X轴；所述弹簧储能缸的缸筒轴线平行于X0Z面；

所述弹簧储能缸的最佳位置配置方法是：

按Kane法建立包含弹簧储能缸的等效支链在内的四轴机器人动力学模型，在所述四轴机器人动力学模型下设置三个位置参数变量，所述三个位置参数变量分别是：储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f、储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d，以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量Δx₀；所述弹簧初始形变量Δx₀是指弹簧预紧状态的形变量；

设定四轴机器人中大臂驱动扭矩峰值τ达到最小、但不低于下限设定值为控制目标，通过萤火虫优化算法，利用Matlab工具计算获得四轴机器人在不同工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数配置。

2.根据权利要求1所述的四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，其特征是所述配置方法按如下步骤进行：

步骤1、由式(1)、式(2)和式(3)确定同一工作轨迹各位置参数变量与大臂驱动扭矩之间的关系：

M＝K(Δx₀+Δx₁)·L_f (2)

τ＝τ₂-M (3)

其中：

L_f是由式(1)计算获得的弹簧储能缸的弹簧力臂长度，所述弹簧力臂长度为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中Y轴的公垂线长度；

M是弹簧储能缸中弹簧所产生的平衡力矩；K是弹簧储能缸中弹簧的刚度系数；

θ₁为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中X0Y面之间的夹角；

为直线PD与机器人坐标系中X0Y平面之间的夹角，所述直线PD中的P端点为弹簧储能缸的下端点，D端点为过弹簧储能缸下端点且垂直于机器人坐标系中Y轴的垂足点；

Δx₁为大臂转动过程中弹簧储能缸中弹簧发生的形变量；

τ₂和τ分别为同一工作轨迹下未加弹簧储能缸时的机器人大臂扭矩，以及加有弹簧储能缸后的机器人大臂扭矩；

步骤b、按式(4)获得设定工作轨迹下大臂驱动扭矩峰值τ_max；

τ_max＝max(τ₂-M) (4)

步骤c、针对给定的各位置参数变量的取值范围，在以不低于设定的大臂驱动扭矩峰值的最小值的条件下获得最小大臂驱动扭矩峰值为优化目标，采用萤火虫优化算法进行优化，从而获得给定工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数；

步骤d、改变运动轨迹，重复步骤a到步骤c，分别获得各不同工作轨迹下的四轴机器人储能缸最佳位置参数。