CN114523493B - 一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，所述装置包括安装架以及安装在安装架上的机械臂、运动机构以及补偿机构，其中，所述运动机构与机械臂连接，并用于控制机械臂在安装架上转动；所述补偿机构与运动机构接触，并用于补偿机械臂的自身重量。本发明通过补偿机械臂的自身重量，能够在控制过程中达到更好的效果。

Description

一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置。

背景技术

大部分机器人需要配备昂贵的减速机和高性能的电机才能够提供比较大的扭矩，让夹爪有较高的负载能力。机器人本身具有较高的自重，机械臂本身具有的较大质量使得各构件在运行过程中各个关节所承受的重力矩一直变化，机械臂在实施抓取作业时，需要承受较大的负载压力，并且操作末端在运动过程中非常的不稳定。移动的机器人需要对抗机器自身重力，要克服自身机械臂的重量，就会使得电机的负载能力在一定程度上降低，同时，关节电机的负载变大会使控制机械臂的难度提高。

因此在设计机械臂时，必须考虑其重力补偿问题以减小机械臂关节电机的负载扭矩，加快控制响应速度，降低机械臂控制难度，提高操作精度和动态性能。

因此，需要设计一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，所述装置包括安装架以及安装在安装架上的机械臂、运动机构以及补偿机构，其中，

所述运动机构与机械臂连接，并用于控制机械臂在安装架上转动；

所述补偿机构与运动机构接触，并用于补偿机械臂的自身重量。

优选地，所述装置还包括调节机构，其中，

所述调节机构设于安装架的上方，并用于调节补偿机构。

优选地，所述安装架包括两个挡板以及多个圆柱销，其中，

所述两个挡板通过多个圆柱销连接。

优选地，所述机械臂的旋转轴通过一个轴承安装在其中一个挡板上，所述机械臂的旋转轴通过另一个轴承安装在另一个挡板上，所述运动机构与机械臂的旋转轴连接。

优选地，所述补偿机构设于两个挡板之间的内腔中，所述补偿机构包括第一补偿组件以及两个第二补偿组件，其中，

第一补偿组件设于运动机构的上方，两个所述第二补偿组件分别设于运动机构的两侧。

优选地，所述运动机构包括偏心轮，其中，

所述偏心轮偏心的套设于机械臂的旋转轴上并能够与机械臂的旋转轴同步旋转。

优选地，所述第一补偿组件包括上垫板、下垫板以及第一弹簧，其中，

所述第一弹簧设于上垫板以及下垫板之间，所述下垫板的底部设有凸出板，所述凸出板与偏心轮之间相抵合。

优选地，所述第二补偿组件包括第二弹簧、侧垫板以及侧顶板，其中，

所述第二弹簧设于侧垫板以及侧顶板之间，侧顶板设于两个挡板的相同一侧的侧壁上，所述侧垫板与偏心轮之间相抵合。

优选地，所述调节机构包括顶板以及顶柱，其中，

所述顶板通过螺栓连接在两个挡板的顶部，所述顶柱竖直贯穿顶板并与顶板之间螺纹连接，所述顶柱的底端与上垫板接触。

优选地，所述上垫板以及下垫板均为L型的板状结构，其中，

所述上垫板的竖直段以及下垫板的竖直段均设有滑杆，所述滑杆安装在其中一个挡板上开设的条形孔中。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，利用第一弹簧以及第二弹簧的弹力来补偿电机扭矩，即，第一弹簧以及第二弹簧的弹力的弹力能够抵消一部分的机械臂转动惯量，从而使电机所需的扭矩减小，这样就能够达到重力平衡的效果。通过对机械臂的重力补偿可以有效的提高机械臂的动态性能和静态性能，并且能够有效的提高整个机械臂的运行稳定性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置一个方向的结构示意图。

图2为本发明的装置另一个方向的结构示意图。

图3为本发明的隐藏另一个挡板后，装置的结构示意图。

图4为本发明的下垫板的结构示意图。

图5为本发明的侧垫板的结构示意图。

图6为本发明的侧顶板的结构示意图。

图7为本发明的重力平衡过程示意图。

图8为本发明的重力平衡原理图。

图中：1、安装架；2、机械臂；3、挡板；4、偏心轮；5、下垫板；6、上垫板；7、第一弹簧；8、顶板；9、顶柱；10、第一凸块；11、凸出板；12、侧垫板；13、侧顶板；14、第二弹簧；15、第二凸块；16、导向套；17、导向杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至8所示的，本发明提供了一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，装置包括安装架1以及安装在安装架1上的机械臂2、运动机构、补偿机构以及调节机构，其中，

运动机构与机械臂2连接，并用于控制机械臂2在安装架1上转动；

补偿机构与运动机构接触，并用于补偿机械臂2的自身重量；

调节机构设于安装架1的上方，并用于调节补偿机构。

下面对安装架1、运动机构、补偿机构以及调节机构进行一个详细的说明。

对于安装架1，具体的，安装架1包括两个挡板3以及多个圆柱销，其中，两个挡板3通过多个圆柱销连接，两个挡板3之间的空间形成内腔。

对于机械臂2的安装，具体的，机械臂2的旋转轴通过一个轴承安装在其中一个挡板3上，机械臂2的旋转轴通过另一个轴承安装在另一个挡板3上，运动机构与机械臂2的旋转轴连接。

对于运动机构，具体的，运动机构包括偏心轮4，其中，

偏心轮4偏心的套设于机械臂2的旋转轴上并能够与机械臂2的旋转轴保持同步旋转，机械臂2的旋转轴是由电机控制的。

对于补偿机构，具体的，补偿机构设于两个挡板3之间的内腔中，补偿机构包括第一补偿组件以及两个第二补偿组件，其中，

第一补偿组件设于运动机构的上方，两个第二补偿组件分别设于运动机构的两侧。

而对于第一补偿组件，具体的，第一补偿组件包括上垫板6、下垫板5以及第一弹簧7，第一弹簧7设于上垫板6以及下垫板5之间，下垫板5的底部设有凸出板11，凸出板11与偏心轮4之间相抵合(相接触挤压)。

进一步地，第一弹簧7优选为两个，在此情况下，上垫板6、下垫板5上均设有两个第一凸块10，第一凸块10是用于安装第一弹簧7的。

进一步地，上垫板6以及下垫板5均为L型的板状结构，且上垫板6以及下垫板5之间呈上下对称分布，其中，

上垫板6的竖直段以及下垫板5的竖直段均设有滑杆，滑杆安装在其中一个挡板3上开设的条形孔中，从而使得在施加外力(例如通过调节机构施加的向下的外力)的给上垫板6的作用下，上垫板6能更稳定的向下移动；在施加外力(通过偏心轮4带来的向上的外力)给下垫板5的作用下，下垫板5能更稳定的向上移动。

而对于第二补偿组件，具体的，第二补偿组件包括第二弹簧14、侧垫板12以及侧顶板13，第二弹簧14设于侧垫板12以及侧顶板13之间，侧顶板13设于两个挡板3的相同一侧的侧壁上，侧垫板12与偏心轮4之间相抵合，

进一步地，第二弹簧14优选为两个，在此情况下，侧垫板12以及侧顶板13上均设有第二凸块15，第二凸块15是用于安装第二弹簧14的；

进一步地，侧垫板12的内侧侧壁上设有导向杆17，侧顶板13的内侧壁上设有导向套16，导向杆17插入导向套16中并与导向套16之间相互滑动配合。

对于调节机构，具体的，调节机构包括顶板8以及顶柱9，其中，

顶板8通过螺栓连接在两个挡板3的顶部，顶柱9竖直贯穿顶板8并与顶板8之间螺纹连接，顶柱9的底端与上垫板6接触，在旋转顶柱9时，可使顶柱9上下移动，使顶柱9的底端抵合在上垫板6的上板面上，从而能给上垫板6施加向下的外力，在该外力的作用下，能使第一弹簧7增大预紧力，从而使作用在偏心轮4上的力矩增大，进而使机械臂2抵消其部分自重，减小电机的扭矩输出。

另外，请参考图7，该图中是偏心轮4转动的各个角度θ(0、π/4、π/2、3π/4、π以及5π/4)时，偏心轮4与下垫板5以及侧垫板12之间的的结构关系简图。在本发明中，通过偏心轮4转动过程中与下垫板5以及侧垫板12的作用，再通过第一弹簧7和第二弹簧14实现直接被动抵消机械臂2的自重。

本发明的整个装置安装在机械臂。将本发明的整个装置安装到机械臂上，并对机械臂进行重力平衡验证：

根据如图8所示的重力平衡原理图，即当偏心轮4转过一定的角度(例如θ为π/4)时，在第一弹簧7和第二弹簧14的作用下，下垫板5以及侧垫板12均作用于偏心轮4上，从而对机械臂2的重力进行平衡，抵消一部分的机械臂转动惯量和自重，从而使电机所需的扭矩减小，达到重力平衡效果。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，其特征在于，所述装置包括安装架(1)以及安装在安装架(1)上的机械臂(2)、运动机构以及补偿机构，其中，

所述运动机构与机械臂(2)连接，并用于控制机械臂(2)在安装架(1)上转动；

所述补偿机构与运动机构接触，并用于补偿机械臂(2)的自身重量；

所述安装架(1)包括两个挡板(3)以及多个圆柱销，其中，

所述两个挡板(3)通过多个圆柱销连接；

所述补偿机构设于两个挡板(3)之间的内腔中，所述补偿机构包括第一补偿组件以及两个第二补偿组件，其中，

第一补偿组件设于运动机构的上方，两个所述第二补偿组件分别设于运动机构的两侧；

所述运动机构包括偏心轮(4)，其中，

所述偏心轮(4)偏心的套设于机械臂(2)的旋转轴上并能够与机械臂(2)的旋转轴同步旋转；

所述第一补偿组件包括上垫板(6)、下垫板(5)以及第一弹簧(7)，其中，

所述第一弹簧(7)设于上垫板(6)以及下垫板(5)之间，所述下垫板(5)的底部设有凸出板(11)，所述凸出板(11)与偏心轮(4)之间相抵合；

所述上垫板(6)以及下垫板(5)均为L型的板状结构，其中，

所述上垫板(6)的竖直段以及下垫板(5)的竖直段均设有滑杆，所述滑杆安装在其中一个挡板(3)上开设的条形孔中。

2.根据权利要求1所述的一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，其特征在于，所述装置还包括调节机构，其中，

所述调节机构设于安装架(1)的上方，并用于调节补偿机构。

3.根据权利要求1所述的一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，其特征在于，所述机械臂(2)的旋转轴通过一个轴承安装在其中一个挡板(3)上，所述机械臂(2)的旋转轴通过另一个轴承安装在另一个挡板(3)上，所述运动机构与机械臂(2)的旋转轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，其特征在于，所述第二补偿组件包括第二弹簧(14)、侧垫板(12)以及侧顶板(13)，其中，

所述第二弹簧(14)设于侧垫板(12)以及侧顶板(13)之间，侧顶板(13)设于两个挡板(3)的相同一侧的侧壁上，所述侧垫板(12)与偏心轮(4)之间相抵合。

5.根据权利要求2所述的一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置，其特征在于，所述调节机构包括顶板(8)以及顶柱(9)，其中，

所述顶板(8)通过螺栓连接在两个挡板(3)的顶部，所述顶柱(9)竖直贯穿顶板(8)并与顶板(8)之间螺纹连接，所述顶柱(9)的底端与上垫板(6)接触。