CN103826808A - 平衡气动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械手，该机械手包括支撑装置（11）和具有摇臂（24）的铰接式平行四边形机构（21），该支撑装置具有能围绕竖直轴线旋转的组件（13）。气动线性致动器（22）在能旋转的组件（13）与铰接式平行四边形机构（21）之间作用，以使得臂（24）围绕水平的摆动轴线旋转。滑块（23）连接至致动器（22）且通过第一竖直导轨（30）能滑动地安装在能旋转的组件（13）上。该滑块具有第二水平导轨（31），其中第二水平导轨接合安装在摇臂（24）上的元件（32，33）。

Description

平衡气动机械手

本发明涉及一种平衡气动机械手。

这种类型的机械手广泛地用于制造业，用于在平衡条件下支撑和移动各种工具和装置，这种机械手典型地包括夹紧装置、焊接机、螺丝刀及其他并且需要使用者施加最小的手动力。

近年来，技术进步已经使得这些类型的机械手在灵敏度上得到了持续的改善，就待处理的负载而言，当面对增长的需求时，这些机械手已面临非恒定平衡的问题。

为了有助于理解现有技术及其固有的问题，参考图1至图3，首先将对传统类型的平衡气动机械手进行描述。平衡气动机械手10包括支撑装置和铰接式平行四边形机构21，该支撑装置包括可围绕竖直轴线z旋转的组件13，铰接式平行四边形机构包括围绕水平的摆动轴线在可旋转组件13上枢转的摇臂24。通过气动线性致动器22提供平衡作用，气动线性致动器包括在可旋转组件13上枢转的汽缸22a和在摇臂24上枢转的杆22b。支撑诸如螺丝刀、焊接机、夹紧装置或其他工具的可旋转水平臂36安装在铰接式平行四边形机构上。

前述的构造具有的缺陷在于，由致动器在其不同的操作位置产生的不同的倾斜使得力的传递具有水平分量，该水平分量随着致动器的作用线相对于竖直轴线的偏差α的增加而增加。几个六十进制等级的数量级的非常小的角偏差在平衡上也会有消极的影响，且需要手动力来移动，该手动力随着致动器与竖直的角偏差的程度而增加。因此当与竖直的角偏差为最大时，所需的手动力比20-30N至100-150N或更大的数量级的最优值增加了。在这些情况下，支撑的负载变得不稳定且难以处理，在移动的安全性和准确性方面具有不利的影响。

本发明的目的在于提供一种能克服上述问题的平衡气动机械手。具体地，期望提供一种需要恒定的最小手动力的机械手，与气动致动器的延伸无关。

根据本发明，下文中将更清楚地阐述的这些和其他目的和益处将通过具有权利要求1中所限定的特征的平衡气动机械手来实现。优选的实施例限定在从属权利要求中。

本发明的特征和益处将通过以下参照附图仅通过非限制性实例的方式给出的详细的描述而变得清楚，在附图中：

图1是已知类型的平衡机械手的透视图；

图2和图3是示出了由图1中示出的已知类型的平衡器中的气动致动器产生的不同角位置的局部示意图；

图4是根据本发明的实施例的平衡气动机械手的局部透视图；

图5是图4的机械手的细部放大图；

图6和图7是示出了由图4的平衡器中的气动致动器产生的两个不同位置的局部示意图；以及

图8和图9是示出了由根据本发明的另一个实施例安装的气动致动器所产生的两个不同位置的局部示意图。

参考图4，由数字10作为一个整体表示的机械手包括支撑装置11，在该支撑装置上安装有平衡装置20。支撑装置11限定竖直的几何轴线z，并且在本实例中，该支撑装置包括固定的下部立柱12和可围绕竖直轴线z旋转的上部组件13。下部立柱12可与基座（未示出）一体形成，该基座可固定至地面或固定至可移动的支撑表面（未示出）。在其他应用中，支撑装置可形成悬置结构的一部分，例如从可沿轨道延伸的托架悬置的结构。在这些其他应用中，可旋转组件13布置在上部非旋转部件的下方。在下文中，表示位置和定向（诸如“上部”和“下部”）的术语和表达将参照所示的实例来理解，且并不视为是限制性的。

在图4中示出的实施例中，可旋转组件13具有一对竖直支柱15（仅其中的一个是可见的），该一对竖直支柱是平行的且围绕竖直轴线z被相等地隔开。

平衡装置20安装在可旋转组件13上，且包括铰接式平行四边形机构21、气动线性致动器22以及可滑动地安装在支撑装置的可旋转组件13上的滑块23。

在支柱15的上部中，形成铰接式平行四边形结构21的部分的上摇臂24围绕水平的摆动轴线x（还在图6和图7中示出）枢转。气动致动器在和可旋转组件13一体形成的下连接轴线a与由滑块23限定的上连接轴线b之间作用。优选地，在本实例的下部位置中，致动器22为具有汽缸22a和上部可延伸杆22b的单作用（single-acting，单向的）气动致动器。更具体地，在所示的实施例中，致动器的汽缸连接至下连接轴线，而杆22b连接至上连接轴线b。字母c表示（图6和图7）致动器的作用线，在本实例中，该作用线基本上是竖直的且与轴线z平行。在图4和图5中，数字29表示固定至杆22b的顶部的心轴且围绕水平轴线b在滑块23上枢转。

在摇臂24和铰接式平行四边形21的相对端处，以已知的方式安装有竖直心轴25，水平臂36可围绕该竖直心轴旋转。该臂可用于支撑各种装置，诸如夹紧工具、螺丝刀、焊接机和其他设备。

除了上摇臂24，铰接式平行四边形机构21包括第二下摇臂或杆26，该第二下摇臂或杆平行于上部臂24且端部（未示出）铰接在支柱15上。两个彼此平行的竖直连接板27a、27b铰接在机构的安装有竖直心轴的反作用端上。两个另外的中间连接杆28a、28b以已知的方式铰接在上摇臂和下摇臂上。该平行四边形机构与已知的类型没有明显的不同，并且因此，在此将不再进行详细的描述。

如上述的说明，线性致动器22在可旋转组件13与平行四边形结构21之间作用，用于使得臂24围绕水平的摆动轴线x旋转，以在旋转平移运动中升起或降下支撑在平行四边形机构的与附近安装有致动器22的端部相对的端部处的竖直心轴25。致动器22并不是直接作用在臂24上，而是通过滑块23作用。

滑块23可沿着第一线性导轨（在图6和图7中由30示意性地示出）滑动，且该第一线性导轨与可旋转组件13一体形成且平行于致动器22的作用线c。为了改善平衡和负载分布，第一导轨30优选地包括平行于致动器的作用线c延伸的一对平行线性导轨（或“支撑”导轨）。

滑块23具有第二线性导轨31，优选地由第二对平行直线导轨31a、31b组成，该第二对平行直线导轨垂直于第一支撑导轨或一对支撑导轨30而定向。安装在上摇臂24的较接近致动器22的端部上的可移动元件32沿着第二对导轨31a、31b接合。优选地，滑块的第二导轨31a、31b采取一对平行狭槽的形式，且可移动元件32包括圆柱形滚轴33，该圆柱形滚轴以围绕水平轴线（在图7中以虚线示出且由35表示）自由运行的方式安装且固定在上摇臂24的端部处的位置34中。在本实施例中，该圆柱形滚轴33通过沿着水平轴线37间隔开的一对滚动轴承（未详细示出）安装，每一个均由固定至该臂24的对应的外固定环和锁定在滚轴33的两个相对端部中的一个端部处的对应的内旋转环组成。

该圆柱形滚轴33优选地利用预定的最小竖直间隙容纳在第二导轨31（或在平行的第二导轨31a、31b中）中。当致动器22在图6和图7中示意性示出的可交替位置之间的作用中延伸或回缩时，零点几毫米的数量级的间隙允许圆柱形滚轴沿着第二导轨31a、31b滚动。在可移动元件32与第二导轨31a、31b之间的滚动接触使得滑块与致动器之间的摩擦最小。

在可替代的实施例（未示出）中，可移动接合元件32可包括块，该块以滑动的方式而非滚动方式接合在设置在滑块23中的第二导轨或多个导轨31中。为了这个目的，根据块（或多个块）的形状，导轨（或多个导轨）31可具有与一个或两个狭槽的形状不同的形状。开槽形状的选择有益地为：利用由形成在臂24中的两个开口提供的结构强度，提供滑块23与臂24之间的力的最佳交换，且在这两个构件之间产生可靠的耦接。

如在图7中示意性地示出，摇臂24的端部可以是成双的，提供两个平行的竖直板结构24a、24b，因此使得可实现可移动接合元件32的有效安装。在图7中示出的实施例中，滑块23还包括在水平方向上间隔开的一对平行金属板23a、23b，在每一个金属板中形成有用于圆柱形滚轴33（或用于可滑动限位块）的两个第二导轨中的一个。根据使致动器与上部组件之间的可利用空间和连接最优的实施例，滑块的每一个板基本上为L形形状，该L形形状的笔直的或较长的部分耦接至第一线性导轨30，而L形形状的较短的部分具有狭槽或第二导轨31。为了形成第一线性导轨30，特别优选地使用循环滚珠式滑块。

图6和图7示意性地示出了由机械手产生的两个相对的可替换位置。致动器的延伸产生从图6的位置至图7的位置的移动，使得滑块23沿着第一导轨30移动并且同时使得可移动接合元件32沿着滑块的第二导轨31移动。

由于插入在致动器与摇臂之间的滑块以及相互垂直的导轨30和31，致动器将排他的竖直力（换句话说，无水平分量的力）传输至平行四边形机构。这确保了机械手在致动器的所有偏移范围内的恒定平衡，在操作期间，需要操作者使用恒定的最小的手动力，因此有利于与机械手结合的工具的准确使用。此外，机械手具有尤其稳定的运行情况，使得操作者能够暂时地将双手从在其已接触到的位置保持固定不动的机械手中移开，对于使用的安全性和便利性而言，这是有益的。

应该理解的是，本发明并不限制于在此描述和示出的实施例，其应该被理解为机械手的实施例的实例；实际上，本发明可对部件的形状和布置及其构造和操作的细节进行改变。例如，如图8和图9中所示，在机械手的另一个实施例中，致动器22的作用线c可相对于竖直为倾斜的，例如以45o的角倾斜。因此，第一导轨30平行于线c而倾斜，且第二导轨31垂直于该线。此外，机械手可设置有两个气动致动器来代替单个的致动器。例如，两个气动线性致动器可安装成平行于彼此，一个在另一个旁边，相应的汽缸沿着轴线a安装在可旋转组件13上，且相应的杆与心轴29一体形成，或者杆在摆动的臂24的两个相对的侧面上延伸。

Claims (7)

1.一种平衡气动机械手，包括：

-支撑装置（11），包括能围绕竖直轴线（z）旋转的组件（13）；

-铰接式平行四边形机构（21），包括相对于所述组件（13）枢转的摇臂（24）以围绕水平的摆动轴线（x）旋转；

-至少一个气动线性致动器（22），在能旋转的所述组件（13）与所述铰接式平行四边形机构（21）之间作用，用于使得所述臂（24）围绕所述摆动轴线（x）旋转；

其特征在于，所述机械手还包括：

-滑块（23），连接至所述致动器（22）且通过在第一给定方向（c）上延伸的第一直线引导装置（30）能滑动地安装在能旋转的所述组件（13）上；

-第二直线引导装置（31），与所述滑块（23）一体形成且在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸；

-接合元件（32，33），安装在所述摇臂（24）上，所述元件（32，33）接合所述第二引导装置（31）。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述接合元件（32，33）包括滚轴装置（33），所述滚轴装置围绕与所述摇臂（24）一体形成的轴线（35）能旋转地安装，且所述滚轴装置沿着所述滑块（23）的所述第二直线引导装置（31）转动。

3.根据权利要求1或2所述的机械手，其特征在于，所述第二引导装置（31）包括至少一个狭槽（31a，31b）。

4.根据权利要求3所述的机械手，其特征在于，所述第二引导装置包括在垂直于所述第二方向的方向上彼此间隔开的一对平行狭槽（31a，31b）。

5.根据权利要求2和4所述的机械手，其特征在于，所述滚轴装置包括在两个狭槽（31a，31b）中转动的圆柱形滚轴（33）。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的机械手，其特征在于，所述第一引导装置在竖直方向上延伸，且所述第二引导装置在水平方向上延伸。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的机械手，其特征在于，所述滑块（23）包括至少一个刚性的L形元件且提供所述第二引导装置（31），所述L形元件具有耦接至所述第一引导装置（30）的较长区段和与所述较长区段垂直的较短区段。

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