專利名稱：大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人大臂或假肢大臂的驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
目前，在機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)或假肢大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，采用各種驅(qū)動結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)大臂負(fù)載狀態(tài)下的外展運動。由于大臂的外形尺寸不能設(shè)計得很大，要有一定的仿生性，所以，如何在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)實現(xiàn)對大臂具有一定載荷條件下的高效外展驅(qū)動，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為解決上述問題而發(fā)明一種大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明的大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)是一種演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，該擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是在安裝大臂的機(jī)架上固定有上鉸鏈支座和下鉸鏈支座；在上鉸鏈支座上鉸接有拐柄，拐柄前端固接在直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體上，直線步進(jìn)電機(jī)螺桿上旋接一個螺母塊，在螺母塊上設(shè)有鉸鏈，通過下鉸鏈支座和螺母塊上的鉸鏈鉸接上搖桿。拐柄和直線步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的擺動導(dǎo)桿構(gòu)件。
當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)工作時，其螺桿轉(zhuǎn)動并帶動螺母塊沿螺桿前后移動，進(jìn)而帶動擺動導(dǎo)桿構(gòu)件擺動，以此實現(xiàn)大臂的外展運動。
為滿足假肢設(shè)計或機(jī)械手設(shè)計時對空間緊湊、驅(qū)動力小、耗能低等要求，實現(xiàn)大臂在一定的外形尺寸和一定負(fù)載條件下外展自如的目的，也就是說既要保證直線步進(jìn)電機(jī)在大臂重力矩最大時能夠?qū)Υ蟊弁庹巩a(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩，同時兼顧工作空間、結(jié)構(gòu)空間、傳動效率及各構(gòu)件不能發(fā)生運動干涉等，本發(fā)明采用優(yōu)化設(shè)計方法，其步驟如下 1、確定設(shè)計變量及其它參數(shù)的選取 設(shè)上鉸鏈支座的中心點為O、下鉸鏈支座的中心點為A、直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線上的螺母塊上移端點為C、螺桿軸線上的螺母塊下移端點為B’、螺母塊與搖桿的鉸接中心點為B。
取O、A兩中心點間的距離AO長度為設(shè)計變量x1(單位mm)； 取直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿軸線處于初始鉛垂方向時的AO連線與OC連線間的夾角∠AOC為設(shè)計變量x2(單位度)； 取O、C兩點間的距離OC長度為設(shè)計變量x3(單位mm)； 取∠OCB’為設(shè)計變量x4(單位度)； 2、根據(jù)具體設(shè)計要求確定x1、x2、x3、x4的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值； 3、在大臂外展運動范圍內(nèi)，建立其驅(qū)動力矩Md(單位Nm)、重力矩Mz(單位Nm)力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下 設(shè)、手臂的重心在直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線CB’向下延長線上的P點上，當(dāng)CB’處于初始鉛垂方向時，大臂重心P與上鉸鏈支座O在高度方向的距離為H(單位mm)，則。
式中F為電機(jī)額定推力(單位N)； BC為螺母塊沿螺桿軸線上、下移動時，B點到C點的距離(單位mm)，是自變量；’ α＝∠ABC、β＝∠ABO運動中都是變量(單位度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得； m為大臂重量(單位kg)； g為重力加速度； φ為大臂轉(zhuǎn)過的角度(單位度)，運動中是變量，可根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得，取CB’處于初始鉛垂方向時大臂的φ角為零。
4、根據(jù)直線電機(jī)安裝空間、各個構(gòu)件的安裝空間、直線電機(jī)位移量、傳動效率、大臂運動范圍、不能發(fā)生運動干涉各方面要求，確定設(shè)計變量的約束函數(shù)如下 g1(x)＝(180°-x4)-x2≤0 g2(x)＝90°+x2-θmax≤0 g3(x)＝20°-αmin≤0 g4(x)＝θmax-160°≤0 g5(x)＝x3-120≤0 g6(x)＝(180°-x4)-60°≤0 g7(x)＝15°-x2≤0 g8(x)＝60-x1≤0 其中θ＝∠AOC，運動中是變量(單位度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得，θmax是∠AOC能達(dá)到的最大值，在CB’處于初始鉛垂方向時θ0＝x2， αmin是∠ABC能達(dá)到的最小值(單位度)， 5、建立以直線步進(jìn)電機(jī)在大臂重力矩最大時能夠?qū)Υ蟊弁庹罐D(zhuǎn)動產(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩的目標(biāo)函數(shù) min f(x)＝M’-Md’ 其中M’表示某一定大于直線步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩的數(shù)值； Md’表示在大臂重力矩最大時，電機(jī)對大臂能夠產(chǎn)生的驅(qū)動力矩； f(x)表示目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小，即，使直線步進(jìn)電機(jī)能在大臂重力矩最大時，對大臂產(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩； 6、根據(jù)設(shè)計變量、約束函數(shù)、手臂力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計的計算機(jī)程序，并輸入計算機(jī)進(jìn)行運行，采用有約束的優(yōu)化設(shè)計算法對各個設(shè)計變量x1、x2、x3、x4進(jìn)行優(yōu)化計算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值； 7、輸出優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果及其運動仿真圖形。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 1.采用了一種新型大臂外展運動的驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)方式，其結(jié)構(gòu)緊湊，輸出力矩大，傳動效率高，不會發(fā)生運動干涉。
2.采用了優(yōu)化設(shè)計方法，可以根據(jù)不同情況的需要，快速獲得最佳的各個設(shè)計變量的參數(shù)值。
參照附圖1-附圖3說明本發(fā)明的一個實施例。



圖1是大臂外展驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的原理示意圖，其中圖1a是大臂處于初始位置時的狀態(tài)，圖1b是大臂外展至水平位置時的狀態(tài)。
圖例說明1--上鉸鏈支座 2--下鉸鏈支座 3--拐柄 4--直線步進(jìn)電機(jī)體5--直線步進(jìn)電機(jī)螺桿 6--螺母塊 7--搖桿 8--鉸鏈。
圖2是對設(shè)計結(jié)果的運動仿真圖形，顯示了本結(jié)構(gòu)的O、A、B、C各點及其構(gòu)件在大臂外展運動過程中不同位置時的原理關(guān)系。
圖3是優(yōu)化程序運行框圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的大臂外展驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的原理如圖1所示。
本發(fā)明的大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)是一種演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)是在安裝大臂的機(jī)架上固定有上鉸鏈支座1和下鉸鏈支座2、在上鉸鏈支座1上鉸接有拐柄3、拐柄3前端固接在直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體4上、直線步進(jìn)電機(jī)螺桿5上旋接一個螺母塊6、在螺母塊6與下鉸鏈支座2之間通過鉸鏈8鉸接上搖桿7。拐柄3、固結(jié)在拐柄前端的直線步進(jìn)電機(jī)體4和轉(zhuǎn)動的直線步進(jìn)電機(jī)螺桿5構(gòu)成演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的擺動導(dǎo)桿構(gòu)件。當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)工作時，其螺桿5轉(zhuǎn)動并帶動螺母塊6沿螺桿5前后移動，進(jìn)而帶動擺動導(dǎo)桿構(gòu)件擺動，以此實現(xiàn)大臂的外展運動。
下面以具體實例并參照

優(yōu)化設(shè)計的方法。
已知條件；手臂重m＝10kg，其手臂重心在直線步進(jìn)電機(jī)螺桿5軸線CB’延長線上，當(dāng)CB’處于初始鉛垂方向時，大臂重心P與上鉸鏈支座1的中心點O在高度方向上的距離H＝330mm，直線步進(jìn)電機(jī)上螺母塊6沿螺桿5的移動范圍BC為130-0mm，直線步進(jìn)電機(jī)額定驅(qū)動力F＝90N，大臂外展運動范圍為0°-90°。
首先，用計算機(jī)語言對上述發(fā)明內(nèi)容中所述的設(shè)計變量、約束函數(shù)、手臂力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計的計算機(jī)程序，并輸入計算機(jī)進(jìn)行運行。本優(yōu)化設(shè)計程序采用了復(fù)合形優(yōu)化算法。復(fù)合形優(yōu)化算法采用了清華大學(xué)出版社出版的《機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計》中第五章中公開的方法。計算機(jī)運行步驟如圖3程序框圖所示。
經(jīng)計算，主要優(yōu)化設(shè)計結(jié)果為 1、上鉸鏈支座1和下鉸鏈支座2的中心距AO的長度x1＝60.0613mm； 2、直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿5軸線CB’處于初始垂直方向時，∠AOC的度數(shù)x2＝51.6906°； 3、上鉸鏈支座1中心點O到螺桿5上的螺母塊6上移端點C的距離OC長度x3＝119.9944mm； 4、上鉸鏈支座1的中心點O與螺桿上的螺母塊上移端點C之間的連線OC與直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線CB’的夾角∠OCB’的度數(shù)x4＝128.4903°； 5、手臂重力矩最大時電機(jī)輸出的驅(qū)動力矩M′d＝9.6338Nm。
設(shè)計結(jié)果的運動仿真圖形如圖2所示，顯示了本結(jié)構(gòu)的O、A、B、C各點及其構(gòu)件在大臂外展運動過程中不同位置時的原理關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，它是一種演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，該擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是在安裝大臂的機(jī)架上固定有上鉸鏈支座和下鉸鏈支座；在上鉸鏈支座上鉸接有拐柄，拐柄前端固接在直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體上，直線步進(jìn)電機(jī)螺桿上旋接一個螺母塊，在螺母塊上設(shè)有鉸鏈，通過下鉸鏈支座和螺母塊上的鉸鏈鉸接上搖桿；拐柄和直線步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的擺動導(dǎo)桿構(gòu)件。
2.一種如權(quán)利要求1所述的大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，步驟如下
第一步確定設(shè)計變量及其它參數(shù)的選取
設(shè)上鉸鏈支座的中心點為O、下鉸鏈支座的中心點為A、直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線上的螺母塊上移端點為C、螺桿軸線上的螺母塊下移端點為B’、螺母塊與搖桿的鉸接中心點為B；
取O、A兩中心點間的距離AO長度為設(shè)計變量x1(單位mm)；
取直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿軸線處于初始鉛垂方向時的AO連線與OC連線間的夾角∠AOC為設(shè)計變量x2(單位度)；
取O、C兩點間的距離OC長度為設(shè)計變量x3(單位mm)；
取∠OCB’為設(shè)計變量x4(單位度)；
第二步根據(jù)具體設(shè)計要求確定x1、x2、x3、x4的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值；
第三步在大臂外展運動范圍內(nèi)，建立其驅(qū)動力矩Md(單位Nm)、重力矩Mz(單位Nm)力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下
設(shè)、手臂的重心在直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線CB’向下延長線上的P點上，當(dāng)CB’處于初始鉛垂方向時，大臂重心P與上鉸鏈支座O在高度方向的距離為H(單位mm)，則
式中F為電機(jī)額定推力(單位N)；
BC為螺母塊沿螺桿軸線上、下移動時，B點到C點的距離(單位mm)，是自變量；’
α＝∠ABC、β＝∠ABO運動中都是變量(單位度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得；
m為大臂重量(單位kg)；
g為重力加速度；
φ為大臂轉(zhuǎn)過的角度(單位度)，運動中是變量，根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得，取CB’處于初始鉛垂方向時大臂的φ角為零；
第四步根據(jù)直線電機(jī)安裝空間、各個構(gòu)件的安裝空間、直線電機(jī)位移量、傳動效率、大臂運動范圍和不能發(fā)生運動干涉各方面要求，確定設(shè)計變量的約束函數(shù)如下
g1(x)＝(180°-x4)-x2≤0
g2(x)＝90°+x2-θmax≤0
g3(x)＝20°-αmin≤0
g4(x)＝θmax-160°≤0
g5(x)＝x3-120≤0
g6(x)＝(180°-x4)-60°≤0
g7(x)＝15°-x2≤0
g8(x)＝60-x1≤0
其中θ＝∠AOC，運動中是變量(單位度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)運動中自變量BC長度及各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得，θmax是∠AOC能達(dá)到的最大值，在CB’處于初始鉛垂方向時θ0＝x2，
αmin是∠ABC能達(dá)到的最小值(單位度)，
第五步建立以直線步進(jìn)電機(jī)在大臂重力矩最大時能夠?qū)Υ蟊弁庹罐D(zhuǎn)動產(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩的目標(biāo)函數(shù)
minf(x)＝M’-Md’
其中M’表示某一定大于直線步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩的數(shù)值；
Md’表示在大臂重力矩最大時，電機(jī)對大臂能夠產(chǎn)生的驅(qū)動力矩；
f(x)表示目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小，即，使直線步進(jìn)電機(jī)能在大臂重力矩最大時，對大臂產(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩；
第六步根據(jù)設(shè)計變量、約束函數(shù)、手臂力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計的計算機(jī)程序，并輸入計算機(jī)進(jìn)行運行，采用有約束的優(yōu)化設(shè)計算法對各個設(shè)計變量x1、x2、x3、x4進(jìn)行優(yōu)化計算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；
第七步輸出優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果及其運動仿真圖形。
3.如權(quán)利要求2所述的大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，
所述的手臂重m＝10kg；
所述的大臂重心P與上鉸鏈支座(1)的中心點O在高度方向上的距離H＝330mm；
所述的直線步進(jìn)電機(jī)上螺母塊(6)沿螺桿(5)的移動范圍BC為130-0mm；
所述的直線步進(jìn)電機(jī)額定驅(qū)動力F＝90N；
所述的大臂外展運動范圍為0°-90°；
所述的上鉸鏈支座(1)和下鉸鏈支座(2)的中心距AO的長度x1＝60.0613mm；
所述的直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿(5)軸線CB’處于初始垂直方向時，∠AOC的度數(shù)x2＝51.6906°；
所述的上鉸鏈支座(1)中心點O到螺桿(5)上的螺母塊(6)上移端點C的距離OC長度x3＝119.9944mm；
所述的上鉸鏈支座(1)的中心點O與螺桿上的螺母塊上移端點C之間的連線OC與直線步進(jìn)電機(jī)螺桿軸線CB’的夾角∠OCB’的度數(shù)x4＝128.4903°；
所述的手臂重力矩最大時電機(jī)輸出的驅(qū)動力矩M′d＝9.6338Nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大臂驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法，它包括以下內(nèi)容確定直線電機(jī)驅(qū)動的大臂的安裝結(jié)構(gòu)形式；確定設(shè)計中待優(yōu)化變量；建立大臂力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；建立約束函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)；采用有約束優(yōu)化算法求得本結(jié)構(gòu)的綜合最優(yōu)解；輸出優(yōu)化設(shè)計結(jié)果及其運動仿真圖形。本發(fā)明從電機(jī)安裝空間，電機(jī)傳動效率，手臂運動范圍，需要的最大輸出力矩等多方面的因素考慮，求得一個綜合最優(yōu)解。
文檔編號B25J18/00GK101797755SQ20101010990
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月6日
發(fā)明者樊炳輝, 江浩, 張志獻(xiàn), 孫愛芹, 孫高祚, 王傳江, 徐文尚, 鄒吉祥, 樊東哲 申請人:山東科技大學(xué)