CN106313115B - 一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置及其安装方法，包括壳体和壳盖，所述壳体内的四个拐角处均设有定位柱，所述壳体内设有圆柱齿轮、与圆柱齿轮啮合的一对齿条、双螺旋弹簧储能器以及输入转轴，所述壳体底部被输入转轴贯穿至圆柱齿轮内孔处，所述的一对齿条对称分布在圆柱齿轮的两侧，任一个所述齿条的两侧均设有对称分布的双螺旋弹簧储能器，所述双螺旋弹簧储能器的一端固接在齿条上，另一端固接在定位柱上；本力矩平衡装置结构巧妙，易于安装与拆卸，成本较低，便于量产，可应用于各种串联工业机器人机械臂的输出关节的部位，能够有效减小伺服电机和RV减速器的负载，有效提高工业机器人的动力性能和运动精度，有着非常强的实用意义。

Description

一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及到一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置。

背景技术

在中国制造2025与德国工业4.0的大力推进下，工业机器人越来越广泛应用于智能化生产，但是工业机器人在进行作业的过程中，总会出现这样那样的问题，尤其对于6R关节型机器人在运动时，其大臂的的重心方向并不总是沿着关节轴线，当大臂中心线偏离竖直方向时，必然会由于本身的重力负载而产生旋转力矩，不仅对伺服电机和RV减速器有着严格的考验，特别对执行作业的工业机器人的动态性能与执行精度有着很大的影响。

目前市场上大多采用平衡缸装置，平横缸大多密封液压阻尼装置这对储存的弹性势能有一定的吸收，则释放的能量必然大量减少，从而平衡力矩的效果有所降低，另外平衡杠体积较大，不易装配拆卸，所以工业机器人的力矩平衡装置还有很大的改善空间，如何设计效果更好的力矩平衡装置是我们所需要考虑的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置，该力矩平衡装置可以实时地、有效地减小关节处负载力矩，平衡大臂重力负载产生的旋转力矩。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置，包括壳体和壳盖，所述壳体内的四个拐角处均设有定位柱，所述壳体内设有圆柱齿轮、与圆柱齿轮啮合的一对齿条、双螺旋弹簧储能器以及输入转轴，所述壳体底部被输入转轴贯穿至圆柱齿轮内孔处，所述的一对齿条对称分布在圆柱齿轮的两侧，任一个所述齿条的两侧均设有对称分布的双螺旋弹簧储能器，所述双螺旋弹簧储能器的一端固接在齿条上，另一端固接在定位柱上。

进一步的，所述输入转轴的外圆面设有若干个沿周向均匀分布的棱柱状凸起，所述圆柱齿轮内孔面设有若干个沿周向均匀分布的凹槽。

进一步的，所述输入转轴的端部设有用于固定大臂关节旋转轴的台阶端面。

进一步的，所述输入转轴的外圆面设有一圈卡位凸台，所述卡位凸台与棱柱状凸起相垂直。

进一步的，所述壳盖内表面设有限制圆柱齿轮轴向移动的环形凸槽。

一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将输入转轴与大臂关节通过螺栓连接；

步骤二：将输入转轴穿过壳体底部的圆形通孔，再将输入转轴的棱柱状凸起与圆柱齿轮内孔的凹槽卡接配合，同时将圆形挡边固定在卡位凸台上；

步骤三：将壳体的固定耳与定位座通过螺钉或螺栓固定；

步骤四：齿条的两端面与双螺旋弹簧储能器的上固定架进行螺栓固定连接；第二条齿条亦是如此安装；

步骤五：将齿条中心与圆柱齿轮进行啮合，同时将双螺旋弹簧储能器的下固定架的圆孔固定在壳体定位柱的圆柱平台上，并旋入螺母垫片拧紧；第二齿条亦是如此安装；

步骤六：安装壳盖，将壳盖的个通孔对准壳体的螺纹固定柱，通过旋入螺钉来固定壳盖。

本发明的有益效果在于：

当工业机器人作业时，其大臂的重心一定不会沿着大臂中心线，必然会由于重力负载而产生旋转力矩，通过圆柱齿轮和齿条的啮合运动，将力传递给4个双螺旋弹簧，双螺旋弹簧压缩的同时将会对齿条产生反向力，必然引起圆柱齿轮做反向运动或反向运动趋势，从而实时输出平衡力矩。本发明所述的力矩平衡装置结构巧妙，易于安装与拆卸，成本较低，便于量产，可应用于各种串联工业机器人机械臂的输出关节的部位，能够有效减小伺服电机和RV减速器的负载，有效提高工业机器人的动力性能，和运动精度，有着非常强的实用意义。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为壳盖的结构示意图；

图3为壳体的结构示意图；

图4为圆柱齿轮的结构示意图；

图5为双螺旋弹簧储能器的结构示意图；

图6为定位座、大臂的安装结构示意图；

图7为图6的侧视图(不包含壳盖)；

图中：壳盖1；双螺旋弹簧储能器2；圆柱齿轮3；圆形挡边30；齿条4；壳体5；输入转轴6；台阶端面60；卡位凸台61；定位柱7；固定耳8；圆形通孔9；螺纹固定柱10；环形凸槽11；通孔12；上固定架13；下固定架14；圆孔140；双螺旋弹簧15；大臂16；定位座17。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的结构和工作原理做进一步详细的说明，以下的具体实施方式意指帮助该领域的技术人员进行辅助理解本发明内容，但并不限制本发明，本说明书中的“前”“后”“左”“右”均与附图1中的方向一致。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明提供的一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置，包括相互配合的壳体5和壳盖1，所述壳体5内设有圆柱齿轮3、与圆柱齿轮啮合的两个齿条4、双螺旋弹簧储能器2以及输入转轴6，如图4所示，圆柱齿轮3是由齿轮本体及其下端的圆形挡边30组成的一体式结构，壳体5底部开设有圆形通孔9，所述的输入转轴6通过圆形通孔9贯穿壳体至圆柱齿轮3内孔处；所述壳体5的四个拐角处设有定位柱7，沿定位柱长度的2/3处设有圆柱平台，用来定位双螺旋弹簧储能器2的一端。

所述输入转轴6的外圆面设有四条棱柱状凸起，四个所述棱柱状凸起沿输入转轴外圆面的周向均匀分布，且四个凸起与输入转轴的轴线共线，同时在圆柱齿轮3的内孔面设有与棱柱状凸起相配合的凹槽，棱柱状凸起与凹槽卡接配合，实现输入转轴6和圆柱齿轮3的同步转动，输入转轴6的端部设有用于固定大臂16关节旋转轴的台阶端面60，该台阶端面60的表面周向均匀分布有多个螺纹孔，与大臂16关节旋转轴通过螺栓进行固定连接，实现大臂16与输入转轴的同步周向运动；同时输入转轴6的外圆面还设有一圈卡位凸台61，卡位凸台61与棱柱状凸起相垂直，圆柱齿轮3下端的圆形档边30固定在卡位凸台61上，圆形档边30随圆柱齿轮3转动的过程中，对两侧的齿条4起到支撑作用。

所述的两个齿条4对称分布在圆柱齿轮3的前后两侧，任一个所述齿条4 的两侧均设有对称分布的双螺旋弹簧储能器2，所述双螺旋弹簧储能器包括上固定架13、下固定架14以及连接上固定架13和下固定架14的双螺旋弹簧15；齿条两端设有螺纹孔，与上固定架13上的螺纹孔通过螺栓进行固定连接，从而双螺旋弹簧储能器2的一端便通过上固定架13固接在齿条上，下固定架14上开设有圆孔140，通过圆孔140将下固定架14定位在定位柱7的圆柱平台上，再用螺母垫片将定位柱7上端旋紧完成双螺旋弹簧储能器2的固定；齿条4可将径向力传递给双螺旋弹簧15，双螺旋弹簧的螺距，螺旋圈数，以及弹簧的粗细根据工业机器人的负载力矩而定；如图1所示，当圆柱齿轮3顺时针转动时，后侧齿条向右作直线运动，前侧齿条向左作直线运动，从而将圆柱齿轮的周向转动转化成齿条的直线运动，同时又对齿条两端固定连接的弹簧进行压缩储能，随着弹簧的压缩量增大，弹簧对齿条的反作用力也增大，实现对齿条的直线运动具有反向推动或反向推动趋势的效果。

所述壳体5内设有四个螺纹固定柱10，所述壳盖1上设有四个与螺纹固定柱10位置对应的通孔12，通孔12与螺纹固定柱10的直径相同，采用螺钉由通孔12处旋入螺纹固定柱10，实现壳盖1与壳体5的固定。

为了保证圆柱齿轮3和齿条4啮合的稳定性，在壳盖1内表面设有环形凸槽11，壳盖1与壳体5固接后，环形凸槽11紧贴圆柱齿轮3的上端面，用来限制圆柱齿轮3的轴向移动，使圆柱齿轮3与齿条4更完美的啮合，所述环形凸槽11的高度取决于圆柱齿轮3上端面与壳盖1内表面的距离；所述壳体5底面的左右两侧设有对称分布的固定耳8，所述固定耳8上设有螺纹通孔，通过螺栓与定位座17固定。

上述壳体内的部件均为对称分布，四个双螺旋弹簧储能器与圆柱齿轮和齿条的啮合运动来为大臂提供周向平衡力矩，可以充分将工业机器人大臂运动时由于重力负载产生的力矩通过齿轮齿条的啮合来传递给双螺旋弹簧，对工业机器人大臂具有良好的实时力矩平衡效应，对保护伺服电机和RV减速器也具有一定的效果。

参照图6-7，本设计提供的可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装顺序为：

步骤一：将输入转轴与大臂关节通过螺栓连接，此时大臂的位置一定得保持重心是沿着大臂中心线竖直向下，这样输入转轴才不会受到旋转力矩；

步骤二：将输入转轴穿过壳体底部的圆形通孔，再将输入转轴的棱柱状凸起与圆柱齿轮内孔的凹槽卡接配合，同时将圆形挡边固定在卡位凸台上；

步骤三：将壳体的固定耳与定位座通过螺钉或螺栓固定；

步骤四：齿条的两端面与双螺旋弹簧储能器的上固定架进行螺栓固定连接；第二条齿条亦是如此安装；

步骤五：将齿条中心与圆柱齿轮进行啮合，同时将双螺旋弹簧储能器的下固定架的圆孔固定在壳体定位柱的圆柱平台上，并旋入螺母垫片拧紧；第二齿条亦是如此安装；

步骤六：安装壳盖，将壳盖的个通孔对准壳体的螺纹固定柱，通过旋入螺钉来固定壳盖。

本发明的力矩平衡功能通过如下阶段实现：

当工业机器人作业时，其大臂的重心一定不会沿着大臂中心线，必然会由于重力负载而产生旋转力矩，通过圆柱齿轮和齿条的啮合运动，将力传递给4个双螺旋弹簧，双螺旋弹簧压缩的同时将会对齿条产生反向力，必然引起圆柱齿轮做反向运动或反向运动趋势，从而输出平衡力矩。参照图7，当大臂逆时针从竖直位置开始转动，带动输入转轴与圆柱齿轮的同步转动，这时圆柱齿轮带动齿条啮合运动，左下端的双螺旋弹簧将被压缩，左上端的弹簧将被拉升，右上端弹簧被压缩，右下端弹簧被拉升，将重力势能转化为4个双螺旋弹簧的弹性势能；当大臂转动达到最大角度时，弹簧压缩量达到最大，即输出的平衡力矩到到最大；当大臂返回竖直位置过程中，弹性势能逐渐被释放，进一步辅助大臂返回，从而减轻伺服电机的旋转力矩，提高其运动性能。当工业机器人大臂顺时针转动时的工作原理与其类似，亦能达到以上效果。

Claims (3)

1.一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装方法，其特征在于：所述可拆卸式工业机器人力矩平衡装置，包括壳体(5)和壳盖(1)，所述壳体(5)内的四个拐角处均设有定位柱(7)，所述壳体(5)内设有圆柱齿轮(3)、与圆柱齿轮啮合的一对齿条(4)、双螺旋弹簧储能器(2)以及输入转轴(6)，所述壳体底部被输入转轴(6)贯穿至圆柱齿轮内孔处，所述的一对齿条(4)对称分布在圆柱齿轮(3)的两侧，任一个所述齿条(4)的两侧均设有对称分布的双螺旋弹簧储能器(2)，所述双螺旋弹簧储能器(2)的一端固接在齿条(4)上，另一端固接在定位柱(7)上，所述圆柱齿轮(3)是由齿轮本体及其下端的圆形挡边(30)组成的一体式结构；

所述输入转轴(6)的外圆面设有若干个沿周向均匀分布的棱柱状凸起，所述圆柱齿轮(3)内孔面设有若干个沿周向均匀分布的凹槽；

所述输入转轴(6)的外圆面设有一圈卡位凸台(61)，所述卡位凸台(61)与棱柱状凸起相垂直；

所述可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装方法包括以下步骤：

步骤一：将输入转轴与大臂关节通过螺栓连接；

步骤二：将输入转轴穿过壳体底部的圆形通孔，再将输入转轴的棱柱状凸起与圆柱齿轮内孔的凹槽卡接配合，同时将圆形挡边固定在卡位凸台上；

步骤三：将壳体的固定耳与定位座通过螺钉或螺栓固定；

步骤四：齿条的两端面与双螺旋弹簧储能器的上固定架进行螺栓固定连接；第二条齿条亦是如此安装；

步骤五：将齿条中心与圆柱齿轮进行啮合，同时将双螺旋弹簧储能器的下固定架的圆孔固定在壳体定位柱的圆柱平台上，并旋入螺母垫片拧紧；第二齿条亦是如此安装；

步骤六：安装壳盖，将壳盖的通孔对准壳体的螺纹固定柱，通过旋入螺钉来固定壳盖。

2.根据权利要求1所述的一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装方法，其特征在于：所述输入转轴(6)的端部设有用于固定大臂关节旋转轴的台阶端面(60)。

3.根据权利要求1所述的一种可拆卸式工业机器人力矩平衡装置的安装方法，其特征在于：所述壳盖(1)内表面设有限制圆柱齿轮轴向移动的环形凸槽(11)。