22、平行机器人重力平衡：恒力发生器的应用与探索

平行机器人重力平衡：恒力发生器的应用与探索

1. 柔顺机构在重力平衡中的应用

柔顺机构具有柔性连杆和弹性关节，通常为整体式结构。例如，传统R关节中的销钉被柔性铰链取代，柔性铰链是机构中具有可控刚度的区域，允许较大的旋转变形和可忽略的平移位移。由于柔顺机构设计中固有的弹性，重力平衡的柔顺系统可视为通过弹性元件实现重力平衡的机构的一个子类别。

然而，柔顺机构存在一个问题，由于柔性铰链的弹性变形，即使在准静态条件下且忽略重力影响，其运动通常也不是无能耗的。柔性铰链变形产生的弹性势能$V_e$通常是构型$q$的函数，因此柔顺机构有其偏好的平衡位置。自然地，可以将静态弹簧 - 弹簧平衡理论的已知结果应用于柔顺机构的设计，这样在需要时也可以补偿重力载荷。

以下是柔顺机构在重力平衡应用中的一些实例：
- 人形机器人腿部重力补偿 ：有专门为重力平衡设计的柔顺装置，用于补偿人形机器人腿部的重量。该重力补偿器设计为恒力发生器（CFG），并与腿部并联安装，且不需要对柔顺元件进行预紧，避免了因应力松弛而降低精度的问题。
- 单自由度旋转运动重力平衡 ：最近，采用柔顺的整体式元件实现了单自由度旋转运动的重力平衡。随后，类似的柔顺平衡器被设计用于更一般的平面运动，使用柔性梁、壳体或平面弹簧，在较大的运动范围内实现了恒力输出。研究发现，柔顺机构在能量存储（以及相应的力补偿）方面通常能取得最佳效果。
- 恒力发生器设计 ：柔顺机构还应用于恒力发生器的设计，例如开发了具有潜在重力平衡应用的恒扭矩装置。

2. 恒力发生器在平行机器人重力平衡中的优势

恒力发生器是一类能够施加方向和大小恒定但作用点可移动的力的机构。对于平行机器人而言，恒力发生器提供了一种合适的设计范式。因为平行机器人使用多个运动链（“腿部”）来支撑可移动的末端执行器，每个腿部都可以有利地设计为恒力发生器，承担总负载的一部分，同时对末端执行器施加恒定的力。

以下是恒力发生器在平行机器人重力平衡中的优势总结：
|优势|说明|
| ---- | ---- |
|负载分配合理|每个腿部作为恒力发生器，可分担总负载，减轻单个部件的压力|
|力的稳定性|能对末端执行器施加恒定的力，提高机器人的运动稳定性|
|设计灵活性|为机器人的设计提供了更多的自由度，便于优化结构|

3. 被动重力平衡装置的特点

本文重点关注用于重力平衡的被动装置，这些装置除了用于控制机器人的执行器外，不需要额外的执行器。并且，主要考虑能够实现精确平衡的装置，而非那些只能近似平衡执行器处重力引起的力和扭矩的装置。

在设计重力补偿机器人时，有一些实际的考虑因素：
- 使用零自由长度弹簧的装置 ：许多工作采用了使用零自由长度弹簧的装置，因此需要考虑实现具有这种特性的弹性力的方法。
- 质量平衡系统 ：为了完整性，还考虑了质量平衡系统。这些系统不仅可以在静态条件下实现重力平衡，还可以平衡惯性力（动态平衡）。

4. 平衡平行机器人的应用实例

平衡平行机器人在一些特定场景中具有显著的优势，尤其是在需要支撑大负载且机器人以相对较低速度运动的情况下，与传统的非平衡机器人相比，能够提供更优越的性能。以下是一些应用实例：
- 医疗领域 ：新型医疗平行机器人通过静态平衡优化，提高了操作的精度和稳定性，减少了对操作人员的体力要求。
- 工业制造 ：在工业制造中，平衡平行机器人可以更高效地搬运和装配大型零部件，提高生产效率和产品质量。

5. 未来研究方向

尽管在重力平衡领域已经取得了很多成果，但仍有一些方向值得未来深入研究：
- 新型平衡元件的探索 ：目前，绝大多数关于重力平衡的研究都使用了配重或弹性元件，而对其他施加保守力的元件（如磁铁）的研究相对较少。即使仅关注弹性元件，非传统的弹簧设计（如空气弹簧）也可能提供有效的替代方案。
- 平衡条件的优化 ：几乎所有已审查的工作都找到了平衡的充分但非必要条件。实际上，为除最简单的平面连杆机构之外的所有机构找到静态平衡的最小条件是一个具有挑战性的问题。避免施加不必要的限制条件的通用方法将带来更大的设计自由度，并为优化架构铺平道路。
- 考虑大尺度分布变形的重力平衡 ：大多数关于重力平衡机器人的研究都假设所有连杆是理想刚性的，即使是关于重力平衡柔顺机构的研究也大多假设弹性变形集中在局部的柔性铰链中。然而，具有大尺度、分布变形的装置（如平行连续体机械手）的重力平衡似乎很少受到关注。
- 实际设计和测试的关注 ：相对较少的研究提供了实际设计观察或原型测试结果。在理论分析中，一些因素如关节间隙、摩擦效应、弹簧的非线性（如果使用）以及与精确设计相关的制造公差等往往被忽略，但这些因素可能会显著影响实际性能。

综上所述，机器平衡虽然是一个古老的话题，但仍然是一个活跃的研究领域，能够极大地提高机器人和机构的性能。未来在这个领域的研究有望为机器设计提供新的见解，并开发出在多个应用中具有改进性能的新型装置。

平行机器人重力平衡：恒力发生器的应用与探索

6. 柔顺机构的设计与分析

柔顺机构在重力平衡中具有独特的优势，但也面临一些挑战。在设计柔顺机构时，需要考虑多个因素，以确保其能够有效地实现重力平衡。

首先，要确定柔顺机构的构型。不同的构型会影响机构的运动特性和弹性势能分布。例如，采用柔性梁、壳体或平面弹簧等不同的结构形式，会导致机构在不同方向上的刚度和变形能力有所差异。

其次，需要分析柔顺机构的弹性变形。由于柔顺机构的运动与弹性变形密切相关，准确分析弹性变形对于实现精确的重力平衡至关重要。可以通过建立力学模型，如有限元模型，来模拟柔顺机构在不同工况下的弹性变形情况。

此外，还需要考虑柔顺机构的材料特性。不同的材料具有不同的弹性模量、泊松比等力学性能，这些性能会直接影响柔顺机构的弹性变形和能量存储能力。因此，在选择材料时，需要根据具体的应用需求进行综合考虑。

以下是柔顺机构设计与分析的一般步骤：
1. 确定设计目标 ：明确柔顺机构需要实现的重力平衡功能和性能要求。
2. 选择构型 ：根据设计目标，选择合适的柔顺机构构型，如柔性梁、壳体或平面弹簧等。
3. 建立力学模型 ：使用有限元软件或其他力学分析工具，建立柔顺机构的力学模型。
4. 分析弹性变形 ：通过力学模型，分析柔顺机构在不同工况下的弹性变形情况，评估其重力平衡效果。
5. 优化设计 ：根据分析结果，对柔顺机构的构型、尺寸和材料等进行优化，以提高其性能。
6. 制造与测试 ：制造柔顺机构的原型，并进行实验测试，验证其设计的有效性。

7. 恒力发生器的设计方法

恒力发生器是实现平行机器人重力平衡的关键部件。设计恒力发生器时，需要考虑多个因素，以确保其能够提供稳定的恒力输出。

一种常见的设计方法是利用弹簧的弹性特性。通过合理设计弹簧的刚度和预紧力，可以使弹簧在一定的变形范围内提供近似恒定的力。例如，可以采用多个弹簧组合的方式，通过调整弹簧的连接方式和参数，来实现恒力输出。

另一种设计方法是利用机械结构的几何特性。例如，通过设计特殊的连杆机构或凸轮机构，可以使机构在运动过程中产生恒定的力。这种方法通常需要精确的机械设计和制造，以确保机构的运动精度和稳定性。

以下是恒力发生器设计的一般流程：

graph LR
    A[确定设计要求] --> B[选择设计方法]
    B --> C{弹簧设计法}
    B --> D{机械结构设计法}
    C --> E[设计弹簧参数]
    D --> F[设计机械结构]
    E --> G[模拟分析]
    F --> G
    G --> H{是否满足要求}
    H -- 是 --> I[制造与测试]
    H -- 否 --> C

8. 重力平衡对机器人性能的影响

重力平衡对平行机器人的性能有着重要的影响。通过实现重力平衡，可以降低机器人的能耗，提高机器人的运动精度和稳定性。

在能耗方面，重力平衡可以减少机器人在运动过程中克服重力所需的能量。当机器人的重力被平衡时，执行器只需要提供用于驱动机器人运动的能量，从而降低了能耗。

在运动精度方面，重力平衡可以减少重力对机器人运动的干扰。由于重力的影响，机器人在运动过程中可能会产生偏差，影响运动精度。通过重力平衡，可以消除或减小这种偏差，提高机器人的运动精度。

在稳定性方面，重力平衡可以提高机器人的抗干扰能力。当机器人受到外部干扰时，重力平衡可以使机器人更快地恢复到平衡状态，从而提高机器人的稳定性。

以下是重力平衡对机器人性能影响的对比分析：
|性能指标|未平衡机器人|平衡机器人|
| ---- | ---- | ---- |
|能耗|高|低|
|运动精度|低|高|
|稳定性|低|高|

9. 总结与展望

本文探讨了平行机器人重力平衡的相关技术，重点介绍了恒力发生器和柔顺机构在重力平衡中的应用。恒力发生器为平行机器人的重力平衡提供了一种有效的设计范式，而柔顺机构则在能量存储和力补偿方面具有独特的优势。

通过实际应用实例可以看出，平衡平行机器人在大负载、低速度运动的场景中具有显著的优势，能够提高机器人的性能和效率。然而，目前在重力平衡领域仍存在一些挑战，如新型平衡元件的探索、平衡条件的优化、考虑大尺度分布变形的重力平衡以及实际设计和测试的关注等。

未来的研究可以进一步深入探索这些方向，为平行机器人的重力平衡技术提供更多的创新解决方案。例如，可以研究新型的平衡元件，如利用磁铁的特性实现重力平衡；可以开发更精确的平衡条件分析方法，提高设计的自由度和优化程度；可以关注具有大尺度分布变形的机器人的重力平衡问题，拓展重力平衡技术的应用范围；可以加强实际设计和测试的研究，提高重力平衡机器人的实际性能和可靠性。

总之，机器平衡是一个具有广阔发展前景的研究领域，相信未来的研究将为机器人和机构的设计带来更多的突破和创新。