專利名稱：一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機器人重力平衡方法。特別是涉及一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法。
背景技術：
(I)目前國際上已經(jīng)推出的力感機器人，如美國SensAble Technologies的PHANTOM系列力感機器人和法國Haption公司的Virtuose系列力感機器人等均沒有實現(xiàn)完全重力平衡，僅是進行了位置機構的重力平衡設計。如果主手沒有完全重力平衡，表明機器人沒有滿足力雅克比計算前提條件，所計算出的關節(jié)力矩值存在一定的誤差，將在一定程度上影響到主手機器人的力感精度。 (2)在專利號為CN102320040A的發(fā)明專利中，其自主調(diào)節(jié)平衡機構采用一個直流電機通過減速裝置驅動和控制一個平衡滑塊自動地對手臂機構進行自重補償?？紤]到腕部要作3維運動，因此其補償效果受到不小的限制，除非腕部質心始終位于手臂上某一定點。在專利號為CN102152299A的發(fā)明專利中，為腕關節(jié)機構各姿態(tài)架提供動力的電機置于小臂及姿態(tài)架內(nèi)部?？紤]到電機的質量不容無視，因此該發(fā)明機構存在較大的動態(tài)慣性力，會對力感精度與力感方向造成不小的影響。在專利號為CN101623864A的發(fā)明專利中，其位置機構實現(xiàn)了重力平衡，但姿態(tài)機構沒有進行重力平衡設計。在專利號為CN101480798A的發(fā)明專利中，公開了一種力反饋手控器的高精度低慣性直線位移機構，能夠實現(xiàn)單自由度的力覺反饋。在專利號為CN101439514A的發(fā)明專利中，公開了一種滑塊式結構解耦六維力反饋裝置，可做到六自由度無條件解耦，結構簡單，容易控制，運動精度高。但由于沒有進行重力平衡設計，除非能夠采用其他的辦法實現(xiàn)重力補償，否則難以實現(xiàn)主動力感。在專利號為CN101439515A的發(fā)明專利中，公開了一種平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，由固定基座、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉動單元構成。由于也沒有進行重力平衡設計，因此除非能夠采用其他的辦法實現(xiàn)重力補償，否則也難以實現(xiàn)主動力感。在專利號為CN101444431A的發(fā)明專利中，公開了一種用于輔助微創(chuàng)外科手術機器人的三維力反饋主操作手。沒有提及重力平衡問題。在專利號為CN201224104Y的發(fā)明專利中，公開了一種力反饋三自由度手控器的機構，由菱形連桿機構組件、手部機構、配重、支架、手柄連接件和配重連接件組成。實現(xiàn)了重力平衡，但發(fā)明機構僅具有3個自由度。在專利號為CN101261781A的發(fā)明專利中，公開了一種五自由度力反饋虛擬手術器械，其允許的人體運動關節(jié)包括手臂的腕關節(jié)、肘關節(jié)和肩關節(jié)。沒有提及重力平衡問題。專利號為CN2772746Y的發(fā)明專利，涉及一種實現(xiàn)遙控操作機器人控制的人機接口裝置，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，在缸體的活塞運動空間內(nèi)充有電流變液體。在工作原理上與新申請專利完全不同。在專利號為CN1593861A的發(fā)明專利中，公開了一種可穿戴式的柔性外骨骼機械手，由肩部大3RPS并聯(lián)機構、肩部滑環(huán)機構、兩個肘部四桿機構、腕部滑環(huán)機構和腕部小3RPS并聯(lián)機構依次串連而成，具有9個自由度，可滿足人體上臂全方位運動的要求。該機械手采用氣缸作為執(zhí)行元件。在工作原理上與新申請專利完全不同。專利號為CN1488474A的發(fā)明專利也是一種面向人機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專利完全不同。在專利號為CN1410232A的發(fā)明專利中，公開了一種6自由度通用型異構式機器人手控器(圖1)，由手部轉動機構、支架和配重組成，支架上設雙平行連桿機構，由3 4根聯(lián)桿構成，聯(lián)桿上有三個萬向節(jié)。雙平行連桿機構進行了重力平衡。在機器人構型等方面與 新申請專利完全不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠解決6自由度力感主手實現(xiàn)完全重力平衡問題的擬人式6自由度機器人重力平衡方法。本發(fā)明所采用的技術方案是一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，包括如下步驟I)采用擬人式布置方式設置整個6自由度主手機器人，將6自由度主手機器人的第一個關節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個關節(jié)在重力作用下不會產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉運動；2)將手腕3個關節(jié)機構呈腕心布置，通過對稱設計或配重設計使手腕機構的質心位于腕心處并與小臂桿件交于一點；3)利用平行四邊形機構將小臂驅動電機后移到大臂關節(jié)一側；4)通過大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重使整個主手位置機構實現(xiàn)重力平衡；5)在實施時，先做好腕部機構的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機構的重力平衡。步驟2)的實現(xiàn)是首先通過對稱設計或配重設計實現(xiàn)腕部3個關節(jié)機構的重力平衡設計，使得整個手腕機構的質心位于主手機器人小臂桿件上的一設定點。步驟4)的實現(xiàn)是采用大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重，通過求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個配重質量。為了彌補計算等誤差的影響，適當調(diào)節(jié)配重質量或位置。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、大臂驅動電機以及大臂配重的總質量，m2是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重的總質量，m3連桿質量，m4是小臂和腕部質量，Γι是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅動電機以及大臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質心距小臂關節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長度，I2是連桿長度。本發(fā)明的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，很好地解決了力感主手完全重力平衡問題。能夠實現(xiàn)6自由度力感機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計問題。


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。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，做出詳細說明。本發(fā)明的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，包括如下步驟I)采用擬人式布置方式設置整個6自由度主手機器人，將6自由度主手機器人的第一個關節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個關節(jié)在重力作用下不會產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉運動；2)將手腕3個關節(jié)機構呈腕心布置，通過對稱設計或配重設計使手腕機構的質心位于腕心處并與小臂桿件交于一定點；首先通過對稱設計或配重設計實現(xiàn)腕部3個關節(jié)機構的重力平衡設計，使得整個手腕機構的質心位于主手機器人小臂桿件上的一設定點。3)利用平行四邊形機構將小臂驅動電機后移到大臂關節(jié)一側；4)通過大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重使整個主手位置機構實現(xiàn)重力平衡。是采用大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重，通過求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個配重質量，為了彌補計算等誤差的影響，可以適當調(diào)節(jié)配重質量或位置。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，就能夠實現(xiàn)大小臂機構的重力平衡。其中，Hi1是大臂、大臂驅動電機以及大臂配重的總質量，Hi2是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重的總質量，m3連桿質量，m4是小臂和腕部質量，Γι是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅動電機以及大臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質心距小臂關節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長度，I2是連桿長度。上述的平衡原理如圖I所示，第一設桿件I (包括大臂、大臂驅動電機I以及大臂配重)、第二桿件2 (包括曲柄、小臂驅動電機II以及小臂配重)、第三桿件3 (連桿)、第四桿件4 (小臂和腕部)的質量分別為π^π^π^π^。第一桿件I的OO1段長度為I1，第二桿件2的OO2段長度為I2,第三桿件3的O2O3段長度為I3，第四桿件4的O1O3段長度為14。第一桿件I、第二桿件2的質心距離鉸鏈ο的長度分別為;第三桿件3的質量均布，其質心位于桿件3的中間位置；第四桿件4 的質心距離鉸鏈O3的長度為r4。從而可以得到2元一次重力平衡方程，即大小臂機構重力平衡方程。5)在實施時，先做好腕部機構的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機構的重力平衡。下面結合圖I 一圖5給出本發(fā)明的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法中大、小臂機構重力平衡原理具體推導過程如下設第一桿件I與X軸的夾角為Q1，第二桿件2與X軸夾角為θ2。第一設桿件I(包括大臂、大臂驅動電機I以及大臂配重)、第二桿件2 (包括曲柄、小臂驅動電機II以及小臂配重)、第三桿件3 (連桿)、第四桿件4 (小臂和腕部)的質量分別為叫、!!^!^、!^。第一桿件I的OO1段長度為I1，第二桿件2的OO2段長度為I2,第三桿件3的O2O3段長度為I3,第四桿件4的O1O3段長度為14。第一桿件I、第二桿件2的質心距離鉸鏈ο的長度分別為Γι、r2 ;第三桿件3的質量均布，其質心位于桿件3的中間位置；第四桿件4的質心距離鉸鏈O3的長度為r4。下面分析第一桿件I到第四桿件4各個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?shù)谌龡U件3關于鉸鏈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
權利要求
1.一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，其特征在于，包括如下步驟 1)采用擬人式布置方式設置整個6自由度主手機器人，將6自由度主手機器人的第一個關節(jié)軸垂直布置，并使所述的第一個關節(jié)在重力作用下不會產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉運動； 2)將手腕3個關節(jié)機構呈腕心布置，通過對稱設計或配重設計使手腕機構的質心位于腕心處并與小臂桿件交于一點； 3)利用平行四邊形機構將小臂驅動電機后移到大臂關節(jié)一側； 4)通過大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重使整個主手位置機構實現(xiàn)重力平衡； 5)在實施時，先做好腕部機構的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機構的重力平衡。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，其特征在于，步驟2)的實現(xiàn)是首先通過對稱設計或配重設計實現(xiàn)腕部3個關節(jié)機構的重力平衡設計，使得整個手腕機構的質心位于主手機器人小臂桿件上的一設定點。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，其特征在于，步驟4)的實現(xiàn)是采用大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重，通過求解2元一次重力平衡方程，獲得兩個配重質量。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，其特征在于，為了彌補計算等誤差的影響，適當調(diào)節(jié)配重質量或位置。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，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、大臂驅動電機以及大臂配重的總質量，Hl2是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重的總質量，m3連桿質量，m4是小臂和腕部質量，Γι是曲柄、小臂驅動電機以及小臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r2是大臂、大臂驅動電機以及大臂配重共同的質心距大臂關節(jié)軸線的距離，r4是小臂和腕部的共同的質心距小臂關節(jié)軸線的距離，I1是曲柄長度，I2是連桿長度。
全文摘要
一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法采用擬人式布置方式設置整個6自由度主手機器人，將6自由度主手機器人的第一個關節(jié)軸垂直布置，使第一個關節(jié)在重力作用下不會產(chǎn)生繞垂直軸線的回轉運動；將手腕3個關節(jié)機構呈腕心布置，通過對稱設計或配重設計使手腕機構的質心位于腕心處并與小臂桿件交于一點；利用平行四邊形機構將小臂驅動電機后移到大臂關節(jié)一側；通過大臂驅動電機與配重以及小臂驅動電機與配重使整個主手位置機構實現(xiàn)重力平衡；在實施時，先做好腕部機構的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機構的重力平衡。本發(fā)明很好地解決了力感主手完全重力平衡問題。能夠實現(xiàn)6自由度力感機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B25J9/08GK102825601SQ20121033998
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權日2012年9月13日
發(fā)明者趙臣, 閆帥, 趙漢望, 范榮芳, 羅小明 申請人:天津大學