17、多功能辅助设备与并联机器人重力平衡设计

多功能辅助设备与并联机器人重力平衡设计

在工程和医疗等多个领域，辅助设备和机器人的设计一直是研究的热点。多功能辅助设备能够为人类提供各种帮助，而并联机器人在工业生产等场景中也有着广泛的应用。本文将介绍多功能辅助设备的设计以及并联机器人通过恒力发生器进行重力平衡的相关内容。

多功能辅助设备设计

多功能辅助设备旨在为人类提供各种帮助，包括工业、军事和医疗等领域。以下是两种不同用途的便携式被动平衡辅助设备的设计。

工业用途便携式被动平衡辅助设备

该设备的设计源于之前设计平衡可移动矫形器和上下肢外骨骼等辅助设备的经验。其目的是将沉重和不便的物体及工具保持在所需位置。
- 结构组成 ：
- 腰部刚性连杆1通过腰带和/或背心式紧身胸衣固定在操作员的下背部，连杆1上带有重量分配枕1′。
- 对于右利手的人，在连杆1的右侧通过h1铰链连接伸缩连杆，包括水平的2 - 2（侧向支撑）和垂直的3 - 3′（肘部支撑），肘部支撑连杆3′上放置肘部垫4。
- 通过h2铰链将缩放仪5（也可以是伸缩式）和可调节伸缩连杆6连接到侧向支撑上，实现系统的可重构。连杆6可以配备各种用于特定应用的抓握附件。
- 平衡与调节 ：
- 使用线性非零初始长度圆柱形拉伸弹簧进行平衡，弹簧的自由端通过金属电缆连接到滚轮调节器，可改变平衡弹簧的力。
- 缩放仪5可在角度范围ϕ ∈[0◦; 180◦]内平衡摆动，必要时可使用锁8限制其下降。
- 应用场景 ：该支撑结构不仅可用于工业，还可用于军事支持武器和弹药，以及医疗支持受伤或手术后的手臂。必要时，可轻松移除肘部垫4停止辅助。

军事用途便携式被动平衡辅助设备

该设备主要用于单手射击时稳定枪支，考虑到三种主要射击姿势：站立、跪姿和俯卧。
- 结构设计 ：
- 腰部刚性连杆1同样通过腰带和/或背心式紧身胸衣固定在操作员的下背部。在连杆1右侧的套筒中，先插入方形截面，再插入圆形截面的孔，将连杆2的销水平插入，防止连杆2的销完全插入时绕轴a - a′产生扭矩。
- 连杆3通过铰链p1连接到连杆2的垂直端，使后续结构可绕连杆2的垂直部分旋转。
- 连杆4和5为伸缩式，以根据操作员和枪支的个体参数提供必要的尺寸。连杆5′上通过铰链O5可安装各种抓握附件或吊架。
- 平衡方式 ：使用线性圆柱形零自由长度的拉伸弹簧7和压缩弹簧8进行平衡，确保连杆4和5在整个旋转角度ϕ4,5范围内实现精确的静态平衡。必要时可使用闩锁9限制连杆4的旋转。
- 特殊设计 ：
- 若将伸缩连杆4采用坚固但单侧柔性的材料制成，或赋予其必要的曲率，可显著增加安装在该设备上枪支的射击范围。
- 在连杆4′上安装额外的环p2也是一种选择。
- 应用场景 ：该设备可用于军事支持人类手部、武器或弹药，也可用于工业维护工具或重物，以及医疗支持受伤或手术后的人类手部。在俯卧射击时，连杆2的销无需完全插入，系统可绕轴a - a′旋转。

并联机器人重力平衡

并联机器人由多个运动链将固定基座与移动末端执行器并联连接。重力平衡对于并联机器人来说是一个有争议的话题，因为添加重力平衡机制可能会恶化其动态性能。恒力发生器（CFGs）是一种能够在给定点施加恒定大小和方向力的机制，可用于平衡并联机器人的重力。

并联机器人与恒力发生器概述

• 并联机器人特点 ：并联运动操纵器（PKMs）与传统串联架构相比，具有更高的刚度和精度、更高的动态能力（包括可达速度和加速度）以及高负载 - 机器人重量比。
• 重力平衡的意义 ：重力平衡是一种补偿机构连杆上重力负载影响的方法，使机器人在多个感兴趣的配置下保持静态平衡，无需执行器施加主动力或扭矩。实现完全平衡可使机器人在运动范围内的连续姿势甚至整个工作空间内保持静态平衡，具有减小静态挠度、减小电机和制动器尺寸以及在准静态运动中实现显著节能等优点。
• 恒力发生器的应用 ：恒力发生器可作为补偿装置用于平衡机构连杆上的重力负载，在工程中有多种应用，如脆弱物体的精细操作。

恒力发生器的分类与设计考虑

• 分类 ：文献中提出的恒力发生器包括质量和弹簧平衡方法以及一些更小众的概念。
• 设计考虑 ：在设计和应用恒力发生器时，需要考虑实际的技术和潜在的陷阱。例如，在将恒力发生器应用于并联机器人时，要注意其对机器人动态行为的影响。

通过上述多功能辅助设备和并联机器人重力平衡的设计，我们可以看到在不同领域中，通过合理的结构设计和平衡方法的应用，能够实现设备的高效、稳定运行，为人类提供更好的支持和服务。

以下是工业用途便携式被动平衡辅助设备的结构组成表格：
| 部件名称 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 腰部刚性连杆1 | 通过腰带和/或背心式紧身胸衣固定在下背部，带有重量分配枕1′ |
| 伸缩连杆2 - 2 | 水平连接，提供侧向支撑 |
| 伸缩连杆3 - 3′ | 垂直连接，提供肘部支撑，连杆3′上有肘部垫4 |
| 缩放仪5 | 通过h2铰链连接到侧向支撑，可伸缩 |
| 可调节伸缩连杆6 | 连接到缩放仪5，可配备抓握附件 |
| 线性非零初始长度圆柱形拉伸弹簧 | 用于平衡，自由端通过金属电缆连接到滚轮调节器 |
| 锁8 | 用于限制缩放仪5的下降 |

下面是军事用途便携式被动平衡辅助设备的结构设计流程图：

graph LR
    A[腰部刚性连杆1固定在下背部] --> B[插入连杆2的销]
    B --> C[连接连杆3通过铰链p1]
    C --> D[伸缩连杆4和5调整尺寸]
    D --> E[安装抓握附件或吊架在连杆5′]
    E --> F[使用弹簧平衡连杆4和5]
    F --> G[必要时限制连杆4旋转]

多功能辅助设备与并联机器人重力平衡设计

恒力发生器在并联机器人重力平衡中的应用

将恒力发生器应用于并联机器人的重力平衡，需要考虑如何将不同的恒力发生器设计进行组合，以实现并联机器人的重力平衡。

恒力发生器组合设计

不同类型的恒力发生器可以根据并联机器人的具体结构和需求进行组合。例如，质量平衡和弹簧平衡方法可以结合使用，以达到更好的平衡效果。在设计过程中，需要考虑恒力发生器的安装位置、力的作用方向和大小等因素，以确保能够有效地平衡机器人的重力负载。

以下是恒力发生器组合设计的考虑因素表格：
| 考虑因素 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 安装位置 | 恒力发生器应安装在能够有效作用于机器人连杆的位置，以平衡重力负载 |
| 力的作用方向 | 力的方向应与重力方向相反，以实现平衡 |
| 力的大小 | 力的大小应根据机器人的重量和负载进行精确计算，以确保平衡效果 |

重力平衡并联机器人的工作原理

重力平衡的并联机器人通过恒力发生器产生的恒定力来补偿重力负载，使机器人在多个配置下保持静态平衡。在工作过程中，恒力发生器持续施加恒定的力，抵消重力的影响，从而减少执行器的负担。

以下是重力平衡并联机器人工作原理的流程图：

graph LR
    A[机器人处于初始状态] --> B[重力产生负载]
    B --> C[恒力发生器产生恒定力]
    C --> D[恒定力与重力平衡]
    D --> E[机器人保持静态平衡]
    E --> F[机器人运动]
    F --> B

特殊类型的重力平衡并联机器人

除了一般的并联机器人，还有一些特殊类型的并联机器人，如张拉整体结构和柔性机构，也可以通过恒力发生器实现重力平衡。

张拉整体结构机器人

张拉整体结构机器人由刚性杆和柔性索组成，通过恒力发生器可以平衡其重力负载。恒力发生器可以安装在索上，通过调节索的张力来实现平衡。

以下是张拉整体结构机器人重力平衡的步骤列表：
1. 确定机器人的结构和重量分布。
2. 选择合适的恒力发生器，并确定其安装位置。
3. 计算恒力发生器所需的力的大小和方向。
4. 安装恒力发生器，并进行调试，确保其能够有效地平衡重力负载。

柔性机构机器人

柔性机构机器人具有较高的灵活性和适应性，通过恒力发生器可以平衡其在运动过程中的重力负载。恒力发生器可以安装在柔性部件上，通过产生恒定的力来抵消重力的影响。

以下是柔性机构机器人重力平衡的步骤列表：
1. 分析柔性机构的运动特性和重力负载分布。
2. 选择合适的恒力发生器，并确定其安装位置。
3. 计算恒力发生器所需的力的大小和方向。
4. 安装恒力发生器，并进行测试，确保其能够在机器人运动过程中保持平衡。

总结与展望

多功能辅助设备和并联机器人的重力平衡设计在工业、军事和医疗等领域具有重要的应用价值。通过合理的结构设计和平衡方法的应用，可以实现设备的高效、稳定运行，为人类提供更好的支持和服务。

在未来的研究中，可以进一步探索更先进的恒力发生器设计和组合方法，以提高并联机器人的重力平衡效果。同时，还可以研究如何将多功能辅助设备和并联机器人进行集成，实现更复杂的任务和功能。此外，对于特殊类型的并联机器人，如张拉整体结构和柔性机构，还需要深入研究其重力平衡的原理和方法，以充分发挥其优势。

总之，多功能辅助设备和并联机器人的重力平衡设计是一个具有广阔前景的研究领域，未来的发展将为各个领域带来更多的创新和突破。