專利名稱：一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人重力平衡方法。特別是涉及一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法。
背景技術(shù)：
(I)目前國(guó)際上已經(jīng)推出的力感機(jī)器人，如美國(guó)SensAble Technologies的PHANTOM系列力感機(jī)器人和法國(guó)Haption公司的Virtuose系列力感機(jī)器人等均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全重力平衡，僅是進(jìn)行了位置機(jī)構(gòu)的重力平衡設(shè)計(jì)。如果主手沒(méi)有完全重力平衡，表明機(jī)器人沒(méi)有滿足力雅克比計(jì)算前提條件，所計(jì)算出的關(guān)節(jié)力矩值存在一定的誤差，將在一定程度上影響到主手機(jī)器人的力感精度。 (2)在專利號(hào)為CN102320040A的發(fā)明專利中，其自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)采用一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)和控制一個(gè)平衡滑塊自動(dòng)地對(duì)手臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行自重補(bǔ)償。考慮到腕部要作3維運(yùn)動(dòng)，因此其補(bǔ)償效果受到不小的限制，除非腕部質(zhì)心始終位于手臂上某一定點(diǎn)。在專利號(hào)為CN102152299A的發(fā)明專利中，為腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)各姿態(tài)架提供動(dòng)力的電機(jī)置于小臂及姿態(tài)架內(nèi)部。考慮到電機(jī)的質(zhì)量不容無(wú)視，因此該發(fā)明機(jī)構(gòu)存在較大的動(dòng)態(tài)慣性力，會(huì)對(duì)力感精度與力感方向造成不小的影響。在專利號(hào)為CN101623864A的發(fā)明專利中，其位置機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了重力平衡，但姿態(tài)機(jī)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行重力平衡設(shè)計(jì)。在專利號(hào)為CN101480798A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種力反饋手控器的高精度低慣性直線位移機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)單自由度的力覺(jué)反饋。在專利號(hào)為CN101439514A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，可做到六自由度無(wú)條件解耦，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，運(yùn)動(dòng)精度高。但由于沒(méi)有進(jìn)行重力平衡設(shè)計(jì)，除非能夠采用其他的辦法實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償，否則難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)力感。在專利號(hào)為CN101439515A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種平行四桿式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，由固定基座、三自由度并聯(lián)移動(dòng)單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)單元構(gòu)成。由于也沒(méi)有進(jìn)行重力平衡設(shè)計(jì)，因此除非能夠采用其他的辦法實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償，否則也難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)力感。在專利號(hào)為CN101444431A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的三維力反饋主操作手。沒(méi)有提及重力平衡問(wèn)題。在專利號(hào)為CN201224104Y的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種力反饋三自由度手控器的機(jī)構(gòu)，由菱形連桿機(jī)構(gòu)組件、手部機(jī)構(gòu)、配重、支架、手柄連接件和配重連接件組成。實(shí)現(xiàn)了重力平衡，但發(fā)明機(jī)構(gòu)僅具有3個(gè)自由度。在專利號(hào)為CN101261781A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種五自由度力反饋虛擬手術(shù)器械，其允許的人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)包括手臂的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。沒(méi)有提及重力平衡問(wèn)題。專利號(hào)為CN2772746Y的發(fā)明專利，涉及一種實(shí)現(xiàn)遙控操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置，由數(shù)據(jù)手套和力反饋裝置組成，在數(shù)據(jù)手套的手指和手掌上分別連接有連接扣，力反饋裝置由缸體和活塞組成，在缸體的活塞運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)充有電流變液體。在工作原理上與新申請(qǐng)專利完全不同。在專利號(hào)為CN1593861A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種可穿戴式的柔性外骨骼機(jī)械手，由肩部大3RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)、肩部滑環(huán)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)肘部四桿機(jī)構(gòu)、腕部滑環(huán)機(jī)構(gòu)和腕部小3RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)依次串連而成，具有9個(gè)自由度，可滿足人體上臂全方位運(yùn)動(dòng)的要求。該機(jī)械手采用氣缸作為執(zhí)行元件。在工作原理上與新申請(qǐng)專利完全不同。專利號(hào)為CN1488474A的發(fā)明專利也是一種面向人機(jī)交互的帶有力反饋的外骨架式可佩戴數(shù)據(jù)臂。在工作原理上與新申請(qǐng)專利完全不同。在專利號(hào)為CN1410232A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種6自由度通用型異構(gòu)式機(jī)器人手控器(圖1)，由手部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架和配重組成，支架上設(shè)雙平行連桿機(jī)構(gòu)，由3 4根聯(lián)桿構(gòu)成，聯(lián)桿上有三個(gè)萬(wàn)向節(jié)。雙平行連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重力平衡。在機(jī)器人構(gòu)型等方面與 新申請(qǐng)專利完全不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠解決6自由度力感主手實(shí)現(xiàn)完全重力平衡問(wèn)題的擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，包括如下步驟I)采用擬人式布置方式設(shè)置整個(gè)6自由度主手機(jī)器人，將6自由度主手機(jī)器人的第一個(gè)關(guān)節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個(gè)關(guān)節(jié)在重力作用下不會(huì)產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2)將手腕3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)呈腕心布置，通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)使手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于腕心處并與小臂桿件交于一點(diǎn)；3)利用平行四邊形機(jī)構(gòu)將小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)后移到大臂關(guān)節(jié)一側(cè)；4)通過(guò)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重使整個(gè)主手位置機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重力平衡；5)在實(shí)施時(shí)，先做好腕部機(jī)構(gòu)的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機(jī)構(gòu)的重力平衡。步驟2)的實(shí)現(xiàn)是首先通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腕部3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的重力平衡設(shè)計(jì)，使得整個(gè)手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于主手機(jī)器人小臂桿件上的一設(shè)定點(diǎn)。步驟4)的實(shí)現(xiàn)是采用大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重，通過(guò)求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個(gè)配重質(zhì)量。為了彌補(bǔ)計(jì)算等誤差的影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)配重質(zhì)量或位置。所述的2元一次重力平衡方程是
^I
——mJ, -mAl = Oj 11 2 31 41
m2r2 — mJ2 — tn4(l2 + r4) = 0其中，Hi1是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重的總質(zhì)量，m2是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重的總質(zhì)量，m3連桿質(zhì)量，m4是小臂和腕部質(zhì)量，Γι是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質(zhì)心距小臂關(guān)節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長(zhǎng)度，I2是連桿長(zhǎng)度。本發(fā)明的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，很好地解決了力感主手完全重力平衡問(wèn)題。能夠?qū)崿F(xiàn)6自由度力感機(jī)器人的完全重力平衡，滿足力雅克比方程成立條件，具有良好靜態(tài)透明性。此方法也同樣適用于7自由度冗余力感主手的重力平衡設(shè)計(jì)問(wèn)題。


圖I是本發(fā)明的大、小臂平衡原理圖；圖2是本發(fā)明的第三桿件受力分析圖；圖3是本發(fā)明的第四桿件受力分析圖；圖4是本發(fā)明的第一桿件受力分析圖；圖5是本發(fā)明的第二桿件受力分析圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，做出詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，包括如下步驟I)采用擬人式布置方式設(shè)置整個(gè)6自由度主手機(jī)器人，將6自由度主手機(jī)器人的第一個(gè)關(guān)節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個(gè)關(guān)節(jié)在重力作用下不會(huì)產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2)將手腕3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)呈腕心布置，通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)使手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于腕心處并與小臂桿件交于一定點(diǎn)；首先通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腕部3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的重力平衡設(shè)計(jì)，使得整個(gè)手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于主手機(jī)器人小臂桿件上的一設(shè)定點(diǎn)。3)利用平行四邊形機(jī)構(gòu)將小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)后移到大臂關(guān)節(jié)一側(cè)；4)通過(guò)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重使整個(gè)主手位置機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重力平衡。是采用大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重，通過(guò)求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個(gè)配重質(zhì)量，為了彌補(bǔ)計(jì)算等誤差的影響，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)配重質(zhì)量或位置。所述的2元一次重力平衡方程是
,I
/; ,/；——mJ, - ml = O^ 11 2 31 41
m2r2 - m'J2 — m4 (I2 + r4) = 0只要滿足該方程式，就能夠?qū)崿F(xiàn)大小臂機(jī)構(gòu)的重力平衡。其中，Hi1是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重的總質(zhì)量，Hi2是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重的總質(zhì)量，m3連桿質(zhì)量，m4是小臂和腕部質(zhì)量，Γι是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質(zhì)心距小臂關(guān)節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長(zhǎng)度，I2是連桿長(zhǎng)度。上述的平衡原理如圖I所示，第一設(shè)桿件I (包括大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)I以及大臂配重)、第二桿件2 (包括曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)II以及小臂配重)、第三桿件3 (連桿)、第四桿件4 (小臂和腕部)的質(zhì)量分別為π^π^π^π^。第一桿件I的OO1段長(zhǎng)度為I1，第二桿件2的OO2段長(zhǎng)度為I2,第三桿件3的O2O3段長(zhǎng)度為I3，第四桿件4的O1O3段長(zhǎng)度為14。第一桿件I、第二桿件2的質(zhì)心距離鉸鏈ο的長(zhǎng)度分別為;第三桿件3的質(zhì)量均布，其質(zhì)心位于桿件3的中間位置；第四桿件4 的質(zhì)心距離鉸鏈O3的長(zhǎng)度為r4。從而可以得到2元一次重力平衡方程，即大小臂機(jī)構(gòu)重力平衡方程。5)在實(shí)施時(shí)，先做好腕部機(jī)構(gòu)的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機(jī)構(gòu)的重力平衡。下面結(jié)合圖I 一圖5給出本發(fā)明的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法中大、小臂機(jī)構(gòu)重力平衡原理具體推導(dǎo)過(guò)程如下設(shè)第一桿件I與X軸的夾角為Q1，第二桿件2與X軸夾角為θ2。第一設(shè)桿件I(包括大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)I以及大臂配重)、第二桿件2 (包括曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)II以及小臂配重)、第三桿件3 (連桿)、第四桿件4 (小臂和腕部)的質(zhì)量分別為叫、!!^!^、!^。第一桿件I的OO1段長(zhǎng)度為I1，第二桿件2的OO2段長(zhǎng)度為I2,第三桿件3的O2O3段長(zhǎng)度為I3,第四桿件4的O1O3段長(zhǎng)度為14。第一桿件I、第二桿件2的質(zhì)心距離鉸鏈ο的長(zhǎng)度分別為Γι、r2 ;第三桿件3的質(zhì)量均布，其質(zhì)心位于桿件3的中間位置；第四桿件4的質(zhì)心距離鉸鏈O3的長(zhǎng)度為r4。下面分析第一桿件I到第四桿件4各個(gè)桿件所受的力和力矩。圖2中m3g為第三桿件3所受的重力，F(xiàn)23x、F23y為第三桿件3受到桿件2施加的作用力，F(xiàn)43x、F43y為第三桿件3受到桿件4施加的作用力，方向如圖4所示。當(dāng)?shù)谌龡U件3關(guān)于鉸鏈O2力矩平衡，有
I— m'gi、cos+ /■_,.； Jy cosΘ. -1-4.'Li sin =0Cl)第三桿件3在鉸鏈O2處受力平衡，有F23y-m3g-F43y=0(2)F23x-F43x=O(3)同理，第四桿件4關(guān)于鉸鏈O3力矩平衡F14xI4Sin Θ 2+F14yl4cos Θ 2-m4gr4cos Θ 2=0 (4)第四桿件4在鉸鏈O3處受力平衡F34x-F14x = O(5)F34y-m4g-F14y=0(6)第一桿件I關(guān)于鉸鏈ο力矩平衡F41yI1Cos Θ J-F41xI1Sin Θ j+m^r^os Θ(7)第二桿件2關(guān)于鉸鏈ο力矩平衡F32yI2Cos Θ 2+F32xI2Sin Θ 2-m2gr2cos Θ 2=0(8)由于I1=I3' I2=I4 ；F23x=F32x> F23y=F32y ;F43x=F34x> F43y=F34y ;F14x=F41x、F14y=F41y,
公式(I)-(8)聯(lián)立，得2元一次重力平衡方程
權(quán)利要求
1.一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，其特征在于，包括如下步驟 1)采用擬人式布置方式設(shè)置整個(gè)6自由度主手機(jī)器人，將6自由度主手機(jī)器人的第一個(gè)關(guān)節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個(gè)關(guān)節(jié)在重力作用下不會(huì)產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 2)將手腕3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)呈腕心布置，通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)使手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于腕心處并與小臂桿件交于一點(diǎn)； 3)利用平行四邊形機(jī)構(gòu)將小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)后移到大臂關(guān)節(jié)一側(cè)； 4)通過(guò)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重使整個(gè)主手位置機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重力平衡； 5)在實(shí)施時(shí)，先做好腕部機(jī)構(gòu)的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機(jī)構(gòu)的重力平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，其特征在于，步驟2)的實(shí)現(xiàn)是首先通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腕部3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的重力平衡設(shè)計(jì)，使得整個(gè)手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于主手機(jī)器人小臂桿件上的一設(shè)定點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，其特征在于，步驟4)的實(shí)現(xiàn)是采用大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重，通過(guò)求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個(gè)配重質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，其特征在于，為了彌補(bǔ)計(jì)算等誤差的影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)配重質(zhì)量或位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法，其特征在于，所述的2元一次重力平衡方程是 其中，Hl1是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重的總質(zhì)量，Hl2是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重的總質(zhì)量，m3連桿質(zhì)量，m4是小臂和腕部質(zhì)量，Γι是曲柄、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及小臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及大臂配重共同的質(zhì)心距大臂關(guān)節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質(zhì)心距小臂關(guān)節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長(zhǎng)度，I2是連桿長(zhǎng)度。
全文摘要
一種擬人式6自由度機(jī)器人重力平衡方法采用擬人式布置方式設(shè)置整個(gè)6自由度主手機(jī)器人，將6自由度主手機(jī)器人的第一個(gè)關(guān)節(jié)軸垂直布置，使第一個(gè)關(guān)節(jié)在重力作用下不會(huì)產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；將手腕3個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)呈腕心布置，通過(guò)對(duì)稱設(shè)計(jì)或配重設(shè)計(jì)使手腕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位于腕心處并與小臂桿件交于一點(diǎn)；利用平行四邊形機(jī)構(gòu)將小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)后移到大臂關(guān)節(jié)一側(cè)；通過(guò)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重以及小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與配重使整個(gè)主手位置機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重力平衡；在實(shí)施時(shí)，先做好腕部機(jī)構(gòu)的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機(jī)構(gòu)的重力平衡。本發(fā)明很好地解決了力感主手完全重力平衡問(wèn)題。能夠?qū)崿F(xiàn)6自由度力感機(jī)器人的完全重力平衡，滿足力雅克比方程成立條件，具有良好靜態(tài)透明性。
文檔編號(hào)B25J9/08GK102825601SQ20121033998
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者趙臣, 閆帥, 趙漢望, 范榮芳, 羅小明 申請(qǐng)人:天津大學(xué)