CN106737841A - 一种力矩自平衡的多连杆配重机构及其平衡算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力矩自平衡的多连杆配重机构及其平衡算法，包括用于支撑连杆机构的支撑机构和用于给所述连杆机构提供动能的驱动机构；所述连杆机构包括Y向驱动摆杆（2）和X向驱动摆杆（3），所述Y向驱动摆杆（2）的中间偏下侧点和X向驱动摆杆（3）中间偏右侧点交于O点后与所述支撑机构顶端铰接，所述Y向驱动摆杆（2）的顶端点B与工作杆（4）的中间偏左侧点铰接，所述工作杆（4）的左端点C和X向驱动摆杆（3）的中点D之间铰接有传动杆（6）。本发明在机器人手臂动作过程中，可时刻保证整个机构的自平衡，无需消耗大量能量来控制平衡，节能减排，成本低。

Description

一种力矩自平衡的多连杆配重机构及其平衡算法

技术领域

本发明涉及一种配重机构，尤其涉及一种力矩自平衡的多连杆配重机构及其平衡算法，属于机器人手臂技术领域。

背景技术

力矩自平衡的配重机构，主要应用于自动生产线上的工业机器人手臂，如焊接、喷涂、运输等高精度要求的工序；另一种应用在精度要求不高的场合，如建筑工地上的吊车。

而现有的机械手臂，在其工作过程中，一般有电机驱动、液压缸驱动、气缸驱动。电机驱动的工业机器人手臂，电机连接减速器，通过减速器中的齿轮来实现运动与制动，在精度要求高的场合，则需要使用RV减速器，或者谐波减速器，使用这类高精度的减速器，加大了机械手臂的加工成本，并且电机还需要控制整个机械的平衡，这将会一定程度上影响运动精度；液压缸驱动的工业机器人手臂，它的优点在于高精度、高灵敏度、高安全性，但其制造成本高、还会漏油，不能应用于一些生产环境要求高的车间；气缸驱动的工业机器人手臂，主要应用与一些快节奏的场合，但其只能应用于一些载荷小、精度要求低的场合。焊机机器人是目前企业里应用最广泛的工业机器人，尤其汽车制造业。例如，焊接是一种不直接接触式，非刚性加工，并且加工精度要求高，一旦因为加工精度问题导致产品质量下降，将大大影响产品质量、降低企业利润。现有的工业用机械手臂，往往都要求中等载荷、精度要求高、效率高，但上述的三种驱动方式中，往往大部分动能都被应用于控制平衡上，消耗了大部分能量，因此有必要对现有技术中的平衡机构进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种力矩自平衡的多连杆配重机构，在机器人手臂动作过程中，可时刻保证整个机构的自平衡，无需消耗大量能量来控制平衡，节能减排，成本低，并且空载时也能保证整个机构的力矩平衡；进一步地，本发明提供一种安装工具可更换的力矩自平衡的多连杆配重机构；更进一步地，本发明提供一种力矩自平衡的多连杆配重机构的平衡算法，该算法可根据工具配重计算与其相适应的平衡凸轮的轮廓图，无论工作杆运动到什么位置，平衡凸轮的重心在滑槽及平衡杆的作用下，都可以迅速达到平衡位置，为此电机只需要少部分力即可控制工作杆的运动，很大程度上提高了机构工作精度，同时节约了能量；还可根据安装不同的工具，设计不同的平衡凸轮，以致该机构可适用于各种工作要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种力矩自平衡的多连杆配重机构，包括用于支撑连杆机构的支撑机构和用于给所述连杆机构提供动能的驱动机构；所述连杆机构包括Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆，所述Y向驱动摆杆的中间偏下侧点和X向驱动摆杆中间偏右侧点交于O点后与所述支撑机构顶端铰接，所述Y向驱动摆杆的顶端点B与工作杆的中间偏左侧点铰接，所述工作杆的左端点C和X向驱动摆杆的中点D之间铰接有传动杆，所述Y向驱动摆杆的中点J与辅助杆的左端点相铰接，所述Y向驱动摆杆的底端点A与平衡杆的右端点相铰接；所述平衡杆的左端点K所铰接的滚子位于用于调节平衡的平衡凸轮的滑槽内，所述原始凸轮分别与辅助杆的右端点H、X向驱动摆杆右端点F铰接；所述X向驱动摆杆的左端点E与所述平衡凸轮相铰接。

所述工作杆的右端点I处活动安装有工具。

所述活动安装包括螺纹连接或销轴连接。

所述支撑机构包括机架。

所述驱动机构包括电机和减速器，所述电机与减速器相连，所述减速器分别与所述Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆相连。

OF段与JH段长度相同，BC段与OD段长度相同，OB段与CD段长度相同，点O、B、C、D形成的四边形为平行四边形，点O、J、H、F形成的四边形为平行四边形。

所述铰接包括通过轴承连接。

一种力矩自平衡的多连杆配重机构的平衡算法，包括以下步骤：

忽略Y向驱动摆杆、X向驱动摆杆、工作杆、平衡杆、传动杆和辅助杆的自重，只考虑I点处安装的工具的重量、原始凸轮的重量及平衡凸轮的重量；

原始凸轮的重心点为G₈，平衡凸轮重心点为G₉；设OB段的长度为固定值d；BI段的长度为固定值c；过点G₈、点O、Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆的平行四边形，其与X向驱动摆杆平行的边的长度为固定值e，其与Y向驱动摆杆平行的边的长度为固定值f；设OE段的长度为固定值b；G₉到E点之间的距离为固定值a；过E点作竖直线，设G₉E段与竖直线的夹角为λ；

设原始凸轮的重力为F₈，距中心点O的力矩为L₈；平衡凸轮的重力为F₉，距中心点O的力矩为L₉；工具的重力为F₄，距中心点O的力矩为L₄；

则总平衡方程为：

F₉·L₉＝F₈·L₈+F₄·L₄ (1)

假设Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆的初始位置为相互垂直，然后Y向驱动摆杆相对于初始位置顺时针转动θ₁角度，X向驱动摆杆相对于初始位置顺时针转动θ₂角度，顺时针转动为正；

设Y向驱动摆杆与X向驱动摆杆的夹角为α，则：

α＝π/2-θ₁+θ₂ (2)

设Y向驱动摆杆与工作杆的夹角大小为β，则：

β＝π-α＝π/2+θ₁-θ₂ (3)

连接点O、I两点，则O、I两点间的距离为：

将式(4)两端平方后得：

L_OI ²＝c²+d²-2cdsin(θ₁-θ₂) (5)

设OI段与X向驱动摆杆之间的夹角为OI段与X向驱动摆杆初始位置之间的夹角为γ；则：

由三角函数得力矩L₄、L₈为：

将式(8)、式(9)代入式(1)得出L₉的长度；

又因为L₉＝bcosθ₂+asinλ (10)

故得出

求出λ角之后，便可以得出不同F₄压力下的平衡凸轮上滑槽的轮廓图，故在机构运行过程中，无论工作杆运动到什么位置，平衡凸轮的重心在滑槽及平衡杆的作用下，可迅速达到平衡位置。

本发明具有如下优点：平衡凸轮的设置，用于自调节机构平衡，无需消耗大量能量来控制平衡，节能减排，成本低；原始凸轮的设置，使机构空载时也能保证力矩平衡；传动杆的设置，为工作杆提供平衡，同时传递X向驱动摆杆的转动并提高了工作杆的强度；工作杆活动安装工具的设置，便于工具更换，使工作杆与多种工具相适配，使机器人手臂可进行多种工件的加工制造；另外，平衡算法可根据不同重量的工具计算出与其相适配的平衡凸轮上的滑槽轮廓，使机构运行过程中，无论工作杆运动到什么的位置，平衡凸轮的重心在滑槽及平衡杆的作用下，都可以迅速达到平衡位置，为此电机只需要少部分力即可控制工作杆的运动，很大程度上提高了机构工作精度，同时节约了能量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中各铰接点的位置图；

图3为本发明中Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆在初始位置的结构示意图；

图4为本发明中Y向驱动摆杆和X向驱动摆杆旋转后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～图4所示，一种力矩自平衡的多连杆配重机构，包括支撑机构、驱动机构、连杆机构、平衡配重机构。

支撑装置，主要就是支撑底座1，支撑整个连杆机构，并保证连杆机构具有足够工作空间。

连杆机构，包括Y向驱动摆杆2、X向驱动摆杆3，工作杆4、平衡杆5、传动杆6和辅助杆7。

平衡装置，包括原始凸轮8和平衡凸轮9。

支撑底座1支撑整个机构，与Y向驱动摆杆2、X向驱动摆杆3相交于O处，通过轴承连接，交点O为整个机构的平衡中心。当机构实际应用时，则可以在支撑底座1上的交点O处的周围安装电机和减速器，并为Y向驱动摆杆2和X向驱动摆杆3提供动力。

Y向驱动摆杆2与X向驱动摆杆3在O处通过轴承连接、与工作杆4在B处通过轴承连接、与平衡杆5在A处通过轴承连接。Y向驱动摆杆2主要是在电机的驱动下，为工作杆4提供向前(后)，即图示向右(左)运动方向，当绕O点顺(逆)时针方向运动时，图示O、B、C、D所形成的平行四边形OBCD，OD边不动，OB运动，此时工作杆4将有向右上(左下)方的运动趋势。

X向驱动摆杆3与原始凸轮8在F点处通过轴承连接、与传动杆6在点D处通过轴承连接，与平衡凸轮9在点E处通过轴承连接。X向驱动摆杆3在电机的驱动下，绕点O做顺(逆)时针转动，顺时针转动时，平行四边形OBCD中边OB不动，工作杆4将与X向驱动摆杆3有同样的运动趋势，即向下(上)运动。

Y向驱动摆杆2、X向驱动摆杆3都是为工作杆4工作时，提供各种工况下运动轨迹。

工作杆4与传动杆6在点C处通过轴承连接，在工作杆4的I点处，根据不同的工作需要安装不同的工具。

平衡杆5在点K处通过滚轮与平衡凸轮9上的滑槽相连，在工作杆4运动时，滚轮在事先设定好轮廓的滑槽上运动，自动达到平衡位置，保证整个机构的平衡。

在工作杆4承载时，传动杆6为工作杆4提供平衡；同时传递X向驱动摆杆3的转动；同时也提高了工作杆4的强度。

平衡凸轮9是事先根据在I处加载的工具质量，具体计算出中心位置与平衡凸轮9上滑槽轮廓，以便于在工作杆4运动时，时刻保证整个机构平衡。当Y向驱动摆杆2或X向驱动摆杆3运动，平衡凸轮9将在滑槽的驱动下，自动旋转至机构平衡位置。

平衡凸轮9上的滑槽轮廓，根据I处安装的工具质量具体计算得出，不同质量有不同的轨迹；并且平衡凸轮9可拆卸，可安装不同型号的平衡凸轮。

在Y向驱动摆杆2和X向驱动摆杆3运动过程中，原始凸轮8的重心位置呈规律变化，安装此原始凸轮8的目的是，保证工作杆4的I处没有安装工具的时候，即空载时保证整个机构的力矩平衡。

工具与工作杆4的I点处通过螺纹连接。

一种力矩自平衡的多连杆配重机构的平衡算法，即平衡凸轮上滑槽轮廓的计算方法，包括以下步骤：

忽略Y向驱动摆杆2、X向驱动摆杆3、工作杆4、平衡杆5、传动杆6和辅助杆7的自重，只考虑I点处安装的工具的重量、原始凸轮8的重量及平衡凸轮9的重量；

原始凸轮8的重心点为G₈，平衡凸轮9重心点为G₉；设OB段的长度为固定值d；BI段的长度为固定值c；过点G₈、点O、Y向驱动摆杆2和X向驱动摆杆3的平行四边形，其与X向驱动摆杆3平行的边的长度为固定值e，其与Y向驱动摆杆2平行的边的长度为固定值f；设OE段的长度为固定值b；G₉到E点之间的距离为固定值a；过E点作竖直线，设G₉E段与竖直线的夹角为λ；

设原始凸轮8的重力为F₈，距中心点O的力矩为L₈；平衡凸轮9的重力为F₉，距中心点O的力矩为L₉；工具的重力为F₄，距中心点O的力矩为L₄；

则总平衡方程为：

F₉·L₉＝F₈·L₈+F₄·L₄ (1)

假设Y向驱动摆杆2和X向驱动摆杆3的初始位置为相互垂直，然后Y向驱动摆杆2相对于初始位置顺时针转动θ₁角度，X向驱动摆杆3相对于初始位置顺时针转动θ₂角度；则：

α＝π/2-θ₁+θ₂ (2)

设Y向驱动摆杆2与工作杆4的夹角大小为β，则：

β＝π-α＝π/2+θ₁-θ₂ (3)

连接点O、I两点，则O、I两点间的距离为：

将式(4)两端平方后得：

L_OI ²＝c²+d²-2cdsin(θ₁-θ₂) (5)

设OI段与旋转后的X向驱动摆杆3之间的夹角为OI段与旋转前的X向驱动摆杆3之间的夹角为γ；则：

由三角函数得力矩L₄、L₈为：

将式(8)、式(9)代入式(1)得出L₉的长度；

又因为L₉＝bcosθ₂+asinλ (10)

故得出

求出λ角之后，便可以得出平衡凸轮9上滑槽的轮廓图，故在机构运行过程中，无论工作杆4运动到什么位置，平衡凸轮9的重心在滑槽及平衡杆5的作用下，可迅速达到平衡位置，为此，电机只需要少部分力即可控制工作杆4的运动，很大程度上提高了机构工作精度，同时节约了能量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：包括用于支撑连杆机构的支撑机构和用于给所述连杆机构提供动能的驱动机构；所述连杆机构包括Y向驱动摆杆(2)和X向驱动摆杆(3)，所述Y向驱动摆杆(2)的中间偏下侧点和X向驱动摆杆(3)中间偏右侧点交于O点后与所述支撑机构顶端铰接，所述Y向驱动摆杆(2)的顶端点B与工作杆(4)的中间偏左侧点铰接，所述工作杆(4)的左端点C和X向驱动摆杆(3)的中点D之间铰接有传动杆(6)，所述Y向驱动摆杆(2)的中点J与辅助杆(7)的左端点相铰接，所述Y向驱动摆杆(2)的底端点A与平衡杆(5)的右端点相铰接；所述平衡杆(5)的左端点K所铰接的滚子(10)位于用于调节平衡的平衡凸轮(9)的滑槽(11)内，所述原始凸轮(8)分别与辅助杆(7)的右端点H、X向驱动摆杆(3)右端点F铰接；所述X向驱动摆杆(3)的左端点E与所述平衡凸轮(9)相铰接。

2.根据权利要求1所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：所述工作杆(4)的右端点I处活动安装有工具。

3.根据权利要求2所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：所述活动安装包括螺纹连接或销轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：所述支撑机构包括机架(1)。

5.根据权利要求1所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：所述驱动机构包括电机和减速器，所述电机与减速器相连，所述减速器分别与所述Y向驱动摆杆(2)和X向驱动摆杆(3)相连。

6.根据权利要求1所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：OF段与JH段长度相同，BC段与OD段长度相同，OB段与CD段长度相同，点O、B、C、D形成的四边形为平行四边形，点O、J、H、F形成的四边形为平行四边形。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构，其特征在于：所述铰接包括通过轴承连接。

8.根据权利要求1～6任一项所述的一种力矩自平衡的多连杆配重机构的平衡算法，其特征在于：包括以下步骤：

忽略Y向驱动摆杆(2)、X向驱动摆杆(3)、工作杆(4)、平衡杆(5)、传动杆(6)和辅助杆(7)的自重，只考虑I点处安装的工具的重量、原始凸轮(8)的重量及平衡凸轮(9)的重量；

原始凸轮(8)的重心点为G₈，平衡凸轮(9)重心点为G₉；设OB段的长度为固定值d；BI段的长度为固定值c；过点G₈、点O、Y向驱动摆杆(2)和X向驱动摆杆(3)的平行四边形，其与X向驱动摆杆(3)平行的边的长度为固定值e，其与Y向驱动摆杆(2)平行的边的长度为固定值f；设OE段的长度为固定值b；G₉到E点之间的距离为固定值a；过E点作竖直线，设G₉E段与竖直线的夹角为λ；

设原始凸轮(8)的重力为F₈，距中心点O的力矩为L₈；平衡凸轮(9)的重力为F₉，距中心点O的力矩为L₉；工具的重力为F₄，距中心点O的力矩为L₄；

则总平衡方程为：

F₉·L₉＝F₈·L₈+F₄·L₄ (1)

假设Y向驱动摆杆(2)和X向驱动摆杆(3)的初始位置为相互垂直，然后Y向驱动摆杆(2)相对于初始位置顺时针转动θ₁角度，X向驱动摆杆(3)相对于初始位置顺时针转动θ₂角度，顺时针转动为正；

设Y向驱动摆杆(2)与X向驱动摆杆(3)的夹角为α，则：

α＝π/2-θ₁+θ₂ (2)

设Y向驱动摆杆(2)与工作杆(4)的夹角大小为β，则：

β＝π-α＝π/2+θ₁-θ₂ (3)

连接点O、I两点，则O、I两点间的距离为：

$L_{OI}=\sqrt{c^2+d^2-2cdcos\mathrm{\β}}=\sqrt{c^2+d^2-2cdsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(4\right)$

将式(4)两端平方后得：

L_OI ²＝c²+d²-2cd sin(θ₁-θ₂) (5)

设OI段与X向驱动摆杆(3)之间的夹角为OI段与X向驱动摆杆(3)初始位置之间的夹角为γ；则：

由三角函数得力矩L₄、L₈为：

$L_4=L_{OI}\·\cos \mathrm{\γ}=\sqrt{c^2+d^2-2cdsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}\·\{\arccos \[\frac{c^2-2cdsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{2c\sqrt{c^2+d^2-2cdsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}}\]+{\mathrm{\θ}}_2\}---\left(8\right)$

$L_8=\sqrt{e^2+f^2-2efsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}\·\{\arccos \[e\frac{c^2-2edsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{2e\sqrt{e^2+f^2-2efsin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}}\]+{\mathrm{\θ}}_2\}---\left(9\right)$

将式(8)、式(9)代入式(1)得出L₉的长度；

又因为L₉＝b cosθ₂+a sinλ (10)

故得出

求出λ角之后，便可以得出不同F₄压力下的平衡凸轮(9)上滑槽的轮廓图，故在机构运行过程中，无论工作杆(4)运动到什么位置，平衡凸轮(9)的重心在滑槽及平衡杆(5)的作用下，可迅速达到平衡位置。