CN110171019B - 一种关节手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节手臂，包括能够在竖直平面内摆动的摆动手臂，还包括弹簧平衡机构，所述弹簧平衡机构包括卷筒和恒力弹簧，所述恒力弹簧安装在所述卷筒上并能自由伸缩，所述卷筒设于正对所述摆动手臂的位置，所述恒力弹簧的伸缩端与所述摆动手臂的自由端相连。所述关节手臂能实现摆动手臂任意位置的平衡，且灵活轻便，重量小，安装空间小，结构简单、紧凑。

Description

一种关节手臂

技术领域

本发明属于机械设备技术领域，具体涉及一种关节手臂。

背景技术

在远距离操作技术领域中，从事核科学研究及生产的行业必不可少的需要机械手这一类特殊的远距离操作设备，尤其是采用机械传动的主从机械手。由于该类机械手由人员直接操作，机械手必须操作精准，灵活，轻便，避免给操作人员带来更高的操作强度。

通常采用机械平衡的方式是将机械手臂摆动过程中的重力矩和阻力矩进行平衡，如采用杠杆原理的重锤式，利用线性度较好的各类弹簧及机械机构实现综合的力矩平衡。采用重锤时需要将主、从手臂的重力矩通过复杂的传动系统传递到平衡位置，平衡锤在操作人员上方，有一定的安全风险；采用弹簧进行平衡时，必须选用线性度较好弹簧(如圆柱螺旋弹簧)，使弹力线性变化，通过设计复杂的机械机构实现平衡力臂的规律变化，即在线性变化的弹簧力和规律变化力臂的综合作用下才能有效平衡手臂摆动的重力矩及阻力矩，设计难度大，制造、安装要求较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种关节手臂，所述关节手臂能实现摆动手臂在任意位置的平衡。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种关节手臂，包括能够在竖直平面内摆动的摆动手臂，还包括弹簧平衡机构，所述弹簧平衡机构包括卷筒和恒力弹簧，所述恒力弹簧安装在所述卷筒上并能自由伸缩，

所述卷筒安装于正对所述摆动手臂的位置，所述恒力弹簧的伸缩端与所述摆动手臂的自由端相连。

优选的，所述关节手臂还包括机械手穿墙管和支架，所述支架固定在所述机械手穿墙管上，所述卷筒可转动地安装在所述支架上，并处于所述摆动手臂的正上方。

优选的，所述弹簧平衡机构还包括挡板和卷筒螺母，所述挡板和所述卷筒螺母均套设于所述卷筒上并分处于所述恒力弹簧的两侧，所述挡板与卷筒固定连接，所述卷筒螺母与所述卷筒可拆卸连接。

优选的，所述恒力弹簧的伸缩端与所述摆动手臂的自由端可转动地连接。

优选的，所述恒力弹簧与所述摆动手臂通过连接单元可转动地连接，

所述连接单元包括套设于恒力弹簧安装板轴上的恒力弹簧安装板、以及支板，

所述恒力弹簧安装板与所述恒力弹簧的伸缩端连接，

所述支板采用两块，两块所述支板对称设置在所述摆动手臂的两侧，所述恒力弹簧安装板轴的两端分别连接在两块所述支板上，所述恒力弹簧安装板处于两块所述支板之间。

优选的，所述连接单元还包括定距板，所述定距板位于两块所述支板之间，其两端分别与两块支板相抵。

优选的，所述摆动手臂上设置有长槽，所述长槽的长度沿摆动手臂的长度方向延伸，所述支板上开有通孔，

所述连接单元还包括微调螺钉机构，所述微调螺钉机构依次穿设于所述通孔以及所述长槽中，用于将所述支板锁定在所述长槽内的任一位置。

优选的，所述微调螺钉机构包括微调螺钉和微调螺母，所述长槽包括连通的两个阶梯槽，即内槽和外槽，所述内槽靠近所述摆动手臂的内侧，所述微调螺母设于所述内槽中，所述内槽的宽度大于所述外槽，并与所述微调螺母的两对边宽度相等。

优选的，所述关节手臂还包括水平旋转运动机构，所述机械手穿墙管设于所述水平旋转运动机构上。

优选的，所述恒力弹簧采用弹性金属薄片卷制形成。

本发明的关节手臂通过设置弹簧平衡机构，能实现摆动手臂在竖直平面内任意位置的平衡，且灵活轻便，重量小，安装空间小，结构简单、紧凑。具体来说，其有益效果如下：

1.本发明的关节手臂采用的恒力弹簧，在拉伸或卷回时都能保持弹簧力相对不变的特性，通过设计恒力弹簧作用点位置，可以调节摆动手臂摆动过程中所需要的力距，从而实现摆动手臂重力矩与弹簧力矩的有效平衡，且相比较重锤平衡方式，本发明的关节手臂没有复杂的传动系统，与普通弹簧平衡的机械结构相比，本发明的关节手臂结构简单、紧凑，能够实现关节手臂在任意位置的平衡；

2.本发明的关节手臂的支架固定在机械手穿墙管上，能够实现关节手臂在水平方向上的摆动运动，且安装空间小，可节约操作区安装空间；

3.本发明的关节手臂上设置的弹簧平衡机构以及连接单元能够共同维持摆动手臂摆动过程中的平衡特性，且弹簧平衡机构和连接单元要比现有技术中具有同等功能的其他机构重量轻，降低了关节手臂整体的重量，使得关节手臂操作更加灵活轻便，具有较高的安全性，此外也便于运输和安装；

4.弹簧平衡机构包括挡板和卷筒螺母，其中挡板与卷筒固定连接，卷筒螺母与卷筒可拆卸连接，由于弹簧为损耗零件，此结构便于在恒力弹簧的弹性力达不到摆动手臂平衡要求时，实现对恒力弹簧的更换，使得操作更加方便；

5.在摆动手臂上设置有长槽，长槽的长度沿着摆动手臂的长度方向延伸，能够调整恒力弹簧固定点的位置，实现摆动手臂不同姿态的停位，方便操作不同对象时摆动手臂自动回到指定位置。由于恒力弹簧拉力和摆动手臂加工制造中会有一定的误差，通过设置调整机构可方便对摆动手臂的平衡状态进行微调，保证摆动手臂的平衡状态，且摆动手臂内侧长槽宽度与微调螺母对边的宽度相同，使得微调螺母能够直接卡紧在长槽中，通过转动机械手手臂外部的微调螺钉即可实现摆动手臂和支板的固定。

附图说明

图1为本发明实施例1的关节手臂的结构示意图；

图2为本发明实施例1的关节手臂A-A的剖视图；

图3为本发明实施例1的关节手臂B-B的剖视图；

图4为本发明实施例1的关节手臂在运动状态下的结构示意图。

图中：1-支架；2-弹簧平衡机构；3-恒力弹簧；4-螺钉；5-恒力弹簧安装板；6-支板；7-摆动手臂；8-螺钉；9-螺钉；10-机械手穿墙管；11-隔套；12-轴承；13-挡板；14-卷筒螺母；15-卷筒；16-螺母；17-卷筒轴；18-恒力弹簧安装板轴；19-螺母；20-定距板；21-螺钉；22-微调螺钉；23-微调螺母；24-向上运动状态下的摆动手臂；25-向下运动状态下的摆动手臂。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种关节手臂，包括能够在竖直平面内摆动的摆动手臂，还包括弹簧平衡机构，所述弹簧平衡机构包括卷筒和恒力弹簧，所述恒力弹簧卷绕在所述卷筒上并能自由伸缩，所述卷筒设于正对所述摆动手臂的位置，所述恒力弹簧的伸缩端与所述摆动手臂的自由端相连。

实施例1

本实施例公开一种关节手臂，包括能够在竖直平面内摆动的摆动手臂7。如图1所示，关节手臂还包括弹簧平衡机构2，弹簧平衡机构2包括卷筒15和恒力弹簧3，恒力弹簧3安装在卷筒15上并能自由伸缩，卷筒15安装于正对摆动手臂7的位置，确保恒力弹簧3始终保持在同一水平面上，且恒力弹簧3的伸缩端与摆动手臂7的自由端相连；本实施例中的关节手臂灵活轻便，重量小，安装空间小，结构简单、紧凑，能实现关节手臂中摆动手臂7在任意位置上的平衡。

本实施例的关节手臂还包括机械手穿墙管10和支架1，支架1固定在机械手穿墙管10上，卷筒15可转动地安装在支架1上，并处于摆动手臂7的正上方。

如图2所示，弹簧平衡机构2还包括挡板13和卷筒螺母14，挡板13和卷筒螺母14均套设于卷筒15上并分处于恒力弹簧3的两侧，挡板13与卷筒15固定连接，卷筒螺母14与卷筒15可拆卸连接；其中，卷筒螺母14与卷筒15可以通过螺纹连接来实现可拆卸连接，当恒力弹簧3的弹性力不足或恒力弹簧3损坏时，可以将卷筒螺母14从卷筒15上拆除，便于恒力弹簧3的更换操作。

优选的，弹簧平衡机构2还包括轴承12和隔套11，隔套11位于轴承12和支架1之间，使卷筒15能够绕着卷筒轴17灵活转动，且不受支架1的影响。

本实施例的恒力弹簧3的伸缩端与摆动手臂7的自由端可转动地连接，当恒力弹簧3拉伸或者卷曲时，由于恒力弹簧3形态的变化导致的恒力弹簧3的伸缩端与摆动手臂7的自由端的连接点与恒力弹簧3与卷筒15连接点形成的角度变化，通过恒力弹簧3的伸缩端与摆动手臂7的自由端可转动的连接，始终保持恒力弹簧3不受弯折，有效延长恒力弹簧3的使用寿命。

本实施例中恒力弹簧3与摆动手臂7通过连接单元实现可转动地连接，如图3所示，连接单元包括套设于恒力弹簧安装板轴18上的恒力弹簧安装板5、以及支板6，恒力弹簧安装板5与恒力弹簧3的伸缩端连接，且支板6采用两块，两块支板6对称设置在摆动手臂7的自由端的两侧，恒力弹簧安装板轴18的两端分别连接在两块支板6上，恒力弹簧安装板5处于两块支板6之间。

优选的，连接单元还包括定距板20，定距板20位于两块支板6之间，其两端分别与两块支板6相抵，其中定距板20能够保证两块支板6之间的距离，使弹簧安装板5能够灵活的绕着弹簧安装板轴18转动。

本实施例中的关节手臂的摆动手臂7上设置有长槽，长槽的长度沿摆动手臂7的长度方向延伸，支板6上开有通孔，连接单元还包括微调螺钉机构，微调螺钉机构依次穿设于所述通孔以及长槽中，用于将支板6锁定在长槽内的任一位置；通过在摆动手臂上设置长槽，能够调节支板6在摆动手臂7上的位置，从而通过调节恒力弹簧3的固定点位置(即支板6与摆动手臂7的连接点位置)，实现摆动手臂7不同姿态的停位，方便操作不同对象时手臂自动回到指定位置。由于恒力弹簧拉力和摆动手臂7在加工制造中会有一定的误差，可以通过调整恒力弹簧固定点的位置，对摆动手臂7的平衡状态进行微调，保证摆动手臂7的平衡状态。

其中，上述微调螺钉机构包括微调螺钉22和微调螺母23，长槽包括连通的两个阶梯槽，即内槽和外槽，内槽靠近摆动手臂7的内侧，内槽的宽度大于外槽，并与微调螺母23的两对边宽度相等，使得微调螺母23能够刚好卡紧在内槽中，在摆动手臂7外侧拧动微调螺钉22即可实现支板6与摆动手臂7的固定连接，避免摆动手臂7内部空间位置的狭小而造成的拧紧固定操作的不便。

关节手臂还包括用于在水平面内作摆动运动的水平旋转运动机构，机械手穿墙管10设于水平旋转运动机构上，当机械手需要在水平面内作旋转运动时，位于水平旋转运动机构上的机械手穿墙管10能够带动支架1一起运动，即摆动手臂7在水平面内进行旋转运动时，摆动手臂7、机械手穿墙管10以及支架1整体一起运动，并保证恒力弹簧3在摆动手臂水平面内旋转运动时不会弯折，实现关节手臂的平衡。

本实施例的恒力弹簧3采用弹性金属薄片卷制形成，通常采用不锈钢材质的金属薄片卷制而成，不锈钢材质的金属薄片卷制成的恒力弹簧工艺技术成熟，成本低廉。

如图4所示，摆动手臂7可以自由的上下摆动一定角度，摆动手臂7向上或向下运动时，分别形成向上运动状态下的摆动手臂24和向下运动状态下的摆动手臂25时，此时摆动手臂7的重力矩随着摆动偏离中心的角度增大而减小，同时，恒力弹簧3也会卷回或被拉伸，带动卷筒15跟随恒力弹簧3一起转动，恒力弹簧安装板5随着恒力弹簧3的运动自适应的旋转一定角度，由于恒力弹簧3始终提供基本恒定的拉力，力臂随着摆动偏离中心的角度增大而减小，因此恒力弹簧3提供的力矩随之减小，恒力弹簧3提供的力矩与重力矩的变化趋势一致，因此，恒力弹簧3的拉力矩能够平衡摆动手臂7的重力矩和运动阻力矩，使摆动手臂7能够在任意位置达到基本平衡的效果。此外，能够通过调节支板6与摆动手臂7连接点的位置来改变恒力弹簧3的初始安装位置，使安装调试达到最佳的平衡效果。平衡后对摆动手臂7进行操作的操作人员只需要克服操作物带来的阻力，提高了操作力反馈的真实性和操作精度，给操作人员减轻了操作强度，满足小型机械手的平衡要求。

本实施例中的关节手臂的恒力弹簧3在拉伸或卷回时都能保持弹簧力相对不变的特性，能够调整设计恒力弹簧3作用点(即恒力弹簧3与摆动手臂7自由端的连接点)位置，调节摆动手臂7摆动过程中所需要的力距，从而实现关节手臂重力矩与弹簧力矩的有效平衡，且相比较重锤平衡方式，本发明的关节手臂没有复杂的传动系统，与普通弹簧平衡的机械结构相比，本发明的关节手臂能够实现关机手臂在任意位置的平衡，且安装空间小，结构简单紧凑。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种关节手臂，包括能够在竖直平面内摆动的摆动手臂(7)，其特征在于，还包括弹簧平衡机构(2)，所述弹簧平衡机构(2)包括卷筒(15)和恒力弹簧(3)，所述恒力弹簧(3)安装在所述卷筒(15)上并能自由伸缩，

所述卷筒(15)安装于正对所述摆动手臂(7)的位置，所述恒力弹簧(3)的伸缩端与所述摆动手臂(7)的自由端相连；

所述恒力弹簧(3)的伸缩端与所述摆动手臂(7)的自由端可转动地连接，

具体的，所述恒力弹簧(3)与所述摆动手臂(7)的自由端通过连接单元可转动地连接，

所述连接单元包括套设于恒力弹簧安装板轴(18)上的恒力弹簧安装板(5)、以及支板(6)，

所述恒力弹簧安装板(5)与所述恒力弹簧(3)的伸缩端连接，

所述支板(6)采用两块，两块所述支板(6)对称设置在所述摆动手臂(7)的两侧，所述恒力弹簧安装板轴(18)的两端分别连接在两块所述支板(6)上，所述恒力弹簧安装板(5)处于两块所述支板(6)之间；

所述摆动手臂(7)上设置有长槽，所述长槽的长度沿摆动手臂(7)的长度方向延伸，所述支板(6)上开有通孔，

所述连接单元还包括微调螺钉机构，所述微调螺钉机构依次穿设于所述通孔以及所述长槽中，用于将所述支板(6)锁定在所述长槽内的任一位置。

2.根据权利要求1所述的关节手臂，其特征在于，还包括机械手穿墙管(10)和支架(1)，

所述支架(1)固定在所述机械手穿墙管(10)上，所述卷筒(15)可转动地安装在所述支架(1)上，并处于所述摆动手臂(7)的正上方。

3.根据权利要求2所述的关节手臂，其特征在于，所述弹簧平衡机构(2)还包括挡板(13)和卷筒螺母(14)，所述挡板(13)和所述卷筒螺母(14)均套设于所述卷筒(15)上并分处于所述恒力弹簧(3)的两侧，所述挡板(13)与卷筒(15)固定连接，所述卷筒螺母(14)与所述卷筒(15)可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的关节手臂，其特征在于，

所述连接单元还包括定距板(20)，所述定距板(20)位于两块所述支板(6)之间，其两端分别与两块支板(6)相抵。

5.根据权利要求1所述的关节手臂，其特征在于，所述微调螺钉机构包括微调螺钉(22)和微调螺母(23)，所述长槽包括连通的两个阶梯槽，即内槽和外槽，所述内槽靠近所述摆动手臂(7)的内侧，所述微调螺母(23)设于所述内槽中，所述内槽的宽度大于所述外槽，并与所述微调螺母(23)的两对边之间的宽度相等。

6.根据权利要求2或3所述的关节手臂，其特征在于，所述关节手臂还包括水平旋转运动机构，所述机械手穿墙管(10)设于所述水平旋转运动机构上。

7.根据权利要求1-5任一项所述的关节手臂，其特征在于，所述恒力弹簧采用弹性金属薄片卷制形成。

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