人机合作机器人重力平衡设计

为提高人-机器人合作的质量，研究了机器人机构的重力平衡方法，以减小其带给操作者的重力感受．对于关节式机器人结构，采用拉弹簧的方式对机器人重力进行较大范围的平衡；通过对弹簧刚度和预变形的设计，使得随着机构的运动，弹簧系统可以适当调节弹簧力以实现机构在各种位形下重力的自主平衡．在机器人运动范围内的若干点对设计方案进行了验证，各关节的残余重力矩是原始重力矩的1～10％．结果说明，该设计可以基本实现重力平衡．

基于盘式Halbach永磁阵列的重力平衡装置电磁力计算

提出了一种基于盘式永磁阵列的电磁式重力平衡装置,以实现真空下航天器的无接触自由运动。为了对该方案所产生电磁力进行计算,将盘式永磁结构等效为极距不同的直线阵列的积分。在不同区域内建立直线阵列的矢量磁位方程,通过求解该微分方程组,推导出电磁力解析表达式。对该表达式在径向积分,得到盘式阵列所产生的电磁力。利用ANSYS建立有限元模型,对该解析模型进行验证,两者平均相对误差为4.39%。

空间对接缓冲试验台对接环重力平衡技术

在空间对接机构地面缓冲实验平台上,为了模拟空间失重状态,研制了一种高精度、高响应速度的主动对接环重力平衡装置。介绍了对接环重力平衡装置的机构原理。对对接过程随动装置的随动性对系统的干扰进行了详细分析。进行了重力平衡器相关实验,从实验数据和理论分析可以得出:所设计的重力平衡装置完全满足对摩擦阻力和惯性阻力设计指标的要求,重力平衡达到1.1%的精度。

力反馈主手重力平衡方式改进

力反馈装置不仅需要实现静平衡,同时还要降低惯性提高动态透明性。文中采用弹簧补偿重力不平衡力矩的方式,改进了主手2,3关节的平衡结构,实现了主手在各种位形下的自主平衡。对改进方案的效果验证表明,在有效工作空间中各关节残余重力矩不超过4%,工作空间中各点的不平衡力小于0.1 N,主手的惯性力减小了71.2%,很大程度上提高了主手的动态性能。

机床垂直运动部件重力平衡方法的研究

给出了4种重力平衡方法,论述了各种平衡方法的工作原理,并以实际应用效果为基础,以部分试验结论为依据,阐明了各种平衡方法的特点及适用范围。

三臂式巡检机器人重力平衡及其转向越障方法

提出了一种由4组平行四边形机构串联组成的新型三臂式巡检机器人机构,该机构能够通过调节机器人的姿态来满足越障过程中的重力平衡要求。给出了机器人越障流程规划,并对转向越障中的关键步骤进行了分析,利用二分逼近优化算法搜寻满足重力平衡条件的越障姿态,给出了满足重力平衡约束条件的运动学逆解求取方法,实现了机器人重力平衡约束条件下的转向越障运动。分析结果表明,该新型三臂式巡检机器人具有转向跨越障碍的能力。

一种新型自适应康复外骨骼机构及重力平衡优化

针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴舒适度。为消除产生的附加力/矩,提出一种4R3P2R型自适应上肢康复外骨骼机构,并对其进行位置逆解及重力平衡优化。该型上肢康复外骨骼在肩、肘关节处采用PPRRRP和PRRR构型,支链PPRRRP与肩关节构成3-DOF恰约束人机闭链。同理,支链PRRR与肘关节构成平面2-DOF的恰约束人机闭链。在该外骨骼构型的基础上,建立人机闭链运动学模型,求其位置逆解,推导出任意位姿下外骨骼重力势能与上肢各关节转角间的函数关系。通过构型分析,可知外骨骼机构的第二主动关节主要完成肩关节前屈/后伸的康复训练,该关节受重力矩影响最为显著,因此,需对该主动关节进行重力平衡。在给定的上肢运动空间内,在外骨骼中添加零初长弹簧单元,以总势能波动最小为目标,建立重力平衡模型,对弹簧参数进行优化分析。进一步,对重力平衡模型进行数值仿真,结果表明零初长弹簧单元对外骨骼机构具有较好的平衡效果。

航天器对接六维试验台内装式重力平衡技术

为试验台主动对接环的重力平衡 ,研究了一种响应速度快、平衡力精度高 ,装在对接机构内部 ,适应高、低温环境的内装式重力平衡装置 .介绍了有关技术 :主动环实现三轴转动的球铰吊装机构 ;能够高速度、高精度地提供重力平衡力 ,并能实现自动随主动环上、下运动的智能型重力平衡技术 ;保证平衡器随主动环随动的轮轨式二维平动技术 ,经轻量化设计 ,其摩擦阻力和惯性阻力很小 ,并对轮 轨式方案进行了试验 ,当量摩擦系数仅为 0 .0 0 4 1 7.预计所研究装置的响应时间小于 1 0ms,各向失重模拟误差一般为 1 %～ 2 % .

康复外骨骼的人-机重力平衡策略

针对一种上肢康复外骨骼,提出了2种被动人-机重力平衡策略,以减小关节负载力矩、降低驱动电机功率.采用2套零初长弹簧单元作为重力平衡装置,以人-机系统在任意位姿下的势能总和保持恒定为理论依据,推导出人-机系统的完全重力平衡模型.为简化平衡系统及避免发生干涉,仅引入单套零初长弹簧单元,以人-机系统在给定运动范围内势能变化最小为优化目标,施以约束条件,对弹簧安装位置及劲度系数进行优化设计,实现人-机系统的部分重力平衡.通过计算人-机系统各位姿下的关节力矩,对2种平衡方式下的算例进行了对比分析.结果表明:完全平衡后各关节重力矩被完全消除,部分平衡后各关节重力矩被大部分消除,验证了2种平衡策略的合理性.

立式加工中心ATC机械手重力平衡装置

自动换刀装置是加工中心的一个重要组成部分。最早的加工中心换刀都是采用液压驱动方式完成的，不仅换刀时间长，而且可靠性差，难以适应现代加工的需要。近年来开发的凸轮式自动换刀装置很好地克服了上述缺点。具有控制简单、各动作之间协调性好、换刀速度快、可靠性高的优点。

一种6自由度力反馈主手重力平衡方法

透明性是力反馈主手核心性能之一,直接影响到主手的力反馈精度、运动精度,以及操作者的疲劳感。当运动速度不高时,能否减少甚至完全消除主手重力对人手的影响成为力反馈主手研制中的关键技术。文中提出了一种重力平衡方法,可以让包括位置机构与姿态机构在内的6自由度混联式主手实现完全重力平衡,具有优良的静态透明性。同时,为了应用于制造和生产,又对提出的重力平衡条件进行了误差灵敏度分析。结果表明,在众多影响因素中,杆件质量与质心位置造成的不平衡均可通过调整配重来补偿,而杆件尺寸的误差及手腕质心位置对透明性影响最大,无法通过调整配重来消除。为了减少手腕质心位置与杆件尺寸造成的影响,文中给出了杆件公差带布置方法与各公差的限制条件。试验表明,主手在理论上满足重力平衡条件以后,通过应用文中给出的结论,可在实际中很好地保证主手的重力平衡性能。

立式机床垂直运动部件重力平衡创新设计

分析现有机床垂直运动部件平衡机构存在的问题,解析影响机床的机构运动、运动同步、主轴及其驱动电机重力惯量平衡等关键问题,应用移植创新设计方法,有效提取相关功能件的特征,首次提出多功能部件组合解决机床垂直运动部件的重力平衡方法,并以降低机床垂直升降加速运动的运动惯量为目标函数,优化机床的整体布局结构,同时给出了关键零件的设计方法,对垂直运动部件的重力平衡机构进行了创新设计。

机器人重力平衡的计算机辅助设计

本文用简便、实用的方法,解决了具有复杂形状的零部件和工伯的机器人的重力平衡设计问题,给出了机器人重力平衡计算机三维模拟实现的具体方法。

6自由度重力平衡式手术显微镜机架运动学及工作空间分析

针对一种6自由度重力平衡式手术显微镜机架,进行运动学和工作空间分析,首先基于机架的总体结构和初定各个关节转动范围,根据该机架各关节的几何关系,建立D-H参数模型并对其进行正运动学分析,通过Matlab仿真验证了所建正运动学方程的正确性,然后根据机架末端坐标采用几何法求解出各个关节转动角度,最后基于蒙特卡洛法以点云图的形式表示出不同平衡方式的机架和头部小机架的工作空间.结果表明:该6自由度重力平衡式手术显微镜机架具有足够大的手术作业空间,能满足各科显微手术要求,并具有很好的操作灵活性,为今后手术显微镜机架的设计和改进提供重要参考.

铝电解槽上部结构件吊运重力平衡问题探讨

大型铝电解槽上部金属结构件的吊运过程是槽大修工作的重点和难点,解决好300kA槽上部吊运中的重力平衡问题,提高吊运过程的平稳性、可靠性和安全性,是确保槽大修工作安全有序的重要前提。

完全重力平衡下的力感主手手腕结构改进

力感主手的手腕对主手的动态性能影响很大。为提高主手的动态性能,在通用型力感主手的基础上,采用将捏持点从手腕腕心移出的方法对主手手腕结构进行改进。确定由于捏持点与手腕腕心不重合而产生的额外力矩不会对人的力感觉产生干扰的最大移出距离。在力感主手处于完全重力平衡的条件下,根据人机工程学提出手腕结构的改进方案,降低手腕质量,并提高了手腕结构的刚度,使主手末端的惯性力降低了57%,显著提升了主手的动态性能。

重力平衡式手术显微镜机架平衡机构设计与研究

以一种新型重力平衡式手术显微镜机架为研究对象,对其平衡机构进行设计和分析研究。首先,确定了平衡机构的平衡调节方案,并计算了单轴调节的相关参数以及不平衡力矩。然后,通过ABAQUS对平衡机构进行有限元分析,校核在危险位置时结构的强度和刚度。最后,对平衡机构进行优化,减轻质量。结果表明,单轴调节的平衡机构具备良好的平衡性能,且强度、刚度满足要求。经过改进后,质量减轻了14.8%,实现了轻量化。

机械臂重力平衡机构的设计与实验研究

传统无重力平衡机械臂因自重影响致使机械臂控制难度增大、动态特性变差,以被动重力平衡原理为基础,综合弹簧平衡机构和凸轮平衡机构进行机械臂重力平衡装置的设计。通过理论分析,推导出双关节机械臂的势能方程。建立机械臂三维模型并对其进行简化,简化后的模型导入ADAMS中进行动力学仿真。通过等比例缩小设计和制造双关节机械臂样机,搭建实验平台,对重力平衡装置进行实验验证。将仿真和实验结果导入MATLAB中进行数据处理。结果表明:该重力平衡装置能够有效实现机械臂的重力平衡。

基于重力平衡的袖子结构设计“2A”原理

基于人体静态和动态特征进行袖子结构设计,通过人体工学与结构力学的方法,分析袖子的运动功能、重力平衡形态和结构重力平衡机理,找到决定袖子结构重力平衡的人体关键点和关键角,从而提出袖子结构设计“2A”原理。采用此原理量取人体角度参数,顺应不同体型的手臂特征,从根本上解决了依靠经验数据制板和装袖难以预判袖子穿着效果的问题。

一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法

目的针对现有上肢康复机器人机械臂质量较大且其自体质量无法忽略等问题,基于重力平衡原理提出一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法。方法通过角度传感器检测肩关节屈/伸角度,将经过滤波的模拟量信号传送到单片机,单片机计算得到目标力矩,并作为控制参数发送到驱动器,驱动器驱动电机进入力矩模式并输出力矩,平衡上肢康复机器人机械臂重力。结果实验所用机械臂长度L_1=300 mm、L_2=300 mm,关节运动角度0°～140°,机械臂自体质量M_1=3.0 kg、M_2=4.4 kg;电机可提供最大力矩27 N·m、最大电流0.766 A;满足实验需求。在肩关节屈/伸角度范围为30°～120°的机械臂上选取7组角度进行实验。实验证明,在30°～75°内实际输出力矩大于理论输出力矩,机械臂保持平衡且有向上运动的趋势;在90°～120°内,实际输出力矩略小于理论力矩,机械臂保持平衡且有向下运动的趋势。结论实验证明,笔者设计能很好地实现机械臂重力平衡。