CN203171650U

CN203171650U - 一种工业机器人大臂平衡缸装置

Info

Publication number: CN203171650U
Application number: CN 201320141606
Authority: CN
Inventors: 叶伯生; 周向东; 任正军; 熊烁; 周会成; 宋宝; 任清荣; 徐轶
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2023-03-26

Abstract

本实用新型公开了一种工业机器人大臂平衡缸装置，包括缸体、活塞和扭力支撑杆，其中缸体由上缸盖、下缸盖和外筒共同组成，并在其内部构成密封气压系统，活塞设置在缸体内部；活塞和下缸盖各自的端面分别呈多级阶梯结构，对应于各级阶级结构在活塞与下缸盖之间套设有扭簧，并且这些扭簧中彼此相邻者的螺旋线方向相反；扭力支撑杆套装在活塞端面的中央位置，其一端与工业机器人的大臂联接，另外一端安装在位于缸体内部一端的支撑杆套筒内，由此带动活塞一同移动。通过本实用新型，能够方便、有效地平衡机器人大臂的扭矩，同时可通过气压阻尼组件增加系统阻尼，并具备结构紧凑、便于维护和系统稳定性高等优点。

Description

一种工业机器人大臂平衡缸装置

技术领域

本实用新型属于工业机器人技术领域，更具体地，涉及一种工业机器人大臂平衡缸装置。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，它作为现代制造业主要的自动化装置，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于执行焊接、搬运、装配、加工、喷漆、码垛等作业。随着工业机器人的广泛应用，对机器人的要求也越来越高，例如负载能力、工作空间、速度和循环时间、定位精度等。尤其对于大负载机器人（一般负载在100kg以上）来说，平衡问题以及运动稳定性问题一直是行业内关注的焦点所在。目前大负载机器人基本上都采用串联结构，其机器人本体结构一般都在数吨以上，而其除去底座以及大臂减速机等的重量占到整个机器人重量的一半左右，这些重量加上负载重量光是重力就会对二轴减速机产生一个很大的扭矩，如果不采用平衡缸装置来平衡部分扭矩，对二轴电机将会有很大要求。

现有技术中工业机器人采用的平衡缸装置多为氮气平衡缸，这种平衡缸压力机正常工作时，平衡缸内流速较高，缸内气体不断被压缩或者压缩空气经由平衡缸进气口会不断充入缸内，如处理不当容易导致平衡缸温升较高；而且为了防止缸体内高压气体的泄露，对密封、压力充注和调节方面都提出了更高的要求。因此，在相关领域中亟需寻找更为完善的平衡方式，以实现对包括大负载机器人在内的工业机器人的大臂平衡，并提高系统稳性。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提出一种工业机器人大臂平衡缸装置，其中通过对关键组件的设计，能够方便、有效地平衡机器人大臂的扭矩，同时可通过气压阻尼组件增加系统阻尼，并具备结构紧凑、便于维护和系统稳定性高等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种工业机器人大臂平衡缸装置，该平衡缸装置包括缸体、活塞和扭力支撑杆，其特征在于：

所述缸体由上缸盖、下缸盖和外筒共同组成，并在其内部构成密封气压系统，所述活塞设置在缸体内部；

所述活塞和下缸盖各自的端面分别呈多级阶梯结构，对应于各级阶级结构在活塞与下缸盖之间套设有扭簧，并且这些扭簧中彼此相邻者的螺旋线方向相反；

所述扭力支撑杆套装在所述活塞端面的中央位置，其一端与工业机器人的大臂联接，另外一端安装在位于缸体内部一端的支撑杆套筒内，由此带动活塞一同移动。

作为进一步优选地，所述活塞和下缸盖各自的端面分别呈三级阶梯结构，其中在活塞端面的阶梯结构上还开有使活塞端面两侧气体相连通的通孔。

作为进一步优选地，所述下缸盖通过焊接方式与外筒相连，所述上缸盖通过螺纹方式与外筒相连且予以密封。

作为进一步优选地，所述扭力支撑杆的一端通过叉头与机器人大臂联接，其另外一端通过挡块确保处于支撑杆套筒内。

作为进一步优选地，所述上缸盖与外筒之间、下缸盖与支撑杆套筒之间、以及支撑杆套筒与扭力支撑杆之间均设置有密封圈。

作为进一步优选地，所述下缸盖与支撑杆套筒之间、支撑杆套筒与扭力支撑杆之间、以及扭力支撑杆与活塞之间均设置有耐磨环。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过在平衡缸内部设置多个扭簧，当机器人大臂转动时，扭力支撑杆和活塞将带动平衡缸转动，在此过程中扭簧产生与大臂扭矩方向相反的扭矩，以此方式能够方便地实现对重力扭矩的平衡，并可通过更换扭簧类型及其设置方式来适应不同的应用场合；

2、通过在活塞端面上开设通孔形成气压阻尼组件，相应可增加整体平衡缸的阻尼，使得整个平衡系统更为稳定；

3、按照本实用新型的平衡缸装置整体结构紧凑，可显著减少对二轴电机的功率要求，同时整个装置的组件互换性高，便于设备维护及检修，因而尤其适用于包括大负载机器人在内的各类工业机器人的大臂平衡或类似用途。

附图说明

图1是按照本实用新型优选实施方式的工业机器人大臂平衡缸装置的整体结构剖视图；

图2是将图1中所示的平衡缸装置安装至机器人大臂后的示意图；

图3是用于显示按照本实用新型的平衡缸装置在使用时的不同状态示意图，其中3a显示了重力力矩相对于机器人大臂回转轴线呈逆时针方向时的状态，3b显示了重力力矩经过机器人大臂回转轴线时的状态，3c显示了重力力矩相对于机器人大臂回转轴线呈顺时针方向时的状态。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-平衡装置 2-缸体 3-活塞 4-扭力支撑杆 5-支撑杆套筒 6-扭簧 7-叉头 8-密封圈 9-耐磨环 10-机器人大臂 11-安装板 12-机器人转台 21-上缸盖 22-下缸盖 23-外筒 31-通孔 41-支撑杆轴

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是按照本实用新型优选实施方式的工业机器人大臂平衡缸装置的整体结构剖视图。如图1中所示，按照本实用新型的平衡缸装置主要包括缸体2、活塞3和扭力支撑杆4，其中缸体2由上缸盖21、下缸盖22和外筒23共同组成，并在其内部构成密封气压系统；更具体而言，上缸盖21譬如通过螺纹方式与外筒23相联接并予以密封，而下缸盖22可直接与外筒焊接形成一体。活塞3设置在缸体内部，并可在与其相连的扭力支撑杆4作用下在缸体内部沿其轴向方向来回移动，同时可绕其轴向发生转动。扭力支撑杆4套装在活塞3端面的中央位置，其一端穿过上缸盖并可通过叉头7与工业机器人的大臂联接，另外一端安装在位于缸体内部一端的支撑杆套筒5内，并可通过挡块等元件确保不会滑出套筒，由此带动活塞3一同移动。

为了对机器人大臂运动过程中所产生的扭矩进行平衡，活塞3和下缸盖22各自的端面分别呈多级阶梯结构，具体如图1中所示，当沿着缸体轴向剖视方向观察，活塞3和下缸盖22各自的端面譬如呈现三级阶级结构，并对应于各级阶梯结构在活塞与下缸盖之间共同套设有三根扭簧6，这些扭簧中彼此相邻者的螺旋线方向相反，也即螺旋形方向可设定为左旋-右旋-左旋，或者是右旋-左旋-右旋，而扭力支撑杆4套装在活塞3端面处于最中间的阶梯结构上，并穿过套设其上的扭簧。通过以上设置，当机器人大臂转动时，扭力支撑杆和活塞将带动平衡缸转动，在此过程中扭簧产生与大臂扭矩方向相反的扭矩，以此方式能够方便地实现对重力扭矩的平衡，并可通过更换扭簧类型及其设置方式来适应不同的应用场合。

具体如图2中所示，当使用时，按照本实用新型的平衡缸装置被安装在机器人转台上并通过安装板固定，叉头叉在扭力支撑杆4的支撑轴上并与机器人大臂相连。首先如图3b中所示，此时扭簧推力经过回转轴线，因此不起到平衡作用；当机器人大臂从3b所示位置逆时针转动并到达如图3a所示位置时，此时重力力矩的方向相对于回转轴线为逆时针方向，而扭簧推力力矩相对于回转轴向为顺时针方向，这样便平衡了大部分的重力力矩，而且在机器人工作空间内逆时针转动角度越大，重力力矩相应增大，扭簧产生的平衡力也越大且力臂变长，由此可产生更大的平衡力矩。类似地，当机器人大臂从3b所示位置顺时针转动并到达如图3c所示位置时，此时重力力矩的方向相对于回转轴线为顺时针方向，而扭簧推力力矩相对于回转轴向为逆时针方向，同样可平衡大部分的重力力矩，并随着机器人转动角度而相应获得更大的平衡力矩。

在一个优选实施例中，在活塞3端面的阶梯结构、譬如第二级阶梯结构上还开有通孔31，该通孔31用于使缸体内部处于活塞端面两侧的高压气体相连通，这样可与缸体、活塞共同构成一个气压阻尼系统，增加了系统阻尼，并能进一步增加系统的稳定性。

在另外一个优选实施例中，扭力支撑杆4的一端通过叉头（优选半圆形叉头）与机器人大臂联接，其另外一端通过挡块确保处于支撑杆套筒内。这样可使得无论机器人处于何种工作位置，平衡缸装置的扭簧均可处于压缩状态，而且保证叉头不会脱离扭力支撑杆，并使得安装拆卸方便。

在另外一个优选实施例中，所述上缸盖21与外筒23之间、下缸盖22与支撑杆套筒5之间、以及支撑杆套筒5与扭力支撑杆4之间均设置有密封圈8（图1中仅显示了部分）。此外，所述下缸盖22与支撑杆套筒5之间、支撑杆套筒5与扭力支撑杆4之间、以及扭力支撑杆4与活塞3之间均还设置有耐磨环9（图1中仅显示了部分）。通过以上设置，可以有效保持平衡缸内部的气压并防止灰尘进入，延长扭簧等相关组件的工作寿命。

总体而言，按照本实用新型的平衡缸装置能显著减小对机器人二轴电机的功率要求，增加了机器人的系统阻尼，提高机器人的稳定性，并可通过调整扭簧、缸体内气压、活塞通孔等手段来适应不同的机器人载荷要求，同时整个装置的组件互换性高，便于设备后期维护。较多的仿真及现场测试表明，按照本实用新型的平衡缸装置与现有的平衡缸装置相比，机器人的运行更为稳定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种工业机器人大臂平衡缸装置，该平衡缸装置包括缸体、活塞和扭力支撑杆，其特征在于：

2.如权利要求1所述的平衡缸装置，其特征在于，所述活塞和下缸盖各自的端面分别呈三级阶梯结构，其中在活塞端面的阶梯结构上还开有使活塞端面两侧气体相连通的通孔。

3.如权利要求1或2所述的平衡缸装置，其特征在于，所述下缸盖通过焊接方式与外筒相连，所述上缸盖通过螺纹方式与外筒相连且予以密封。

4.如权利要求3所述的平衡缸装置，其特征在于，所述扭力支撑杆的一端通过叉头与机器人大臂联接，其另外一端通过挡块确保处于支撑杆套筒内。

5.如权利要求4所述的平衡缸装置，其特征在于，所述上缸盖与外筒之间、下缸盖与支撑杆套筒之间、以及支撑杆套筒与扭力支撑杆之间均设置有密封圈。

6.如权利要求5所述的平衡缸装置，其特征在于，所述下缸盖与支撑杆套筒之间、支撑杆套筒与扭力支撑杆之间、以及扭力支撑杆与活塞之间均设置有耐磨环。