6、多自由度平衡技术及其在机器人中的应用

多自由度平衡技术及其在机器人中的应用

1. 引言

多数传统机器人臂配备了昂贵的减速器和高性能电机，用于产生高扭矩，以承受自身重量和运动带来的负载。廉价的电机和减速器无法提供足够的扭矩来支撑臂的质量并使其加速。因此，需要创新策略来降低机器人臂所需的扭矩，以便使用廉价组件也能实现高性能。这里的“低成本”意味着所提出的机器人臂能够以更低成本实现与传统机器人臂相似的性能（如有效负载）。

为解决这些问题，人们提出并开发了多种平衡机构（CBM），以有效补偿操作机器人臂所需的扭矩。在工业机器人中，常将重配重块安装在机器人臂的另一侧，以平衡因机械臂质量产生的重力扭矩。然而，这种大的外部质量不仅增加了机器人的总质量，导致加速和减速所需的扭矩增加，而且只能应用于第一个俯仰关节（如肩关节）。为克服这一限制，人们开发了多种使用弹簧的CBM。研究表明，弹簧可用于提供平衡扭矩，替代沉重的外部质量。此外，还开发了一种名为“平衡机器人臂”的机器人臂，并进行了多项测试以研究其有效性。

大多数机器人臂具有6或7个自由度，其中2或3个自由度受重力影响。在受重力影响的俯仰关节处简单独立地实现两到三个单自由度CBM，并不能实现完美的平衡。因此，需要一种新的多自由度平衡概念，以应用于具有多个关节的机器人臂。人们已经提出了各种多自由度平衡技术，以实现完美的平衡。

平衡技术可以应用于实际的机器人臂。尽管多自由度平衡对于完全消除重力影响是理想的，但一些平衡机器人臂仅配备了单个CBM，因为多自由度平衡需要连接每个CBM的参考平面，从而导致机构复杂。由于平衡机构（CBM）可以补偿因机器人质量产生的重力扭矩，因此可以大大降低电机和减速器所需的容量。因此，与传统机器人臂相比，平衡机器人臂可以使用更便宜的组件实现相同的