CN107962590B - 机器人和用于机器人的负载平衡装置 - Google Patents

机器人和用于机器人的负载平衡装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种机器人和用于机器人的流体的负载平衡装置，机器人包括由铰接接头连接的至少两个联接元件(14、16)，其中负载平衡装置设置有：液压缸(62)，其被连接到相对于彼此可移动的两个联接元件(14、16)，其中液压缸(62)的第一端与第一联接元件(14)连接，液压缸(62)的第二端与第二联接元件(16)连接；至少一个蓄压器(78)，其配置为与液压缸(62)联接；及控制单元(96)，其配置在液压缸(62)和至少一个蓄压器(78)之间，以将液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)彼此流体地联接，其中，控制单元(96)与在液压缸(62)和至少一个蓄压器(78)之间的第一流体路径(88)和第二流体路径(90)相关联，其中，在第二流体路径(90)处，设置可在第一操作状态和第二操作状态中操作以选择性地使流体能够流过第一流体路径或第二流体路径的可控阀(100)。

Description

机器人和用于机器人的负载平衡装置
技术领域
本公开涉及一种用于多轴机器人的流体的负载平衡装置，所述负载平衡装置包括由铰接接头连接且相对于彼此可移动(特别地可枢转)的至少两个联接元件。
背景技术
通常，在现有技术中已知特别地为所谓工业机器人的多轴机器人。一般地，这种类型的机器人包括彼此连接且相对于彼此可移动的两个、三个或更多个联接元件。借助于示例，这些联接元件可被称为基部、摆臂、臂/伸臂(boom)、手等。一般类型的机器人经常包括串联运动链(serial kinematic chain)。这种类型的机器人还被称为铰接臂机器人。已知具有两个至七个或甚至更多个旋转轴和/或枢转轴的机器人。利用串联运动，机器人的联接元件形成与基部分开的串链。也就是说，根据情况而定，在基部处和/或在运动链中配置为与基部相邻的联接元件处的驱动器不仅需要支撑和/或使相应的直接以下联接元件运动，而且还使运动链中的其他联接元件朝向端构件运动。这导致增大的保持扭矩和/或通常负载和惯性的增大。
术语工业机器人通常指一种处理装置，其配备有用于自主处理对象的适当工具，并可对多个运动轴，特别是关于方向、位置和操作步骤编程。工业机器人基本上包括控制装置和具有多个轴的机器人臂，必要时还具有由控制装置控制的驱动装置移动的杠杆。工业机器人，特别是携带有相对大的负载能力的工业机器人，可包括至少用于它们的轴中的一个轴(特别是用于运动链的第二轴和/或水平配置的轴)的重力和/或质量平衡系统，所述重力和/或质量平衡系统包括例如螺旋弹簧或另一能量储存件。
用于机器人的负载平衡装置共同地配置在相对于彼此可移动(特别地可枢转)的两个相邻联接元件之间。已知若干类型的负载平衡装置，例如基于纯机械质量的平衡装置、基于弹簧的负载平衡装置、流体的负载平衡装置等。这种负载平衡装置的目的基本上是随着机器人的联接元件相对于彼此运动而储存静态和/或动态能量，使得能量例如用于相反的运动。以这种方式，例如，可利用上述目的优化机器人的联接元件的不利负载情况和/或极限位置，以实现驱动装置的所需支撑扭矩和/或负载扭矩的减小。
根据CA 2,217,224 A1可知，已知一种多轴工业机器人，其具有以铰接的方式彼此串联安装且被供电的基部、摆臂、伸臂和机器人手，其中摆臂以从由基部轴和手的凸缘的中心形成的系统平面横向地方式配置，其中摆臂和伸臂分别设置有单边悬臂轴承，其中摆臂连接到配置在系统平面的配置有摆臂的一侧的静态液压质量平衡装置，其中摆臂的齿轮和轴承配置在系统平面的一侧，以及其中摆臂的马达配置在系统平面的另一侧。除此之外，参照公开了质量平衡装置的改进的US 2011/0072930A1。
根据US 2014/0297037 A1可知，已知存在一种具有机器人机构部的多关节机器人，其包括至少一个臂、安装到臂的气体压缩弹簧和控制机器人机构部的控制器，其中气体压缩弹簧包括气缸、被包围在气缸中的可压缩惰性气体和配置成在气缸中滑动的活塞杆，其中气体压缩弹簧配置为减轻用于驱动臂的伺服马达的负载的气体平衡器，其中控制器配置为确定在伺服马达供给有电流且被控制所在的参考时间点致动臂的伺服马达的参考电流值，且确定在与参考时间点不同的时间点的伺服马达的目标电流值，当在与参考点的时间相同的操作条件下伺服马达供给有电流且被控制时，配置为计算参考电流值和目标电流值之间的差，并基于所述差计算气体压缩弹簧的可压缩惰性气体的内部压力的下降量。
发明内容
针对背景技术，本发明的目的在于提供一种用于多轴机器人的流体的负载平衡装置和配备有该负载平衡装置的机器人，该负载平衡装置对于驱动轴的峰值负载的最小化有贡献，且优选地对于机器人的能量消耗有贡献。此外，优选地，将例如通过至少部分地补偿或校准所包括的联接元件上的动态和/或静态负载来优化机器人的操作动作。此外，优选地，将增大负载平衡装置的功能范围。优选地，这将以成本有效的方式可行。
根据本发明，其目的通过用于多轴机器人的流体的负载平衡装置来实现，该多轴机器人包括由铰接接头连接的至少两个联接元件，其中，负载平衡装置包括如下组件：
液压缸，该液压缸被安装到相对于彼此可移动的两个联接元件，其中液压缸的第一端与第一联接元件连接，液压缸的第二端与第二联接元件连接；
至少一个蓄压器，该至少一个蓄压器配置为与液压缸联接；以及
控制单元，该控制单元配置在液压缸和至少一个蓄压器之间，以将液压缸和至少一个蓄压器彼此流体地联接，
其中，控制单元与在液压缸和至少一个蓄压器之间的第一流体路径和第二流体路径相关联，并且
其中，在第二流体路径处设置可控阀，该可控阀在第一操作状态和第二操作状态中可操作以选择性地允许流体能够流过第一流体路径或第二流体路径。
如此优选地实现本发明的目的。
根据本发明，流体(即所利用的液压油)即可流到在液压缸和至少一个蓄压器之间的两个流体路径且经由这两个流体路径向后流。两个流体路径被配置且可控制成可利用负载平衡装置的两个操作模式或操作状态。这导致例如负载平衡装置的压力-路径特性曲线基于在两个操作状态之间的切换的改变/切换。借助于示例，压力-路径特性曲线描述在所使用的流体(液压油)的系统压力和液压缸的提升状态之间的相关性。以这种方式，可控制在两个联接元件之间的相对运动中能量被储存在蓄压器中和/或从蓄压器排出的度。
在第一操作状态和第二操作状态之间的切换引起负载平衡装置的压力-路径特性的适应。第一操作状态还可被称为正常模式。第二操作状态还可被称为升压模式。可控阀可被例如配置为切换阀、控制阀、压力阀或类似的形式。可控阀特别地在外部可控制，即经由控制单元。因此，可例如通过用户或叠加的控制在外部确定阀是否在第一操作状态或第二操作状态中操作和因而负载平衡装置是否可在第一操作模式或第二操作模式中操作。
不言而喻的是，特性曲线的偏移不必需包括理想的平行偏移。而是，根据可控阀的设计，压力-路径特性曲线或力-路径特性曲线发生改变/适应，例如特性曲线的斜率等。例如，这可包括至少分段地变型的斜率等。特性曲线的压力值与对应的力值成比例。
上述配置可整体实现减小旋转轴的马达的基础能量要求。取决于当前要求，可存在不同的力-路径特性曲线，使得可以以基于要求的方式理论上补偿峰值负载。归因于根据本公开的以上方面的设计，设置可变的力-路径特性曲线。
根据负载平衡装置的示例性实施方案，在液压缸和至少一个蓄压器之间的第一流体路径中，设置压力阀。借助于示例，该压力阀设计为独立的，即没有外部控制影响的选择。因此，可提供固定的控制特性。然而，基本上还构想的是在第一流体路径中设置压力阀，利用成比例控制或基本上可变调整选择，代替固定的调整。
这不必需地包括：当操作负载平衡装置时，第一流体路径中的压力阀在外部被控制。然而，还构想的是(附加地)以这种方式影响压力-路径特性曲线以根据需要设计甚至更加可变的特性曲线。
根据负载平衡装置的另一实施方案，第二流体路径在所述第一操作状态中是打开的，其中第二流体路径是在第二操作状态中以依赖于方向的方式阻塞。以这种方式，在第二操作状态中，可防止经由第二流体路径流入蓄压器。换句话说，能够实现例如压力阀被分配的第一流体路径。
在第一操作状态中，当第二流体路径打开，流体可未受阻地流过第二流体路径。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，在第二操作状态中，当至少一个蓄压器的一部分上的当前压力大于液压缸的一部分上的当前系统压力时，使得经由第二流体路径进行从至少一个蓄压器至液压缸的回流。以这种方式，例如在缩回运动过程中，特性曲线的形状可实现偏离在伸出运动过程中的特性曲线的形状。总的来说，当液压缸伸出和缩回时，可在第二操作状态中存在对于负载平衡装置的迟滞状的压力-路径特性曲线。
不言而喻的是，在无需其他精力的情况下，如之前本文使用的术语“伸出”和“缩回”是可替换的，如可以是当相反地配置液压缸时。以上联想包括当液压缸伸出时压缩在负载平衡装置中流动的流体(液压油)，且当液压缸缩回时在负载平衡装置中流动的流体(液压油)膨胀。因此，可以想到拉液压缸(pulling hydraulic cylinder)和推液压缸(pushinghydraulic cylinder)。
根据负载平衡装置的另一实施方案，在控制单元和液压缸之间，形成至少一个另外的蓄压器，其中在控制单元和液压缸之间的连接线路与另一蓄压器联接。另一蓄压器可基本上被称为基础蓄压器。基础蓄压器可基本上与压力阀联接。
至少根据该示例性实施方案，经由第一流体路径和第二流体路径与液压缸联接的(第一)蓄压器还可被称为补充蓄压器。
假使负载平衡装置包括两个蓄压器，蓄压器中的一个配置在控制单元和液压缸之间，蓄压器中的另一个配置在控制单元的后方，鉴于液压缸，实现关于力-路径特性曲线的形状的设计的甚至较大的可变性和自由度。
根据负载平衡装置示例性改进，蓄压器配置为补充蓄压器，其中另一蓄压器配置为基础蓄压器，其中基础蓄压器和补充蓄压器在第一操作状态中大致并联，并且，其中补充蓄压器根据当前系统压力而在第二操作状态中被连接。
本文通过在第二流体路径中的可控阀的适当控制来实现两个操作模式之间的切换。
根据负载平衡装置的另一实施方案，在可控阀的第二操作状态中，在系统压力处于限定压力水平以下时，当系统压力增大时，第一流体路径被阻塞，其中当系统压力达到限定压力水平时，第一流体路径通过压力阀打开，其中可控阀在第二流体路径用作止回阀。以这种方式，第一基础蓄压器填充有流体，其中取决于第一流体路径中的压力阀的控制特性，补充蓄压器以依赖压力的方式被连接。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，压力-路径特性曲线在第一操作状态中具有大致不具有弯折(kink)的形状，其中压力-路径特性曲线在第二操作状态中具有斜坡和大致为常数(线性)的区段，该斜坡的斜率比第一操作状态中的压力-路径特性曲线的平均斜率大。
在以上定义的含义的不含弯折的形状可包括例如线性或曲线形状，但是不具有弯折。数学上可见的，当不具有弯折时，对应的函数在各点处为可二次微分的。然而，这不必理解为是限制的。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，压力-路径特性曲线在第二操作状态中具有依赖于方向的形状，其中随着压力增大，压力-路径特性曲线以比当压力减小时压力-路径特性曲线离开压力稳定水平所处的路径值小的路径值到达压力稳定水平。
如本文已指示的，根据该示例性实施方案，压力增大与液压缸伸出运动有关。压力减小与液压缸的缩回运动有关。然而，不言而喻的是，例如在相反的构造中或在另外变型的液压缸的实施方案中，在缩回过程中还可存在压力增大，且在液压缸的伸出过程中还可存在压力减小。总之，这通过将液压连接线路与在活塞的前侧(面对侧)的缸或在活塞的后侧的缸联接来确定。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，可控阀在随后至超过系统压力中的压力阈值的第二操作状态中用作止回阀。
根据负载平衡装置的示例性实施方案，可控阀在第二流体路径中设置有致动器，可控阀借助于致动器能够受到控制，特别地可控阀在第二流体路径中设置有电磁体。优选地，当可控阀未被切换至开启，即例如当致动器未供给有电流时，处于第二操作状态。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，可控阀配置为切换阀或比例阀。基本上还可构想的是，将可控阀配置为单向-控制阀，特别地配置为两位两通阀。组合是可以想到的。
根据另一实施方案，负载平衡装置被设置用于多轴机器人，多轴机器人包括由铰接接头连接的至少三个联接元件，其中液压缸配置为第一液压缸，其中负载平衡装置还包括如下组件：
第二液压缸，该第二液压缸被安装到相对于彼此可移动的两个联接元件，其中第二液压缸的第一端与第二联接元件连接，第二液压缸的第二端与第三联接元件连接，
其中，第一液压缸配置为主缸，且第二液压缸配置为从动缸，
其中，主缸与蓄压器联接，用于储存流体的能量，并且
其中，主缸和从动缸彼此流体联接。
以这种方式，负载平衡装置的功能扩展到至少一个另外的联接元件。因此，可实现在机器人处的甚至另一目标负载补偿。然而，因为从动缸未设置有自身的蓄压器，所以用于第二液压缸的安装工作是少的。然而，对于设置在第二联接元件和第三联接元件之间的轴的驱动马达，在静态条件下，不存在另外的负载或仅存在然而可以由负载平衡装置的积极效果显著补偿的少量负载。总的来说，对于该轴，也可实现能量消耗的减少且可实现质量惯性的减小。
优选地，机器人配置为具有线性动态的多轴机器人。主缸和从动缸优选地彼此直接流体联接。也就是说，至少在正常操作状态中，在主缸和从动缸之间没有设置阻塞或妨碍流体(液压油)在主缸和从动缸之间的流动的阀。
通常，主缸还可被称为主要缸。因此，从动缸还可被称为次要缸。从动缸使用被分配到主缸的蓄压器来储存流体的能量。
根据负载平衡装置的示例性实施方案，主缸和从动缸经由连接线路彼此连接。这可特别地包括永久打开的连接线路。连接线路可被配置为固定线路。然而，还可构想的是，将连接线路至少分段地形成为刚性线路。至少在正常操作状态中，并不意图阻塞连接线路。
主缸和从动缸可以以如下方式彼此流体地联接：从缸的视点，存在分别导致系统压力增大或系统压力减小的单向运动(例如缩回运动或伸出运动)。然而，还可构想的是，取决于机器人的所包括的联接元件的当前运动，两个缸中的一个缸缩回，而两个缸中的另一缸伸出。因此，还可构想的是，缸中的一个缸基本上压缩流体，而缸中的另一缸基本上使流体解压缩/膨胀。取决于设计和实际进行的运动，可补偿一个缸的效果，或甚至超过另一缸的效果。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，连接线路被灵活地配置成能够实现在主缸和从动缸之间的相对运动。这是由相对运动引起的，特别地由在所包括的三个联接元件之间的相对枢转引起的。借助于示例，例如为机器人的转盘式旋转件、摆臂和臂的这三个所包括的联接元件可在第一位置中呈Z-构造。在第二位置中，例如可设置大致线性排列和配置。
还构想的是，所包括的联接元件执行包括在Z-形状配置和为镜面对称的Z-形状配置之间的过渡的运动。也就是说，所包括的联接元件在第一位置中配置为基本上Z-形状，其中联接元件在第二位置中在其链中呈现与其相关的镜像(例如水平)整体构造，且与它们在第一位置中的方向相比，被相反地定向。不言而喻的是，为此，单个联接元件本身没有镜像，而是分别运动的。这些形成Z的上腿和下腿的联接元件在两个位置之间以绕着180°枢转，从而导致相反的定向。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，连接线路联接到主缸的由后活塞表面划界的圆柱形空间，且联接到从动缸的由后活塞表面划界的圆柱形空间。换句话说，两个缸随着它们伸出而分别压缩流体。当两个缸缩回时，发生压力减小和/或流体的膨胀。然而，这在另一示例性实施方案中不排除，液压缸配置为推缸。根据该实施方案，在缩回过程中，流体将被压缩。不言而喻的是，此外还可想到如下实施方案：液压缸中的一个配置为推缸(pushing cylinde)，另一个配置为拉缸(pulling cylinder)。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，主缸中的系统压力、从动缸中的系统压力和蓄压器中的系统压力大致相等。这特别地应用到彼此流体联接的主缸和从动缸。此外，蓄压器可与主缸直接流体联接。然而，根据可选实施方案，可构想的是，提供在蓄压器和主缸之间的压力阀或另外配置的阀，以控制流体在主缸和蓄压器之间的流量。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，当第一联接元件和第二联接元件和/或第二联接元件和第三联接元件分别相对于彼此枢转时，主缸和从动缸相对于彼此枢转。
根据负载平衡装置的另一实施方案，蓄压器联接到主缸的缸壁。这具有在主缸和蓄压器之间无需长线路的优点。而是，总的来说，主缸可被配置为模块形状单元。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，设置与主缸联接且优选地联接到主缸的缸壁的至少两个蓄压器。总的来说，可设置包括至少一个蓄压器的储存单元，然而根据具体情况，还可包括两个或更多个蓄压器。这可具有多个益处，例如，关于批准要求、服务要求等。
通常，主缸为在运动链中比从动缸更接近机器人的基部的缸。因此，有益地是以如下方式将至少一个蓄压器设置在主缸处：蓄压器无须通过在运动链中跟随的驱动装置而运动。
根据负载平衡装置的另一实施方案，主缸的缸壳体以铰接的方式安装到第一联接元件，其中主缸的活塞杆以铰接的方式安装到第二联接元件，其中，从动缸的缸壳体以铰接的方式安装到第二联接元件，其中，从动缸的活塞杆以铰接的方式安装到第三联接元件。
因此，基本上较重的部件、即缸壳体，安装到更接近机器人的基部的联接元件。这对于负载分布是有益的。
不言而喻的是，从此偏差的实施方案是可构想的，其中，联想是相对的。因此，例如主缸的缸壳体以铰接的方式安装到第二联接元件，其中主缸的活塞杆以铰接的方式安装到第一联接元件，其中从动缸的缸壳体以铰接的方式安装到第三联接元件，其中从动缸的活塞杆以铰接的方式安装到第二联接元件。
根据负载平衡装置的另一示例性实施方案，主缸包括比从动缸的有效表面大的有效表面，其中从动缸的有效表面为主缸的有效表面的近似30％至70％，优选地为主缸的有效表面的近似40％至60％。
如本文所使用的，有效表面为活塞表面，例如前表面或后表面，借助于有效表面，活塞作用于包含在液压缸中的流体，以使流体移位和/或加压流体。
不言而喻的是，还可构想到偏离的配置，其中，不同地选择有效表面的比率，且可例如甚至为1:1。利用这些实施方案，可以如下方式选择相应的动态：提供期望的力转变。对于尺寸化的目的，液压缸在联接元件处的安装点的位置可变化。
根据本公开的另一方面，本发明的目的通过机器人来实现，所述机器人特别地为铰接臂机器人类型的工业机器人，该机器人设置有如本文所述的根据至少一个实施方案的负载平衡装置，该负载平衡装置与机器人的由铰接接头连接的至少两个联接元件相关联。
根据机器人的示例性实施方案，负载平衡装置与配置为转盘式旋转件(carousel)的联接元件和配置为摆臂的联接元件相关联，其中液压缸以铰接的方式安装在枢转点，枢转点从在两个联接元件之间的旋转轴径向地间隔开。
根据机器人的另一实施方案，液压缸以如下方式配置：对于在转盘式旋转件和摆臂之间的最大相对运动，在液压缸处存在缩回运动以及伸出运动。最大相对运动可例如包括在两个所包括的联接元件之间的枢转运动，其包括最高可能的枢转角度。根据在联接元件期望的力和扭矩的类型，其可以是机器人自身或容纳的负载，因此在各种操作状态中，可通过负载平衡装置来实现当前扭矩的减小。
可理解的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，之前所述的特征和以下所述的特征不仅可以以特定组合使用，而且可以以其他组合使用或独立地使用。
附图说明
通过参照附图的多个示例性实施方案的以下描述公开了本公开的其他优点和特征，其中：
图1是处于缩回状态的、设置有负载平衡装置的机器人的实施方案的示意性侧视图；
图2是处于根据图1的状态的、设置有负载平衡装置的机器人的另一实施方案的侧视图；
图3是处于伸出姿势的根据图1的机器人的另一示图；
图4是处于伸出姿势的根据图2的机器人的另一示图；
图5是负载平衡装置的示例性实施方案的示意性简化图示；
图6是涉及用于说明根据图5的负载平衡装置的功能的压力-路径特性曲线的图；
图7是负载平衡装置的另一实施方案的示意性简化图示；
图8是涉及用于说明根据图7的负载平衡装置的功能的压力-路径特性曲线的图；
图9是负载平衡装置的又一实施方案的示意性图示；
图10是用于说明根据图9的负载平衡装置的功能的用于说明取决于机器人的联接元件的枢转角度的最终驱动扭矩(齿轮扭矩)的特性曲线的图。
具体实施方式
参照图1，且另外参照图2、图3和图4，将说明机器人以及用于机器人的负载平衡装置的一般实施方案。
图1示出例如配置为工业机器人的机器人10的侧视图。机器人10配置为铰接臂机器人(jointed-arm robot)或联动机器人(buckling-arm robot)。机器人10包括串联运动链。
借助于示例，机器人10包括以串联的方式彼此联接的联接元件12、14、16、18、20、22和24。各联接元件12、14、16、18、20、22和24相对于其相邻的联接元件可移动，特别是可旋转或可枢转。第一联接元件12也被称为基部。在最后的联接元件24处，设置接口26，例如用于所谓的端部执行器。可通过其他的联接元件来增补运动链。在接口26处，例如可支撑这种类型的抓持器等的操纵器。
机器人10包括分别在联接元件12、14、16、18、20、22和24中的两者之间形成的多个(运动)轴30、32、34、36、38和40。轴30、32、34、36、38和40还可被称为驱动轴，且可设置或联接有驱动器/马达，例如设置或联接有电动马达。齿轮可分别介于轴30、32、34、36、38、40和与轴30、32、34、36、38、40相关联的马达之间。
轴30介于联接元件12和14之间，且能够实现在联接元件12和14之间的相对运动或相对旋转。轴32介于联接元件14和16之间，且能够实现在联接元件14和16之间的相对旋转或相对枢转。轴34与联接元件16和18相关联，且能够实现在联接元件16和18之间的相对旋转和相对枢转。轴36介于联接元件18和20之间，且能够实现在联接元件18和20之间的相对旋转或相对枢转。轴38介于联接元件20和22之间，且能够实现在联接元件20和22之间的相对旋转或相对枢转。轴40介于联接元件22和24之间，且能够实现在联接元件22和24之间的相对旋转或相对枢转。
在参照图1说明的机器人10的情况下，联接元件12还可被称为基部42。联接元件14还可被称为转盘式旋转件44。联接元件16还可被称为摆臂46。联接元件18还可被称为臂48。基部42一般配置为固定地将机器人10安装到地面上。然而，取决于应用的情况，还已知例如支撑在天花板处或(横向)壁处的机器人10的配置。
为了说明性目的在图3中进一步示出了根据图1的机器人10，其中，,图3也包括机器人10的侧视图。然而，与图1中的机器人10相反，图3中的机器人10包括特别地包括摆臂46相对于转盘式旋转件44的相对枢转和臂48相对于摆臂46的相对枢转的变型定向。图1示出了处于缩回/折叠位置的机器人10，图3示出了处于伸出位置的机器人10。
机器人10还设置有负载平衡装置60，根据参照图1说明的示例性实施方案，负载平衡装置60包括液压缸62，该液压缸62包括缸壳体64和插入(plunge)在缸壳体64中的活塞66。缸壳体64和活塞66可相对于彼此平移地(translationally)移动。液压缸62在缸壳体64所在的一端处经由轴承和/或枢转点68与联接元件14枢转地联接，即与转盘式旋转件44枢转地联接。液压缸62在活塞66所在的另一端处经由轴承和/或枢转点70安装在联接元件16处，即安装在摆臂46处。枢转点68、70分别相对于轴32偏心地配置和/或从轴32径向地偏移。当在联接元件14和16之间发生相对枢转时，在活塞66和缸壳体64之间发生相对运动。以这种方式，流体、特别是液压油可流入缸壳体64中和/或可从缸壳体64排出或移位。
负载平衡装置60还包括储存单元74，该储存单元74包括至少一个蓄压器78。在图1中仅仅示意性地示出储存单元74和蓄压器78。蓄压器78被例如配置为隔膜储存器、气泡储存器、活塞储存器、弹簧储存器和/或根据另一储存构造类型。借助于示例，在蓄压器78中，容纳气态流体，例如氮气等。与液压流体相比，气态流体为高度可压缩的，使得在液压缸62运动时移位的油可对蓄压器78中的气态流体加压。以这种方式，潜在的能量或动态能量可被储存为流体能量。
在根据图1的折叠姿势和根据图3的展开姿势之间的过渡期间，联接元件16以如下方式相对于联接元件14枢转，即，活塞66初始较深地插入到缸壳体64中，克服了最大浸入深度的后，当联接元件16进一步枢转时再次从缸壳体64伸出。
参照图2和图4，将说明整体以110表示的机器人的另一实施方案。根据图2和图4的机器人110与根据图1和图3的机器人10基本上相似地配置。这基本上应用于联接元件12、14、16、18、20、22和24且应用于与联接元件12、14、16、18、20、22和24相关联的轴30、32、34、36、38和40。此外，在机器人110的情况下，联接元件12可被称为基部42。因此，联接元件14可被称为转盘式旋转件44。联接元件16可被称为摆臂46。联接元件18可被称为臂48。
图2和图4中所示的机器人110的姿势与图1和图3中说明的机器人10的姿势大致对应。
此外，机器人110设置有在图2和图4中由160表示的负载平衡装置。负载平衡装置160设置有其构造与根据图1和图3的液压缸62的构造基本上相似的液压缸162。
液压缸162包括缸壳体164和活塞166。在缸壳体侧端，液压缸162经由轴承和/或枢转点168安装在联接元件14。在活塞侧端，液压缸162经由轴承和/或枢转点170安装在联接元件16。类似于负载平衡装置60，负载平衡装置160也设置有包括至少一个蓄压器178的储存单元174。储存单元174与液压缸162相关联且特别地配置在缸壳体164处。
然而，负载平衡装置160还包括第二液压缸182。在图2和图4中大致以虚线示出了液压缸182。液压缸182与第二联接元件16和第三联接元件18相关联。在基于图2和图4的示例性示图的方向中，液压缸182至少被第二联接元件16部分地覆盖。
液压缸182包括缸壳体184和配置为插入到缸壳体184中且从缸壳体184伸出的活塞186。液压缸182在其缸壳体侧端经由轴承或枢转点188容纳在联接元件16处。液压缸182在其活塞侧端经由枢转点190安装在联接元件18处。
蓄压器178或第二蓄压器可基本上配置在第二液压缸182处。然而，根据至少一些实施方案，图2和图4中所示的构造是优选的。
液压缸162的枢转点168和170分别从轴32偏移和/或从轴32径向地间隔开。液压缸182的枢转点188和190分别从轴34偏移和/或从轴34径向地间隔开。
液压缸182根据上述示例实施配置在机器人110的摆臂46和臂48之间。
对于图2中所示的示例性实施方案必要的是，连接线路194在液压缸162和液压缸182之间延伸，引起在液压缸162和182之间的流体联接。借助于示例，连接线路194从缸壳体164延伸到缸壳体184。以这种方式，负载平衡装置160的液压缸162和182彼此操作地联接。
根据图2的负载平衡装置160的另一特征在于：对于配置在联接元件16和联接元件18之间的液压缸182，没有设置设有蓄压器的储存单元。而是，液压缸182也使用设置在液压缸162处的储存单元174。为此，连接线路194在液压缸182和液压缸162之间延伸，特别地在缸壳体164和184之间延伸。
在图2和图4中说明的负载平衡装置160的实施方案的益处在于：对于第二液压缸182来说，其本身没有设置具有至少一个蓄压器178的储存单元174。这避免了必须由轴32和/或轴32的驱动马达越过以使联接元件16和以下联接元件18、20、22、24相对于联接元件14枢转的惯性质量的增大。此外，对于这些组件不需要花费额外的精力。
参照图5至图10，将说明基本上以彼此组合的方式实施的负载平衡装置的多个示例性实施方案。
图5参照示意性图示说明了负载平衡装置60，其例如是根据参照图1和图3说明的机器人10的构造配置的0。
负载平衡装置60设置有包括缸壳体64和容纳在缸壳体64中的活塞66的液压缸62。经由轴承和/或枢转点68、70，液压缸62可安装在联接元件14和16处。如本文之前所述的，还设置了储存单元74，其包括与液压缸62联接的至少一个蓄压器78。图5还示出了还可设置至少一个附加的蓄压器80。
液压缸62的活塞66包括活塞杆82。在缸壳体64中，限定了供连接线路86引入(lead)的环形空间或圆柱形空间84。根据参照图5所示的液压缸62的配置，连接线路86在活塞66的后部中引入到圆柱形空间84。结果，当活塞66从缸壳体64伸出时，包含在缸壳体64中的流体排出和/或被压缩。当活塞66缩回到缸壳体64中，流体可流入。
连接线路86在液压缸62和第一线路88、第二线路90之间延伸。第一线路88还可被称为第一流体路径。第二线路90还可被称为第二流体路径。
第一线路88和第二线路90相对于彼此并行延伸(像电路一样)，且两者引入到储存单元74的蓄压器78中。此外，蓄压器80与连接线路86联接。第一线路88和第二线路90分别在连接线路86和/或蓄压器80与蓄压器78之间延伸。负载平衡装置60还包括例如与连接线路86联接的压力传感器92(例如压力计)。借助于示例，此外，还设置了还与连接线路86联接的注入阀94。
负载平衡装置60还包括与第二线路90相关联的控制单元96。控制单元96被配置为控制通过活塞66排出的流体通过第一线路88和/或第二线路90的流量。
借助于示例，在第一线路88中，设置根据定义的压力阈值而切换的压力阀98。然而，对于第二线路90，设置经由控制单元96控制的可控阀100。借助于示例，根据图5中所示的实施方案，可控阀100配置为两位两通阀。在不费另外的精力的情况下，可想到可控阀100的其他布置。在图5中，借助于示例，阀100的两种切换状态由I和II表示。切换状态I和II与阀100的与负载平衡装置60的第一操作模式和第二操作模式相关联的第一操作状态和第二操作状态对应。
例如配置为电磁体的阀致动器102与可控阀100相关联。此外，设置了例如为弹簧类型的回弹元件104。
补充地参照图6，将更详细地解释负载平衡装置60的功能。
图6示出负载平衡装置60中的可例如由压力传感器92测量的系统压力和活塞66相对于缸壳体64的行进路径之间的关系。该路径还可被称为缸冲程。
在由220表示的轴上，路径被定性地绘制【例如以mm(毫米)】。在由222表示的轴上，系统压力被定性地绘制[例如以巴]。由224表示的线示例性地说明可能不会超过的最大操作压力。
由226表示的线说明在阀100的第一操作状态中(即当阀100打开时)的负载平衡装置的压力-路径特性。由228表示的线说明当阀100以第二操作状态操作(即以止回阀的方式)时负载平衡装置60中的系统压力。此外，由230表示的曲线说明当活塞66缩回时(即当流体流入环形空间84时)的示例性压力-路径形状。
在图5中，阀100例如是在未供给有电流的位置II中。在第二操作模式中，阀100用作防止流体经由第二线路90朝向蓄压器78流动的止回阀。当此刻在第二操作状态中时，活塞66以如下方式相对于缸壳体64移位：包含在其内部的流体移位和/或被加压，随后流体最初经由连接线路86流入蓄压器80。
只要在第二操作模式(操作状态II)中，首先蓄压器80被填充且被加压，相关联的曲线228比与操作状态I对应的曲线226明显更加陡峭。
然而，如果限定压力水平达到例如在图6中的大约290巴的系统压力和限定压力水平刚达到例如在图6中的大约290巴的系统压力，第一线路88中的压力阀98打开，使得蓄压器78也可被填充。然而，压力阀98确保随着缸冲程进一步增加而不发生系统压力的进一步增大。仅当蓄压器78中的压力达到该阈值且因此还对应于蓄压器80中的压力时，系统压力可整体进一步增大。
换句话说，曲线228具有明显不同的稳定水平(plateau)。根据压力阀98被控制的方式，还可以实现代替曲线228的稳定水平的另一形状。
还可被称为升压模式的操作模式II的益处在于对于小(冲程)路径的力的增大。以这种方式，根据电流施加情况和机器人10上的电流负载，在轴(例如轴32)处的必需保持扭矩和/或驱动扭矩可减小。
在压力减小过程中，即根据图5中所示的实施方案当活塞66插入到缸壳体64中时，参照图6中的曲线230，压力-路径特性曲线在第二操作模式中呈现稍微不同的特性。导致上述情况的起因在于作为止回阀的可控阀100的构造，使得当蓄压器80处或蓄压器80中的压力低于蓄压器78处或蓄压器78中的压力时，使得流体能够从蓄压器78朝向液压缸62回流。
这里，曲线230的精确位置取决于在稳定水平处的压力减小开始的实际点，即实际缸冲程。只要即蓄压器80中的压力仍高于蓄压器78中的压力，则没有流体可通过止回阀流回。然而，在蓄压器80处和/或液压缸62中的压力刚低于蓄压器78中的压力时，可越过可控阀100处的止回阀。
另外参照图7和图8。图7说明由260表示的负载平衡装置。图8示出与图6类似的与特性曲线对应的压力-路径图。图6和图8的图示基于相同的比例。
关于详细构造，根据图7的负载平衡装置260与根据图5的负载平衡装置60的区别在于：在第一线路88和/或第二线路90和液压缸62之间没有与连接线路86联接的蓄压器。代替地，储存单元74示例性地包括彼此联接的两个蓄压器78和278。不言而喻的是，根据图6的实施方案也可构想有仅一个蓄压器78。
图8定性地说明轴240上缸冲程[例如以毫米]。轴242定性地说明系统压力[例如以巴]。由244表示的线指示最大操作压力。
由246表示的线示出负载平衡装置260在与可控阀100的第一操作状态(位置I)对应的第一操作模式中的压力-路径特性。假使图5和图6中的负载平衡装置60、260的各自组件被类似地尺寸化(并且不管蓄压器278在系统中的位置如何，蓄压器278基本上与蓄压器80对应)，那么图8中的曲线246与图6中的曲线226对应。
图8还示出参照负载平衡装置260在第二操作模式中的系统压力的曲线248。由250表示的曲线说明当流体被推回到液压缸62中时在第二操作模式中的对应压力-路径特性曲线。
根据液压缸62的所示示例性配置和实施方案，曲线248与伸出运动对应。曲线250与缩回运动对应。
曲线248处于其斜率明显比图6中的对应曲线228陡峭的区域中。这是大致由如下事实引起的：除了蓄压器78和278之外，没有设置与缸壳体64直接联接的另一蓄压器或缓冲器。然而，仍存在剩余压缩性，且示例性地归因于油压缩性、线路压缩性等。不言而喻的是，取决于蓄压器80(图5)的选择和设计，特性曲线228、248的斜率可实现其他形状。
然而，第二操作模式中的压力刚达到阈值，压力阀98打开，使得流体可流入储存单元74以加压蓄压器78和278中的任意一个。
对于缩回运动的压力减小呈现与参照图5和图6说明的实施方案基本上相似的特性。
仅当在液压缸和可控阀100之间的系统中的压力(其可例如由压力传感器92测量)低于(多个)蓄压器78和278中的压力时，流体(液压油)可从(多个)蓄压器78和278流回至液压缸62。
不言而喻的是，此外，根据图7的负载平衡装置260当可控阀100处于第一操作状态(位置I)时以第一操作模式操作。然后，蓄压器78和如果任意蓄压器278与液压缸62直接流体联接，使得在系统中的任何位置均存在大致相同的系统压力。
参照图9和图10，将说明基本上在图2和图4中所示的机器人10的构造中可使用的负载平衡装置160的示例性实施方案。
如利用参照图2和图4说明的实施方案，根据图9的负载平衡装置160除了包括液压缸182以外，还包括另一液压缸162。液压缸162包括容纳活塞166的缸壳体164。经由轴承或枢转点168、170，液压缸162可被安装到联接元件14、16。包括至少一个蓄压器178的储存单元174与液压缸162相关联。
液压缸182包括缸壳体184和容纳在缸壳体184中的活塞186。经由轴承或枢转点188、190，液压缸182可被安装到联接元件16、18。储存单元174的蓄压器178经由由196表示连接线路与液压缸162的缸壳体164联接。
液压缸162还可被称为主缸200。液压缸182还可被称为从动缸202。从动缸202经由连接线路194与主缸200联接。主缸200还与蓄压器178联接。具有主缸200和从动缸202的负载平衡装置160的构造还可被称为双子配置(twin arrangement)。
液压缸162还包括活塞杆204和在活塞166和缸壳体164之间的环形空间206。环形空间206由活塞166的后侧划界。液压缸182包括由环形空间210围绕的且在活塞186和缸壳体184之间延伸的活塞杆208，且由活塞186的后侧划界。
连接线路194分别引入液压缸162、182的环形空间206、210。尽管在图9中未按比例示出，但是根据至少一些示例性实施方案可有益的是：主缸200的有效表面比从动缸202的有效表面大。借助于示例，缸200、202的有效表面为在活塞166、186的后侧的环形表面，借助于所述环形表面，流体(液压油)被施力。
在主缸处，还设置有可例如被配置为过压力阀的压力阀212。此外，设置由214表示的配置为检测系统压力的压力传感器。例如，由216表示的端口可被配置为填充端口(filling port)。由218表示的端口可被配置通气端口。
根据由机器人110的联接元件执行的实际运动，活塞166、186可在相同的方向上移位，也可在相反的方向上移位。只要总体上流体(液压油)在液压缸182、162中移位，流体就朝向储存单元174的蓄压器178流动。以这种方式，动态和/或潜在能量可以流体能量的形式被储存，并且可根据需要被释放。
图10参照多个枢转角度扭矩特性线说明负载平衡装置160的功能。由280表示的轴定性地说明在相对于彼此绕着轴34可枢转的联接元件16和18(此外参照图2和图4)之间的可能角度位置[例如以°(度)]的范围。轴280的左侧负角度范围基本上与图4中所示的姿势对应。轴280右侧正角度范围基本上与图2中所示的机器人110的缩回姿势对应。
轴282定性地说明在轴34和/或与轴34相关联的驱动单元(可例如包括马达和齿轮)处的以使限定的负载运动的所需齿轮扭矩[例如以Nm(牛顿米)]。
由284、286、288表示的曲线说明分别与在图2中所示的机器人110的姿势至图4中所示的姿势之间的过渡对应的限定的运动用的所需齿轮扭矩。
由轴282说明的所需齿轮扭矩可呈现正值和负值。这与相应的旋转方向有关。为了简洁起见，此外基本上可利用齿轮扭矩的绝对值。
由284表示的曲线说明不包括与联接元件16、18相关联以补偿绕着轴34的力和扭矩的从动缸202(即没有液压缸182)的机器人。相对高的齿轮扭矩(认为绝对值)对于实现在给定负载运动下是必需的。
曲线286示出：当通过与根据图2和图4的联接元件16、18示例性连接的根据图9的从动缸202和/或液压缸182来增补负载平衡装置时，能够利用明显较低的所需齿轮扭矩进行利用相同负载下的相同运动。这种构造还可被称为双子系统。
由288表示的曲线说明：当包括例如根据图9的主缸200和从动缸202的负载平衡装置160与例如根据图5或图7的升压系统组合时，对于所需齿轮扭矩的曲线的移位是可能的，其中升压系统与主缸200相关联。
不言而喻的是，随着应用的情况和存在机器人协同作用的当前负载状态，根据图5和图9和/或根据图7和图9的负载平衡装置的实施方案可在不费其他精力的情况下彼此组合。因此，双子系统和升压系统可彼此组合。
因此，根据图9的负载平衡装置160的主缸200可与根据图5和/或图7的装置组合，其中经由包括第一线路88和第二线路90的装置控制至少一个蓄压器78，其中在第一线路88中设置压力阀98，且在第二线路90中，设置在第一操作状态和第二操作状态中可由控制单元96操作的可控阀100。
相反，可在不费其他精力的情况下，通过基于根据图9的负载平衡装置160的实施方案的从动缸202来增补根据图5的负载平衡装置60和根据图7的负载平衡装置260的实施方案，其中，在两个液压缸之间也设置连接线路194。

Claims (16)

1.一种用于多轴机器人(10)的流体的负载平衡装置，所述多轴机器人(10)包括由铰接接头连接的至少两个联接元件(14、16)，其中，所述负载平衡装置包括如下部件：
液压缸(62)，所述液压缸(62)被连接到相对于彼此可移动的两个联接元件(14、16)，其中所述液压缸(62)的第一端与第一联接元件(14)连接，所述液压缸(62)的第二端与第二联接元件(16)连接；
至少一个蓄压器(78)，所述至少一个蓄压器(78)被配置为与所述液压缸(62)联接；以及
控制单元(96)，所述控制单元(96)被配置在所述液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)之间，以将所述液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)彼此流体地联接，
其中，所述控制单元(96)与在所述液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)之间的第一流体路径(88)和第二流体路径(90)相关联，使得所述第一流体路径(88)和所述第二流体路径(90)将所述液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)彼此流体地联接，
其中，在所述第一流体路径(88)中，压力阀(98)设置在所述液压缸(62)和所述至少一个蓄压器(78)之间，并且
其中，在所述第二流体路径(90)处，设置可控阀(100)，所述可控阀(100)能够在第一操作状态和第二操作状态中操作以选择性地使流体能够流过所述第一流体路径或所述第二流体路径。
2.根据权利要求1所述的负载平衡装置，其中，所述第二流体路径(90)在所述第一操作状态中是打开的，且所述第二流体路径(90)在所述第二操作状态中以依赖于流体流动方向的方式被阻塞。
3.根据权利要求1或2所述的负载平衡装置，其中，在所述第二操作状态中，当所述至少一个蓄压器(78)的一部分上的实际压力大于所述液压缸(62)的一部分上的当前系统压力时，能够经由所述第二流体路径(90)进行所述至少一个蓄压器(78)至所述液压缸(62)的回流。
4.根据权利要求1或2所述的负载平衡装置，其中，在所述控制单元(96)和所述液压缸(62)之间，形成至少一个另外的蓄压器(80)，其中在所述控制单元(96)和所述液压缸(62)之间的连接线路(86)与所述另外的蓄压器(80)联接。
5.根据权利要求4所述的负载平衡装置，其中，所述蓄压器(78)被配置为补充蓄压器，其中所述另外的蓄压器(80)被配置为基础蓄压器，其中所述基础蓄压器和所述补充蓄压器在所述第一操作状态中并联，并且，其中所述补充蓄压器根据当前系统压力而在所述第二操作状态中被连接。
6.根据权利要求5所述的负载平衡装置，其中，在所述可控阀(100)的所述第二操作状态中，当所述系统压力增大时，在所述系统压力处于限定压力水平以下时，所述第一流体路径(88)关闭，其中当所述系统压力达到所述限定压力水平时，所述第一流体路径(88)通过所述压力阀(98)打开，其中所述可控阀(100)用作止回阀。
7.根据权利要求1或2所述的负载平衡装置，其中，所述负载平衡装置的压力-路径特性曲线在所述第一操作状态中具有大致不具有弯折的形状，其中所述负载平衡装置的压力-路径特性曲线在所述第二操作状态中具有斜坡和大致为常数的区段，所述斜坡的斜率比所述第一操作状态中的所述负载平衡装置的压力-路径特性曲线的平均斜率大。
8.根据权利要求2所述的负载平衡装置，其中，所述负载平衡装置的压力-路径特性曲线在所述第二操作状态中具有依赖于流体流动方向的形状，其中当压力增大时，所述压力-路径特性曲线以比当压力减小时所述压力-路径特性曲线离开压力稳定水平所处的路径值小的路径值到达所述压力稳定水平。
9.根据权利要求3所述的负载平衡装置，其中，当所述系统压力超过压力阈值时，所述可控阀(100)在所述第二操作状态中用作止回阀。
10.根据权利要求1或2所述的负载平衡装置，其中，所述可控阀(100)在所述第二流体路径(90)中设置有致动器(102)，所述可控阀(100)借助于所述致动器(102)能够受到控制。
11.根据权利要求10所述的负载平衡装置，其中，所述可控阀(100)在所述第二流体路径(90)中设置有电磁体。
12.根据权利要求1或2所述的负载平衡装置，其中，所述负载平衡装置被设置用于多轴机器人，所述多轴机器人包括由铰接接头连接的至少三个联接元件(14、16、18)，其中所述液压缸(62)被配置为第一液压缸(162)，其中所述负载平衡装置还包括如下部件：
第二液压缸(182)，所述第二液压缸(182)被连接到相对于彼此可移动的两个联接元件，其中所述第二液压缸(182)的第一端与所述第二联接元件(16)连接，所述第二液压缸(182)的第二端与第三联接元件(18)连接，
其中，所述第一液压缸(162)被配置为主缸(200)，且所述第二液压缸(182)被配置为从动缸(202)，
其中，所述主缸(200)与蓄压器(178)联接，用于储存流体的能量，并且
其中，所述主缸(200)和所述从动缸(202)彼此流体地联接。
13.一种机器人，所述机器人具有根据前述权利要求中任一项所述的负载平衡装置(60)，所述负载平衡装置(60)与机器人的由铰接接头连接的两个联接元件(14、16)相关联。
14.根据权利要求13所述的机器人，其中，所述机器人是根据铰接臂机器人类型的工业机器人。
15.根据权利要求14所述的机器人，其中，所述负载平衡装置(60)与被配置为转盘式旋转件(44)的联接元件(14)和被配置为摆臂(46)的联接元件(16)相关联，其中所述液压缸(62)以铰接的方式支撑在枢转点(68、70)，所述枢转点(68、70)与所述两个联接元件(14、16)之间的旋转轴(32)径向地间隔开。
16.根据权利要求15所述的机器人，其中，所述液压缸(62)被配置成对于在所述转盘式旋转件(44)和所述摆臂(46)之间的最大相对运动，在所述液压缸(62)处存在缩回运动以及伸出运动。
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