多节机器人受力平衡图

智能机器人 2025-09-20 10:53www.robotxin.com人工智能机器人网

1. 单节平衡原理

当机器人沿杆竖直匀速爬升时，仅受竖直向下的重力G和竖直向上的摩擦力f，二力大小相等、方向相反且作用线重合，构成平衡力系。此时重心O为受力作用点，示意图可通过重力箭头向下、摩擦力箭头向上表示。

2. 多关节扩展分析

多节机器人需考虑各连杆间的相互作用力：

关节力矩平衡：如J2轴需通过液压平衡缸抵消负载扭矩（例如20kN的拉力可抵消2000N·m扭矩），使电机输出力矩需求降低至2346N·m即可满足运动要求。

惯性力补偿：动态运动中需叠加科里奥利力、向心力等惯性分量，通过牛顿-欧拉法递推计算各连杆的惯性力/力矩。

1. 配重平衡

通过配重块使静不平衡力矩满足条件：`m·l = M·L`（m为臂质量，M为配重质量），结构简单但增加惯量，适用于小力矩场景。

2. 弹簧平衡

利用弹簧刚度K与安装位置（偏心距e、力臂R）实现静平衡条件：`K·e·R ≈ m·g·l`，残余力矩小且成本低，广泛应用于工业机器人。

3. 液压平衡缸

采用蓄能器维持恒定出力（如KUKA机器人40mm缸径、20MPa油压），动态抵消关节负载扭矩，优化电机功率配置。

1. 牛顿-欧拉法

分两步递推：

外推：从基座到末端，计算各连杆线速度/角速度及加速度。

内推：从末端到基座，求解关节力/力矩平衡方程，需考虑惯性力`F=ma`和力矩`N=Iα`。

2. 拉格朗日法

基于能量方程`L=T-V`建立动力学模型，适用于复杂多自由度系统，如7轴机械臂的冗余自由度优化。

四足机器人：通过ZMP（零力矩点）判定稳定性，调整腿部支持力F1-F3与惯性力合力保持平衡。

6轴工业机器人：腕部采用谐波减速器+同步带传动，通过空心轴电机优化管线布局以减少旋转干扰。