外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機械關(guān)節(jié)包括靜止件和運動件、驅(qū)動運動件相對靜止件運動的驅(qū)動機構(gòu)；驅(qū)動機構(gòu)一般包括電動機，電動機的輸出軸直接與運動件相連或者通過傳動機構(gòu)(如減速器)間接與運動件相連。電動機動作，直接帶動運動件或者通過傳動機構(gòu)帶動運動件相對于靜止件運動，實現(xiàn)關(guān)節(jié)動作。
[0003]現(xiàn)代工業(yè)用機器人一般至少具有一個機械關(guān)節(jié)，通過電動機，使得所述機械關(guān)節(jié)進行重復(fù)動作。但為了一些特殊目的，例如為了實現(xiàn)機器人的示教，需要人力操作運動件相對于靜止件運動。
[0004]但是電動機上、傳動機構(gòu)(如減速器)上等各處使用的軸承、密封油封存在的阻力，電機本身的磁阻，以及電動機上、傳動機構(gòu)(如減速器)上等各處可能存在的預(yù)緊力等等各種原因，造成機械關(guān)節(jié)本身存在系統(tǒng)阻力r。另外，由于電動機、通過減速器帶動運動件減速運動，假定減速比是i，那么驅(qū)動運動件運動需要克服的阻力就會放大i倍，所以通過人力使得運動件相對于靜止件運動時，需要很大的力氣才能使得運動件運動，或者盡靠人力根本使得無法運動件運動，尤其是在機械關(guān)節(jié)是大型機械關(guān)節(jié)或者功率很大的機械關(guān)節(jié)時。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠以較小的力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法。
[0006]本發(fā)明所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，
所述關(guān)節(jié)包括靜止件和運動件、驅(qū)動運動件相對靜止件運動的驅(qū)動機構(gòu)；驅(qū)動機構(gòu)包括伺服電機、與伺服電機電連接以控制伺服電機的驅(qū)動器、編碼器；伺服電機的輸出軸與運動件相連；
所述外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法為，
a、機械關(guān)節(jié)處于靜止狀態(tài)，伺服電機處于轉(zhuǎn)矩模式，通過驅(qū)動器使得伺服電機輸出方向隨時間變化的降阻扭矩，使得運動件相對于靜止件具有正方向運動趨勢或反方向運動趨勢，并且運動趨勢的正方向和反方向隨時間變化；
b、以外力驅(qū)動運動件，使得運動件相對于靜止件運動；驅(qū)動器根據(jù)編碼器的輸出判斷運動件運動方向；如果運動件相對于靜止件是正方向運動，則通過驅(qū)動器控制伺服電機停止輸出降阻扭矩或者輸出使得運動件具有正方向運動趨勢的助力扭矩；如果運動件相對于靜止件是反方向運動，則通過驅(qū)動器控制伺服電機停止輸出降阻扭矩或者輸出使得運動件具有反方向運動趨勢的助力扭矩。
[0007]本發(fā)明的有益效果:由于伺服電機輸出方向反復(fù)變化的降阻扭矩，使得運動件相對于靜止件的運動趨勢的方向也反復(fù)變化。當外力使得運動件運動的方向與降阻扭矩使得運動件運動趨勢的方向相同時，只需要較小的外力即可使得運動件實現(xiàn)運動。運動件開始運動前，機械關(guān)節(jié)的各零部件之間形成靜摩擦；運動件開始運動后，機械關(guān)節(jié)的各零部件之間形成動摩擦；由于靜摩擦力大于動摩擦力，所以維持運動件運動所需的外力小于使得運動件開始運動所需要的力。因而，在運動件運動后，既使伺服電機停止輸出降阻扭矩，仍然只需要較小的外力就能使得運動件保持運動。當然，如果在運動件運動后，伺服電機輸出助力扭矩，由于該助力扭矩使得運動件運動趨勢的方向與外力使得運動件運動的方向相同，則可進一步減小維持運動件運行所需要的外力。
[0008]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，步驟a中，通過驅(qū)動器使得伺服電機輸出方向和大小隨時間變化的降阻扭矩。
[0009]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，步驟b中，不管運動件相對于靜止件是正方向運動還是反方向運動，均通過驅(qū)動器控制伺服電機輸出助力扭矩，該助力扭矩的大小等于或小于在運動件相對于靜止件開始運動的那一時刻的降阻扭矩值。
[0010]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，步驟a中，通過驅(qū)動器使得伺服電機輸出方向和大小隨時間連續(xù)變化的降阻扭矩。
[0011]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，驅(qū)動機構(gòu)還包括傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)的動力輸入件與伺服電機的輸出軸相連，傳動機構(gòu)的動力輸出件與運動件相連。傳動機構(gòu)包括減速器，伺服電機的輸出軸與減速器的動力輸入件相連，減速器的動力輸出件與運動件相連。減速器為包括但不限于擺線針輪減速器。
[0012]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，所述外力為人的手力。
[0013]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，步驟a中的降阻扭矩最大值為，使得運動件相對于靜止件具有正方向運動趨勢或反方向運動趨勢但不會運動的最大值。
[0014]所述的外力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法，伺服電機在輸出維持所述機械關(guān)節(jié)處于平衡狀態(tài)的平衡扭矩的基礎(chǔ)上，進行步驟a、b ;也就是說，步驟a中伺服電機的輸出扭矩是平衡扭矩與降阻扭矩的合成扭矩；步驟b中伺服電機的輸出扭矩是平衡扭矩或者是平衡扭矩與助力扭矩的合成扭矩。
[0015]平衡扭矩是機械關(guān)節(jié)為了保持平衡狀態(tài)而加載的扭矩。例如:當一個機械關(guān)節(jié)中的運動件相對于靜止件在豎直面內(nèi)運動時，為了防止運動件在重力的作用下相對于靜止件產(chǎn)生運動，一般通過伺服電機對運動件加載一個平衡扭矩，該平衡扭矩與重力產(chǎn)生的扭矩方向相反，大小基本相同，這樣平衡扭矩與重力產(chǎn)生的扭矩相平衡(兩者的代數(shù)和為零)，防止運動件在重力的作用下在豎直面內(nèi)運動。當一個機械關(guān)節(jié)中的運動件相對于靜止件在水平面內(nèi)運動時，因重力不會對于運動件在水平面的移動產(chǎn)生影響，所以一般不需要伺服電機輸出平衡扭矩，或者說，伺服電機輸出的平衡扭矩為零。
[0016]本技術(shù)是在伺服電機輸出平衡扭矩的基礎(chǔ)上，進行步驟a、b。也就是說，步驟a中，伺服電機既輸出平衡扭矩，也輸出降阻扭矩，換句話說，伺服電機最終的輸出扭矩是平衡扭矩與降阻扭矩的合成扭矩。步驟b中，伺服電機在輸出平衡扭矩的同時，伺服電機停止輸出降阻扭矩或者輸出助力扭矩；換句話說，步驟b存在兩者狀態(tài)，一種狀態(tài)是，伺服電機最終的輸出扭矩是平衡扭矩，另一種狀態(tài)是，伺服電機最終的輸出扭矩是平衡扭矩與助力扭矩的合成扭矩。
【附圖說明】
[0017]圖1是機器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是機器人主控器、伺服電機等原理框圖；
圖3是開始計時時(機器人未動作)的機器人關(guān)節(jié)的原理圖；
圖4是開始計時時(機器人未動作)的關(guān)節(jié)1、2的俯視原理圖；
圖5是機器人動作后的機器人關(guān)節(jié)的原理圖；
圖6是機器人動作后的關(guān)節(jié)1、2的俯視原理圖。
[0018]圖7是機械關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是機械關(guān)節(jié)的伺服電機等原理框圖；
圖9是開始計時時(機械關(guān)節(jié)未動作)的機器人關(guān)節(jié)的原理圖；
圖10是機械關(guān)節(jié)動作后的俯視原理圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1:
參見圖1所示的機器人包括關(guān)節(jié)1-3共3個關(guān)節(jié)。
[0020]關(guān)節(jié)I包括作為手臂11的固定座、手臂12、驅(qū)動手臂12相對于固定座轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機構(gòu)13、法蘭盤14等。驅(qū)動機構(gòu)13包括伺服電機131、與伺服電機電連接以控制伺服電機的驅(qū)動器132、與伺服電機131相連的編碼器133、減速器134。法蘭盤14固定在手臂(固定座)11上，伺服電機131和減速器134殼體均固定在法蘭盤14上。減速器134的輸入軸與伺服電機131的輸出軸相連；減速器134輸出軸與手臂12通過螺栓15相連。伺服電機131動作，通過減速器134帶動手臂12相對于固定座11繞軸線16在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。對于關(guān)節(jié)I來說，手臂11的靜止件，手臂12是運動件。伺服電機131輸出的平衡扭矩nil為零。
[0021]關(guān)節(jié)2包括手臂12、手臂22、驅(qū)動手臂12和手臂22相對轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機構(gòu)23、法蘭盤24等。驅(qū)動機構(gòu)23包括伺服電機231、與伺服電機電連接以控制伺服電機的驅(qū)動器232、與伺服電機231相連的編碼器233、減速器234。法蘭盤24固定在手臂22上，伺服電機231和減速器234殼體均固定在法蘭盤24上。減速器234的輸入軸與伺服電機231的輸出軸相連；減速器234輸出軸與手臂12通過螺栓25相連。伺服電機231動作，通過減速器234帶動手臂22相對于手臂12繞軸線26在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。對于關(guān)節(jié)2來說，手臂12的靜止件，手臂22是運動件。伺服電機231輸出的平衡扭矩n21為零。
[0022]關(guān)節(jié)3包括手臂22、手臂32、驅(qū)動手臂32相對于手臂22上下移動的驅(qū)動機構(gòu)33、電機支架34、線軌等。驅(qū)動機構(gòu)33包括伺服電機331、與伺服電機電連接以控制伺服電機的驅(qū)動器332、與伺服電機331相連的編碼器333、聯(lián)軸器335、螺母絲桿機構(gòu)等。螺母絲桿機構(gòu)包括轉(zhuǎn)動設(shè)置在絲杠座337上的絲杠336、固定在手臂22上的滑塊座338、與絲杠配合并固定在滑塊座338上的螺母339等。線軌包括設(shè)置在滑塊座上的線軌滑塊37、與線軌滑塊上下滑動配合的導(dǎo)軌38。電機支架34和絲杠座均固定在手臂32上，手臂32與導(dǎo)軌固定。伺服電機331動作，通過聯(lián)軸器驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，由于螺母通過滑塊座固定在手臂22上，所以絲杠在轉(zhuǎn)動的同時相對于螺母上下移動。絲杠上下移動時，絲杠座、伺服電機333、手臂32、導(dǎo)軌等一起相對于滑塊座(和手臂22)上下移動。線軌設(shè)置在滑塊座與手臂32之間，對手臂的上下移動起到導(dǎo)向作用。對于關(guān)節(jié)2來說，手臂22的靜止件，手臂32是運動件。為了防止手臂32、伺服電機331、聯(lián)軸器335等因重力使得手臂32相對于手臂22向下運動，伺服電機331要輸出平衡扭矩n31，以抵消手臂32、伺服電機331、聯(lián)軸器335等零部件的重力造成扭矩，防止手臂32等在重力下向下移動。
[0023]參見圖2，主控器6與各驅(qū)動器132、232、332電連接，各編碼器133、233、333的輸出接主控器。
[0024]手力驅(qū)動機械關(guān)節(jié)中運動件的方法如下:
a、機器人的各機械關(guān)節(jié)處于靜止狀態(tài)，通過各驅(qū)動器使得各伺服電機處于轉(zhuǎn)矩模式，假定伺服電機131、231、331在輸出平衡扭矩的同時輸出大小和方向隨時間呈正弦規(guī)律連續(xù)變化的降阻扭矩nl2、n22、n32，降阻扭矩的