CN107097251A - 一种机器人关节驱动机构以及其中弹性元件刚度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节驱动机构以及其中弹性元件刚度确定方法。根据本发明的机器人关节驱动机构包括：机械臂驱动机构及连接所述机械臂驱动机构的弹性元件；其中利用弹性元件的弹性变形抵消机械臂驱动机构的重力矩，以减小驱动电机为驱动机械臂驱动机构所需的扭矩。本发明利用弹性元件提供与重力矩方向相反的力矩，以达到减小对电机力矩的需求，降低成本；较之增加配重等方法，力矩随位置变化而变化，更为高效，结构简单紧凑，且不增加旋转惯量。

Description

一种机器人关节驱动机构以及其中弹性元件刚度确定方法

技术领域

本发明涉及机械领域，尤其涉及一种利用弹性元件势能减小驱动力矩的机器人关节驱动机构、以及一种用于这种机器人关节驱动机构的弹性元件刚度确定方法。

背景技术

对于大多数机械设备，其驱动过程中需要抵消重力等位能负载的影响。比如，在机械臂抬起时，需要克服其重力乘以力臂产生的力矩；而且，在起重设备变幅时，需要抵消重力产生的力矩。重力产生的此类力矩，往往与负载的具体位置有关，并且需要电机提供相应的驱动扭矩。驱动扭矩越大，则需要选择具有更大驱动扭矩的更大的驱动装置，增加成本。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够减小所需的驱动装置提供驱动扭矩的技术方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够减小所需的驱动电机扭矩的机器人关节驱动机构。

为实现上述目的，本发明提供了一种机器人关节驱动机构，包括：机械臂驱动机构及连接所述机械臂驱动机构的弹性元件；其中利用弹性元件的弹性变形抵消机械臂驱动机构的重力矩，以减小驱动装置为驱动机械臂驱动机构所需的扭矩。

优选地，所述弹性元件是扭转弹簧，而且机械臂驱动机构包括驱动装置基座、基座上的挡块、驱动装置、机械臂连杆和机械臂负载，其中扭转弹簧的一端通过挡块连接在驱动装置基座上，扭转弹簧的另一端与机械臂连杆连接，连杆的一端与驱动装置的转轴相连，连杆的另一端与机械臂负载相连；当机械臂不处于竖直向上位置时，扭转弹簧提供的扭转力矩方向与机械臂负载与机械臂连杆自重两者所产生的重力矩方向相反。

优选地，所述弹性元件是皮筋，而且机械臂驱动机构包括驱动装置基座、驱动装置基座上的固定压块、驱动装置、机械臂连杆和机械臂负载，其中皮筋的一端通过固定压块连接在驱动装置基座上，皮筋的另一端则与机械臂连杆连接，连杆连接驱动装置转轴和机械臂负载；当机械臂不处于竖直向上位置时，皮筋伸长并产生弹力，皮筋伸长所产生的弹力提供的扭转力矩方向与机械臂负载与机械臂连杆自重两者所产生的重力矩方向相反。

优选地，根据机械臂驱动机构的重力矩与弹性元件的弹簧力矩之差最小的原则来确定弹性元件的刚度。

优选地，根据机械臂驱动机构的重力矩与弹性元件的弹簧力矩之差在机械臂驱动机构的整个运动范围内的积分最小的原则来确定弹性元件的刚度。

为实现上述目的，本发明还提供了一种用于上述机器人关节驱动机构的弹性元件刚度确定方法，包括：

第一步骤：确定机械臂驱动机构关节的转角范围；

第二步骤：根据转角范围计算出机械臂关节上的负载；

第三步骤：根据实际工况测量各转角及转角上对应的外载荷的出现概率，并获取概率函数；

第四步骤：根据弹簧机械特征，设定弹性元件刚度公式，并获取扭矩关于转角的函数；

第五步骤：计算预定的评判标记函数；

第六步骤：利用评判标记函数求解第四步骤中设定的弹性元件刚度公式，根据求解结果对弹性元件刚度进行设计。

优选地，在第一步骤中根据工作需求确定机械设备关节的转角范围。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是根据本发明利用扭簧的回复力矩的曲线。图中两条曲线的差值是驱动装置需要提供的驱动扭矩，只要选用合适的弹性元件，弹簧提供的回复力矩与重力矩的差值可以小于单纯的重力矩，达到本发明所期望的效果。

图2根据本发明是利用直线弹簧提供回复力的机构。

图3A和图3B是根据本发明第一优选实施例的机器人关节驱动机构的示意图。

图4A和图4B是根据本发明第二优选实施例的机器人关节驱动机构的示意图。

图5A和图5B是根据本发明第三优选实施例的机器人关节驱动机构的示意图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了减小驱动电机的扭矩，本发明通过增加与工作载荷相反方向载荷的方式来减小载荷的总合。本发明公开了一种利用弹性元件(如扭簧或线性弹簧等)的弹性变形，抵消部分工作载荷，以达成减小驱动电机扭矩的目的。

本发明在关节上安装弹性元件(如扭簧或线性弹簧等)，通过抵消部分重力矩，达到减小电机实际输出扭矩的效果。其中，弹性元件主要包括但不限于如下两类：(a)以扭簧作为弹性元件；(b)以线性拉伸弹簧或皮筋作为弹性元件。

在本发明中，通过增加弹簧、扭簧等弹性元件，抵消重力等位能负载，使运动部件的平衡位置在所期望的位置，并根据一定的算法，确定所加弹性元件的刚度，以达到在整个活动空间中，所需要的驱动扭矩的最优化，该最优化原则可以是重力矩与弹簧力矩之差最小(力矩最小原则)，或者重力矩与弹簧力矩之差在整个运动范围内的积分最小(做功最小原则)。

具体地，例如，对于在回转装置，可以利用扭簧提供回复力矩，通过上述方式，令回复力矩与重力在所设计的平衡位置上产生的重力矩之和为0，随着角度变化，如图1所示，曲线为重力矩T随角度θ变化的曲线，直线为回复力矩，其交点为设计的平衡位置，在一定的工作范围内，两条力矩曲线的差值小于其中某条力矩曲线的值，以此减小扭矩。

或者，例如，对于线性运动装置，利用直线弹簧提供回复力，回复力在所需的位置处与重力相互抵消，随着位移变化，抵消重力分量变化的影响(如图2所示)，达到最优化。

由此，进一步地，为了更有效地实现减小力矩的目的，优选地设计计算弹性元件的刚度，以使得弹性元件输出的扭矩为最合适的大小。下面将描述以下三种衡量最合适弹簧刚度的方法：

1)力矩最小确定弹簧刚度的公式

式中，k_{min_T}为所设计的扭簧刚度；k为扭簧刚度；表示取k，令f(k)取最小值；f_{min_T}(k)为设计指标函数，其定义如公式(2)所列。

式中，θ为扭簧转角，即关节转角；m为负载质量；g为重力加速度；l为被驱动杆长度；θ_low和θ_up分别为关节转角的上下极限角度。

2)做功最小确定弹簧刚度的公式

式中，k_{min_W}为所设计的扭簧刚度；f_{min_W}(k)为设计指标函数，其定义如公式(4)所列。

式中，各符号定于与公式(2)中一致。

3)考虑作业中不同角度出现概率条件，做功最小确定弹簧刚度的公式

式中，k_{min_W_P}为所设计的扭簧刚度；f_{min_W_P}(k)为设计指标函数，其定义如式(6)所列。

式中，P(θ)为取值范围在0～1之间的概率函数，表示当前θ角在全部可行角度中出现的概率，根据具体应用场景确定，其余各符号定于与公式(2)中一致。

根据上述的计算，下面给出弹性元件的刚度的设计步骤，具体如下：

第一步骤：确定机械臂驱动机构关节的转角范围；例如在第一步骤中可以根据工作需求确定机械设备关节的转角范围。

第二步骤：根据转角范围计算出机械臂关节上的负载(即重力矩)；换言之，机械设备关节的负载是关于转角范围的函数；

第三步骤：根据实际工况测量各转角及转角上对应的外载荷的出现概率，并获取概率函数；

第四步骤：根据弹簧机械特征，设定弹性元件刚度公式，并获取扭矩关于转角的函数；

第五步骤：计算预定的评判标记函数；其中，例如，预定的评判标记函数是式(2)或(3)或(4)中的设计指标函数，但是预定的评判标记函数并不局限于式中所列的函数形式。

第六步骤：利用评判标记函数求解第四步骤中设定的弹性元件刚度公式，根据求解结果对弹性元件刚度进行设计。

下面将描述本发明的具体优选实施例。

第一实施例(扭转弹簧+限位机构)：利用扭簧减小机械臂驱动机构扭矩的一个实例。

如图3A和图3B所示，其中示出了本发明机器人关节驱动机构的机械臂驱动机构和扭矩弹簧连接的一种应用实例，其中的驱动装置具体为电机，其中：1为电机基座；2为在基座上的挡块；3为扭转弹簧；4为电机；5为机械臂连杆；6为机械臂负载。

扭转弹簧3的一头通过挡块2连接在电机基座1上，扭转弹簧3的另一头与机械臂连杆5连接。连杆5的一头与电机4的转轴相连，连杆5的另一头与机械臂负载6相连。当机械臂不处于竖直向上位置时，扭转弹簧3提供的扭转力矩方向与机械臂负载6与机械臂连杆5自重两者所产生的重力矩方向相反。上述扭转力矩与重力矩之差，则是在静止或匀速运动时电机需要提供的力矩，其关系参考图1所示的曲线。可见，力矩明显减小。

第二实施例(带伸长量的弹性元件+平移机构)：利用线性伸长的皮筋减小机械臂驱动机构扭矩的一个实例。

如图4A和图4B所示，其中示出了本发明机器人关节驱动机构的机械臂驱动机构和皮筋连接的一种应用实例，其中的驱动装置具体为液压马达，其中：11为液压马达基座；12为在基座上的固定压块；13为线性伸长的皮筋；14为液压马达；15为机械臂连杆；16为机械臂负载。

皮筋13的一头通过固定压块12连接在液压马达基座11上，皮筋13的另一头与机械臂连杆15连接。连杆连接液压马达转轴和机械臂负载。连杆15的一头与液压马达14的转轴相连，连杆15的另一头与机械臂负载16相连。当机械臂不处于竖直向上位置时，皮筋13伸长并产生弹力，皮筋13伸长所产生的弹力提供的扭转力矩方向与机械臂负载16与机械臂连杆15自重两者所产生的重力矩方向相反。上述扭转力矩与重力矩之差，则是在静止或匀速运动时液压马达需要提供的力矩，其关系参考图1所示的曲线。可见，力矩明显减小。

第三实施例：减小扭矩方法在两级机构上的应用

如图5A和图5B所示，为其中示出了本发明减小扭矩的技术方案在两级机构上的应用，采用是扭簧的方式。图中，21为负载重量，22为第二级连杆，连接负载和第二级电机；23为第二级挡块，限制第二级扭簧的旋转运动；24为电机基座，是整个机构的基础；25为第二级扭簧，其作用是为第二级提供弹性力扭矩，抵消部分位能负载，以减小第二级电机扭矩；26为基座挡块，限制第一级扭簧的旋转运动；27为第一级扭簧，其作用是为第一级电机提供弹性力扭矩，抵消部分未能负载，以减小第一级电机扭矩；28为第一级电机，作用为驱动第一级连杆绕第一级电机转轴转动；29为第一级连杆，连接第一级电机和第二级电机；30为第二级电机，作用为驱动第二级连杆绕第二级电机转轴转动。

总之，本发明利用弹性元件提供与重力矩方向相反的力矩，以达到减小对驱动装置输出力矩的需求，降低成本；较之增加配重等方法，力矩随位置变化而变化，更为高效，结构简单紧凑，且不增加旋转惯量。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种机器人关节驱动机构，其特征在于包括：机械臂驱动机构及连接所述机械臂驱动机构的弹性元件；其中利用弹性元件的弹性变形抵消机械臂驱动机构的重力矩，以减小驱动装置为了驱动机械臂驱动机构所需提供的扭矩。

2.如权利要求1所述的机器人关节驱动机构，其特征在于，所述弹性元件是扭转弹簧，而且机械臂驱动机构包括驱动装置基座、基座上的挡块、驱动装置、机械臂连杆和机械臂负载，其中扭转弹簧的一端通过挡块连接在驱动装置基座上，扭转弹簧的另一端与机械臂连杆连接，连杆的一端与驱动装置的转轴相连，连杆的另一端与机械臂负载相连；当机械臂不处于竖直向上位置时，扭转弹簧提供的扭转力矩方向与机械臂负载与机械臂连杆自重两者所产生的重力矩方向相反。

3.如权利要求1所述的机器人关节驱动机构，其特征在于，所述弹性元件是皮筋，而且机械臂驱动机构包括驱动装置基座、驱动装置基座上的固定压块、驱动装置、机械臂连杆和机械臂负载，其中皮筋的一端通过固定压块连接在驱动装置基座上，皮筋的另一端则与机械臂连杆连接，连杆连接驱动装置转轴和机械臂负载；当机械臂不处于竖直向上位置时，皮筋伸长并产生弹力，皮筋伸长所产生的弹力提供的扭转力矩方向与机械臂负载与机械臂连杆自重两者所产生的重力矩方向相反。

4.如权利要求1至3之一所述的机器人关节驱动机构，其特征在于，根据机械臂驱动机构的重力矩与弹性元件的弹簧力矩之差最小的原则来确定弹性元件的刚度。

5.如权利要求1至3之一所述的机器人关节驱动机构，其特征在于，根据机械臂驱动机构的重力矩与弹性元件的弹簧力矩之差在机械臂驱动机构的整个运动范围内的积分最小的原则来确定弹性元件的刚度。

6.一种用于权利要求1至5之一所述的机器人关节驱动机构的弹性元件刚度确定方法，其特征在于包括：

第一步骤：确定机械臂驱动机构关节的转角范围；

第二步骤：根据转角范围计算出机械臂关节上的负载；

第三步骤：根据实际工况测量各转角及转角上对应的外载荷的出现概率，并获取概率函数；

第四步骤：根据弹簧机械特征，设定弹性元件刚度公式，并获取扭矩关于转角的函数；

第五步骤：计算预定的评判标记函数；

第六步骤：利用评判标记函数求解第四步骤中设定的弹性元件刚度公式，根据求解结果对弹性元件刚度进行设计。