專利名稱：肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于機(jī)器人小臂或假肢小臂的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，在機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)或假肢小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采用各種驅(qū)動結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小臂在負(fù)載狀態(tài)下的彎曲與伸展動作。由于小臂的整體外形尺寸不能設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對小臂具有一定載荷條件下的高效驅(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)明一種小臂肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 為達(dá)上述目的，本發(fā)明的小臂肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)是一種演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，
由大臂、小臂和貫通式直線步進(jìn)電機(jī)組成；其中，大臂和小臂用肘關(guān)節(jié)鉸鏈鉸接在一起，大
臂上設(shè)有上鉸鏈支座，小臂上設(shè)有下鉸鏈支座，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體鉸接在大臂的
上鉸鏈支座上，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿前端鉸接在小臂的下鉸鏈支座上。 當(dāng)貫通式直線步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，螺桿在電機(jī)體中實(shí)現(xiàn)前后移動，進(jìn)而帶動小臂繞
肘關(guān)節(jié)鉸鏈轉(zhuǎn)動，以此實(shí)現(xiàn)小臂的彎曲與伸展運(yùn)動。 為滿足假肢設(shè)計(jì)或機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)對空間緊湊、驅(qū)動力小、耗能低等要求，實(shí)現(xiàn)小臂在一定的外形尺寸和一定負(fù)載條件下彎曲與伸展自如的目的，也就是說既要保證直線步進(jìn)電機(jī)在小臂活動范圍內(nèi)任何一處都能夠?qū)π”圻\(yùn)動產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動力矩，同時(shí)兼顧在有限的空間內(nèi)對各個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸要求和不發(fā)生運(yùn)動干涉的要求，本發(fā)明采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟如下 1、確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選擇 設(shè)上鉸鏈支座的中心點(diǎn)為0"下鉸鏈支座的中心點(diǎn)為02、肘關(guān)節(jié)鉸鏈的中心點(diǎn)為03、小臂的重心在P點(diǎn)處、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的垂線與過P點(diǎn)的水平線交與E點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的水平線與過點(diǎn)的垂線交與C點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的水平線與過02點(diǎn)的垂線交與D點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過點(diǎn)的垂線與過02點(diǎn)的水平線交與B點(diǎn)、小臂處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在水平方向上偏離03 —定值距離EP、小臂處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上偏離03 —定值距離E03。[OOO9]取C、 0!兩點(diǎn)間的距離(A長度為設(shè)計(jì)變量Xl (單位mm);
取B、C兩點(diǎn)間的距離BC長度為設(shè)計(jì)變量X2(單位mm);
取C、 03兩點(diǎn)間的距離C03長度為設(shè)計(jì)變量x3(單位mm);
取D、 03兩點(diǎn)間的距離D03長度為設(shè)計(jì)變量x4(單位mm);
2、根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定Xl、 x2、 x3、 x4的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值；[OOM] 3、在小臂運(yùn)動范圍內(nèi)，建立其重力矩Mz(單位Nm)、驅(qū)動力矩Md(單位Nm)力學(xué)參
5數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 AMi = abs(Mdi-Mzi)
f (x) = max (AM》 其中Mdi表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中某直線電機(jī)推動力產(chǎn)生的驅(qū)動力矩在小臂處 于不同位置時(shí)的數(shù)值，i = 1......n; Mzi表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中小臂重力矩在小臂處于不同位置時(shí)的數(shù)值，i = 1......n ; AMi表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中驅(qū)動力矩與小臂重力矩之差的絕對值在小臂處于
不同位置時(shí)的數(shù)值，i = 1......n，一般驅(qū)動力矩未必在任何工作位置都要大于小臂重力
矩，殘余的重力矩可采用某種重力矩平衡裝置來解決； f(x)是AMi中的最大值，是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小，即， 使得小臂在要求的狀態(tài)和活動范圍內(nèi)，其驅(qū)動力矩與小臂的重力矩之差絕對值的最大值達(dá) 到最小。 6、根據(jù)設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、小臂力學(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(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法對各個(gè)設(shè)計(jì)變量 Xl、 x2、 x3、 x4進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；
7 、輸出優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果及其運(yùn)動仿真圖形。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 1.采用了一種新型小臂肘關(guān)節(jié)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(yùn)動干涉。 2.采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)不同情況的需要，快速獲得最佳的各個(gè)設(shè)計(jì)變 量的參數(shù)值。 參照附圖1-附圖4說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。


圖1是小臂肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的原理示意圖，其中圖1. a是小臂處于初始位置 時(shí)的狀態(tài)，圖1. b是小臂處于某運(yùn)動位置時(shí)的狀態(tài)。 圖例說明l一大臂 2—小臂 3—直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體 4-上鉸鏈支座 5—直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿6—下鉸鏈支座7—肘關(guān)節(jié)鉸鏈。 圖2是對設(shè)計(jì)結(jié)果的運(yùn)動仿真圖形，顯示了上鉸鏈支座的中心點(diǎn)0p下鉸鏈支座的 中心點(diǎn)02、肘關(guān)節(jié)鉸鏈的中心點(diǎn)03及等價(jià)于電機(jī)螺桿伸出長度的連線在小臂運(yùn)動過程 中不同位置時(shí)的原理關(guān)系。
圖3是驅(qū)動力矩與小臂重力矩之差在不同位置時(shí)的變化曲線。
圖4是優(yōu)化程序運(yùn)行框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的小臂肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的原理如圖1所示。 本發(fā)明的小臂肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)是一種演化的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由大臂1、小臂2 和貫通式直線步進(jìn)電機(jī)組成；其中，大臂1和小臂2用肘關(guān)節(jié)鉸鏈7鉸接在一起，大臂1上 設(shè)有上鉸鏈支座4，小臂2上設(shè)有下鉸鏈支座6，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體3鉸接在大臂 1的上鉸鏈支座4上，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿5前端鉸接在小臂2的下鉸鏈支座6上。
當(dāng)貫通式直線步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，螺桿5在電機(jī)的機(jī)體3中實(shí)現(xiàn)前后移動，進(jìn)而帶動 小臂2繞肘關(guān)節(jié)鉸鏈7轉(zhuǎn)動，以此實(shí)現(xiàn)小臂2的彎曲與伸展運(yùn)動。
下面以具體實(shí)例說明優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。 已知條件小臂重m = 5kg，直線步進(jìn)電機(jī)額定驅(qū)動力為80N，小臂運(yùn)動范圍 0° -135° ，小臂處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在水平方向上偏離03的距離為EP = 40mm，小臂 處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上偏離03的距離為E03 = 200mm。
首先，用計(jì)算機(jī)語言對上述發(fā)明內(nèi)容中所述的設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、小臂力學(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(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行。本優(yōu)化 設(shè)計(jì)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(jì)》中第五章中公開的方法。計(jì)算機(jī)運(yùn)行步驟如圖4程序框圖所示。
經(jīng)計(jì)算，主要優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為 1、上鉸鏈支座4與肘關(guān)節(jié)鉸鏈7中心的高度差(A長度為Xl = 24. 1773mm
2、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)下鉸鏈支座6與肘關(guān)節(jié)鉸鏈7中心的高度差BC長 度為x2 = 17. 7877mm 3、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)上鉸鏈支座4與肘關(guān)節(jié)鉸鏈7中心的水平方向偏差 C03長度為x3 = 72. 3559mm 4、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)下鉸鏈支座6和肘關(guān)節(jié)鉸鏈7中心的水平方向偏差
D03長度為x4 = 70. 4325mm 5、目標(biāo)函數(shù)為f (x) = 6. 897Nm 設(shè)計(jì)結(jié)果的運(yùn)動仿真圖形如圖2所示，顯示了上鉸鏈支座的中心點(diǎn)0p下鉸鏈支座 的中心點(diǎn)02、肘關(guān)節(jié)鉸鏈的中心點(diǎn)03及等價(jià)于電機(jī)螺桿伸出長度的連線在小臂運(yùn)動過 程中不同位置時(shí)的原理關(guān)系。 驅(qū)動力矩與小臂重力矩之差在不同位置時(shí)的變化曲線如圖3所示。
權(quán)利要求
一種肘關(guān)節(jié)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)，由大臂、小臂和貫通式直線步進(jìn)電機(jī)組成；其中，大臂和小臂用肘關(guān)節(jié)鉸鏈鉸接在一起，大臂上設(shè)有上鉸鏈支座，小臂上設(shè)有下鉸鏈支座，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的機(jī)體鉸接在大臂的上鉸鏈支座上，貫通式直線步進(jìn)電機(jī)的螺桿前端鉸接在小臂的下鉸鏈支座上。
2. —種如權(quán)利要求1所述的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如下第一步確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選擇設(shè)上鉸鏈支座的中心點(diǎn)為Op下鉸鏈支座的中心點(diǎn)為02、肘關(guān)節(jié)鉸鏈的中心點(diǎn)為03、小臂的重心在P點(diǎn)處、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的垂線與過P點(diǎn)的水平線交與E點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的水平線與過點(diǎn)的垂線交與C點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過03點(diǎn)的水平線與過02點(diǎn)的垂線交與D點(diǎn)、當(dāng)小臂處于初始鉛垂位置時(shí)過點(diǎn)的垂線與過02點(diǎn)的水平線交與B點(diǎn)、小臂處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在水平方向上偏離03 —定值距離EP、小臂處于初始鉛垂位置時(shí)P點(diǎn)在高度方向上偏離03 —定值距離E03 ;取C、 0!兩點(diǎn)間的距離(A長度為設(shè)計(jì)變量Xl (單位mm);取B、 C兩點(diǎn)間的距離BC長度為設(shè)計(jì)變量x2 (單位mm);取C、03兩點(diǎn)間的距離C03長度為設(shè)計(jì)變量X3(單位mm);取D、03兩點(diǎn)間的距離D03長度為設(shè)計(jì)變量X4(單位mm);第二步根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定Xl、 x2、 x3、 x4的取值范圍并進(jìn)行初始化賦值；第三步在小臂運(yùn)動范圍內(nèi)，建立其重力矩Mz(單位Nm)、驅(qū)動力矩Md(單位Nm)力學(xué)參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型<formula>formula see original document page 2</formula>其中9為自變量(單位度)，是小臂相對于初始位置(肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為o)時(shí)的運(yùn)動增:數(shù)值，取值范圍是O。
-135° ;小是？03連線與過03點(diǎn)垂線間的夾角(單位度)，數(shù)值為負(fù)時(shí)，夾角在垂線左側(cè)，數(shù)值為正時(shí)，夾角在垂線右側(cè)，運(yùn)動中是變量；。=0203，是定值(單位mm);b = 0A，是定值(單位mm);a = 0^2，是變量(單位mm)，等價(jià)于直線步進(jìn)電機(jī)螺桿伸出長度；oc-ao+q^ZOi0302，運(yùn)動中是變量(單位度)，a 。是小臂在初始鉛垂位置時(shí)Z (^(^(^的角度，可根據(jù)各參數(shù)利用幾何和三角函數(shù)知識編程求得；；!^是動力臂(單位m);L2是重力臂(單位m);F是直線步進(jìn)電機(jī)額定推力(單位N);m為小臂重量(單位kg);g為重力加速度；第四步根據(jù)直線電機(jī)安裝空間、各個(gè)連桿的安裝空間、小臂運(yùn)動范圍、不能發(fā)生運(yùn)動干涉、傳動效率各方面要求，設(shè)計(jì)變量的約束函數(shù)如下gl (x)=10-Xl《0g2 (x)=x「55《0g3 (x)=10_x2《0g4 (x)=x2-40《0g5 (x)=40-x3《0g6 (x)=x3-120《0g7 (x)=40-x4《0g8 (x)=x4_x3《0g9 (x)=20° _a 0《0gio(x)=a 0-50°《0第五步建立以直線電機(jī)驅(qū)動力在小臂活動范圍內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與小臂重力矩與之差絕對值的最大值達(dá)到最小的目標(biāo)函數(shù)AMi = abs(Mdi_Mzi)f (x) = max ( A M》其中Mdi表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中某直線電機(jī)推動力產(chǎn)生的驅(qū)動力矩在小臂處于不同位置時(shí)的數(shù)值，i = 1......n;M,i表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中小臂重力矩在小臂處于不同位置時(shí)的數(shù)值，i =[1......n ;AMi表示肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中驅(qū)動力矩與小臂重力矩之差的絕對值在小臂處于不同位置時(shí)的數(shù)值，i = 1......n，一般驅(qū)動力矩未必在任何工作位置都要大于小臂重力矩，殘余的重力矩可采用某種重力矩平衡裝置來解決；f(x)是AMi中的最大值，是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小，S卩，使得小臂在要求的狀態(tài)和活動范圍內(nèi)，其驅(qū)動力矩與小臂的重力矩之差絕對值的最大值達(dá)到最??；第六步根據(jù)設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、小臂力學(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(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法對各個(gè)設(shè)計(jì)變量Xl、 x2、 x3、 x4進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；第七步輸出優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果及其運(yùn)動仿真圖形。
3.如權(quán)利要求2所述的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的小臂重m = 5kg ;所述的直線步進(jìn)電機(jī)額定驅(qū)動力為80N ;所述的小臂運(yùn)動范圍O。
-135° ;所述的P點(diǎn)在水平方向上偏離03的距離為EP = 40mm ;所述的P點(diǎn)在高度方向上偏離03的距離為E03 = 200mm ;所述的上鉸鏈支座(4)與肘關(guān)節(jié)鉸鏈(7)中心的高度差(A長度為Xl = 24. 1773mm ;所述的下鉸鏈支座(6)與肘關(guān)節(jié)鉸鏈(7)中心的高度差BC長度為x2 = 17. 7877mm ;所述的上鉸鏈支座(4)與肘關(guān)節(jié)鉸鏈(7)中心的水平方向偏差0)3長度為& =72. 3559mm ;所述的下鉸鏈支座(6)和肘關(guān)節(jié)鉸鏈(7)中心的水平方向偏差003長度為& =70. 4325mm ;所述的目標(biāo)函數(shù)為f (x) = 6. 897Nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于貫通式直線電機(jī)驅(qū)動的經(jīng)過優(yōu)化的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。包括以下內(nèi)容確定貫通式直線電機(jī)驅(qū)動的肘關(guān)節(jié)的安裝結(jié)構(gòu)形式；確定設(shè)計(jì)中待優(yōu)化變量；建立肘關(guān)節(jié)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(jì)結(jié)果及其運(yùn)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(yùn)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(gè)綜合最優(yōu)解。
文檔編號A61F2/58GK101785717SQ20101010990
公開日2010年7月28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)明者孫愛芹, 孫高祚, 張志獻(xiàn), 徐文尚, 樊東哲, 樊炳輝, 江浩, 王傳江, 鄒吉祥 申請人:山東科技大學(xué)