CN113021412A - 负载平衡装置及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种负载平衡装置及工业机器人，负载平衡装置安装在工业机器人上，负载平衡装置包括：第一磁力装置设置在执行组件上，第二磁力装置设置在活动臂组件上，第一磁力装置与第二磁力装置被配置为能够形成可控的相互作用力场，将执行组件的受力通过相互作用力场传递至活动臂组件。本公开的负载平衡装置，使执行组件的部分受力可以通过磁力装置的相互作用直接传递到活动臂组件上，一方面实现减小丝杆与螺母之间的作用力，增强执行组件的寿命；另一方面，借助磁场间相互作用力的能够调控变化的特性，减轻机器人运动过程中产生的惯性力、负载对工业机器人的工作部件的冲击。

Description

负载平衡装置及工业机器人

技术领域

本公开属于工业机器人技术领域，具体涉及一种负载平衡装置及工业机器人。

背景技术

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm选择顺应性装配机器手臂)是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人，其腕部是一根滚珠丝杆花键一体轴，负载经由丝杆、丝杠母滚珠等零件，最终传递到电机上。这种受力形式，会影响滚珠丝杠的使用寿命。

发明内容

因此，本公开要解决的技术问题是SCARA的腕部的受力结构不合理，导致滚珠丝杆使用寿命短，从而提供一种负载平衡装置及工业机器人。

为了解决上述问题，本公开提供一种负载平衡装置，安装在工业机器人上，工业机器人包括执行组件、活动臂组件，执行组件活动安装在活动臂组件的末端，负载平衡装置包括：

第一磁力装置、第二磁力装置，第一磁力装置设置在执行组件上，第二磁力装置设置在活动臂组件上，第一磁力装置与第二磁力装置被配置为能够形成可控的相互作用力场，将执行组件的受力通过相互作用力场传递至活动臂组件。

本公开的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在一些实施例中，执行组件包括丝杆，丝杆上设有螺母，螺母轴向固定设置在活动臂组件上，第一磁力装置设置在丝杆上。

在一些实施例中，第一磁力装置为永磁体、电磁装置中的至少一种。

在一些实施例中，第二磁力装置为圆管形，丝杆与第二磁力装置同轴设置，第一磁力装置设置在第二磁力装置内部，且能够随丝杆沿第一磁力装置的轴向运动。

在一些实施例中，第二磁力装置包括管状结构，管状结构外缠绕有电磁线圈，管状结构与活动臂组件固定连接。

在一些实施例中，丝杆上还设有花键母，花键母设置在活动臂组件上，通过驱动螺母旋转，丝杆能够轴向运动，通过驱动花键母旋转，丝杆能够周向运动。

在一些实施例中，第一磁力装置设置在丝杆的端部。

一种工业机器人，采用上述的负载平衡装置。

本公开的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在一些实施例中，活动臂组件包括第一机械臂、第二机械臂，第一机械臂与第二机械臂活动连接，执行组件活动安装在第二机械臂上。

在一些实施例中，管状结构、螺母分别安装在第一安装板上，第一安装板安装在第二机械臂上，和/或，花键母安装在第二机械臂上。

在一些实施例中，工业机器人还设有基座，第一机械臂通过第一驱动组件活动安装在基座上，第二机械臂通过第二驱动组件活动安装在第一机械臂上，执行组件通过第三驱动组件活动安装在第二机械臂上。

在一些实施例中，第一驱动组件包括第一电机、第一减速机；和/或，第二驱动组件包括第二电机、第二减速机。

在一些实施例中，第三驱动组件包括第三电机、第四电机；第三电机采用带传动与执行组件的螺母连接，并能够驱动螺母旋转，和/或，第四电机采用带传动与执行组件的花键母连接，并能够驱动花键母旋转。

在一些实施例中，当第三电机采用带传动与执行组件的螺母连接时，螺母连接有第一带轮，第一带轮通过第一同步带与第三电机连接。

在一些实施例中，当第四电机采用带传动与执行组件的花键母连接时，花键母连接有第二带轮，第二带轮通过第二同步带、中间轴、第三同步带与第四电机连接。

本公开提供的负载平衡装置及工业机器人至少具有下列有益效果：

本公开的负载平衡装置，安装在工业机器人上，使执行组件的部分受力可以通过第一磁力装置与第二磁力装置的相互作用直接传递到活动臂组件上，避免了全部的力只能通过执行组件的刚性元件如丝杆、螺母，向活动臂组件传递，而导致的执行组件的丝杆、螺母元件使用寿命短的问题。从而一方面实现减小丝杆与螺母之间的作用力，增强执行组件的寿命；另一方面，借助磁场间相互作用力的能够调控变化的特性，减轻机器人运动过程中产生的惯性力、负载对工业机器人的工作部件的冲击。

附图说明

图1为本公开实施例的负载平衡装置及工业机器人的结构示意图。

附图标记表示为：

1、基座；2、第一电机；3、第一减速机；4、第一机械臂；5、第二电机；6、第二减速机；7、第二机械臂；8、第三电机；9、第一同步带；10、第四电机；11、第二同步带；12、中间轴；13、第三同步带；14、第二磁力装置；15、管状结构；16、电磁线圈；17、第一磁力装置；18、丝杆；19、螺母；20、第一安装板；21、第一带轮；22、第二带轮；23、花键母；24、丝杆限位环；25、负载。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开具体实施例及相应的附图对本公开技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

结合图1所示，本实施例提供了一种负载平衡装置，安装在工业机器人上，工业机器人包括执行组件、活动臂组件，执行组件活动安装在活动臂组件的末端，负载平衡装置包括：第一磁力装置17、第二磁力装置14，第一磁力装置17设置在执行组件上，第二磁力装置14设置在活动臂组件上，第一磁力装置17与第二磁力装置14被配置为能够形成可控的相互作用力场，将执行组件的受力通过相互作用力场传递至活动臂组件。

本公开的负载平衡装置，安装在工业机器人上，使执行组件的部分受力可以通过第一磁力装置17与第二磁力装置14的相互作用直接传递到活动臂组件上，避免了全部的力只能通过执行组件的刚性元件如丝杆18、螺母19，向活动臂组件传递，而导致的执行组件的丝杆18、螺母19元件使用寿命短的问题。从而一方面实现减小丝杆18与螺母19之间的作用力，增强执行组件的寿命；另一方面，借助磁场间相互作用力的能够调控变化的特性，减轻机器人运动过程中产生的惯性力、负载25对工业机器人的工作部件的冲击。

在一些实施例中，执行组件包括丝杆18，丝杆18上设有螺母19，螺母19轴向固定设置在活动臂组件上，第一磁力装置17设置在丝杆18上。本实施例中，执行组件采用丝杆18、螺母19结构，通过控制螺母19旋转，能够实现丝杆18的轴向运动，丝杆18的端部与负载25接触，从而受到负载25的力，通过将第一磁力装置17直接设置在丝杆18上，直接将丝杆18的受力分散，减轻螺母19受力，增强螺母19的使用寿命。

在一些实施例中，第一磁力装置17为永磁体、电磁装置中的至少一种。第一磁力装置17的作用是与第二磁力装置14生成的磁场产生相互作用，形成一个力场，要实现这一目的，可以采用永磁体或电磁装置，也可以为其它形式。

在一些实施例中，第二磁力装置14为圆管形，丝杆18与第二磁力装置14同轴设置，第一磁力装置17设置在第二磁力装置14内部，且能够随丝杆18沿第一磁力装置17的轴向运动。本实施例的负载25平缓装置，直接施力对象为丝杆18，且需要考虑不影响丝杆18的运动特性、精度，第二磁力装置14采用圆管形，丝杆18及第一磁力装置17设置在圆管形的轴线上，圆管形内部形成均匀的磁场，沿轴线是轴向均匀分布的，因此第一磁力装置17及丝杆18的受力均匀，受力方向沿轴向向上或向下，有利于保证丝杆18的运行特性和精度。

在一些实施例中，第二磁力装置14包括管状结构15，管状结构15外缠绕有电磁线圈16，管状结构15与活动臂组件固定连接。本实施例的第二磁力装置14采用管状结构15外缠绕线圈的方式，具有结构简单，方便调节磁场力的优势，对现有的工业机器人的结构改进较小。同时，第二磁力装置14结构简单，重量轻，有助于减轻活动臂组件的受力，提高活动臂组件的使用寿命。

第二磁力装置14要求具有足够的轴向长度，以便在丝杆18的有效行程内都可以通过磁场向丝杆18施加足够的力，达到平衡负载25的作用。根据需要，控制电磁线圈16中的电流大小、方向来改变磁场大小、方向，从而控制力的大小和方向。

在一些实施例中，本实施例的执行组件中的丝杆18，除具有轴向运动需求外，还需要具有周向运动特性，丝杆18上还设有花键母23，花键母23设置在活动臂组件上，丝杆18上设有轴向花键槽，花键槽与花键母23配合，通过驱动花键母23旋转，丝杆18能够周向运动。同时，花键母23与花键槽的作用还包括在轴向运动时，对丝杆18进行周向限位，防止丝杆18随螺母19一起转动，从而导致无法正常轴向运动。

在一些实施例中，丝杆18的轴向长度使其进行轴向运动的极限，也影响了执行组件的工作行程，为了不降低丝杆18的有效轴向工作行程，第一磁力装置17设置在丝杆18的端部，从而丝杆18的一端与负载25接触，用于具体执行工作，另一端设置第一磁力装置17进行负载25平衡，中间的丝杆18均可通过螺母19进行轴向运动，保证了丝杆18的较大有效工作行程。

本公开实施例提供了一种工业机器人，采用上述的负载平衡装置。

在一些实施例中，活动臂组件包括第一机械臂4、第二机械臂7，第一机械臂4与第二机械臂7活动连接，执行组件活动安装在第二机械臂7上。本实施例的双机械臂设计，三旋转轴设计，适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。

在一些实施例中，管状结构15、螺母19分别安装在第一安装板20上，第一安装板20安装在第二机械臂7上，从而实现对工业机器人进行最小结构改动的基础上，实现负载25的平衡，降低丝杆18、螺母19的受力，提高丝杆18、螺母19的使用寿命。在一些实施例中，花键母23安装在第二机械臂7上，花键母23的作用是带动丝杆18及被丝杆18搭载的负载25进行周向运动。在一些实施例中，丝杆18上还设有限位环，限位环用于丝杠的轴向运行行程的限位。

在一些实施例中，工业机器人还设有基座1，第一机械臂4通过第一驱动组件活动安装在基座1上，第一驱动组件包括第一电机2、第一减速机3，第一电机2、第一减速机3驱动第一机械臂4进行旋转作业；第二机械臂7通过第二驱动组件活动安装在第一机械臂4上，执行组件通过第三驱动组件活动安装在第二机械臂7上，第二驱动组件包括第二电机5、第二减速机6，第二电机5、第二减速机6进行驱动。

在一些实施例中，第三驱动组件包括第三电机8、第四电机10；第三电机8采用带传动与执行组件的螺母19连接，并能够驱动螺母19旋转，从而实现控制丝杆18轴向运动的目的。和/或，第四电机10采用带传动与执行组件的花键母23连接，并能够驱动花键母23旋转，从而实现控制丝杆18周向运动的目的。

在一些实施例中，当第三电机8采用带传动与执行组件的螺母19连接时，螺母19连接有第一带轮21，第一带轮21通过第一同步带9与第三电机8连接。本实施例中，第三电机8设置在第二机械臂7上，通过第一同步带9、第一带轮21与螺母19带传动连接，通过控制第三电机8的启停和旋向，实现丝杠的轴向运动控制。

在一些实施例中，当第四电机10采用带传动与执行组件的花键母23连接时，花键母23连接有第二带轮22，第二带轮22通过第二同步带11、中间轴12、第三同步带13与第四电机10连接。本实施例中，第四电机10设置在第二机械臂7上，通过第二同步带11、第二带轮22、中间轴12、第三同步带13与花键母23带传动连接，通过控制第四电机10的启停和旋向，实现丝杠的周向运动控制。

本公开的工业机器人使丝杆18末端负载25所产生的力，依次经由丝杆18、第一磁力装置17、第二磁力装置14、螺母19、第一安装板20等零件，传递到第二机械臂7上。一方面，减小丝杆18与螺母19、滚珠之间的作用力，增强丝杆18、螺母19、花键母23组成的滚珠花键一体轴的寿命；另一方面，通过调控磁力的变化，减轻机器人运动过程中产生的惯性力、负载25对螺母19、花键母23、带轮等传动部件的冲击。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。以上仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本公开的保护范围。

Claims (15)

1.一种负载平衡装置，其特征在于，安装在工业机器人上，所述工业机器人包括执行组件、活动臂组件，所述执行组件活动安装在所述活动臂组件的末端，所述负载平衡装置包括：

第一磁力装置(17)、第二磁力装置(14)，所述第一磁力装置(17)设置在所述执行组件上，所述第二磁力装置(14)设置在所述活动臂组件上，所述第一磁力装置(17)与所述第二磁力装置(14)被配置为能够形成可控的相互作用力场，将所述执行组件的受力通过相互作用力场传递至所述活动臂组件。

2.根据权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，所述执行组件包括丝杆(18)，所述丝杆(18)上设有螺母(19)，所述螺母(19)轴向固定设置在所述活动臂组件上，所述第一磁力装置(17)设置在所述丝杆(18)上。

3.根据权利要求2所述的负载平衡装置，其特征在于，所述第一磁力装置(17)为永磁体、电磁装置中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的负载平衡装置，其特征在于，所述第二磁力装置(14)为圆管形，所述丝杆(18)与所述第二磁力装置(14)同轴设置，所述第一磁力装置(17)设置在所述第二磁力装置(14)内部，且能够随所述丝杆(18)沿所述第一磁力装置(17)的轴向运动。

5.根据权利要求4所述的负载平衡装置，其特征在于，所述第二磁力装置(14)包括管状结构(15)，所述管状结构(15)外缠绕有电磁线圈(16)，所述管状结构(15)与所述活动臂组件固定连接。

6.根据权利要求2所述的负载平衡装置，其特征在于，所述丝杆(18)上还设有花键母(23)，所述花键母(23)设置在所述活动臂组件上，通过驱动所述螺母(19)旋转，所述丝杆(18)能够轴向运动，通过驱动所述花键母(23)旋转，所述丝杆(18)能够周向运动。

7.根据权利要求2-6任一项所述的负载平衡装置，其特征在于，所述第一磁力装置(17)设置在所述丝杆(18)的端部。

8.一种工业机器人，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的负载平衡装置。

9.根据权利要求8所述的工业机器人，其特征在于，所述活动臂组件包括第一机械臂(4)、第二机械臂(7)，所述第一机械臂(4)与所述第二机械臂(7)活动连接，所述执行组件活动安装在所述第二机械臂(7)上。

10.根据权利要求9所述的工业机器人，其特征在于，所述管状结构(15)、螺母(19)分别安装在第一安装板(20)上，所述第一安装板(20)安装在所述第二机械臂(7)上，和/或，所述花键母(23)安装在所述第二机械臂(7)上。

11.根据权利要求9所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人还设有基座(1)，所述第一机械臂(4)通过第一驱动组件活动安装在所述基座(1)上，所述第二机械臂(7)通过第二驱动组件活动安装在所述第一机械臂(4)上，所述执行组件通过第三驱动组件活动安装在所述第二机械臂(7)上。

12.根据权利要求11所述的工业机器人，其特征在于，所述第一驱动组件包括第一电机(2)、第一减速机(3)；和/或，所述第二驱动组件包括第二电机(5)、第二减速机(6)。

13.根据权利要求11所述的工业机器人，其特征在于，第三驱动组件包括第三电机(8)、第四电机(10)；所述第三电机(8)采用带传动与所述执行组件的螺母(19)连接，并能够驱动所述螺母(19)旋转，和/或，所述第四电机(10)采用带传动与所述执行组件的花键母(23)连接，并能够驱动所述花键母(23)旋转。

14.根据权利要求13所述的工业机器人，其特征在于，当所述第三电机(8)采用带传动与所述执行组件的螺母(19)连接时，所述螺母(19)连接有第一带轮(21)，所述第一带轮(21)通过第一同步带(9)与所述第三电机(8)连接。

15.根据权利要求13所述的工业机器人，其特征在于，当所述第四电机(10)采用带传动与所述执行组件的花键母(23)连接时，所述花键母(23)连接有第二带轮(22)，所述第二带轮(22)通过第二同步带(11)、中间轴(12)、第三同步带(13)与所述第四电机(10)连接。

Images