CN103991090B - 一种新型关节型工业机器人平衡缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型关节型工业机器人平衡缸，包括缸体、左缸盖、右缸盖、安全组合弹簧、活塞杆、磁流变液和线圈；其中，所述缸体呈上下封闭、左右不封闭，所述左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左、右两侧；在所述缸体内充满所述的磁流变液，并且所述安全组合弹簧、所述活塞杆和所述线圈都分别设置在所述缸体内部；并且，所述安全组合弹簧一端固定在所述左缸盖内壁上，另一端与所述活塞杆的一端固定，该活塞杆的另一端穿出所述右缸盖；同时，前后两个所述的线圈分别缠绕在所述活塞杆上。因此，本发明所述的新型关节型工业机器人平衡缸能够完善工业机器人的平衡方式，提高系统的稳定性。

Description

一种新型关节型工业机器人平衡缸

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是指一种新型关节型工业机器人平衡缸。

背景技术

工业机器人是能用于编程的，执行工业任务的机械缸。在完成某种抓放、搬运物体或操持工具等工作中，如工业机器人手臂、翻转工作台等，存在着这样的问题：由于运动杆臂绕其转轴摆转时，其重心不通过转轴，而且随着运动的位置、速度、加速度的变化，重心的落点也发生变化，因而产生了变化的偏重力矩，这不仅影响了机器的动态特性，有时会超过驱动缸的最大输出力矩，使机器不能正常运动。所以，设计好一套行之有效的平衡机构来克服偏重力矩，对最大限度地减少电力消耗，获得小的体积与重量，改善机器的工作性能都有着至关重要的意义。

工业机器人常用的平衡方式有重力式，弹簧式、气缸式、机械阻尼等，其中，重力平衡机构最简单，但只适用于载荷不变的场合，如采用配重，会使手臂的质量和惯性增加，从而使得动力学特性变坏，所需驱动力矩增加。弹簧平衡方式具有结构简单重量轻，对环境温度不敏感，调整使用方便等优点，但是弹簧刚度不能调节，故难以实现不同载荷，不同位置下的完全平衡。现有技术中工业机器人采用平衡缸多采用氮气平衡缸，这种平衡缸压力机正常工作时，平衡缸内流速较高，缸内气体不断压缩或者压缩空气经由平衡缸进气口会不断充入缸内，如处理不当容易导致平衡缸温升较高，而且为了防止缸体内高压气体的泄露，对密封、压力充注和调节方面提出了更高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型关节型工业机器人平衡缸，能够完善工业机器人的平衡方式，提高系统的稳定性。

基于上述目的本发明提供的一种新型关节型工业机器人平衡缸，包括缸体、左缸盖、右缸盖、安全组合弹簧、活塞杆、磁流变液和线圈；

其中，所述缸体呈上下封闭、左右不封闭，所述左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左、右两侧；在所述缸体内充满所述的磁流变液，并且所述安全组合弹簧、所述活塞杆和所述线圈都分别设置在所述缸体内部；并且，所述安全组合弹簧一端固定在所述左缸盖内壁上，另一端与所述活塞杆的一端固定，该活塞杆的另一端穿出所述右缸盖；同时，前后两个所述的线圈分别缠绕在所述活塞杆上。

可选地，所述活塞杆与所述缸体均用低碳钢制成，并且所述活塞杆上缠绕有所述的线圈，因而形成了一个磁通回路，使所述活塞杆与所述缸体形成的环状流口具有的磁通密度，通过调整所述线圈的电流，改变所述磁流变液的粘度，进而改变所述平衡缸的阻尼系数。

进一步地，所述平衡缸还包括密封圈，所述活塞杆穿出所述右缸盖并与所述右缸盖接触的部分通过所述密封圈进行紧固、密封。

可选地，所述的平衡缸所安装的安全组合弹簧由3种不同直径、不同弹性模量弹簧组成。

进一步地，所述缸体的缸径为210mm。

另外，本发明还提供了一种新型关节型工业机器人，包括上面所述的平衡缸、机器人底座、大臂、大臂安装底座、第一平衡杆、第二平衡杆、小臂、第三平衡杆和重物连接杆；

所述新型关节型工业机器人平衡缸的左缸盖与所述机器人底座固定，所述新型关节型工业机器人平衡缸的活塞杆穿出右缸盖的端部与所述大臂连接；所述大臂安装底座固定于大臂安装底座机器人底座上，所述第一平衡杆与所述大臂的两端分别通过连接杆连接，同时所述第一平衡杆、所述大臂与所述的连接杆的节点均采用销轴连接；并且，所述第二平衡杆的一端同时与所述小臂、所述大臂通过销轴连接，所述第二平衡杆的另一端与所述第三平衡杆的一端通过销轴连接；所述小臂的另一端与所述第三平衡杆的另一端之间通过连接杆连接，而且所述小臂的该端、所述第三平衡杆的该端均采用销轴与所述的连接杆连接；与此同时，所述小臂的该端、所述第三平衡杆的该端还分别通过所述重物连接杆与重物连接。

可选地，所述活塞杆上缠绕两个线圈，所述线圈电流为1.5A，在承载重物为450kg情况下，所述活塞杆有效运动位移范围150mm，所述大臂最高转速为15r/min。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种新型关节型工业机器人平衡缸，通过缸体呈上下封闭、左右不封闭，左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左、右两侧；在所述缸体内充满所述的磁流变液，并且安全组合弹簧、活塞杆和线圈都分别设置在所述缸体内部；并且，安全组合弹簧一端固定在左缸盖内壁上，另一端与活塞杆的一端固定，该活塞杆的另一端穿出右缸盖；同时，前后两个线圈分别缠绕在活塞杆上。从而，本发明所述的新型关节型工业机器人平衡缸能够有效地克服现有技术中工业机器人平衡缸存在的安全性低、难控制、可靠性差等缺点。

附图说明

图1为本发明实施例新型关节型工业机器人平衡缸的结构示意图；

图2为本发明实施例新型关节型工业机器人的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参阅图1所示，为本发明实施例新型关节型工业机器人平衡缸的结构示意图，所述的新型关节型工业机器人平衡缸包括缸体21、左缸盖23、右缸盖25、安全组合弹簧22、活塞杆27、磁流变液28和线圈29。其中，缸体21呈上下封闭、左右不封闭，左缸盖23、右缸盖25分别安装在该缸体21的左、右两侧。较佳地，左缸盖23、右缸盖25分别通过连接螺栓24与缸体21紧固。

另外，在缸体21内充满磁流变液28，并且安全组合弹簧22、活塞杆27和线圈29都分别设置在缸体21内部。其中，安全组合弹簧22一端固定在左缸盖23内壁上，另一端与活塞杆27的一端固定，该活塞杆27的另一端穿出右缸盖25。同时，前后两个线圈29分别缠绕在活塞杆27上。

较佳地，活塞杆27与缸体21均用低碳钢制成。由于活塞杆27与缸体21均用低碳钢制成，以及活塞杆27上缠绕有线圈29，因而形成了一个磁通回路，使活塞杆27与缸体21形成的环状流口具有一定的磁通密度，通过调整线圈29的电流，改变磁流变液28的粘度，进而改变所述平衡缸的阻尼系数。

在实施例中，缸体21的缸径为200mm-220mm。较佳地，缸体21的缸径为200mm-210mm，或为210mm-220mm。优选地，缸体21的缸径为210mm。

还需要说明的是，活塞杆27穿出右缸盖25并与右缸盖25接触的部分通过密封圈26进行紧固、密封。

作为本发明的另一个实施例，如图2所示(在图2中标号2为本发明所述的平衡缸)，为本发明实施例新型关节型工业机器人的结构示意图。所述新型关节型工业机器人平衡缸2的左缸盖23与机器人底座1固定，所述新型关节型工业机器人平衡缸2的活塞杆27穿出右缸盖25的端部与大臂5连接。另外，大臂安装底座3固定于机器人底座1上，第一平衡杆4与大臂5的两端分别通过连接杆连接，同时第一平衡杆4、大臂5与所述的连接杆的节点均采用销轴连接。并且，第二平衡杆6的一端同时与小臂8、大臂5通过销轴连接，第二平衡杆6的另一端与第三平衡杆7的一端通过销轴连接。

小臂8的另一端与第三平衡杆7的另一端之间通过连接杆连接，而且小臂8的该端、第三平衡杆7的该端均采用销轴与所述的连接杆连接。与此同时，小臂8的该端、第三平衡杆7的该端还分别通过重物连接杆9与重物10连接。较佳地，小臂8该端上连接的重物连接杆9的另一端固定于第三平衡杆7的该端上连接的重物连接杆9上，并且第三平衡杆7的该端上连接的重物连接杆9的一端固定连接重物10。

需要说明的是，在实施例中采用销轴连接的方式是为了可以产生相对的运动。

由于磁流变液28是一种铁磁粒子均匀地悬浮在载体中的一种智能材料，这种材料能够随不同的磁场作用而迅速改变其流变特性，在磁场作用下，磁流变液28变稠，流动性变差，增加了活塞杆27的运动阻尼，而且线圈29电流愈大，磁场感应强度愈大，磁流变液28愈稠，流体流动愈困难。这样，当大臂5的运动带动了平衡缸2的活塞杆27高速往返运动时，由于磁流变液28阻尼增加，平衡了大臂5的运动惯性，使机器人运行更加平稳。

在本发明的另一个实施例中，所述的平衡缸所安装的安全组合弹簧22由3种不同直径、不同弹性模量弹簧组成，当大臂5产生力矩时，使弹簧22变长而产生弹性力，由于弹性力方向不通过回转中心而产生反向力矩，因而具有平衡大臂5力矩的作用。从而使机器人的各关节保持在平衡状态上运动，使机器人的动态特性才得以大大改善，又能最大限度地减少电力消耗，简化了各功能机构的外形体积。

另外，活塞杆28上缠绕两个线圈29，线圈电流为1.5A，在承载重物10为450kg情况下，活塞杆28有效运动位移范围可达150mm,大臂最高转速可达为15r/min,提高了机器人运行效率。

由此可以看出，本发明实现的一种新型关节型工业机器人平衡缸，创造性地提出了通过所述的平衡缸能显著减少大臂电机功率需求，增加了机器人的系统阻尼，提高了机器人的稳定性；通过改变磁流变液的流动性，增加活塞运动的阻尼平衡机器人各关节的运动惯性，提高了机器人的运动平稳性；并且，通过改变线圈电流大小调整磁流变液的粘性，调整磁流变液的阻尼系数，实现了对机器人运动的主动控制，以适用不同机器人的载荷需求；而且，通过安装安全弹簧平衡机器人各关节的力矩，使各关节始终处于平衡状态，减少了机器人的电力消耗，使机器人更加节能，并能提高机器人各个关节零件的使用寿命；最后，整个所述的新型关节型工业机器人平衡缸简便、紧凑，易于实现。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型关节型工业机器人平衡缸，其特征在于，包括缸体、左缸盖、右缸盖、安全组合弹簧、活塞杆、磁流变液和线圈；

其中，所述缸体呈上下封闭、左右不封闭，所述左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左、右两侧；在所述缸体内充满所述的磁流变液，并且所述安全组合弹簧、所述活塞杆和所述线圈都分别设置在所述缸体内部；并且，所述安全组合弹簧一端固定在所述左缸盖内壁上，另一端与所述活塞杆的一端固定，该活塞杆的另一端穿出所述右缸盖；同时，前后两个所述的线圈分别缠绕在所述活塞杆上；

所述的平衡缸所安装的安全组合弹簧由3种不同直径、不同弹性模量弹簧组成；

还有，所述活塞杆与所述缸体均用低碳钢制成，并且所述活塞杆上缠绕有所述的线圈，因而形成了一个磁通回路，使所述活塞杆与所述缸体形成的环状流口具有的磁通密度，通过调整所述线圈的电流，改变所述磁流变液的粘度，进而改变所述平衡缸的阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的平衡缸，其特征在于，所述平衡缸还包括密封圈，所述活塞杆穿出所述右缸盖并与所述右缸盖接触的部分通过所述密封圈进行紧固、密封。

3.根据权利要求1或2所述的平衡缸，其特征在于，所述缸体的缸径为210mm。

4.一种新型关节型工业机器人，其特征在于，包括权利要求1-3中任意一项所述的平衡缸、机器人底座、大臂、大臂安装底座、第一平衡杆、第二平衡杆、小臂、第三平衡杆和重物连接杆；

所述新型关节型工业机器人平衡缸的左缸盖与所述机器人底座固定，所述新型关节型工业机器人平衡缸的活塞杆穿出右缸盖的端部与所述大臂连接；所述大臂安装底座固定于机器人底座上，所述第一平衡杆与所述大臂的两端分别通过连接杆连接，同时所述第一平衡杆、所述大臂与所述的连接杆的节点均采用销轴连接；并且，所述第二平衡杆的一端同时与所述小臂、所述大臂通过销轴连接，所述第二平衡杆的另一端与所述第三平衡杆的一端通过销轴连接；所述小臂的另一端与所述第三平衡杆的另一端之间通过连接杆连接，而且所述小臂的该端、所述第三平衡杆的该端均采用销轴与所述的连接杆连接；与此同时，所述小臂的该端、所述第三平衡杆的该端还分别通过所述重物连接杆与重物连接。

5.根据权利要求4所述的新型关节型工业机器人，其特征在于，所述活塞杆上缠绕两个线圈，所述线圈电流为1.5A，在承载重物为450kg情况下，所述活塞杆有效运动位移范围150mm，所述大臂最高转速为15r/min。