CN104959997B - 机械手小臂拉力可调平衡装置及其参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手小臂拉力可调平衡装置及其参数优化设计方法，该装置是在机械手大臂平行四连杆机构的杆件和小臂两侧，左右对称铰接安装有两个气动拉力缸，在两个气动拉力缸与气源之间连接有气动压力控制回路；所述气动压力控制回路，主要由气源、稳压型减压阀、微雾分离器、电气比例压力阀、先导型减压阀及压力表连接构成；通过气动压力控制回路，实现对气动拉力缸供气压力的无级调控，使得气动拉力缸能够按照负载大小适当输出小臂所需要的平衡力矩，从而可在机械手空载及不同负载工况时，有针对性地对其工作范围内的小臂重力矩及负载重力矩进行有效平衡，使得小臂可用较小的驱动力矩实现对较大负载的搬运。

Description

机械手小臂拉力可调平衡装置及其参数优化设计方法

技术领域

本发明涉机械手领域，尤其涉及抓取式机械手小臂重力矩的平衡装置。

背景技术

目前的机械手手臂主要由基座、大臂、大臂平行四连杆、小臂、及手部等部件组成，各个关节均有电机驱动。机械手的重容比(机械手重量与负载重量之比)通常在10左右。

抓取式机械手手臂工作中，其小臂常常有空载或负载不同工况。当机械手小臂进行俯仰运动时，必然存在要克服机械手小臂、手部及负载三者重力矩的问题。当机械手的负载波动比较大时，必需用功率较大的驱动装置提供小臂驱动力矩，但在，这样会增加机械手的重容比。为了达到降低重容比的目的，有的采用了平衡装置，以满足机械手小臂在大负载情况下重力矩变化的需要。目前的气动平衡装置提供的拉力往往是恒定的，仅能提供衡定的平衡力矩，满足不了负载波动的要求。所以，如何使气动平衡装置在机械手小臂的负载工况变化时，能更有针对性地提供不同工况时所需要的平衡力矩，以大大降低驱动装置的输出力矩的需要、扩展机械手的负载范围、大大降低机械手的重容比、提高机械手应用的经济性和适应性，这是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题,本发明提出了一种机械手小臂拉力可调的气动平衡装置，并且提出了该装置的参数优化设计方法。

一种机械手小臂拉力可调平衡装置，其特征在于，所述的装置是在机械手大臂平行四连杆机构的杆件和小臂两侧左右对称铰接安装有两个气动拉力缸，气动拉力缸的尾端铰接点位于大臂平行四连杆机构的杆件上，气动拉力缸首端位于小臂上，在两个气动拉力缸与气源之间连接有气动压力控制回路；所述气动压力控制回路主要由气源、稳压型减压阀、微雾分离器、电气比例压力阀、先导型减压阀及压力表连接构成；通过气动压力控制回路实现对气动拉力缸供气压力的无级调控，使得气动拉力缸能够按照负载大小适当输出小臂所需要的平衡力矩；参数优化设计方法如下：

第一步，设计气动拉力缸两端分别在机械手大臂平行四连杆机构杆件和小臂上的安装位置参数以及空载状态下气动拉力缸的初始气压值，以使得空载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小；

第1.1步、设定计算点和设计参数

设机械手基座为点S，大臂俯仰关节为点O，位于点S正上方，大臂重心简化为点G；小臂俯仰关节为点O₁，小臂的重心简化为点G₁；手部始终保持水平姿态，手部俯仰关节为点O₂，手部及负载重心简化为点G₂；气动拉力缸的尾端铰接点P位于大臂平行四连杆机构的杆件上，而且在O₁点的正上方，这样，无论大臂怎样前后摆动，都不会影响小臂平衡装置的平衡效果，所以可以不考虑大臂的摆动位置问题；气动拉力缸首端铰接点为Q，点Q位于小臂上；大臂俯仰运动时与水平面的夹角为α，小臂俯仰运动时与水平面的夹角为β；

第1.2步、确定设计变量

取气动拉力缸尾端铰接点P与小臂俯仰关节点O₁的距离O₁P为变量X₁，单位为米，气动拉力缸首端铰接点Q与小臂俯仰关节点O₁的距离O₁Q为变量X₂，单位为米；气动拉力缸初始拉力X₃，单位为牛；小臂俯仰运动时与大臂的夹角的最大取值范围为[30°～150°]，且小臂与水平面夹角β不超过60°；取大臂与地面的夹角α为90°时进行计算，此时小臂活动范围最大，β为[-60°～60°]；此时小臂长度为定长O₁O₂，小臂俯仰关节点O₁到小臂重心G₁长度为定长O₁G₁，手部俯仰关节点O₂到手部及负载简化重心G₂的长度为定长O₂G₂，长度单位为米；小臂重量为m₁，手部重量为m₂，重量单位为公斤；

第1.3步、根据具体设计要求确定变量X₁、X₂、X₃的取值范围，作为约束条件，并随机对变量X₁、X₂、X₃进行初始化赋值：

确定X₁的取值范围为[0.04～0.20]米，X₂的取值范围为[0.05～0.50]米，X₃的取值范围为[10～2000]牛；

第1.4步、在小臂活动范围内，建立气动拉力缸的平衡力矩M_p，小臂俯仰重力矩M_x，手部俯仰重力矩M_s的力学数学模型，力矩的单位为牛米：

M_x＝m₁·g·L_x (1)

M_s＝m₂·g·L_s (2)

M_p＝X₃·L_p (3)

(1)(2)(3)式是随小臂俯仰位置而变化的，其中

g＝9.8米/秒²为重力加速度；

L_x为小臂重力臂长度：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位为米；

L_S为手部重力臂长度：L_s＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位为米；

L_P为气动拉力缸平衡力臂长度：单位为米；

(4)式中，PQ为气动拉力缸长度：单位为米；

第1.5、建立优化设计的目标函数

f_i(x)＝max(abs(ΔM_i)) (5)

f(x)＝min(f_i(x)) (6)

(5)式中，ΔM_i＝M_xi+M_si-M_pi，i＝1，2，3…n，表示小臂在俯仰过程各离散位置i时，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差，M_xi、M_si、M_pi分别表示小臂俯仰在各离散位置i时按照公式(1)、(2)、(3)计算的力矩值；(5)式表示取f_i(x)等于小臂在各个离散位置i上ΔM_i绝对值最大的那个值；

(6)式的f(x)是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)达到最小，即使得小臂空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第1.6步、根据上述设计变量、变量取值范围、机械手大臂平行四连杆机构的杆件活动范围、手部俯仰重力矩M_s的力学数学模型及目标函数，编制出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进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，确定出气动拉力缸安装位置参数X₁、X₂和气动拉力缸初始拉力X₃；

第1.7步、按照每个气动拉力缸承担初始拉力X₃的一半，由气动拉力缸结构参数，代入(7)式，可计算得到每个气动拉力缸在空载时所需的初始气压值

式中

p₀为气动拉力缸缸内初始气体压力，单位为兆帕；

X₃为气动拉力缸拉力，单位为牛；

D为气动拉力缸缸筒内径，单位为毫米；

d为气动拉力缸活塞杆直径，单位为毫米；

通过上述设计，使空载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到了最小；

第二步，设计气动拉力缸在负载情况下小臂俯仰运动过程中所需的动态气压，以使得负载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小，计算过程如下：

第2.1步、将第一步所得的X₁、X₂值分别给O₁P和O₁Q赋值；设抓取物体的负载重量为m₃，仍有小臂重量为m₁，手部重量为m₂；手部始终保持水平姿态；设气动拉力缸拉力为变量X₄，单位为牛，取其变化范围为[10～2000]牛，作为约束条件；

第2.2步、在小臂工作范围内，建立气动拉力缸的平衡力矩M_p’，小臂俯仰重力矩M_x，负载及手部重力矩M_f的力学参数数学模型，力矩单位为牛米；有

M_x＝m₁·g·L_x (8)

M_f＝(m₂+m₃)·g·L_f (9)

M_p’＝X₄·L_p’ (10)

(8)、(9)、(10)式是随小臂俯仰位置而变化的，其中

L_x为小臂重力臂长：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位米；

L_f为手部与负载重力臂长：L_f＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位米；

L_p’为气动拉力缸平衡力臂长：单位为米(11)；

(11)式中PQ为气动拉力缸长度：单位为米；

第2.3步、建立优化设计的目标函数

f_i(x)’＝max(abs(ΔM_i’)) (12)

f(x)’＝min(f_i(x)’) (13)

(12)式中，ΔM_i’＝M_xi+M_fi-M_pi’，i＝1，2，3…n，表示小臂俯仰运动过程各离散位置i时，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差，(12)式表示，取f_i(x)’等于在各离散位置i上ΔM_i’绝对值最大的那个值；M_xi、M_fi、M_pi’分别表示小臂俯仰在各离散位置i时按照公式(8)、(9)、(10)计算的力矩值；

(13)式的f(x)’是目标函数，优化设计的结果是使得f(x)’达到最小，即使得小臂在负载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第2.4步、根据设计变量、变量取值范围、机械手大臂平行四连杆机构的杆件活动范围、负载及手部重力矩M_f的力学参数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设计变量X₄进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，得到在该负载状态时所需气动拉力缸拉力值；

第2.5步、按照每个气动拉力缸承担拉力X₄的一半，由气动拉力缸结构参数，代入(14)式，可计算得到每个气动拉力缸在该负载时所需的气压值

式中

p为不同负载状态下气动拉力缸缸内气体压力，单位为兆帕；

X₄为不同负载状态下气动拉力缸缸拉力，单位为牛；

D为气动拉力缸缸筒内径，单位为毫米；

d为气动拉力缸活塞杆直径，单位为毫米。

本发明的工作方法如下：当确定出抓取目标物体所需气动拉力缸拉力后，就可通过气动压力控制回路来调节气动拉力缸内部的气体压力:使用先导型减压阀和电气比例压力阀,可以实现对气动拉力缸压力的无级调整控制，使得气动拉力缸能够任意地输出所需要的拉力，即，针对性地提供不同负载状态下所需的平衡力矩，使机械手小臂可以用较小的驱动力实现对重负载目标物体的搬运；机械手松开对重负载目标物体的夹持前，通过气动压力控制回路来调节气动拉力缸内部的气体压力回到初始气压，满足机械手空载时的平衡要求。

本发明气动拉力缸和气动压力控制回路，也可用液压缸和液压控制回路替代。

本发明也可在类似抓取式机械手起吊装置或搬运机械手等小臂上得到应用。

本发明的优点在于：对机械手小臂采用了一种拉力可调的气动平衡装置及其优化设计方法，可在机械手空载及不同负载工况时，有针对性地对其工作范围内的小臂重力矩及负载重力矩进行有效平衡，使得小臂可用较小的驱动力矩实现对较大负载的搬运，该装置具有结构空间紧凑、重力矩平衡效果好、所需驱动力矩小、允许负载变化范围大、耗能低、可大大降低机械手的重容比等优点。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明机械手小臂拉力可调气动平衡装置的结构原理图。

图2为气动压力控制回路原理图。

图3为实施例中所述机械手数学模型的结构简图。

图4为实施例中无负载时，采用和不采用本发明，小臂电机所需基本驱动力矩变化曲线的对照图。

图5为实施例中机械手负载为1公斤时，采用和不采用本发明，小臂电机所需基本驱动力矩变化曲线的对照图。

图6为实施例中机械手负载为5公斤时，采用和不采用本发明，小臂电机所需基本驱动力矩变化曲线的对照图。

图7为实施例中机械手负载为10公斤时，采用和不采用本发明，小臂电机所需基本驱动力矩变化曲线的对照图。

图中，100-机械手手臂，101-基座，102-大臂，103-大臂平行四连杆机构，104-小臂，105-手部，200-气动拉力缸，300-气动压力控制回路，301-稳压型减压阀，302-微雾分离器，303-电气比例压力阀，304-先导型减压阀，305-压力表，306-气源。

具体实施方式

如图1所示，抓取式机械手手臂100主要由基座101、大臂102、大臂平行四连杆机构103、小臂104及手部105部件组成。

本发明的小臂104拉力可调平衡装置如图1所示，在机械手大臂平行四连杆机构103上的一个杆件和小臂104两侧，左右对称安装有两个气动拉力缸200,每个气动拉力缸200的两端分别铰接在机械手大臂平行四连杆机构103和小臂104上，在两个气动拉力缸200与气源306之间连接有气动压力控制回路300；所述气动压力控制回路300如图2所示，主要由稳压型减压阀301、微雾分离器302、电气比例压力阀303、先导型减压阀304和压力表305连接构成；通过先导型减压阀304和电气比例压力阀303实现对气动拉力缸200内部压力的无级控制，使得气动拉力缸200能够按照负载大小适当输出小臂104所需要的平衡拉力。

下面以具体实例说明上述小臂104拉力可调平衡装置的设计方法。

已知条件：如图1、图3所示，机械手的小臂104的重量m₁＝2.5公斤，手部105重量m₂＝0.9公斤；机械手大臂102长度为OO₁＝0.55米，小臂104长度为O₁O₂＝0.55米，小臂104俯仰关节点O₁到小臂104简化重心点G₁长度为O₁G₁＝0.32米，手部105俯仰关节点O₂到手部105及负载简化重心点G₂长度为O₂G₂＝0.13米；取气动拉力缸200尾端铰接点P与小臂104俯仰关节点O₁的距离为O₁P，气动拉力缸200首端铰接点Q与小臂104俯仰关节点O₁的距离为O₁Q；取小臂104俯仰运动时与大臂102的夹角的最大取值范围为[30°～150°]，且小臂104与水平面夹角β不超过60°,手部105始终保持水平姿态；选用的两个气动拉力缸200的活塞杆直径10mm,缸筒内径20mm；

在安装气动平衡装置前，首先需要计算气动拉力缸200在空载时的安装位置参数,以及气动拉力缸200所需初始拉力。

而后，我们以负载分别为1公斤、5公斤、10公斤时为例，来计算气动拉力缸200在不同负载时所需的拉力；

上述小臂104拉力平衡装置的设计方法，如下：

第一步，设计气动拉力缸200两端分别在机械手大臂平行四连杆机构103和小臂104上的安装位置参数和空载状态下气动拉力缸200的初始气压值：

步骤1、设定计算点和设计参数

设机械手基座101为点S，大臂102俯仰关节为点O，位于点S正上方，大臂102重心简化为点G；小臂104俯仰关节为点O₁，小臂104的重心简化为点G₁；手部105俯仰关节为点O₂，手部105及负载的重心简化为点G₂；气动拉力缸200的尾端铰接点P位于大臂平行四连杆机构103的一个杆件上，这样,无论大臂102怎样前后摆动,铰接点P会一直处于小臂104俯仰关节点O₁的正上方,都不会影响到小臂104平衡装置的平衡效果,所以实施例可以不考虑大臂102的摆动位置问题；气动拉力缸200首端铰接点为点Q，点Q位于小臂104上。大臂102俯仰运动时与水平面的夹角为α，小臂104俯仰运动时与水平面的夹角为β，手部105始终保持水平姿态；

步骤2、确定设计变量

取气动拉力缸200尾端铰接点P与小臂104俯仰关节点O₁的距离O₁P为变量X₁，单位为米；气动拉力缸200首端铰接点Q与小臂104俯仰关节点O₁的距离O₁Q为变量X₂，单位为米；气动拉力缸200拉力为变量X₃，单位为牛；

取大臂102俯仰运动时与地面的夹角α为90°时进行计算，此时小臂104与水平面夹角β的取值范围最大，为[-60°～60°]；

步骤3、根据具体设计要求确定变量X₁、X₂、X₃的取值范围并随机进行初始化赋值：

确定，X₁的取值范围为[0.04～0.20]米；X₂的取值范围为[0.05～0.50]米；X₃的取值范围为[10～2000]牛。

步骤4、在小臂104活动范围内，建立气动拉力缸200的平衡力矩M_p，小臂104俯仰重力矩M_x，手部105俯仰重力矩M_s的力学数学模型，力矩的单位为牛米：

M_x＝m₁·g·L_x (1)

M_s＝m₂·g·L_s (2)

M_p＝X₃·L_p (3)

(1)(2)(3)式是随小臂104俯仰位置而变化的,其中

g＝9.8米/秒²为重力加速度；

L_x为小臂104重力臂长度：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位为米；

L_s为手部105重力臂长度：L_s＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位为米；

L_P为气动拉力缸200平衡力臂长度：单位为米；

(4)式中，PQ为气动拉力缸200长度：单位为米；

步骤5、建立优化设计的目标函数

f_i(x)＝max(abs(ΔM_i)) (5)

f(x)＝min(f_i(x)) (6)

(5)式中，ΔM_i＝M_xi+M_si-M_pi，i＝1，2，3…n,表示小臂104在俯仰过程各离散位置i时,气动拉力缸200产生的平衡力矩与小臂104及手部105重力矩之差，M_xi、M_si、M_pi分别表示小臂104俯仰在各离散位置i时按照公式(1)、(2)、(3)计算的力矩值；(5)式表示取f_i(x)等于小臂104在各个离散位置i上ΔM_i绝对值最大的那个值；

(6)式的f(x)是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)达到最小，即使得小臂104空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

步骤6、根据上述设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、手臂力学参数的数学模型及目标函数，编制出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进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果为：

X₁＝0.05米；

X₂＝0.50米；

X₃＝190牛；

可得目标函数为：f(x)＝0.58牛米；

步骤7、按照每个气动拉力缸200承担初始拉力X₃＝190牛的一半,由气动拉力缸200活塞杆直径10mm，缸筒内径20mm，代入(7)式，可得空载状态时每个气动拉力缸200内气体压力p₀＝0.40兆帕；

上述气动拉力缸200所需初始拉力计算结果见表1和图4，表1中第一栏0公斤负载即为空载；从图4看出，空载时，因气动拉力缸200的作用，实施例的小臂104在β为[-60°～60°]范围内运动时，小臂104的驱动电机所需基本驱动力矩的绝对值不超过0.58牛米，理论上，选择的电机输出扭矩大于0.58牛米即满足基本需要；如果不采用本发明方法，小臂104驱动电机所需基本驱动力矩在β角±60°处大约为5牛米,在β角0°处达到最大的9.6牛米,力矩曲线波动较大，理论上，选择的电机输出扭矩得大于9.6牛米才满足基本需要；

通过上述设计，使空载状态下小臂104俯仰运动过程中，气动拉力缸200产生的平衡力矩与小臂104、手部105的重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂104驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小；

第二步，设计气动拉力缸200在负载情况下小臂104俯仰运动过程中所需的动态气压，计算过程如下：

步骤1、将第一步所得的X₁、X₂值分别给O₁P和O₁Q赋值；确定抓取物体的负载重量m₃分别为1公斤、5公斤、10公斤；设气动拉力缸200的拉力为变量X₄，单位为牛，根据现有技术条件，取其变化范围为[10～2000]牛；

步骤2、在小臂104活动范围内，建立气动拉力缸200的平衡力矩M_p’，小臂104俯仰重力矩M_x，负载及手部105的重力矩M_f的力学参数数学模型，上述力矩的单位为牛米；有

M_x＝m₁·g·L_x (8)

M_f＝(m₂+m₃)·g·L_f (9)

M_p’＝X₄·L_p’ (10)

(8)、(9)、(10)式是随小臂104俯仰位置而变化的,其中

L_x为小臂104重力臂长：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位为米；

L_f为负载及手部105的重力臂长：L_f＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位为米；

L_p’为气动拉力缸200平衡力臂长：单位为米(11)；

(11)式中PQ为气动拉力缸200长：单位为米；

步骤3、建立优化设计的目标函数

f_i(x)’＝max(abs(ΔM_i’)) (12)

f(x)’＝min(f_i(x)’) (13)

(12)式中，ΔM_i’＝M_xi+M_fi-M_pi’，i＝1，2，3…n,表示小臂104俯仰运动过程各离散位置i时,气动拉力缸200产生的平衡力矩与小臂104上总体重力矩之差，(12)式表示，取f_i(x)’等于在各离散位置i上ΔM_i’绝对值最大的那个值；M_xi、M_fi、M_pi’分别表示小臂104俯仰在各离散位置i时按照公式(8)、(9)、(10)计算的力矩值；

(13)式的f(x)’是目标函数，优化设计的结果是使得f(x)’达到最小，即使得小臂104在负载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

步骤4、根据设计变量、变量取值范围、杆件活动范围、力学参数的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气动拉力缸200拉力X₄进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，得到在不同负载工况下所需气动拉力缸200的拉力X₄；计算结果如表1和图5-图7所示：

表1：空载和负载为1公斤、5公斤、10公斤时的优化设计相关数据

步骤5、按照每个气动拉力缸200承担拉力X₄的一半,由气动拉力缸200活塞杆直径10mm，缸筒内径20mm，代入(14)式，可计算得到每个气动拉力缸200在不同负载时所需的气压值，如表1所示；

由表1及图5-图7可以看出，本发明能对小臂104上述负载范围的重力矩进行有效平衡，理论上，被平衡掉的重力矩可达93％以上，可以大大降低对驱动小臂104所需动力矩的要求；本机械手的总重量(带基座及其电机等)不超过30公斤，其设计的负载重量可以达到10公斤，其重容比为3左右，相对通常的重容比为10左右的状况，本机械手的轻量化效果明显；不同负载时所需气动拉力缸200的拉力变化有一定规律可循，对于表1未涉及的负载所需气动拉力缸200的拉力可用插值法求出。

当确定出抓取目标物体所需气动拉力缸200内部压力值之后，可以通过气动压力控制回路300来实时调节气动拉力缸200内部气体压力：使用先导型减压阀304和电气比例压力阀303来实现对气动拉力缸200压力的实时无级调控，使得气动拉力缸200能够适当输出所需要的拉力，即，使得气动拉力缸200能够针对性地提供不同负载状态下所需的平衡力矩，使小臂104可以用较小的驱动力实现对重负载物体的搬运。机械手松开对重负载物体的夹持前，通过气动压力控制回路300来实时调节气动拉力缸200内部的气体压力回到第一步所得到的初始气压值，满足小臂104空载时重力矩平衡要求。

在负载较大时,对平衡装置拉力的调整也可采用液压缸与液压控制回路来实现,其基本原理相似；且本发明也可在简易机械手起吊装置或搬运机械手等小臂上得到应用。

本发明所涉及的优化设计方法及气动、液压控制系统知识等均为本领域内公知性内容，不再赘述。

Claims (2)

1.一种机械手小臂拉力可调平衡装置的参数优化设计方法，其特征在于，所述的装置是在机械手大臂平行四连杆机构的杆件和小臂两侧左右对称铰接安装有两个气动拉力缸，气动拉力缸的尾端铰接点位于大臂平行四连杆机构的杆件上，气动拉力缸首端位于小臂上，在两个气动拉力缸与气源之间连接有气动压力控制回路；所述气动压力控制回路主要由气源、稳压型减压阀、微雾分离器、电气比例压力阀、先导型减压阀及压力表连接构成；通过气动压力控制回路实现对气动拉力缸供气压力的无级调控，使得气动拉力缸能够按照负载大小适当输出小臂所需要的平衡力矩；参数优化设计方法如下：

第一步，设计气动拉力缸两端分别在机械手大臂平行四连杆机构杆件和小臂上的安装位置参数以及空载状态下气动拉力缸的初始气压值，以使得空载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小；

第1.1步、设定计算点和设计参数

设机械手基座为点S，大臂俯仰关节为点O，位于点S正上方，大臂重心简化为点G；小臂俯仰关节为点O₁，小臂的重心简化为点G₁；手部始终保持水平姿态，手部俯仰关节为点O₂，手部及负载重心简化为点G₂；气动拉力缸的尾端铰接点P位于大臂平行四连杆机构的杆件上，而且在O₁点的正上方，这样，无论大臂怎样前后摆动，都不会影响小臂平衡装置的平衡效果，所以可以不考虑大臂的摆动位置问题；气动拉力缸首端铰接点为Q，点Q位于小臂上；大臂俯仰运动时与水平面的夹角为α，小臂俯仰运动时与水平面的夹角为β；

第1.2步、确定设计变量

取气动拉力缸尾端铰接点P与小臂俯仰关节点O₁的距离O₁P为变量X₁，单位为米，气动拉力缸首端铰接点Q与小臂俯仰关节点O₁的距离O₁Q为变量X₂，单位为米；气动拉力缸初始拉力X₃，单位为牛；小臂俯仰运动时与大臂的夹角的最大取值范围为[30°～150°]，且小臂与水平面夹角β不超过60°；取大臂与地面的夹角α为90°时进行计算，此时小臂活动范围最大，β为[-60°～60°]；此时小臂长度为定长O₁O₂，小臂俯仰关节点O₁到小臂重心G₁长度为定长O₁G₁，手部俯仰关节点O₂到手部及负载简化重心G₂的长度为定长O₂G₂，长度单位为米；小臂重量为m₁，手部重量为m₂，重量单位为公斤；

第1.3步、根据具体设计要求确定变量X₁、X₂、X₃的取值范围，作为约束条件，并随机对变量X₁、X₂、X₃进行初始化赋值：

确定X₁的取值范围为[0.04～0.20]米，X₂的取值范围为[0.05～0.50]米，X₃的取值范围为[10～2000]牛；

第1.4步、在小臂活动范围内，建立气动拉力缸的平衡力矩M_p，小臂俯仰重力矩M_x，手部俯仰重力矩M_s的力学数学模型，力矩的单位为牛米：

M_x＝m₁·g·L_x (1)

M_s＝m₂·g·L_s (2)

M_p＝X₃·L_p (3)

(1)(2)(3)式是随小臂俯仰位置而变化的，其中

g＝9.8米/秒²为重力加速度；

L_x为小臂重力臂长度：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位为米；

L_S为手部重力臂长度：L_s＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位为米；

L_P为气动拉力缸平衡力臂长度：单位为米；

(4)式中，PQ为气动拉力缸长度：单位为米；

第1.5、建立优化设计的目标函数

f_i(x)＝max(abs(ΔM_i)) (5)

f(x)＝min(f_i(x)) (6)

(5)式中，ΔM_i＝M_xi+M_si-M_pi，i＝1，2，3…n，表示小臂在俯仰过程各离散位置i时，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差，M_xi、M_si、M_pi分别表示小臂俯仰在各离散位置i时按照公式(1)、(2)、(3)计算的力矩值；(5)式表示取f_i(x)等于小臂在各个离散位置i上ΔM_i绝对值最大的那个值；

(6)式的f(x)是目标函数，优化设计的结果就是使得f(x)达到最小，即使得小臂空载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第1.6步、根据上述设计变量、变量取值范围、机械手大臂平行四连杆机构的杆件活动范围、手部俯仰重力矩M_s的力学数学模型及目标函数，编制出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进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，确定出气动拉力缸安装位置参数X₁、X₂和气动拉力缸初始拉力X₃；

第1.7步、按照每个气动拉力缸承担初始拉力X₃的一半，由气动拉力缸结构参数，代入(7)式，可计算得到每个气动拉力缸在空载时所需的初始气压值

$p_0=\frac{2X_3}{\mathrm{\π}(D^2-d^2)}---\left(7\right)$

式中

p₀为气动拉力缸缸内初始气体压力，单位为兆帕；

X₃为气动拉力缸拉力，单位为牛；

D为气动拉力缸缸筒内径，单位为毫米；

d为气动拉力缸活塞杆直径，单位为毫米；

通过上述设计，使空载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到了最小；

第二步，设计气动拉力缸在负载情况下小臂俯仰运动过程中所需的动态气压，以使得负载状态下小臂俯仰运动过程中，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差的绝对值达到最小，也就是说使小臂驱动电机应该提供的基本驱动力矩达到最小，计算过程如下：

第2.1步、将第一步所得的X₁、X₂值分别给O₁P和O₁Q赋值；设抓取物体的负载重量为m₃，仍有小臂重量为m₁，手部重量为m₂；手部始终保持水平姿态；设气动拉力缸拉力为变量X₄，单位为牛，取其变化范围为[10～2000]牛，作为约束条件；

第2.2步、在小臂工作范围内，建立气动拉力缸的平衡力矩M_p’，小臂俯仰重力矩M_x，负载及手部重力矩M_f的力学参数数学模型，力矩单位为牛米；有

M_x＝m₁·g·L_x (8)

M_f＝(m₂+m₃)·g·L_f (9)

M_p’＝X₄·L_p’ (10)

(8)、(9)、(10)式是随小臂俯仰位置而变化的，其中

L_x为小臂重力臂长：L_x＝O₁G₁·cos(|β|)，单位米；

L_f为手部与负载重力臂长：L_f＝O₁O₂·cos(|β|)+O₂G₂，单位米；

L_p’为气动拉力缸平衡力臂长：单位为米(11)；

(11)式中PQ为气动拉力缸长度：单位为米；

第2.3步、建立优化设计的目标函数

f_i(x)’＝max(abs(ΔM_i’)) (12)

f(x)’＝min(f_i(x)’) (13)

(12)式中，ΔM_i’＝M_xi+M_fi-M_pi’，i＝1，2，3…n，表示小臂俯仰运动过程各离散位置i时，气动拉力缸产生的平衡力矩与小臂及手部重力矩之差，(12)式表示，取f_i(x)’等于在各离散位置i上ΔM_i’绝对值最大的那个值；M_xi、M_fi、M_pi’分别表示小臂俯仰在各离散位置i时按照公式(8)、(9)、(10)计算的力矩值；

(13)式的f(x)’是目标函数，优化设计的结果是使得f(x)’达到最小，即使得小臂在负载状态时所需的基本驱动力矩达到最小；

第2.4步、根据设计变量、变量取值范围、机械手大臂平行四连杆机构的杆件活动范围、负载及手部重力矩M_f的力学参数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设计变量X₄进行优化计算，直至达到期望的优化值；输出优化设计计算结果，得到在该负载状态时所需气动拉力缸拉力值；

第2.5步、按照每个气动拉力缸承担拉力X₄的一半，由气动拉力缸结构参数，代入(14)式，可计算得到每个气动拉力缸在该负载时所需的气压值

$p=\frac{2X_4}{\mathrm{\π}(D^2-d^2)}---\left(14\right)$

式中

p为不同负载状态下气动拉力缸缸内气体压力，单位为兆帕；

X₄为不同负载状态下气动拉力缸缸拉力，单位为牛；

D为气动拉力缸缸筒内径，单位为毫米；

d为气动拉力缸活塞杆直径，单位为毫米。

2.如权利要求1所述的机械手小臂拉力可调平衡装置的参数优化设计方法，其特征在于，所述的气动拉力缸和气动压力控制回路分别用液压缸和液压控制回路替代。