CN114055447A - 一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法及装置，在待消重力平衡摆动臂上设置用于消重力平衡的平衡力发生装置，平衡力发生装置内设置有伸缩杆，伸缩杆的端部连接消重力平衡柔性牵引装置；在待消重力平衡摆动臂偏摆运动时，通过消重力平衡柔性牵引装置牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力，达到摆动臂摆动时消重力平衡。本发明通过柔性牵引装置来牵引平衡力发生装置进行消重力，并利用平衡力发生装置摆动形成平衡拉力，实现摆臂消重力平衡，具有结构简单，适用性强，效果好的特点。

Description

一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法

技术领域

本发明涉及到一种消重力的平衡方法，尤其是指一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法；该种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法能够不需要外力的情况下，实现待消重力平衡摆动臂的前后双向摆动消重力平衡；属于物体摆动平衡技术领域。

背景技术

在静力学范围内，以放置物体的支持物或物体自身为非惯性参照系，物体所受各万有引力与各惯性力的合力叫重力（Gravity）；重力的施力物体是地球。重力对人们的生活和工作的影响是十分重大，有时候我们需要利用重力，有时候却需要消除重力的影响，尤其是对于摆动旋转的物体，如机器人。吊臂等，在工作中都希望消除重力的影响，因此提出了消重力的概念。

目前，消重力平衡摆动臂已在车辆、军事装备、工业自动化、医疗器械、家具等各个领域得到广泛的应用，比如工业作业机器人、人体行走助力机器人、汽车后备箱、运输车渡板、光学仪器支架、医疗器械支架、 跑步机折叠机构、台灯支架等装置中均已采用消重力平衡摆动臂。通过消重力平衡摆动臂达到运行过程中的消除重力影响，目前的消重力平衡摆动臂组成可分为带有外接动力驱动和无外接动力驱动两大类，其中带有外接动力驱动的消重力平衡摆动臂通常是利用液压缸、气缸、电机等装置进行驱动，一般驱动力矩大，载重较多， 但外接动力又会导致系统的体积较大，能耗增多，尤其是很多场所无法利用外来的动力源，所以应用受到很大的局限性。另外一种无外接动力驱动的消重力平衡摆动臂一般通过压簧、拉簧、碟簧、扭簧、气弹簧等蓄能器件将重物下降过程中的重力势能存储为弹性势能或存储介质的内能，当重物需要被抬起时， 蓄能器件再将其存储的能量转化为重物的重力势能，因而当消重力平衡摆动臂操作人员需要将重物 抬起时仅需施加远小于重物重力的推力即可将重物抬高。另外，由于蓄能器件的缓冲作用，重物下降时的下降过程相对平稳。虽然无外接动力驱动的消重力平衡摆动臂具有节能环保、外形简 洁、轻巧实用等优点，但目前国内外现有的无外力消重力平衡摆动臂普遍存在摆动力矩不稳定、蓄能器件能力发挥不足、任意位置悬停时不稳，需要锁定装置锁定等缺点。尤其是在需要进行双向摆动平衡时，摆动的重力变化从正向到反向，成正弦波曲线变化，这就很难精确进行控制。通过研究发现其原因是消重力平衡摆动臂的摆动臂在其运动范围内不能一直与重力保持平衡，尤其当重力载荷远大于摆动臂自身的摩擦阻力时，该摆动臂运动所需的外界作用力就会在很大的范围内变化，因此可操控性差。而采用所以要想真正的有效消除重力影响，并非易事。急需一种能简易实现实现双向消重力平衡，且能保证在任意位置都能保证平衡的消重力平衡方法及装置。

经过检索，尚未发现有相关的专利技术文献报道，最为相接近的专利文献有以下几个：

1、中国专利申请号为CN202111070572.3，名称为“一种带有重力平衡装置的工业机器人”的发明专利，该专利公开了一种带有重力平衡装置的工业机器人，包括：底座，用于将工业机器人进行安装；第一驱动部件及第一臂体，所述第一驱动部件设置在底座内，用于驱动第一臂体在底座顶部转动；第二驱动部件及第二臂体，所述第二驱动部件设置在第一臂体内，用于驱动第二臂体在第一臂体上转动；第三驱动部件及第三臂体，所述第三驱动部件设置在第二臂体内，用于驱动第三臂体在第二臂体上转动；第四驱动部件及第四臂体，所述第四驱动部件设置在第三臂体内，用于驱动第四臂体在第三臂体上转动；重力平衡装置，用于抵消第二臂体转动到不同角度时重力产生的转矩。

2、专利号为CN200780031686.9，名称为“在平衡装置中带有压缩空气供应的机器人”的发明专利，该专利公开了一种工业机器人，该工业机器人包括设置成相对彼此运动的机器人第一臂和机器人第二臂以及设置在机器人第一臂和机器人第二臂之间的平衡装置。所述平衡装置设置成在所述机器人臂相对运动时抵消重力。所述平衡装置包括机械弹簧部件和包围所述弹簧部件的弹簧壳体，所述弹簧壳体包括连接到压缩空气供应装置的至少一个空气入口，从而使所述弹簧壳体填充压缩空气。在机器人的工作过程中，压缩空气供应在所述弹簧壳体内的空的空间内填充压缩空气从而阻止任何湿气或者液体/水通过例如上述用于拉杆的密封开口进入平衡汽缸内部的任何地方。因此，所述工业机器人适于高湿度和温度变化的环境。尽管在温度降低/减小的过程中会产生小的真空，但不会有湿气或者水被吸入到平衡装置的弹簧壳体内。

3、专利号为CN202010417971.1，名称为“一种医用机器人的俯仰关节”的发明专利，该专利公开了一种医用机器人的俯仰关节，包括圆柱状的关节座、主臂连接座和主平衡块驱动装置；关节座上旋转设置有俯仰轴；俯仰轴与关节座两者的旋转中心轴共线；主臂连接座固定在俯仰轴的后端；主臂连接座的一端连接主臂、另一端成型平衡座；平衡座成型有沿其长度方向贯穿设置的平移移动槽；平移移动槽内弹性移动设置有主平衡块；主平衡块的移动方向经过关节座的旋转中心轴；主平衡块远离关节座的端面上可拆卸式连接有若干副平衡块；主平衡块驱动装置设置在关节座上并且用于驱动主平衡块。

通过上述公开资料的描述，可以看出目前的消除重力影响涉及到许多方面，方法也都很多，也做了一些改进，但大都还是采用外力作业的方式比较多，对于简易的非外动力驱动的自助式消重力平衡虽也很多，但都存在难以精确进行平衡，或结构复杂，占用空间大，比如对比文件3提出了一种自助式的非外力作用的消重力平衡方法，但是该方法采取的是后置的平衡锤式的平衡方法，这就需要在回转中心后设置平衡锤的空间，很容易对其它运动造成干涉，而且前面所述的问题仍然存在；因此很有必要对此问题加以研究。

发明内容

本发明是针对现有摆臂式物体消除重力影响所存在的问题，提出一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法及消重力装置；该基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法及装置不仅能够解决现有摆臂式消重力难以实现狭小空间双向平衡的问题，还能够在不需要外力的情况下完成消重力的平衡。

为了达到这一目的，本发明提供了一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，在待消重力平衡摆动臂上设置用于消重力平衡的平衡力发生装置，平衡力发生装置内设置有伸缩杆，伸缩杆的端部连接消重力平衡柔性牵引装置；在待消重力平衡摆动臂偏摆运动时，通过消重力平衡柔性牵引装置牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力，达到摆动臂摆动时消重力平衡。

进一步地，所述的平衡力发生装置为缸体结构的平衡力发生装置，平衡力发生装置设有缸体，且缸体与摆动臂固定在一起，随摆动臂一起摆动；平衡力发生装置的伸缩杆设置在缸体内，当缸体随摆动臂一起摆动时，伸缩杆在缸体内来回运动，通过来回运动产生平衡力。

进一步地，所述的缸体包括弹簧缸、气缸、液压缸或电缸；所述伸缩杆为缸体的活塞杆，伸缩杆在缸体内通过作用力来回运动产生平衡力。

进一步地，所述的缸体为气缸，伸缩杆为气缸缸体的活塞杆，活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引形成摆动臂摆动的消重力平衡力。

进一步地，所述的的活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引形成摆动臂摆动的消重力平衡力是活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引使得气缸缸体内的活塞杆的活塞两端，一端为真空，另一端为压缩，通过真空和压缩气体配合形成消重力平衡力。

进一步地，所述的柔性牵引装置是指连接伸缩杆的是通过柔性形变产生牵引伸缩杆位移的牵引装置；柔性牵引装置中设有可变形的牵引绳或牵引带，柔性牵引装置的牵引绳或牵引带与伸缩杆的端头连接，并在伸缩杆随摆动臂摆动时，通过牵引绳或牵引带的变化牵引伸缩杆移动，形成摆动臂所需的消重力平衡力。

进一步地，所述的通过牵引绳或牵引带的变化牵引伸缩杆移动是柔性牵引装置的牵引绳或牵引带的一端固定在摆动臂以外的固定位置上，另一端连接伸缩杆，并在连接伸缩杆与柔性牵引装置的牵引绳或牵引带的中间位置设置限位装置；在摆动臂摆动时，通过限位装置迫使牵引绳或牵引带的形态发生变化，使得连接牵引绳或牵引带的伸缩杆端点与牵引绳或牵引带在柔性牵引装置另一端的端点位置距离产生变化，从而带动伸缩杆来回运动，并通过运动产生平衡力。

进一步地，所述的通过限位装置迫使牵引绳或牵引带的形态发生变化是限位滚轮设置在摆动臂上，牵引绳或牵引带穿过限位滚轮与伸缩杆连接；且限位滚轮在摆动臂上随摆动臂一起摆动，并在摆动中通过控制与牵引绳或牵引带的接触位置变化，改变牵引绳或牵引带与伸缩杆连接的形态，并通过牵引绳或牵引带形态的改变，一方面保持在任意摆动位置，牵引绳或牵引带与伸缩杆连接的受力方向不变，另一方面通过牵引绳或牵引带形态的改变调整伸缩杆与牵引绳或牵引带在柔性牵引装置的端点位置的距离发生变化，并通过牵引伸缩杆来回运动，来满足距离变化，从而形成伸缩杆的来回运动，再通过伸缩杆的来回运动产生消重力平衡力。

进一步地，所述的柔性牵引装置的端点位置为牵引绳或牵引带的起点位置，起点位置位于通过摆动臂回转中心的垂线上，即与通过摆动臂回转中心的重力方向一致垂线上；通过柔性连接装置在待消重力平衡摆动臂双向摆动时牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力。

一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡装置，包括待消重力平衡摆动臂，待消重力平衡摆动臂的摆动臂安装在回转中心上，并围绕回转中心摆动；在待消重力平衡摆动臂的摆动臂上设置有消重力的平衡力发生装置；在摆动臂以外的地方设置有消重力平衡柔性牵引装置；平衡力发生装置与消重力平衡柔性牵引装置连接，形成摆动臂消重力平衡装置，且平衡力发生装置在待消重力平衡摆动臂的摆动臂摆动时，通过消重力平衡柔性牵引装置的牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力，实现摆动臂的消重力平衡。

进一步地，所述的消重力平衡柔性牵引装置包括柔性连接装置，平衡力发生装置与消重力平衡柔性牵引装置是通过柔性连接装置连接，柔性连接装置为形状可变的连接件，在消重力平衡物体的摆动臂双向摆动时通过柔性连接装置形变产生位移，并通过柔性连接装置的位移牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力。

进一步地，所述的柔性连接装置包括绳索或柔性连接带，通过绳索或柔性连接带连接摆动臂上的平衡力发生装置，并由绳索或柔性连接带牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力。

进一步地，所述的待消重力平衡摆动臂的摆动臂上设置有限位装置，限位装置设置在平衡力发生装置与消重力平衡柔性牵引装置之间，柔性连接装置穿过限位装置与平衡力发生装置连接，并在待消重力平衡摆动臂的摆动臂摆动时，限位装置迫使柔性连接装置的绳索或柔性连接带在摆动臂摆动时带动柔性连接装置的绳索或柔性连接带改变方向，通过方向的改变产生位移变化，在通过位移变化牵引平衡力发生装置的部件运动，产生消重力平衡力。

本发明的优点在于：

本发明通过在待消重力平衡摆动臂上布置固定式的消重力平衡力发生装置，并在摆动臂外布置柔性牵引装置，通过柔性牵引装置牵引设置在摆动臂上的消重力平衡力发生装置产生消重力平衡力，不仅可以实现双向消重力平衡作业，并可在无源情况下自主进行消重力平衡；主要具有以下一些优点：

1、传统的摆动臂消重力平衡为了产生位移，都是将消重力装置的牵引端放置在回转中心以外的位置，形成一个摆动臂、回转中心和消重力装置三部分构成的三角分布方式，这样才能在摆动臂绕回转中心转动时，形成位移差，通过位移差带动消重力装置产生消重力平衡力，但是这样只能是在摆动臂往一边进行转动的情况下适用；可是现在有许多场所都需要进行双向的摆动，如人形机器人关节，这时候光采用现有的单方向的消重力平衡装置是不行的；本发明就是根据这种需求所提出的能够进行双向摆动消重力平衡，有效的解决了目前缺乏自助非外力作业的双向消重力平衡装置的不足；

2、本发明通过一个柔性牵引装置与消重力平衡力发生装置连接，这样可以巧妙地利用柔性牵引装置的特点，通过柔性牵引装置的柔性位置变化来牵引消重力平衡力发生装置产生消重力平衡力，这样可根据需要任意转变柔性牵引装置与消重力平衡力发生装置的连接方式；

3、本发明的消重力平衡力发生装置直接安装在待消重力的摆动臂上，并采取固定方式安装，这样可以有效简化消重力平衡力发生装置的结构，有利于消重力平衡力发生装置小型化，简易化；

4、本发明提出了在消重力平衡力发生装置缸体内通过真空与压缩配合的方式，可以通过调整消重力平衡力发生装置缸体内活塞两端的压差来满足各种平衡的需求。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为实施例一的总体立体结构示意图；

图3为实施例一消重力平衡装置结构示意图；

图4为实施例一消重力平衡装置缸体剖面立体示意图；

图5为实施例一消重力平衡装置缸体剖面平面结构示意图；

图6为实施例一消重力平衡装置偏摆时结构示意图；

图7为实施例一主作业臂103竖立状态示意图；

图8为实施例一主作业臂103前倾状态示意图；

图9为实施例一主作业臂103后仰状态示意图；

图10为实施例二消重力平衡装置结构示意图。

具体实施方式

本发明人通过研究发现，要达到摆动臂的双向消重力平衡，而且简单、小巧、可靠，就必须一方面想法将消重力的平衡力发生装置简化；常规的消重力平衡装置，大都是采用的活动结构配置在摆动臂上，这样将使得消重力平衡装置结构复杂化，而且不便于实现双向消重力；另一方面要想双向消重力，就必须找到可靠的能平衡的着力点，使得摆动臂双向摆动时，都能找到合适的消重力平衡力。为此本发明提出，采用基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法及装置（如附图1所示），在摆动臂1上设置消重力平衡力发射装置4，消重力平衡力发射装置4包含一个缸体2，在缸体2内设置有活塞3，活塞3通过活塞杆5连接一个柔性牵引装置9，通过柔性牵引装置9牵引消重力平衡力发射装置4，在摆动臂发生离开重力P垂直位置时，产生消重力平衡力，进行消重力平衡。所谓的消重力平衡，是通过柔性牵引装置9的限位滚轮6带动柔性牵引装置9的柔性牵引绳或牵引带7发生变化实现的。柔性牵引装置9与消重力平衡力发射装置4连接是通过柔性牵引绳或牵引带7连接的，在摆动臂上设置有限位滚轮6，柔性牵引绳或牵引带7穿过限位滚轮6与消重力平衡力发射装置4来的活塞杆连接，并在摆动臂离开垂直位置时带动性牵引绳或牵引带7改变形态；所谓形态改变实质就是柔性牵引绳或牵引带7的起点位置8到限位滚轮6的距离发生变化，并随着摆动的角度而发生变化；从摆动臂垂直时的距离L1变到距离L2，并在水平时达到极限距离L3，长度随着摆动臂相对垂直时的角度的增加而增加，这样会使得使得柔性牵引绳或牵引带7带动消重力平衡力发射装置4的活塞杆往外运动，以弥补柔性牵引绳或牵引带7的起点位置8到限位滚轮6的距离变化；同时将消重力平衡力发射装置4的缸体2设置成密闭的缸体，活塞3两端的腔体分别为相对封闭的腔体，当活塞杆5带动活塞3往外运动时，将迫使活塞3上端的腔体形成真空，下端腔体形成压缩；由此产生一种对活塞3的上拉和下推的力，这个力即为消重力的平衡力，这个消重力的平衡力，将通过限位滚轮6的位置形成一种相对回转中心向上的反向力矩，以抵抗摆动臂摆动所产生的重力力矩，并且这种反力矩会随着摆动臂摆动的角度越大而增大，达到与摆动臂重力力矩的平衡。而为了实现双向消重力平衡，必须要将缸体2安置在摆动臂上时，确保在摆动任意角度时活塞杆5的轴线处于通过回转中心O，并且柔性牵引绳或牵引带7的起点位置8必须位于垂直通过回转中心O的重力P的轴线上。

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

一种机器人作业臂双向消重力平衡装置（如附图2所示），所述的机器人包括机座101、机器人作业臂102和作业爪115；机器人作业臂102安装在机座101上，机座101可以围绕机座101的回转中心105转动；机器人作业臂102分为主作业臂103和副作业臂104，主作业臂103安装在机座101的回转中心轴上，并围绕回转中心105，以通过回转中心105重力方向为对称轴可进行双向摆动；副作业臂104安装在主作业臂103的前端，并围绕主作业臂103前端的回转中心上下摆动。

其特点在于，在机器人的主作业臂103和机座101上设置有主作业臂103消重力平衡装置116，主作业臂103消重力平衡装置116包括消重力平衡力产生装置106和消重力平衡牵引装置107（如附图3所示）。

消重力平衡力产生装置106是在主作业臂103中设置消重力的平衡气缸108（如附图4所示），平衡气缸108固定安装在主作业臂103上，平衡气缸108在主作业臂103摆动过程中，随主作业臂103一起随动，并为主作业臂103提供消重力的平衡力。

所述的平衡气缸108包括缸体109和活塞110，以及活塞杆111，缸体109可以是单缸，也可以是双缸；优选地采用双缸结构，以防缸体109内的活塞110转动；本实施例就是采用的双缸结构；缸体109固定安装在主作业臂103上，也可以与主作业臂103做成一体结构；缸体109内设置有活塞110，活塞110连接活塞杆111；活塞杆111从缸体109的一端伸出，在活塞杆111的伸出缸体109外的一头设有连接牵引装置的连接块112，连接块112将两个缸体109伸出的活塞杆111连在一起，再与牵引装置连接。

所述的缸体109内，活塞110将缸体109内腔分为两个腔体，两个腔体分别设有控制阀113和117，通过控制阀113和117控制腔体是否与外界连通；当两边的阀门都关闭时，两边的腔体为封闭腔体，在牵引装置牵引下，一边的上腔体119形成真空，另一边的下腔体120形成压缩，通过活塞110在缸体109内两端的真空和压缩的协同作用，形成一种与重力反向的消重力平衡力；当然，也可以根据平衡力的需要，只打开缸体109内活塞110两端两个封闭腔体其中的一个阀门，使得活塞110在缸体109内单独一侧的真空或压缩状态下，来形成消重力的平衡力。为了保证平衡效果，可以通过控制缸体109的内腔直径和缸体109的数量，以及真空度和压缩力，来调整消重力的平衡力大小，以满足主作业臂103摆动所需要的消重力平衡力。

所述消重力平衡牵引装置107为消重力平衡柔性牵引装置（如附图5所示），所谓消重力平衡柔性牵引装置是指连接气缸的活塞杆111的牵引装置连接件为横向可弯折变化，但牵引纵向尺寸不变的柔性连接件114；柔性连接件114可以是绳索或连接带，绳索或连接带一端固定在牵引装置的安装盘118上，另一端与气缸的活塞杆111连接件连接，并在主作业臂103上设置有限位滚轮121，限位滚轮121通过转动轴安装在主作业臂103上，限位滚轮121随主作业臂103一起摆动；柔性连接件114的绳索或连接带通过限位滚轮121夹持，并在限位滚轮121随同主作业臂103摆动时，通过滚动迫使柔性连接件114的绳索或连接带在摆动过程中不断地改变位置和形态，以确保带动柔性连接件114的绳索或连接带与活塞杆111连接始终是处于沿着活塞杆111的轴向方向连接，只对活塞杆111产生牵引力。

牵引装置的安装盘118安装在主作业臂103的回转中心105的转轴上，与机座101一起固定在一起，安装盘118夹紧柔性连接件114，并使得柔性连接件114从安装盘118到气缸活塞杆111连接件的起点为固定点，且固定点122位于通过主作业臂103中心的重力垂线上，以满足主作业臂103双向摆动的消重力平衡需求。

主作业臂103在作业中消重力平衡的方式如下：

当主作业臂103树立时（如附图6所示），主作业臂103的重心也正好通过回转中心105，重心对回转中心105产生的力矩为零，因此不需要进行消重力；此时，气缸内的活塞110处于不受力状态，不产生平衡力；而此时气缸内的活塞110位于气缸内的最上端位置，活塞110两端处于初始状态，上端和下端都处于费受力的常压状态，因此也不产生平衡力。

当主作业臂103往前倾（如附图7所示），主作业臂103的重心将随着向前倾摆的角度变化，重心的位置也将产生变化，并形成对回转中心105的扭矩；这时固定在主作业臂103上的气缸也将随主作业臂103一起运动，这样将使得气缸与牵引装置的柔性连接件114的起点位置发生变化；而位于气缸体内的活塞110，由于活塞110与活塞杆111连接在一起，而活塞杆111又与牵引装置的柔性连接件114连接在一起，柔性连接件114又受到安装在主作业臂103上的限位滚轮121限制，在气缸体随着主作业臂103前倾一起运动时，限位滚轮121将迫使牵引装置的柔性连接件114变化形态，以确保柔性连接件114在主作业臂103偏摆时的任何时候都是沿着活塞杆111轴线方向与活塞杆111连接的，这样活塞杆111所受到牵引装置的只是轴向力；同时为了满足气缸与牵引装置的柔性连接件114的起点位置发生变化，柔性连接件114将牵引活塞杆111往外伸出，从而带动气缸体内的活塞110往下移动；由于活塞110两端的腔体处于封闭状态，当活塞110往下移动时，活塞110上端的腔体内将产生真空，而活塞110下端的腔体内将形成压缩，迫使活塞110往反方向移动，从而形成一个消除主作业臂103重力影响的平衡力，这个平衡力将通过以限位滚轮121为着力点转化形成相对回转中心105形成一个消重力平衡力矩，达到消重力的平衡。

当主作业臂103从竖立状态往后仰时（如附图8所示），其消重力平衡的方法与往前倾是一样的，只是方向是相反的；为了达到双向都可以平衡这一点，必须将柔性连接件114的起点位置设置在通过主作业臂103的回转中心105的垂直线上，并同时将气缸的活塞杆111的轴线始终保持在任意摆动位置时都通过主作业臂103的回转中心105轴线，以实现正反双向摆动消重力平衡。

实施例二

实施例二的基本原理与实施例一是一样的，只是应用的场景不一样，为一种台灯消重力平衡装置（如附图9所示），包括台灯摆动臂201，灯座202和灯罩203，台灯摆动臂201安装在灯座202上，并可以围绕灯座202的回转中心204轴转动，以通过回转中心204重力方向为对称轴双向摆动；在台灯摆动臂201上设置有双向消重力的平衡力发生装置205，平衡力发生装置205与固定在灯座202上的消重力平衡柔性牵引装置206连接，形成双向消重力平衡装置；平衡力发生装置205在行走机器人摆动臂的摆动臂双向摆动时，通过消重力平衡柔性牵引装置206牵引平衡力发生装置205产生消重力的平衡力，实现双向的消重力平衡。

所述的平衡力发生装置205为封闭的单缸气缸，包括气缸体209，气缸体209设置在台灯摆动臂201内，气缸体209内设有活塞，活塞连接活塞杆211，并通过活塞杆211带动上下移动，活塞在气缸体209内将缸体内分成上下两个腔体，其中下面腔体为与大气连通的开防腔体，上面的腔体为封闭的腔体，当活塞在活塞杆211带动往下移动时，上面的腔体将形成真空，将通过真空吸附产生一种迫使活塞往上运动的，抵抗台灯摆动臂201重力力矩的消重力平衡力，通过消重力的平衡力产生与台灯摆动臂201的重力力矩相反的力矩，达到消重力平衡的目的。

所述的消重力平衡柔性牵引装置206包括柔性连接装置207，平衡力发生装置205与消重力平衡柔性牵引装置206是通过柔性连接装置207连接，柔性连接装置207为形状可变的连接件，在消重力平衡物体的摆动臂双向摆动时通过柔性连接装置207形变产生位移，并通过柔性连接装置207的位移牵引平衡力发生装置205产生消重力的平衡力。

所述的柔性连接装置207包括绳索或柔性连接带，优选地采用钢丝绳或钢丝带，通过钢丝绳或钢丝带连接台灯摆动臂201上，位于气缸内的活塞杆211，并由钢丝绳或钢丝带牵引活塞杆211运动，从而产生消重力的平衡力。

在台灯摆动臂201上还设有用于限制钢丝绳或钢丝带方向的限位轮208，钢丝绳或钢丝带穿过限位轮208与活塞杆211连接，并通过限位轮208改变钢丝绳或钢丝带的方向，使得钢丝绳或钢丝带与活塞杆211连接始终处于轴向受力状态，这样不仅可以避免活塞杆211不会受到横向的作用力，只受轴向的牵引力，而且还可以将活塞所产生的消重力平衡力，通过限位滚轮208转化形成为消重力力矩，为台灯摆动臂201提供消重力的平衡力矩，达到消重力平衡的目的。

通过上述实施例，可以看出本发明还涉及一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，在待消重力平衡摆动臂上设置用于消重力平衡的平衡力发生装置，平衡力发生装置内设置有伸缩杆，伸缩杆的端部连接消重力平衡柔性牵引装置；在待消重力平衡摆动臂偏摆运动时，通过消重力平衡柔性牵引装置牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力，达到双向消重力平衡。

进一步地，所述的双向消重力平衡是指待消重力平衡摆动臂围绕回转中心，以重力方向为对称轴，左右双向偏摆转动时，通过平衡力进行消重力。

进一步地，所所述的在待消重力平衡摆动臂上设置用于消重力平衡的平衡力发生装置是在待消重力平衡摆动臂的摆动臂上设置可在摆动臂前后俯仰摆动时，针对摆动臂重力变化而产生相对抗的平衡力发生装置，通过平衡力发生装置产生的平衡力进行消重力。

进一步地，所所述的针对摆动臂重力变化而产生相对抗的平衡力发生装置包括以气缸、液压缸或弹簧作为原动力产生源所形成的。

进一步地，所所述的平衡力发生装置内设置有伸缩杆，伸缩杆的端部连接消重力平衡柔性牵引装置是在待消重力平衡摆动臂的摆动臂之外固定设置消重力平衡柔性牵引装置，消重力平衡柔性牵引装置中设置设有柔性连接装置，通过柔性连接装置连接平衡力发生装置，且柔性连接装置连接平衡力发生装置连接的起点位置位于通过摆动臂回转中心的垂线上，即与通过摆动臂回转中心的重力方向一致垂线上；通过柔性连接装置在待消重力平衡摆动臂双向摆动时牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力。

进一步地，所述的柔性连接装置包括绳索或柔性连接带，通过绳索或柔性连接带连接摆动臂上的平衡力发生装置，并由绳索或柔性连接带牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力。

进一步地，所所述的通过柔性连接装置在待消重力平衡摆动臂的摆动臂双向摆动时牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力是当待消重力平衡摆动臂双向摆动时，将带动柔性连接装置一起摆动，并通过柔性连接装置摆动时产生的位置变化改变平衡力发生装置与牵引平衡力发生装置之间的位置关系，从而牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力。

进一步地，所所述的柔性连接装置摆动时产生的位置变化是在待消重力平衡摆动臂的摆动臂上设置柔性连接装置的限位装置，通过限位装置限定柔性连接装置在摆动臂摆动时的位置变化，并使得所产生的位置变化转化成消重力平衡柔性牵引装置对平衡力发生装置的牵引力，且所形成的牵引力正好等于待消重力平衡摆动臂所需的消重力平衡力。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，而且本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点在于：

本发明通过在待消重力平衡摆动臂上布置固定式的消重力平衡力发生装置，并在摆动臂外布置柔性牵引装置，通过柔性牵引装置牵引设置在摆动臂上的消重力平衡力发生装置产生消重力平衡力，不仅可以实现双向消重力平衡作业，并可在无源情况下自主进行消重力平衡；主要具有以下一些优点：

1、传统的摆动臂消重力平衡为了产生位移，都是将消重力装置的牵引端放置在回转中心以外的位置，形成一个摆动臂、回转中心和消重力装置三部分构成的三角分布方式，这样才能在摆动臂绕回转中心转动时，形成位移差，通过位移差带动消重力装置产生消重力平衡力，但是这样只能是在摆动臂往一边进行转动的情况下适用；可以现在有许多场所都需要进行双向的摆动，如人体机器人关节，这时候光采用现有的单方向的消重力平衡装置是不行的；本发明就是根据这种需求所提出的能够进行双向摆动消重力平衡，有效的解决了目前缺乏自助非外力作业的双向消重力平衡装置的不足；

2、本发明通过一个柔性牵引装置与消重力平衡力发生装置连接，这样可以巧妙地利用柔性牵引装置的特点，通过柔性牵引装置的柔性位置变化来牵引消重力平衡力发生装置产生消重力平衡力，这样可根据需要任意转变柔性牵引装置与消重力平衡力发生装置的连接方式；

3、本发明的消重力平衡力发生装置直接安装在待消重力的摆动臂上，并采取固定方式安装，这样可以有效简化消重力平衡力发生装置的结构，有利于消重力平衡力发生装置小型化，简易化；

4、本发明提出了在消重力平衡力发生装置缸体内通过真空与压缩配合的方式，可以通过调整消重力平衡力发生装置缸体内活塞两端的压差来满足各种平衡的需求。

Claims (10)

1.一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：在待消重力平衡摆动臂上设置用于消重力平衡的平衡力发生装置，平衡力发生装置内设置有伸缩杆，伸缩杆的端部连接消重力平衡柔性牵引装置；在待消重力平衡摆动臂偏摆运动时，通过消重力平衡柔性牵引装置牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力，达到摆动臂摆动时消重力平衡。

2.如权利要求1所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的平衡力发生装置为缸体结构的平衡力发生装置，平衡力发生装置设有缸体，且缸体与摆动臂固定在一起，随摆动臂一起摆动；平衡力发生装置的伸缩杆设置在缸体内，当缸体随摆动臂一起摆动时，伸缩杆在缸体内来回运动，通过来回运动产生平衡力。

3.如权利要求2所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的缸体包括弹簧缸、气缸、液压缸或电缸；所述伸缩杆为缸体的活塞杆，伸缩杆在缸体内通过作用力来回运动产生平衡力。

4.如权利要求2所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的缸体为气缸，伸缩杆为气缸缸体的活塞杆，活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引形成摆动臂摆动的消重力平衡力。

5.如权利要求4所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的的活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引形成摆动臂摆动的消重力平衡力是活塞杆在气缸缸体内通过消重力平衡柔性牵引装置牵引使得气缸缸体内的活塞杆的活塞两端，一端为真空，另一端为压缩，通过真空和压缩气体配合形成消重力平衡力。

6.如权利要求1所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的柔性牵引装置是指连接伸缩杆的是通过柔性形变产生牵引伸缩杆位移的牵引装置；柔性牵引装置中设有可变形的牵引绳或牵引带，柔性牵引装置的牵引绳或牵引带与伸缩杆的端头连接，并在伸缩杆随摆动臂摆动时，通过牵引绳或牵引带的变化牵引伸缩杆移动，形成摆动臂所需的消重力平衡力。

7.如权利要求6所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的通过牵引绳或牵引带的变化牵引伸缩杆移动是柔性牵引装置的牵引绳或牵引带的一端固定在摆动臂以外的固定位置上，另一端连接伸缩杆，并在连接伸缩杆与柔性牵引装置的牵引绳或牵引带的中间位置设置限位装置；在摆动臂摆动时，通过限位装置迫使牵引绳或牵引带的形态发生变化，使得连接牵引绳或牵引带的伸缩杆端点与牵引绳或牵引带在柔性牵引装置另一端的端点位置距离产生变化，从而带动伸缩杆来回运动，并通过运动产生平衡力。

8.如权利要求7所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的通过限位装置迫使牵引绳或牵引带的形态发生变化是限位滚轮设置在摆动臂上，牵引绳或牵引带穿过限位滚轮与伸缩杆连接；且限位滚轮在摆动臂上随摆动臂一起摆动，并在摆动中通过控制与牵引绳或牵引带的接触位置变化，改变牵引绳或牵引带与伸缩杆连接的形态，并通过牵引绳或牵引带形态的改变，一方面保持在任意摆动位置，牵引绳或牵引带与伸缩杆连接的受力方向不变，另一方面通过牵引绳或牵引带形态的改变调整伸缩杆与牵引绳或牵引带在柔性牵引装置的端点位置的距离发生变化，并通过牵引伸缩杆来回运动，来满足距离变化，从而形成伸缩杆的来回运动，再通过伸缩杆的来回运动产生消重力平衡力。

9.如权利要求8所述的基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡方法，其特征在于：所述的柔性牵引装置的端点位置为牵引绳或牵引带的起点位置，起点位置位于通过摆动臂回转中心的垂线上，即与通过摆动臂回转中心的重力方向一致垂线上；通过柔性连接装置在待消重力平衡摆动臂双向摆动时牵引平衡力发生装置产生消重力平衡力。

10.一种基于柔性牵引方式的摆臂消重力平衡装置，包括待消重力平衡摆动臂，待消重力平衡摆动臂的摆动臂安装在回转中心上，并围绕回转中心摆动；其特征在于：在待消重力平衡摆动臂的摆动臂上设置有消重力的平衡力发生装置；在摆动臂以外的地方设置有消重力平衡柔性牵引装置；平衡力发生装置与消重力平衡柔性牵引装置连接，形成摆动臂消重力平衡装置，且平衡力发生装置在待消重力平衡摆动臂的摆动臂摆动时，通过消重力平衡柔性牵引装置的牵引平衡力发生装置产生消重力的平衡力，实现摆动臂的消重力平衡。

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