[发明专利]一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法

权利要求书

1.一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，所述混联式力反馈设备包括三自由度并联机构和串联转动机构；并联机构包括并联机构的固定基座、并联机构各支链的第一杆件、并联机构各支链的第二杆件和并联机构的运动平台，形成三个支链；串联转动机构固定在并联机构的运动平台的中心位置；

所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据力反馈设备并联机构的静力学，计算基于驱动电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τ_A；

步骤2、根据力反馈设备主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩，在并联机构的最上方支链引入弹簧被动补偿结构，对弹簧被动补偿结构的相关参数进行优化，根据被动补偿转矩公式，计算弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τ_S；

步骤3、以步骤1得到的主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τ_A和弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τ_S，计算各驱动电机在相应的空间姿态下实现力反馈设备重力补偿实际需要的转矩τ；

步骤4、以步骤3得到的各驱动电机在相应的空间姿态下实现力反馈设备重力补偿实际需要的转矩τ，计算补偿该空间姿态下力反馈设备保持平衡时各驱动电机需要输出的电流I，实现力反馈设备在该空间姿态的重力平衡；

所添加的弹簧被动补偿结构包含第一弹簧固定件、第二弹簧固定件、钢丝绳、拉伸弹簧、绕线滑轮、滑轮固定件；拉伸弹簧一端与钢丝绳连接，钢丝绳绕安装在滑轮固定件上的绕线滑轮一圈，钢丝绳通过安装在并联机构支链第一杆件处的第一弹簧固定件的螺母固定锁紧，拉伸弹簧另一端通过第二弹簧固定件固定在固定基座前；支链转动时带动拉伸弹簧伸缩，作用在第一杆件上，产生弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τ_S，具体公式为：

τ_S＝FL＝K₁L_xL_ASsin(α₀+α₁)；

其中，L_VS²＝h₀²+L_AS²-2h₀L_AScos(90°-θ)；

K₁为弹簧劲度系数，L_x为拉伸弹簧伸长量，S为钢丝绳与并联机构支链第一杆件的连接点，A为第一杆件与固定基座的连接点，V为绕线滑轮中心点；L_AS为S距离A的距离，L_VS为S距离V的距离，α₀为第一杆件与L_VS对应的线段之间的夹角，α₁为L_VS对应的线段与钢丝绳与第一杆件的连接段之间的夹角，h₀为绕线滑轮安装高度，r₀为绕线滑轮半径，θ为并联机构第一杆件与固定基座法线方向的夹角，即与Z轴方向的夹角；

所述相关参数包括弹簧劲度系数K₁、绕线滑轮安装高度h₀、钢丝绳与并联机构支链第一杆件的连接点S的位置。

2.根据权利要求1所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，步骤1中是根据静力学分析方法对混联式力反馈设备的机构和连杆的质量简化，具体步骤为：

1)将串联机构简化为作用在并联机构运动平台中心的质点；

2)并联机构各支链第二杆件的质量一部分附加在运动平台中心，一部分附加在各支链第一杆件与第二杆件连接的关节处；

3)力反馈设备的并联机构各个支链的第二杆件，将其等效为二力杆。