CN102825601B - 一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法 - Google Patents

Abstract

一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法：采用拟人式布置方式设置整个6自由度主手机器人，将6自由度主手机器人的第一个关节轴垂直布置，使第一个关节在重力作用下不会产生绕垂直轴线的回转运动；将手腕3个关节机构呈腕心布置，通过对称设计或配重设计使手腕机构的质心位于腕心处并与小臂杆件交于一点；利用平行四边形机构将小臂驱动电机后移到大臂关节一侧；通过大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重使整个主手位置机构实现重力平衡；在实施时，先做好腕部机构的重力平衡调整，然后再调整位置机构的重力平衡。本发明很好地解决了力感主手完全重力平衡问题。能够实现6自由度力感机器人的完全重力平衡，满足力雅克比方程成立条件，具有良好静态透明性。

Description

一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法

技术领域

本发明涉及一种机器人重力平衡方法。特别是涉及一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法。

背景技术

（1）目前国际上已经推出的力感机器人，如美国SensAbleTechnologies的PHANTOM系列力感机器人和法国Haption公司的Virtuose系列力感机器人等均没有实现完全重力平衡，仅是进行了位置机构的重力平衡设计。

如果主手没有完全重力平衡，表明机器人没有满足力雅克比计算前提条件，所计算出的关节力矩值存在一定的误差，将在一定程度上影响到主手机器人的力感精度。

（2）在专利号为CN102320040A的发明专利中，其自主调节平衡机构采用一个直流电机通过减速装置驱动和控制一个平衡滑块自动地对手臂机构进行自重补偿。考虑到腕部要作3维运动，因此其补偿效果受到不小的限制，除非腕部质心始终位于手臂上某一定点。

在专利号为CN102152299A的发明专利中，为腕关节机构各姿态架提供动力的电机置于小臂及姿态架内部。考虑到电机的质量不容无视，因此该发明机构存在较大的动态惯性力，会对力感精度与力感方向造成不小的影响。

在专利号为CN101623864A的发明专利中，其位置机构实现了重力平衡，但姿态机构没有进行重力平衡设计。

在专利号为CN101480798A的发明专利中，公开了一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，能够实现单自由度的力觉反馈。

在专利号为CN101439514A的发明专利中，公开了一种滑块式结构解耦六维力反馈装置，可做到六自由度无条件解耦，结构简单，容易控制，运动精度高。但由于没有进行重力平衡设计，除非能够采用其他的办法实现重力补偿，否则难以实现主动力感。

在专利号为CN101439515A的发明专利中，公开了一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，由固定基座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。由于也没有进行重力平衡设计，因此除非能够采用其他的办法实现重力补偿，否则也难以实现主动力感。

在专利号为CN101444431A的发明专利中，公开了一种用于辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手。没有提及重力平衡问题。

在专利号为CN201224104Y的发明专利中，公开了一种力反馈三自由度手控器的机构，由菱形连杆机构组件、手部机构、配重、支架、手柄连接件和配重连接件组成。实现了重力平衡，但发明机构仅具有3个自由度。

在专利号为CN101261781A的发明专利中，公开了一种五自由度力反馈虚拟手术器械，其允许的人体运动关节包括手臂的腕关节、肘关节和肩关节。没有提及重力平衡问题。

专利号为CN2772746Y的发明专利，涉及一种实现遥控操作机器人控制的人机接口装置，由数据手套和力反馈装置组成，在数据手套的手指和手掌上分别连接有连接扣，力反馈装置由缸体和活塞组成，在缸体的活塞运动空间内充有电流变液体。在工作原理上与新申请专利完全不同。

在专利号为CN1593861A的发明专利中，公开了一种可穿戴式的柔性外骨骼机械手，由肩部大3RPS并联机构、肩部滑环机构、两个肘部四杆机构、腕部滑环机构和腕部小3RPS并联机构依次串连而成，具有9个自由度，可满足人体上臂全方位运动的要求。该机械手采用气缸作为执行元件。在工作原理上与新申请专利完全不同。

专利号为CN1488474A的发明专利也是一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂。在工作原理上与新申请专利完全不同。

在专利号为CN1410232A的发明专利中，公开了一种6自由度通用型异构式机器人手控器（图1），由手部转动机构、支架和配重组成，支架上设双平行连杆机构，由3～4根联杆构成，联杆上有三个万向节。双平行连杆机构进行了重力平衡。在机器人构型等方面与新申请专利完全不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决6自由度力感主手实现完全重力平衡问题的拟人式6自由度机器人重力平衡方法。

本发明所采用的技术方案是：一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，包括如下步骤：

1）采用拟人式布置方式设置整个6自由度主手机器人，将6自由度主手机器人的第一个关节轴垂直布置，并使所述的第一个关节在重力作用下不会产生绕垂直轴线的回转运动；

2）将手腕3个关节机构呈腕心布置，通过对称设计或配重设计使手腕机构的质心位于腕心处并与小臂杆件交于一点；

3）利用平行四边形机构将小臂驱动电机后移到大臂关节一侧；

4）通过大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重使整个主手位置机构实现重力平衡；

5）在实施时，先做好腕部机构的重力平衡调整，然后再调整位置机构的重力平衡。

步骤2）的实现是首先通过对称设计或配重设计实现腕部3个关节机构的重力平衡设计，使得整个手腕机构的质心位于主手机器人小臂杆件上的一设定点。

步骤4）的实现是采用大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重，通过求解2元一次重力平衡方程，获得两个配重质量。

为了弥补计算等误差的影响，适当调节配重质量或位置。

所述的2元一次重力平衡方程是：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{r}_1-\frac{1}{2}{m}_3{l}_1-m_4{l}_1=0\\ m_2{r}_2-m_3{l}_2-m_4(l_2+r_4)=0\end{array}\right.$

其中，m₁是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重的总质量，m₂是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重的总质量，m₃连杆质量，m₄是小臂和腕部质量，r₁是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₂是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₄是小臂和腕部的共同的质心距小臂关节轴线的距离，l₁是曲柄长度，l₂是连杆长度。

本发明的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，很好地解决了力感主手完全重力平衡问题。能够实现6自由度力感机器人的完全重力平衡，满足力雅克比方程成立条件，具有良好静态透明性。此方法也同样适用于7自由度冗余力感主手的重力平衡设计问题。

附图说明

图1是本发明的大、小臂平衡原理图；

图2是本发明的第三杆件受力分析图；

图3是本发明的第四杆件受力分析图；

图4是本发明的第一杆件受力分析图；

图5是本发明的第二杆件受力分析图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，做出详细说明。

本发明的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，包括如下步骤：

1）采用拟人式布置方式设置整个6自由度主手机器人，将6自由度主手机器人的第一个关节轴垂直布置，并使所述的第一个关节在重力作用下不会产生绕垂直轴线的回转运动；

2）将手腕3个关节机构呈腕心布置，通过对称设计或配重设计使手腕机构的质心位于腕心处并与小臂杆件交于一定点；

首先通过对称设计或配重设计实现腕部3个关节机构的重力平衡设计，使得整个手腕机构的质心位于主手机器人小臂杆件上的一设定点。

3）利用平行四边形机构将小臂驱动电机后移到大臂关节一侧；

4）通过大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重使整个主手位置机构实现重力平衡。是采用大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重，通过求解2元一次重力平衡方程，获得两个配重质量，为了弥补计算等误差的影响，可以适当调节配重质量或位置。

所述的2元一次重力平衡方程是：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{r}_1-\frac{1}{2}{m}_3{l}_1-m_4{l}_1=0\\ m_2{r}_2-m_3{l}_2-m_4(l_2+r_4)=0\end{array}\right.$

只要满足该方程式，就能够实现大小臂机构的重力平衡。

其中，m₁是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重的总质量，m₂是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重的总质量，m₃连杆质量，m₄是小臂和腕部质量，r₁是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₂是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₄是小臂和腕部的共同的质心距小臂关节轴线的距离，l₁是曲柄长度，l₂是连杆长度。

上述的平衡原理如图1所示，第一设杆件1（包括大臂、大臂驱动电机Ⅰ以及大臂配重）、第二杆件2（包括曲柄、小臂驱动电机Ⅱ以及小臂配重）、第三杆件3（连杆）、第四杆件4（小臂和腕部）的质量分别为m₁、m₂、m₃、m₄。第一杆件1的oo₁段长度为l₁，第二杆件2的oo₂段长度为l₂，第三杆件3的o₂o₃段长度为l₃，第四杆件4的o₁o₃段长度为l₄。第一杆件1、第二杆件2的质心距离铰链o的长度分别为r₁、r₂；第三杆件3的质量均布，其质心位于杆件3的中间位置；第四杆件4的质心距离铰链o₃的长度为r₄。从而可以得到2元一次重力平衡方程，即大小臂机构重力平衡方程。

5）在实施时，先做好腕部机构的重力平衡调整，然后再调整位置机构的重力平衡。

下面结合图1－图5给出本发明的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法中大、小臂机构重力平衡原理具体推导过程如下：

设第一杆件1与x轴的夹角为θ₁，第二杆件2与x轴夹角为θ₂。第一设杆件1（包括大臂、大臂驱动电机Ⅰ以及大臂配重）、第二杆件2（包括曲柄、小臂驱动电机Ⅱ以及小臂配重）、第三杆件3（连杆）、第四杆件4（小臂和腕部）的质量分别为m₁、m₂、m₃、m₄。第一杆件1的oo₁段长度为l₁，第二杆件2的oo₂段长度为l₂，第三杆件3的o₂o₃段长度为l₃，第四杆件4的o₁o₃段长度为l₄。第一杆件1、第二杆件2的质心距离铰链o的长度分别为r₁、r₂；第三杆件3的质量均布，其质心位于杆件3的中间位置；第四杆件4的质心距离铰链o₃的长度为r₄。

下面分析第一杆件1到第四杆件4各个杆件所受的力和力矩。

图2中m₃g为第三杆件3所受的重力，F_23x、F_23y为第三杆件3受到杆件2施加的作用力，F_43x、F_43y为第三杆件3受到杆件4施加的作用力，方向如图4所示。

当第三杆件3关于铰链o₂力矩平衡，有：

$\frac{1}{2}{m}_{3}g{l}_3\cos {\mathrm{\θ}}_1+F_{43y}{l}_3\cos {\mathrm{\θ}}_1-F_{43x}{l}_3\sin {\mathrm{\θ}}_1=0---\left(1\right)$

第三杆件3在铰链o₂处受力平衡，有：

F_23y-m₃g-F_43y=0（2）

F_23x-F_43x=0（3）

同理，第四杆件4关于铰链o₃力矩平衡：

F_14xl₄sinθ₂+F_14yl₄cosθ₂-m₄gr₄cosθ₂=0（4）

第四杆件4在铰链o₃处受力平衡：

F_34x-F_14x＝0（5）

F_34y-m₄g-F_14y=0（6）

第一杆件1关于铰链o力矩平衡：

F_41yl₁cosθ₁-F_41xl₁sinθ₁+m₁gr₁cosθ₁=0（7）

第二杆件2关于铰链o力矩平衡：

F_32yl₂cosθ₂+F_32xl₂sinθ₂-m₂gr₂cosθ₂=0（8）

由于：

l₁=l₃、l₂=l₄；F_23x=F_32x、F_23y=F_32y；F_43x=F_34x、F_43y=F_34y；F_14x=F_41x、F_14y=F_41y，

公式（1）-(8)联立，得2元一次重力平衡方程：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{r}_1-\frac{1}{2}{m}_3{l}_1-m_4{l}_1=0\\ m_2{r}_2-m_3{l}_2-m_4(l_2+r_4)=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

只要满足上述重力平衡方程就能够实现大小臂机构的重力平衡。

Claims (3)

1.一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用拟人式布置方式设置整个6自由度主手机器人，将6自由度主手机器人的第一个关节轴垂直布置，并使所述的第一个关节在重力作用下不会产生绕垂直轴线的回转运动；

2)将手腕3个关节机构呈腕心布置，通过对称设计或配重设计使手腕机构的质心位于腕心处并与小臂杆件交于一点，即首先通过对称设计或配重设计实现腕部3个关节机构的重力平衡设计，使得整个手腕机构的质心位于主手机器人小臂杆件上的一设定点；

3)利用平行四边形机构将小臂驱动电机后移到大臂关节一侧；

4)通过大臂驱动电机与配重以及小臂驱动电机与配重使整个主手位置机构实现重力平衡；重力平衡的实现是采用大臂驱动电机及大臂配重，以及小臂驱动电机及小臂配重，通过求解二元一次重力平衡方程，获得两个配重质量；

5)在实施时，先做好腕部机构的重力平衡调整，然后再调整位置机构的重力平衡。

2.根据权利要求1所述的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，其特征在于，步骤4)中为了弥补计算误差的影响，调节配重质量或位置。

3.根据权利要求1所述的一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，其特征在于，步骤4)中所述的二元一次重力平衡方程是：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{r}_1-\frac{1}{2}{m}_3{l}_1-m_4{l}_1=0\\ m_2{r}_2-m_3{l}_2-m_4\left(l_2+r_4\right)=0\end{array}\right.$

其中，m₁是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重的总质量，m₂是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重的总质量，m₃连杆质量，m₄是小臂和腕部质量，r₁是曲柄、小臂驱动电机以及小臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₂是大臂、大臂驱动电机以及大臂配重共同的质心距大臂关节轴线的距离，r₄是小臂和腕部的共同的质心距小臂关节轴线的距离，l₁是曲柄长度，l₂是连杆长度。