本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種利用彈性元件勢(shì)能減小驅(qū)動(dòng)力矩的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、以及一種用于這種機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性元件剛度確定方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于大多數(shù)機(jī)械設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)過(guò)程中需要抵消重力等位能負(fù)載的影響。比如，在機(jī)械臂抬起時(shí)，需要克服其重力乘以力臂產(chǎn)生的力矩；而且，在起重設(shè)備變幅時(shí)，需要抵消重力產(chǎn)生的力矩。重力產(chǎn)生的此類(lèi)力矩，往往與負(fù)載的具體位置有關(guān)，并且需要電機(jī)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)扭矩。驅(qū)動(dòng)扭矩越大，則需要選擇具有更大驅(qū)動(dòng)扭矩的更大的驅(qū)動(dòng)裝置，增加成本。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種能夠減小所需的驅(qū)動(dòng)裝置提供驅(qū)動(dòng)扭矩的技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠減小所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括：機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接所述機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性元件；其中利用彈性元件的彈性變形抵消機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置為驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的扭矩。

優(yōu)選地，所述彈性元件是扭轉(zhuǎn)彈簧，而且機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)裝置基座、基座上的擋塊、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械臂連桿和機(jī)械臂負(fù)載，其中扭轉(zhuǎn)彈簧的一端通過(guò)擋塊連接在驅(qū)動(dòng)裝置基座上，扭轉(zhuǎn)彈簧的另一端與機(jī)械臂連桿連接，連桿的一端與驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)軸相連，連桿的另一端與機(jī)械臂負(fù)載相連；當(dāng)機(jī)械臂不處于豎直向上位置時(shí)，扭轉(zhuǎn)彈簧提供的扭轉(zhuǎn)力矩方向與機(jī)械臂負(fù)載與機(jī)械臂連桿自重兩者所產(chǎn)生的重力矩方向相反。

優(yōu)選地，所述彈性元件是皮筋，而且機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)裝置基座、驅(qū)動(dòng)裝置基座上的固定壓塊、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械臂連桿和機(jī)械臂負(fù)載，其中皮筋的一端通過(guò)固定壓塊連接在驅(qū)動(dòng)裝置基座上，皮筋的另一端則與機(jī)械臂連桿連接，連桿連接驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)軸和機(jī)械臂負(fù)載；當(dāng)機(jī)械臂不處于豎直向上位置時(shí)，皮筋伸長(zhǎng)并產(chǎn)生彈力，皮筋伸長(zhǎng)所產(chǎn)生的彈力提供的扭轉(zhuǎn)力矩方向與機(jī)械臂負(fù)載與機(jī)械臂連桿自重兩者所產(chǎn)生的重力矩方向相反。

優(yōu)選地，根據(jù)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力矩與彈性元件的彈簧力矩之差最小的原則來(lái)確定彈性元件的剛度。

優(yōu)選地，根據(jù)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力矩與彈性元件的彈簧力矩之差在機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的積分最小的原則來(lái)確定彈性元件的剛度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種用于上述機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性元件剛度確定方法，包括：

第一步驟：確定機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍；

第二步驟：根據(jù)轉(zhuǎn)角范圍計(jì)算出機(jī)械臂關(guān)節(jié)上的負(fù)載；

第三步驟：根據(jù)實(shí)際工況測(cè)量各轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角上對(duì)應(yīng)的外載荷的出現(xiàn)概率，并獲取概率函數(shù)；

第四步驟：根據(jù)彈簧機(jī)械特征，設(shè)定彈性元件剛度公式，并獲取扭矩關(guān)于轉(zhuǎn)角的函數(shù)；

第五步驟：計(jì)算預(yù)定的評(píng)判標(biāo)記函數(shù)；

第六步驟：利用評(píng)判標(biāo)記函數(shù)求解第四步驟中設(shè)定的彈性元件剛度公式，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)彈性元件剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

優(yōu)選地，在第一步驟中根據(jù)工作需求確定機(jī)械設(shè)備關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明利用扭簧的回復(fù)力矩的曲線(xiàn)。圖中兩條曲線(xiàn)的差值是驅(qū)動(dòng)裝置需要提供的驅(qū)動(dòng)扭矩，只要選用合適的彈性元件，彈簧提供的回復(fù)力矩與重力矩的差值可以小于單純的重力矩，達(dá)到本發(fā)明所期望的效果。

圖2根據(jù)本發(fā)明是利用直線(xiàn)彈簧提供回復(fù)力的機(jī)構(gòu)。

圖3a和圖3b是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖4a和圖4b是根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖5a和圖5b是根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類(lèi)似的元件標(biāo)有相同或者類(lèi)似的標(biāo)號(hào)。

具體實(shí)施方式

為了減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，本發(fā)明通過(guò)增加與工作載荷相反方向載荷的方式來(lái)減小載荷的總合。本發(fā)明公開(kāi)了一種利用彈性元件(如扭簧或線(xiàn)性彈簧等)的彈性變形，抵消部分工作載荷，以達(dá)成減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的目的。

本發(fā)明在關(guān)節(jié)上安裝彈性元件(如扭簧或線(xiàn)性彈簧等)，通過(guò)抵消部分重力矩，達(dá)到減小電機(jī)實(shí)際輸出扭矩的效果。其中，彈性元件主要包括但不限于如下兩類(lèi)：(a)以扭簧作為彈性元件；(b)以線(xiàn)性拉伸彈簧或皮筋作為彈性元件。

在本發(fā)明中，通過(guò)增加彈簧、扭簧等彈性元件，抵消重力等位能負(fù)載，使運(yùn)動(dòng)部件的平衡位置在所期望的位置，并根據(jù)一定的算法，確定所加彈性元件的剛度，以達(dá)到在整個(gè)活動(dòng)空間中，所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩的最優(yōu)化，該最優(yōu)化原則可以是重力矩與彈簧力矩之差最小(力矩最小原則)，或者重力矩與彈簧力矩之差在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的積分最小(做功最小原則)。

具體地，例如，對(duì)于在回轉(zhuǎn)裝置，可以利用扭簧提供回復(fù)力矩，通過(guò)上述方式，令回復(fù)力矩與重力在所設(shè)計(jì)的平衡位置上產(chǎn)生的重力矩之和為0，隨著角度變化，如圖1所示，曲線(xiàn)為重力矩t隨角度θ變化的曲線(xiàn)，直線(xiàn)為回復(fù)力矩，其交點(diǎn)為設(shè)計(jì)的平衡位置，在一定的工作范圍內(nèi)，兩條力矩曲線(xiàn)的差值小于其中某條力矩曲線(xiàn)的值，以此減小扭矩。

或者，例如，對(duì)于線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)裝置，利用直線(xiàn)彈簧提供回復(fù)力，回復(fù)力在所需的位置處與重力相互抵消，隨著位移變化，抵消重力分量變化的影響(如圖2所示)，達(dá)到最優(yōu)化。

由此，進(jìn)一步地，為了更有效地實(shí)現(xiàn)減小力矩的目的，優(yōu)選地設(shè)計(jì)計(jì)算彈性元件的剛度，以使得彈性元件輸出的扭矩為最合適的大小。下面將描述以下三種衡量最合適彈簧剛度的方法：

1)力矩最小確定彈簧剛度的公式

式中，kmin_t為所設(shè)計(jì)的扭簧剛度；k為扭簧剛度；表示取k，令f(k)取最小值；fmin_t(k)為設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)，其定義如公式(2)所列。

式中，θ為扭簧轉(zhuǎn)角，即關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；m為負(fù)載質(zhì)量；g為重力加速度；l為被驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度；θlow和θup分別為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的上下極限角度。

2)做功最小確定彈簧剛度的公式

式中，kmin_w為所設(shè)計(jì)的扭簧剛度；fmin_w(k)為設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)，其定義如公式(4)所列。

式中，各符號(hào)定于與公式(2)中一致。

3)考慮作業(yè)中不同角度出現(xiàn)概率條件，做功最小確定彈簧剛度的公式

式中，kmin_w_p為所設(shè)計(jì)的扭簧剛度；fmin_w_p(k)為設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)，其定義如式(6)所列。

式中，p(θ)為取值范圍在0～1之間的概率函數(shù)，表示當(dāng)前θ角在全部可行角度中出現(xiàn)的概率，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景確定，其余各符號(hào)定于與公式(2)中一致。

根據(jù)上述的計(jì)算，下面給出彈性元件的剛度的設(shè)計(jì)步驟，具體如下：

第一步驟：確定機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍；例如在第一步驟中可以根據(jù)工作需求確定機(jī)械設(shè)備關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍。

第二步驟：根據(jù)轉(zhuǎn)角范圍計(jì)算出機(jī)械臂關(guān)節(jié)上的負(fù)載(即重力矩)；換言之，機(jī)械設(shè)備關(guān)節(jié)的負(fù)載是關(guān)于轉(zhuǎn)角范圍的函數(shù)；

第三步驟：根據(jù)實(shí)際工況測(cè)量各轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角上對(duì)應(yīng)的外載荷的出現(xiàn)概率，并獲取概率函數(shù)；

第四步驟：根據(jù)彈簧機(jī)械特征，設(shè)定彈性元件剛度公式，并獲取扭矩關(guān)于轉(zhuǎn)角的函數(shù)；

第五步驟：計(jì)算預(yù)定的評(píng)判標(biāo)記函數(shù)；其中，例如，預(yù)定的評(píng)判標(biāo)記函數(shù)是式(2)或(3)或(4)中的設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)，但是預(yù)定的評(píng)判標(biāo)記函數(shù)并不局限于式中所列的函數(shù)形式。

第六步驟：利用評(píng)判標(biāo)記函數(shù)求解第四步驟中設(shè)定的彈性元件剛度公式，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)彈性元件剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

下面將描述本發(fā)明的具體優(yōu)選實(shí)施例。

第一實(shí)施例(扭轉(zhuǎn)彈簧+限位機(jī)構(gòu))：利用扭簧減小機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩的一個(gè)實(shí)例。

如圖3a和圖3b所示，其中示出了本發(fā)明機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和扭矩彈簧連接的一種應(yīng)用實(shí)例，其中的驅(qū)動(dòng)裝置具體為電機(jī)，其中：1為電機(jī)基座；2為在基座上的擋塊；3為扭轉(zhuǎn)彈簧；4為電機(jī)；5為機(jī)械臂連桿；6為機(jī)械臂負(fù)載。

扭轉(zhuǎn)彈簧3的一頭通過(guò)擋塊2連接在電機(jī)基座1上，扭轉(zhuǎn)彈簧3的另一頭與機(jī)械臂連桿5連接。連桿5的一頭與電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸相連，連桿5的另一頭與機(jī)械臂負(fù)載6相連。當(dāng)機(jī)械臂不處于豎直向上位置時(shí)，扭轉(zhuǎn)彈簧3提供的扭轉(zhuǎn)力矩方向與機(jī)械臂負(fù)載6與機(jī)械臂連桿5自重兩者所產(chǎn)生的重力矩方向相反。上述扭轉(zhuǎn)力矩與重力矩之差，則是在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)需要提供的力矩，其關(guān)系參考圖1所示的曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，力矩明顯減小。

第二實(shí)施例(帶伸長(zhǎng)量的彈性元件+平移機(jī)構(gòu))：利用線(xiàn)性伸長(zhǎng)的皮筋減小機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩的一個(gè)實(shí)例。

如圖4a和圖4b所示，其中示出了本發(fā)明機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和皮筋連接的一種應(yīng)用實(shí)例，其中的驅(qū)動(dòng)裝置具體為液壓馬達(dá)，其中：11為液壓馬達(dá)基座；12為在基座上的固定壓塊；13為線(xiàn)性伸長(zhǎng)的皮筋；14為液壓馬達(dá)；15為機(jī)械臂連桿；16為機(jī)械臂負(fù)載。

皮筋13的一頭通過(guò)固定壓塊12連接在液壓馬達(dá)基座11上，皮筋13的另一頭與機(jī)械臂連桿15連接。連桿連接液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)軸和機(jī)械臂負(fù)載。連桿15的一頭與液壓馬達(dá)14的轉(zhuǎn)軸相連，連桿15的另一頭與機(jī)械臂負(fù)載16相連。當(dāng)機(jī)械臂不處于豎直向上位置時(shí)，皮筋13伸長(zhǎng)并產(chǎn)生彈力，皮筋13伸長(zhǎng)所產(chǎn)生的彈力提供的扭轉(zhuǎn)力矩方向與機(jī)械臂負(fù)載16與機(jī)械臂連桿15自重兩者所產(chǎn)生的重力矩方向相反。上述扭轉(zhuǎn)力矩與重力矩之差，則是在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)需要提供的力矩，其關(guān)系參考圖1所示的曲線(xiàn)。可見(jiàn)，力矩明顯減小。

第三實(shí)施例：減小扭矩方法在兩級(jí)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用

如圖5a和圖5b所示，為其中示出了本發(fā)明減小扭矩的技術(shù)方案在兩級(jí)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用，采用是扭簧的方式。圖中，21為負(fù)載重量，22為第二級(jí)連桿，連接負(fù)載和第二級(jí)電機(jī)；23為第二級(jí)擋塊，限制第二級(jí)扭簧的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；24為電機(jī)基座，是整個(gè)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)；25為第二級(jí)扭簧，其作用是為第二級(jí)提供彈性力扭矩，抵消部分位能負(fù)載，以減小第二級(jí)電機(jī)扭矩；26為基座擋塊，限制第一級(jí)扭簧的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；27為第一級(jí)扭簧，其作用是為第一級(jí)電機(jī)提供彈性力扭矩，抵消部分未能負(fù)載，以減小第一級(jí)電機(jī)扭矩；28為第一級(jí)電機(jī)，作用為驅(qū)動(dòng)第一級(jí)連桿繞第一級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；29為第一級(jí)連桿，連接第一級(jí)電機(jī)和第二級(jí)電機(jī)；30為第二級(jí)電機(jī)，作用為驅(qū)動(dòng)第二級(jí)連桿繞第二級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

總之，本發(fā)明利用彈性元件提供與重力矩方向相反的力矩，以達(dá)到減小對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置輸出力矩的需求，降低成本；較之增加配重等方法，力矩隨位置變化而變化，更為高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，且不增加旋轉(zhuǎn)慣量。

上述說(shuō)明示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。