CN101797755B - 大臂驱动安装结构及其优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大臂驱动安装结构及其优化设计方法，它包括以下内容：确定直线电机驱动的大臂的安装结构形式；确定设计中待优化变量；建立大臂力学参数的动态数学模型；建立约束函数与目标函数；采用有约束优化算法求得本结构的综合最优解；输出优化设计结果及其运动仿真图形。本发明从电机安装空间，电机传动效率，手臂运动范围，需要的最大输出力矩等多方面的因素考虑，求得一个综合最优解。

Description

大臂驱动安装结构及其优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种机器人大臂或假肢大臂的驱动安装结构。 

背景技术

目前，在机器人大臂结构或假肢大臂结构的设计上，采用各种驱动结构来实现大臂负载状态下的外展运动。由于大臂的外形尺寸不能设计得很大，要有一定的仿生性，所以，如何在有限的结构空间内实现对大臂具有一定载荷条件下的高效外展驱动，是本领域技术人员需要解决的问题。 

发明内容

本发明的目的，是为解决上述问题而发明一种大臂驱动安装结构及其优化设计方法。 

为达上述目的，本发明的大臂驱动安装结构是一种演化的摆动导杆机构，该摆动导杆机构的结构是：在安装大臂的机架上固定有上铰链支座和下铰链支座；在上铰链支座上铰接有拐柄，拐柄前端固接在直线步进电机的机体上，直线步进电机螺杆上旋接一个螺母块，在螺母块上设有铰链，通过下铰链支座和螺母块上的铰链铰接上摇杆。拐柄和直线步进电机构成演化的摆动导杆机构的摆动导杆构件。 

当直线步进电机工作时，其螺杆转动并带动螺母块沿螺杆前后移动，进而带动摆动导杆构件摆动，以此实现大臂的外展运动。 

为满足假肢设计或机械手设计时对空间紧凑、驱动力小、耗能低等要求，实现大臂在一定的外形尺寸和一定负载条件下外展自如的目的，也就是说既要 保证直线步进电机在大臂重力矩最大时能够对大臂外展产生最大的驱动力矩，同时兼顾工作空间、结构空间、传动效率及各构件不能发生运动干涉等，本发明采用优化设计方法，其步骤如下： 

1、确定设计变量及其它参数的选取 

设上铰链支座的中心点为O、下铰链支座的中心点为A、直线步进电机螺杆轴线上的螺母块上移端点为C、螺杆轴线上的螺母块下移端点为B’、螺母块与摇杆的铰接中心点为B。 

取O、A两中心点间的距离AO长度为设计变量x₁(单位：mm)； 

取直线步进电机的螺杆轴线处于初始铅垂方向时的AO连线与OC连线间的夹角∠AOC为设计变量x₂(单位：度)； 

取O、C两点间的距离OC长度为设计变量x₃(单位：mm)； 

取∠OCB’为设计变量x₄(单位：度)； 

2、根据具体设计要求确定x₁、x₂、x₃、x₄的取值范围并进行初始化赋值； 

3、在大臂外展运动范围内，建立其驱动力矩M_d(单位：Nm)、重力矩M_z(单位：Nm)力学参数的动态数学模型如下： 

设：、手臂的重心在直线步进电机螺杆轴线CB’向下延长线上的P点上，当CB’处于初始铅垂方向时，大臂重心P与上铰链支座O在高度方向的距离为H(单位：mm)，则。 

$M_d=F\·\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\sqrt{x_3^2+{\mathrm{BC}}^2+2\·x_3\·\mathrm{BC}\·\cos x_4}/1000$

$M_z=m\·g\·\sqrt{{(x_3\·\sin x_4)}^2+H^2}\·\sin (\mathrm{arctg}\left(\frac{x_3\·\sin x_4}{H}\right)+\mathrm{\φ})/1000$

式中：F为电机额定推力(单位：N)； 

BC为螺母块沿螺杆轴线上、下移动时，B点到C点的距离(单位：mm)，是自变量；’ 

α＝∠ABC、β＝∠ABO运动中都是变量(单位：度)，可根据机构运动中自变量BC长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得； 

m为大臂重量(单位：kg)； 

g为重力加速度； 

φ为大臂转过的角度(单位：度)，运动中是变量，可根据机构运动中自变量BC长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得，取CB’处于初始铅垂方向时大臂的φ角为零。 

4、根据直线电机安装空间、各个构件的安装空间、直线电机位移量、传动效率、大臂运动范围、不能发生运动干涉各方面要求，确定设计变量的约束函数如下： 

g₁(x)＝(180°-x₄)-x₂≤0 

g₂(x)＝90°+x₂-θ_max≤0 

g₃(x)＝20°-α_min≤0 

g₄(x)＝θ_max-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，运动中是变量(单位：度)，可根据机构运动中自变量BC长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得，θ_max是∠AOC能达到的最大值，在CB’处于初始铅垂方向时θ₀＝x₂， 

α_min是∠ABC能达到的最小值(单位：度)， 

5、建立以直线步进电机在大臂重力矩最大时能够对大臂外展转动产生最大 的驱动力矩的目标函数： 

min f(x)＝M’-M_d’ 

其中M’表示某一定大于直线步进电机产生的驱动力矩的数值； 

M_d’表示在大臂重力矩最大时，电机对大臂能够产生的驱动力矩； 

f(x)表示目标函数，优化设计的结果是使得f(x)达到最小，即，使直线步进电机能在大臂重力矩最大时，对大臂产生最大的驱动力矩； 

6、根据设计变量、约束函数、手臂力学参数的动态数学模型及目标函数编制优化设计的计算机程序，并输入计算机进行运行，采用有约束的优化设计算法对各个设计变量x₁、x₂、x₃、x₄进行优化计算，直至达到期望的优化值； 

7、输出优化设计计算结果及其运动仿真图形。 

本发明的优点在于： 

1.采用了一种新型大臂外展运动的驱动方式和结构方式，其结构紧凑，输出力矩大，传动效率高，不会发生运动干涉。 

2.采用了优化设计方法，可以根据不同情况的需要，快速获得最佳的各个设计变量的参数值。 

参照附图1-附图3说明本发明的一个实施例。 

附图说明

图1是大臂外展驱动安装结构的原理示意图，其中图1a是大臂处于初始位置时的状态，图1b是大臂外展至水平位置时的状态。 

图例说明：1--上铰链支座  2--下铰链支座  3--拐柄  4--直线步进电机体5--直线步进电机螺杆  6--螺母块  7--摇杆  8--铰链。 

图2是对设计结果的运动仿真图形，显示了本结构的O、A、B、C各点及其构件在大臂外展运动过程中不同位置时的原理关系。 

图3是优化程序运行框图。 

具体实施方式

本发明的大臂外展驱动安装结构的原理如图1所示。 

本发明的大臂驱动安装结构是一种演化的摆动导杆机构，它的结构是：在安装大臂的机架上固定有上铰链支座1和下铰链支座2、在上铰链支座1上铰接有拐柄3、拐柄3前端固接在直线步进电机的机体4上、直线步进电机螺杆5上旋接一个螺母块6、在螺母块6与下铰链支座2之间通过铰链8铰接上摇杆7。拐柄3、固结在拐柄前端的直线步进电机体4和转动的直线步进电机螺杆5构成演化的摆动导杆机构的摆动导杆构件。当直线步进电机工作时，其螺杆5转动并带动螺母块6沿螺杆5前后移动，进而带动摆动导杆构件摆动，以此实现大臂的外展运动。 

下面以具体实例并参照附图说明优化设计的方法。 

已知条件；手臂重m＝10kg，其手臂重心在直线步进电机螺杆5轴线CB’延长线上，当CB’处于初始铅垂方向时，大臂重心P与上铰链支座1的中心点O在高度方向上的距离H＝330mm，直线步进电机上螺母块6沿螺杆5的移动范围BC为130-0mm，直线步进电机额定驱动力F＝90N，大臂外展运动范围为0°-90°。 

首先，用计算机语言对上述发明内容中所述的设计变量、约束函数、手臂力学参数的动态数学模型及目标函数编制优化设计的计算机程序，并输入计算机进行运行。本优化设计程序采用了复合形优化算法。复合形优化算法采用了清华大学出版社出版的《机械最优化设计》中第五章中公开的方法。计算机运行步骤如图3程序框图所示。 

经计算，主要优化设计结果为： 

1、上铰链支座1和下铰链支座2的中心距AO的长度x₁＝60.0613mm； 

2、直线步进电机的螺杆5轴线CB’处于初始垂直方向时，∠AOC的度数x₂＝51.6906°； 

3、上铰链支座1中心点O到螺杆5上的螺母块6上移端点C的距离OC长度x₃＝119.9944mm； 

4、上铰链支座1的中心点O与螺杆上的螺母块上移端点C之间的连线OC与直线步进电机螺杆轴线CB’的夹角∠OCB’的度数x₄＝128.4903°； 

5、手臂重力矩最大时电机输出的驱动力矩M′_d＝9.6338Nm。 

设计结果的运动仿真图形如图2所示，显示了本结构的O、A、B、C各点及其构件在大臂外展运动过程中不同位置时的原理关系。 

Claims (2)

1.一种大臂驱动安装结构的优化设计方法，其特征在于，该安装结构是在安装大臂的机架上固定有上铰链支座和下铰链支座；在上铰链支座上铰接有拐柄，拐柄前端固接在直线步进电机的机体上，直线步进电机螺杆上旋接一个螺母块，在螺母块上设有铰链，通过下铰链支座和螺母块上的铰链铰接上摇杆；拐柄和直线步进电机构成演化的摆动导杆机构的摆动导杆构件；这种安装结构的优化设计步骤如下：

第一步：确定设计变量及其它参数的选取

设上铰链支座的中心点为O、下铰链支座的中心点为A、直线步进电机螺杆轴线上的螺母块上移端点为C、螺杆轴线上的螺母块下移端点为B’、螺母块与摇杆的铰接中心点为B；

取O、A两中心点间的距离长度为设计变量x₁(单位：mm)；

取直线步进电机的螺杆轴线处于初始铅垂方向时的AO连线与OC连线间的夹角∠AOC为设计变量x₂(单位：度)；

取O、C两点间的距离OC长度为设计变量x₃(单位：mm)；

取∠OCB’为设计变量x₄(单位：度)；

第二步：根据具体设计要求确定x₁、x₂、x₃、x₄的取值范围并进行初始化赋值；

第三步：在大臂外展运动范围内，建立其驱动力矩M_d(单位：Nm)、重力矩M_z(单位：Nm)力学参数的动态数学模型如下：

设：手臂的重心在直线步进电机螺杆轴线CB’向下延长线上的P点上，当CB’处于初始铅垂方向时，大臂重心P与上铰链支座O在高度方向的距离为H(单位：mm)，则：

式中：F为电机额定推力(单位：N)；

BC为螺母块沿螺杆轴线上、下移动时，B点到C点的距离(单位：mm)，是自变量；

α＝∠ABC、β＝∠ABO运动中都是变量(单位：度)，可根据机构运动中自变量BC长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得；

m为大臂重量(单位：kg)；

g为重力加速度；

φ为大臂转过的角度(单位：度)，运动中是变量，根据机构运动中自变量BC长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得，取CB’处于初始铅垂方向时大臂的φ角为零；

第四步：根据直线电机安装空间、各个构件的安装空间、直线电机位移量、传动效率、大臂运动范围和不能发生运动干涉各方面要求，确定设计变量的约束函数如下：

g₁(x)＝(180°-x₄)-x₂≤0

g₂(x)＝90°+x₂-θ_max≤0

g₃(x)＝20°-α_min≤0

g₄(x)＝θ_max-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，运动中是变量(单位：度)，可根据机构运动中自变量BC 长度及各参数利用几何和三角函数知识编程求得，θ_max是∠AOC能达到的最大值，在CB’处于初始铅垂方向时θ₀＝x₂，

α_min是∠ABC能达到的最小值(单位：度)，

第五步：建立以直线步进电机在大臂重力矩最大时能够对大臂外展转动产生最大的驱动力矩的目标函数：

min f(x)＝M’-M_d’

其中M’表示某一定大于直线步进电机产生的驱动力矩的数值；

M_d’表示在大臂重力矩最大时，电机对大臂能够产生的驱动力矩；

f(x)表示目标函数，优化设计的结果是使得f(x)达到最小，即，使直线步进电机能在大臂重力矩最大时，对大臂产生最大的驱动力矩；

第六步：根据设计变量、约束函数、手臂力学参数的动态数学模型及目标函数编制优化设计的计算机程序，并输入计算机进行运行，采用有约束的优化设计算法对各个设计变量x₁、x₂、x₃、x₄进行优化计算，直至达到期望的优化值；

第七步：输出优化设计计算结果及其运动仿真图形。

2.如权利要求1所述的大臂驱动安装结构的优化设计方法，其特征在于，

所述的手臂重m＝10kg；

所述的大臂重心P与上铰链支座(1)的中心点O在高度方向上的距离H＝330mm；

所述的直线步进电机上螺母块(6)沿螺杆(5)的移动范围BC为130-0mm；

所述的直线步进电机额定驱动力F＝90N；

所述的大臂外展运动范围为0°-90°；

所述的上铰链支座(1)和下铰链支座(2)的中心距AO的长度x₁＝60.0613mm； 

所述的直线步进电机的螺杆(5)轴线CB’处于初始垂直方向时，∠AOC的度数x₂＝51.6906°；

所述的上铰链支座(1)中心点O到螺杆(5)上的螺母块(6)上移端点C的距离OC长度x₃＝119.9944mm；

所述的上铰链支座(1)的中心点O与螺杆上的螺母块上移端点C之间的连线OC与直线步进电机螺杆轴线CB’的夹角∠OCB’的度数x₄＝128.4903°；

所述的手臂重力矩最大时电机输出的驱动力矩M′_d＝9.6338Nm。 

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