CN1103475A - 五自由度大幅角自平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于机器人、多自由度的医疗器械 和灯具等有关领域的支承定位平衡装置。由于采用 了一种新型的弹簧平衡机构、三种专用阻尼机构和一 种常用的弹簧平衡机构进行联用，所以使它具有五自 由度、大幅角、自平衡等特点。它主要由支架组件、腰 部组件、大臂组件、小臂组件和掌部组件以机械联接 而组成。在使用中，本发明具有结构简单、位置关系 对应明确、操作灵活、平衡效果好、停位可靠等优点。

Description

本发明属于一种机械支承定位平衡装置，主要用于机器人或机械手、多自由度的医疗器械和灯具等。

目前，在垂直关节机器人手臂的设计中，一般都要考虑手臂重力矩的平衡问题，用于减小驱动器的负载和缩短启动时间。机器人所采用的平衡机构一般有：配重平衡机构;弹簧平衡机构;与活塞推杆平衡机构。相比之下，弹簧平衡机构结构简单;造价低，工作可靠，平衡效果好，易维护，并且不会增加机器的负载与惯量，因而得到了广泛的应用。而最常见的弹簧平衡机构只有一种形式，其工作方法如图4所示（注：以后称此方法为A方法）。设：K为弹簧刚度，R为弹簧自由长度（R＜L＇-E），M为手臂的不平衡质量，L＇为弹簧在力臂上安装点至关节轴心O的距离，E为弹簧在关节轴座上方安装点Y向相对关节轴心O的偏心距离，γ为手臂与水平面的夹角，L为手臂质量中心与关节轴心O的距离。则臂的静不平衡力矩为C＝MGL·COS（γ）

弹簧的平衡力矩为

${\mathrm{Ci}}^{-}={\mathrm{KLi}}^{-}E(1-R/\sqrt{E^2+{\mathrm{Li}}^{{-}_2}-{2\mathrm{ELi}}^{-}\mathrm{SIN}\left(\mathrm{\γ}\right)})\·\mathrm{COS}\left(\mathrm{\γ}\right)$

静力矩平衡条件是C＇＝C

即

因为：E＜＜L＇

所以可近似认为

这样，静力矩平衡条件可近似简化为

KE（L＇-R）＝MGL

如果能够满足以上的平衡条件，则大臂在γ＝0°～90°及90°～180°时，基本上都能保持平衡，残余不平衡力矩很小。

但是在一些不易在上部安装弹簧的场合，或在一些考虑使结构更简单，美观的场合，A方法就显出一定的局限性。

另外，还有一些应用场合，即便对一些很小的残余力矩也需克服，以获得准确的位置性。这在过去还没有讨论过。

本发明的主要目的就是为了：（1）提供一种新的“弹簧平衡机构”;（2）提供三种具有助平衡作用的“阻尼机构”。

本发明是这样实现的：

（一）发明的“弹簧平衡机构”设计方法如图5所示（注：以后称此方法为B方法）。设K为弹簧刚度，R为弹簧自由长度

)，M为手臂不平衡质量，L＇为弹簧上支点离开关节轴中心O的距离，H为关节轴中心O离开弹簧下支点所在水平面的距离，E为弹簧下支点至关节轴心O的垂足的距离，L为手臂质量中心至关节轴心O的距离，γ为机器人手臂与铅垂线的夹角。则臂的静不平衡重力矩为C＝MGL·SIN（γ）

弹簧的静平衡力矩为

$C^{\text{'}}={\mathrm{KL}}^{\text{'}}\sqrt{H^2+E^2}(1-R\sqrt{H^2+E^2+L^{\text{'}2}-{2L}^{\text{'}}\sqrt{E^2+H^2}\·\mathrm{COS}\left(\mathrm{\γ}\right)})\·\mathrm{SIN}\left(\mathrm{\γ}\right)$

静力矩平衡条件为C＇＝C

因为E＜＜H;L＇＜＜H，所以可以认为

$\sqrt{H^2+E^2+{\mathrm{Li}}^{{-}_2}-2{\mathrm{Li}}^{-}\sqrt{E^2+H^2}\·\mathrm{COS}\left(\mathrm{\γ}\right)}\≈H$

这样，静力矩平衡条件就可简化为

KL’ $\sqrt{H^2+E^2}$ ·(1-R/H)=MGL

若能满足这一平衡条件，则上臂在γ＝0°～90°范围内基本上都能保持平衡，残余不平衡力矩很小。在γ＝90°～180°范围内虽不如在0°～90°范围内效果好，但若参数选择得当（如：E与L＇的值都不超过H的十分之一时），仍能平衡90%以上的不平衡力矩。这在机器人结构中。对于减少驱动器的载荷与缩短启动时间，也已是非常有利的了。

（二）本发明的“阻尼结构”之一主要是为平衡上述A方法和B方法中的残余重力矩设计的，其设计结构请参见图1～3，将其布置在两个转动关节处。松开锁紧垫片31＇（见图2）、31（见图3，以下同此）当旋紧圆螺母32＇、32时，压盘29＇、29便压紧橡胶弹簧28＇、28使其变形产生弹力。该力通过槽环27＇、27作用于固定在大臂结构件11上的阻尼摩擦片26＇、26上。其中：槽环27＇、27由导向键33＇、33限制只能在铰座8（见图2）或小臂结构件15（见图3）右边的大孔内作轴向移动而不能转动;大臂结构件11的两端各与销轴30＇、30呈过盈配合;而销轴30＇、30与铰座8（见图2）或小臂结构件15（见图3）左端小孔呈间隙配合;两个阻尼摩擦片26＇与26各由螺钉34＇、34固定在大臂结构件11两端的凹槽中。这样，当大臂结构件11与销轴30＇、30相对于铰座8或小臂结构件15产生转动或具有这种趋势时，在阻尼摩擦片26＇或26各自与槽环27＇或27的结触面上，就会产生阻止这个转动产生的摩擦阻力矩。适当选择摩擦材料，摩擦面积，与压紧力，就会产生合适的反动力矩。以反动力矩能平衡掉不能被平衡机构平衡的残余重力矩为原则。

在本发明中对大臂结构件11采用了A方法，而对小臂结构件15采用了B方法。这两种方法的联合使用，使二臂在运动过程中都偏离了原设计方法特定的位置关系，从而对二臂的平衡都产生一些影响。在实际使用的场合，两个臂的活动范围并不需要到达某些对上述平衡影响有较大作用的极限位置，因此，有时对这种影响可不必考虑（如：对有的执行机来说，平衡掉大部分的重力矩后，其负载与启动性能已大为改善，用这种小影响换取好的结构性是合适的）。但是有时在某些场合，对这种影响却又不得不考虑（如：对有的控制机来说，需要好的停位性）。本种阻尼结构的采用，除了可以平衡前述的残余力矩外，合理调节还可以消除这种使用过程中机构偏离原设计位置而对平衡产生的影响。虽然增加阻尼带来一些驱动负载的增加，但是，这个增加的负载远远小于不采用平衡方法时对驱动器所多加的负载。并且，这个小负载的增加换来了大臂与小臂不靠其他外力就可以任意停位的性能。这在某些场合是非常值得的。

（三）本发明的另外两种阻尼结构分别为：

（A）如图1所示，在转盘6与托盘5之间加阻尼摩擦垫4。本装置上部的重量通过转盘6的底面作用在阻尼摩擦垫4的表面上。当转盘6围绕中轴7转动或有这种趋势时，重力的作用使二接触面之间产生摩擦阻尼反动力矩。适当的阻尼力矩可防止本关节（或称其为腰部）的无意乱动。其中转盘6通过轴承24与中轴7联接;中轴7穿过轴承24、转盘6、托盘5与阻尼摩擦垫4的中心孔，用圆螺母2与锁紧垫片3固定在托盘5上;托盘5用螺纹组件25固定在支架1上;在转盘6的上面由螺栓23将铰座8与其相联。

（B）本发明在两处使用了阻尼环产生阻尼。一处是，如图1所示，阻尼环21装在小臂结构件15的前端孔中，芯轴20穿过阻尼环21，然后与掌19呈过盈配合联接。转动掌19时，便带动芯轴20在阻尼环21内产生带阻尼转动。另一处是，如图7所示，在掌19前端的两个同轴孔中，装有两个阻尼环16。芯轴17穿过其中，并与夹在二阻尼环16之间的手柄结构件18呈过盈配合联接。转动手柄结构件18，便使芯轴17在阻尼环16内作带阻尼转动。

阻尼环的阻尼作用在于：一是可以平衡有关部分的不平衡力矩使其可任意停位;二是可以防止本关节处无意乱动情况的发生。

本发明的优特点在于：

它解决了利用弹簧对小臂的不平均力矩进行平衡的问题，从而扩大了弹簧平衡方法的应用范围，在机器人的小臂上采用本发明的弹簧平衡法，可省除过去常用的配重平衡法所带来的使机体重量增加、惯量增大等缺点;由于采用了阻尼机构，本发明可很好地消除弹簧平衡机构中的残余不平衡力矩，提高了平衡效果;本发明将一种新型的弹簧平衡机构、三种专用阻尼机构和一种常用的弹簧平衡机构联用，所以使它具有五自由度、大幅角、自平衡等特点。总而言之，本发明具有结构简单、位置关系对应明确、操作灵活、平衡效果好、停位可靠等优点。它可广泛应用于机器人、多自由度的医疗器械和灯具等有关领域。

附图说明：

图1是本发明的正投影剖视原理图。

图2是图1拆掉螺栓23后放大的C-C剖视图。

图3是图1放大的B-B剖视旋转视图。

图4是一种常用弹簧平衡机构的原理图。

图5是本发明的弹簧平衡机构的原理图。

图6是图1的A向视图。

图7是图1放大的A-A剖视图。

图1、图2、图3、图6、图7是本发明的一个实施例。

本发明主要是由支架组件Ⅰ、腰部组件Ⅱ、大臂组件Ⅲ、小臂组件Ⅳ、掌部组件Ⅴ以机械联接而组成。其中：

支架组件Ⅰ由支架-1、螺纹组件-25组成。

腰部组件Ⅱ由圆螺母-2、锁紧垫片-3、阻尼摩擦垫-4、托盘-5、转盘-6、中轴-7、螺栓23、轴承-24组成。

大臂组件Ⅲ由铰座-8、挂销-9、大臂平衡弹簧-10、大臂结构件-11、挂销-12、阻尼摩擦片-26＇、槽环-27＇、橡胶弹簧-28＇、压盘-29＇、销轴-30＇、锁紧垫片-31＇、圆螺母-32＇、导向键-33＇、螺钉-34＇组成。

小臂组件Ⅳ由小臂平衡弹簧-13、挂销-14、小臂结构件-15、阻尼摩擦片-26、槽环-27、橡胶弹簧-28、压盘-29、销轴-30、锁紧垫片-31、圆螺母-32、导向键-33、螺钉-34组成。

掌部组件Ⅴ由阻尼环-16、芯轴-17、手柄结构件-18、掌-19、芯轴-20、阻尼环21组成。

在腰部组件Ⅱ（见图1）中：转盘6与托盘5之间夹有阻尼摩擦垫4;中轴7穿过轴承24、转盘6、阻尼摩擦垫4、托盘5的中心孔，并用圆螺母2与锁紧垫片3将它们联在一起;托盘5与支架1用螺纹组件25固定在一起;转盘6用螺栓23与大臂组件Ⅲ中的铰座8联接。

在大臂组件Ⅲ（见图1、2）中：其下端关节处装有阻尼机构，在该阻尼机构中，由销轴30＇穿过铰座8、大臂结构件11、阻尼摩擦片26＇、槽环27＇、橡胶弹簧28＇及压盘29＇的中心孔，将它们依次联在一起，并在销轴30＇的螺纹端部装有锁紧垫片31＇和调整弹力用的圆螺母32＇，其中，橡胶弹簧28＇装在槽环27＇内，销轴31＇与大臂结构件11呈过盈配合联接，与铰座8及槽环27＇呈间隙配合联接，阻尼摩擦片26＇用螺钉34＇上在大臂结构件11的右端凹槽中，在槽环27＇的下方装有导向键33＇，以限制它只能在孔中作轴向移动而不能转动;在铰座8上部的左右两边，各装有一个挂销9;在大臂结构件11上部的左右两边，各焊有一个挂销22;两根大臂平衡弹簧10分别挂在挂销9与挂销22上;在大臂结构件11的背部下端焊有一个挂销12。

在小臂组件Ⅳ（见图1、图3）的阻尼机构中，由销轴30穿过小臂结构件15、大臂结构件11、阻尼摩擦片26、槽环27、橡胶弹簧28及压盘29的中心孔，将它们依次联在一起，并在销轴30的螺纹端部装有锁紧垫片31和调整弹力用的圆螺母32，其中，橡胶弹簧28装在槽环27内，销轴31与大臂结构件11呈过盈配合联接，与小臂结构件15及槽环27呈间隙配合联接，阻尼摩擦片26用螺钉34上在大臂结构件11的右端凹槽中;在槽环27的下方装有导向键33，以限制它只能在孔中作轴向移动而不能转动;另外，在小臂结构件15的后方焊有一个挂销14（见图1）;小臂平衡弹簧13的上端挂在挂销14上，下端挂在挂销12上（见图1，图6）。

在掌部组件Ⅴ中，阻尼环21装在小臂结构件15前端的孔中（见图1）;芯轴20穿过阻尼环21，并与掌19的中心孔呈过盈配合联接;在掌19前部的两个同心孔中（见图1、图7），装有两个阻尼环16;芯轴17穿过该二阻尼环16及手柄结构件18的中心孔，并与手柄结构件18呈过盈配合联接。

Claims (7)

1、一种用于机器人、多自由度的医疗器械和灯具等有关领域的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于它由支架组件Ⅰ、腰部组件Ⅱ、大臂组件Ⅲ、小臂组件Ⅳ、掌部组件Ⅴ以机械联接而组成。

2、根据权利要求1所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于所说的腰部组件Ⅱ中：

a在转盘6与托盘5之间夹有阻尼摩擦垫4，中轴7穿过轴承24、转盘6、阻尼摩擦垫4、托盘5的中心孔，并用圆螺母2与锁紧垫片3将它们联在一起，

b托盘5与支架1用螺纹组件25固定在一起，

c转盘6用螺栓23与大臂组件Ⅲ中的铰座8联接。

3、根据权利要求1所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于所说的大臂组件Ⅲ的下端关节处装有阻尼机构，在该阻尼机构中：

a由销轴30＇穿过铰座8、大臂结构件11、阻尼摩擦片26＇、槽环27＇、橡胶弹簧28＇及压盘29＇的中心孔，将它们依次联在一起，并在销轴30＇的螺纹端部装有锁紧垫片31＇和圆螺母32＇，其中，橡胶弹簧28＇装在槽环27＇内，

b阻尼摩擦片27＇用螺钉34＇上在大臂结构件11的右端凹槽中，

c在槽环27＇的下方装有导向键33＇。

4、根据权利要求1所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于所说的大臂组件Ⅲ中的大臂结构件11，在其背部下端焊有一个挂销12。

5、根据权利要求1、3、4所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于所说的小臂组件Ⅳ中

a销轴30穿过小臂结构件15、大臂结构件11、阻尼摩擦片26、槽环27、橡胶弹簧28及压盘29的中心孔，将它们依次联在一起，并在销轴30的螺纹端部装有锁紧垫片31和圆螺母32，其中，橡胶弹簧28装在槽环27内，

b阻尼摩擦片26用螺钉34上在大臂结构件11的右端凹槽中，

c在槽环27的下方装有导向键33，

d在小臂结构件15的后方焊有一个挂销14，

e小臂平衡弹簧13的上端挂在挂销14上，下端挂在挂销12上。

6、根据权利要求1、5所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于所说的掌部组件Ⅴ中

a阻尼环21装在小臂结构件15前端的孔中，

b芯轴20穿过阻尼环21，与掌19的中心孔呈过盈配合联接，

c在掌19前部的两个同心孔中，装有两个阻尼环16，芯轴17穿过该二阻尼环16及手柄结构件18的中心孔，并与手柄结构件18呈过盈配合联接。

7、根据权利要求5所述的五自由度大幅角自平衡装置，其特征在于

a小臂平衡弹簧13的平衡力矩为 $C^{\text{'}}={\mathrm{KL}}^{\text{'}}\sqrt{H^2+E^2}(1-R/\sqrt{H^2+E^2+L^{\text{'}2}-{2L}^{\text{'}}\sqrt{E^2+H^2}\·\mathrm{COS}\left(\mathrm{\γ}\right)})\·\mathrm{SIN}\left(\mathrm{\γ}\right)$

式中：K为弹簧刚度，R为弹簧自由长度( )，L＇为弹簧上支点离开关节轴中心O的距离，H为关节轴中心O离开弹簧下支点所在水平面的距离，E为弹簧下支点至关节轴心O的垂足的距离，γ为机器人手臂与铅垂线的夹角，E＜＜H;L＇＜＜H，

b可认为

$\sqrt{H^2+E^2+{\mathrm{Li}}^{{-}_2}-{2\mathrm{Li}}^{-}\sqrt{E^2+H^2}\·\mathrm{COS}\left(\mathrm{\γ}\right)}\≈H$

c小臂平衡弹簧13的平衡力矩可简化为 ${\mathrm{Ci}}^{-}={\mathrm{KLi}}^{-}\sqrt{H^2+E^2}\·(1-R/H)\·\sin \left(\mathrm{\γ}\right)$

d小臂平衡弹簧13对小臂结构件15的静力矩平衡条件为C＇＝C

式中：C＝MGL·SIN（γ），M为小臂结构件15的不平衡质量，L为小臂结构件15质量中心至关节轴心O的距离，γ为机器人手臂与铅垂线的夹角，G为重力加速度，

e小臂平衡弹簧13对小臂结构件15的静力矩平衡条件可简化为 ${\mathrm{KLi}}^{-}\sqrt{H^2+E^2}\·(1-R/H)=\mathrm{MGL}$

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