肩离断多自由度机器人型假肢肩部气动平衡机构的优化设计.pdf

第 7期 2 0 1 1年 1 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n uf a c t u r e 9 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 7 0 0 0 9 0 3 肩离断多自由度机器人型假肢肩部气动平衡 机 构 的优化设计 冰 樊炳辉邹吉祥孙 高祚孙爱芹郑 义 山东科技大学， 青岛 2 6 6 5 1 0 Op t i mi z a t i o n d e s i g n o n p n e u ma t i c b a l a n c e s t r u c t u r e o f MD0F r o b o t i c p r o s t h e s i s’ S s h o u l d e r F AN Bi n g h u i ， Z OU J i x i a n g ， S UN Ga o z n o ， S UN Ai q i n ， Z HENG Yi S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 ， C h i n a 喜 十 ’ ’ 1 1 一 斤 州斤 H ＼ M斤 斤 十 一 ＼妻 ’ 、 曩 斤 t 一 ／ H e ． ， ／ 卜 【 摘要】 肩离断多自由度机器人型假肢拥有 6 个自由度， 其肩部前后摆采用旋转电机驱动， 外摆 采用直线电机驱动。 为避免 空间干 涉以及减 小驱动力矩 ， 采用了一种气动支撑杆来实现对大臂关节重 力矩的平衡 。 设计 了气动支撑杆平衡结构形式， 确定 了结构设计 中的待优化变量， 建立起结构的运动数 学模型， 构造了结构设计的约束与目 标函数。 用有约束问题的最优化算法求得本结构的综合最优解， 最 后输出了优化设计计算结果及其运动仿真图形。 关键词 假肢； 气动平衡； M A T L A B； 最优化算法 【 A b s t r a c t 】T h e MD O F r o b o t i c p r o s t h e s i s h a s 6 d e g r e e s off r e e d o m , w h i c h s h o u l d e r j o i n t i s d r i v e n b y a r o t a t i n g m o t o r f o r s w i n g i n g b a c k a n d f o r t h a n d a l i n e a r mo t o r f o r l at e r a l s w i n gin g ． T o a v o i d i n t e r e n c e o f t h e s p a c e a n d r e d u c e d r i v i n g t o r q u e ， a p n e u m a t i c s u p p o r t b ar i s a d o p t e d t o b a l a n c e t h e w e i g h t t o r q u e oft h e s h o u l - d e r j o i n L A b a l a n c e s t r u c t u r e f o r t h e p n e u mati c s u p p o r t b ar i s d e s i g n e d ， and t h e o p t i m al v ari a b l e oft h e s t r u c t u r e i s d e t e r mi n e d a s w e l l ， t h e k i n e mat i c mat h e mat i c a l m o d e l i s t h e r e f o r e e s t a b l i s h e d a n d d e s i g n c o n s t r a i n t s and o b j e c t i v e f u n c t i o n i s c o n s t r u c t e v L B ase d o n w h i c h a c o m p r e h e n s i v e o p t i m al s o l u t i o ns i s g o t t e n b y t h e o p t i - mi z at i o n - a l g o r i t h m ofc o m p o u n d f o n 钆． w h i c h r e s u l t s a n d r e l at i v e k i n e mat i c s i mu l ati o n gra p h i c s are o u t p u t ． Ke y wo r d s P r o s t h e s i s ； P n e u ma t i c b a l a n c e ； M ATLAB； Op t i mi z a t i o n a l g o r i t h ms 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 1引言 肩离断多自由度机器人型假肢 上肢 的结构原理图， 如图 1 所示。 肩部转动关节由直流伺服电机经减速之后提供整个大臂的 9 0 。 前后旋转。 大臂的向外摆动运动采用直线电机驱动， 其中直线 电机固定 ，旋进螺母在螺杆转动的带动下实现手臂向外抬起 9 O 。 。 肘部摆动关节采用类似上臂摆动的结构， 可实现小臂 1 3 5 。 摆 动。手腕转动关节采用直流伺服电机经减速后实现驱动， 可实现 向内向外各 9 0 。 的旋转动作。手腕摆动关节采用直流伺服电机驱 动，经减速及一级伞齿轮变向实现手腕向上向下各 4 5 。 的俯仰。 手掌的开合采用直线电机驱动。为了减小肩部驱动力矩， 对大臂 肩部采用了气动平衡机构。如何设计该气动平衡机构， 以保证大 臂在其活动范围内有适当的安装空间、 不能自锁、 无运动干涉等， ★ 来稿 日 期 2 0 1 0 0 9 0 7★ 基金项目 山东省科技计划项目 2 0 0 8 G G 3 0 0 0 4 0 1 0 ， 青岛市科技计划项目 0 8 1 3 _ 4 I 『 c H 博士点基金 2 0 0 9 3 7 1 8 1 1 0 0 0 7 ， 山东省“ 泰山学者” 建设工程专项经费 参考文献 [ 1 ] 赵永辉． 大客车车身骨架结构拓扑优化设计[ D ] [ 硕士学位论文] ． 重 庆 武汉理工大学 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 陈新厂． 大功率风力发电机组轮毂的结构强度分析及优化没汁[ D ] ．_ 硕士 学位论文] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 博弈创作室． A N S Y S 9 ．0 经典产品高级分析技术于实力详解[ D ] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 1 0 ． [ 4 ] 尚晓江， 邱峰， 等． A N S Y S 结构有限元高级分析方法与范例应用[ D ] ．北 京 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 6 1 ． [ 5 ] 任重．A N S Y S 实用分析教程[ D ] E 京 北京大学出版社， 2 0 0 3 7 ． [ 6 ]张朝辉． A N S Y S 8 ．0 结构分析及实力解析[ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 姜香梅， 曾杰．风力机及其零部件载荷的确定方法[ J ] ． 新疆农业大学学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 5 2 7 4 - 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x 3 s in 1 L 2 、 ／ A P 0 A s i n 。 2 L 3 -- AF。 s i n y 2 3 - - AP‘ s i n ％ 4 M l ‘ L l 5 m。 g‘ L 2 6 l ‘ ， J3 7 m～ g ， J 4 8 式中 广 夕 展摆动时的平衡力臂 ； L 厂 外展摆动时的重力臂 ； 厂前后摆动时的平衡力臂； 广前后摆动时的重力臂； o e ． 一 大臂外摆角度； 自变量 7 一在正面视图中的／O E D， 在运动 中是变量， 可根据 O l 及各参数利用中学的几何知识 、 三角 函数知识编程求得 0 1 ／ O P A -- a 喘 9 式中 一在侧面视图中的 0 肋 ， 在运动中是变量， 可根据 d 及 各参数利用中学的几何知识、 三角函数知识编程求得； ， 一 大臂前后摆动角度， 自变量； r一大臂重量， 重心在 P点上； g 一重力加速度。 5建立结构设计的约束与 目标函数 根据大臂的结构空间、 支撑杆工作性能、 不能发生干涉等方 面要求， 设计了关于各个设计变量的约束函数 Gl l 一 5 0 0 _0 1 0 G 2 1 0 0 - x 1 --0 1 1 G3 2 -1 5 0 0 1 2 G 9 0 - x 2 - 0 1 3 G5 x 3 - O A--0 1 4 G6 6 0 - x 3 -0 1 5 以大臂在前、后摆动或外展摆动时气动支撑杆产生的平衡 No ． 7 J u l 2 0 1 1 机 械 设计 与 制造 1 l 力矩与大臂重力矩之差绝对值的最大值达到最小为目 标函数 m a x a b s V M 1 1 6 x m a x a b s V M 2 1 7 m i n ， m a x 1 8 式中 AM。 一 。 一大臂外展摆动时气动支撑杆产生的平衡 力矩与大臂重力矩之差在不同位置时的数值 ， i 1 ⋯⋯n ； △ ； 一大臂前后摆动时气动支撑杆产生的平衡力 矩与大臂重力矩之差在不同位置时的数值， i 1 ⋯⋯n _ _ 一 大臂外展摆动时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩 之差绝对值的最大值； 大臂前后摆动时气动支撑杆 产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝对值的最大值 ； -- f , 和 中的最大值 ， 是目标函数， 优化设计的结果 是使得 ．， 达到最小 ， 即， 使得大臂在前后摆动或外展摆动 时气动支撑杆产生的平衡力矩与大臂重力矩之差绝对值的 最大值达到最小。 6采用复合型最优化算法求得本结构的 综合最优解 当 O A 1 3 0 mm， 手臂重 1 0 k g ， 手臂重心在大臂关节点 O下 方A P线上的P点处， AP - 3 3 0 m m， 气动支撑杆下支撑点 E在大臂 关节点 O下方 A F 3 1 0 mm处， 运行 MA T L A B编制的优化程序， 采用复合形优化算法对大臂关节气动平衡结构进行优化设计【11 ， 主要优化设计结果为 l 3 9 9． 9 59 5N 9 1 ． 8 5 00 mm x3 60 ． 0 000 mm 3 ． 8 7 6 4 N m 8 ． 4 7 2 0 N m 8 ． 4 7 2 0 N m 7输出优化结果的运动仿真图形 根据以上得出的优化设计计算结果 ， 利用 MA T L AB编辑运 动仿真程序， 并输出以下仿真图形 如图 3 所示， 是对设计结果的运动仿真图形， 显示了大臂与 气动支撑杆在大臂外摆运动过程中的不同位置关系。 l 0 j I ⋯ i ⋯ 图3手臂外摆过程演示 如图4所示， 是对设计结果的运动仿真图形， 显示了大臂与 气动支撑杆在大臂前摆运动过程中的不同位置关系。 如图5所示， 是大臂运动过程中， 在平衡结构作用下大臂残 余重力矩的变化曲线。 该大臂关节气动平衡结构能在工作范围内 平衡掉大臂外摆 8 7 ％以上的重力矩 ，同时还能平衡掉大臂前摆 7 5 ％以上的重力矩。 l 垂 争 ‘ ⋯ ⋯。 。I 前摆距离／ 单位 m m 图4手臂前摆过程演示 气动平衡残余力矩曲线 I I ● ● _ _ ● ’ i 前摆我余为 矩曲 践 j ．■、 ⋯⋯ } 三 意 卜 ⋯⋯ 午‘卜 ⋯ 一” ⋯ ⋯ 专 ⋯ ⋯ ⋯ 牛 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯l ⋯ 善 ⋯ ⋯ ／ ； ； j O 8 6 4 2 0 2 z迥褂迪 猁