CN204322065U - 弹簧自平衡助力机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种弹簧自平衡助力机械手，由移动小车、五自由度串联机械臂和弹簧平衡系统三部分组成；所述五自由度串联机械臂通过腰关节上底座固定于移动小车上，弹簧平衡系统位于五自由度串联机械臂后方，其弹簧调节支座组件中安装支撑座固定安装在腰关节的转盘上。优点是：克服现有的助力机械手制造成本高，动力单元较为复杂，不适用于轻型简易工作场所的不足，主要用于轻便型场合的物料搬运，结构简单，易于操作，负载可调，适应性强。五自由度机械臂实现了物料在空间的移动，弹簧平衡系统用于平衡负载，起助力作用，使机构可在任意位置平衡，通过调节丝杠螺母机构，改变弹簧初始长度，以满足不同负载要求。

Description

弹簧自平衡助力机械手

技术领域

本发明涉及一种机械设备，尤其涉及一种用于物料搬运及安装时省力操作的助力机械手。

背景技术

随着我国工业快速的发展，在工业生产中，人们经常要在高温、腐蚀及有毒气体等存在有害物质的环境中工作，增加工人的劳动强度。出于机械手为物料上下线和生产物品组装提供极理想的助力搬运和组装工具，可完成中午抓取、搬运、翻转、对接、微调角度等三维空间移载动作，因而得到广泛应用。国内现有的技术一般采用电控驱动、液压驱动和气压驱动，具有较大的负载能力，但其必须配备相应的电机、液压缸或气压缸等诸多相关设备，并拖动电缆提供电源，这无疑增加了其制造成本，且安装较为复杂，不适用于轻型、便携的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能利用重力势能和弹簧弹性势能守恒实现自平衡的弹簧自平衡助力机械手。

本发明的技术原理是，利用势能守恒原理，通过储能元件弹簧，将结构的重力势能转换为弹性势能，实现机构的静力平衡，通过合理布置弹簧挂点，调节弹簧初始预紧力，可使得在整个运动过程中总势能E的偏导为零，进而实现机构在运动空间内任意位置的自平衡。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：弹簧自平衡助力机械手，由移动小车、五自由度串联机械臂和弹簧平衡系统三部分组成；所述五自由度串联机械臂通过腰关节上底座固定于移动小车上，弹簧平衡系统位于五自由度串联机械臂后方，其弹簧调节支座组件中安装支撑座固定安装在腰关节的转盘上；所述五自由度串联机械臂1包括：腰关节、杆I组件、杆II组件、杆III组件及杆IV构成的末端执行组件五部分；其中，腰关节内装有转盘轴承，可使转盘绕底座360°转动，构成第一关节；杆I组件的轴承座固定于腰关节的转盘上，销轴A一端穿过连杆I下端U型叉架的安装孔，为过盈配合，另一端与轴承座中轴承内圈连接，使杆I组件与腰关节行成铰接关系，构成第二关节；杆II组件的连杆II，其前端两侧开有安装孔，位置关于其中轴面对称，销轴B一端连杆II前端安装孔连接，为过盈配合，另一端与轴承内圈相配合，最后把轴承安装于连杆I上端的U型叉架安装孔中，并用上盖压紧，由此杆II组件与杆I组件在连杆I上端连接处形成铰接关系，构成第三关节；杆II组件中连杆II内部为空心结构，其前后端均开有安装孔，内安装有轴承，连接轴分别与穿过 连杆II内部，分别与两轴承内圈相配合，故连接轴可绕连杆II的轴线转动，连杆III组件末端与连接轴前端相固连，因此，连杆III组件与连杆II组件构成转动副，两者可绕其轴线相对转动，构成第四关节；杆IV构成的末端执行组件与杆III组件前端的U型叉架铰接，构成第五关节；所述弹簧平衡系统包括：弹簧调节支座组件、弹簧I、弹簧II三部分，其中，弹簧调节支座组件由安装支撑座、丝杠滑块调节系统I、丝杠滑块调节系统II组成，丝杠滑块调节系统I中，丝杠座A通过螺钉竖直固定在安装支撑座上，丝杠A、滑杆A分别通过丝杠座A上的安装定位孔，进行连接，滑块A上开有两孔，丝杠A通过螺纹孔，以便驱动滑块移动，滑杆A通过光孔，起支撑作用，滑块A上装有弹簧I挂点II，用于连接弹簧I；丝杠滑块系统II中，丝杠座B通过螺钉竖直固定在安装支撑座上，丝杠B、滑杆B分别通过丝杠座B上的安装定位孔，进行连接，滑块B上开有三孔，丝杠B通过中间的螺纹孔，以便驱动滑块移动，两滑杆B通过光孔，起支撑作用，滑块B上装有弹簧II挂点II，用于连接弹簧II，挂点两侧对称，既能使机构承受较大的负载，又能使弹簧空间布置位置更加合理；弹簧I一端与连杆I上的弹簧I挂点I连接，另一端与丝杠滑块系统I中滑块A上弹簧I挂点II连接；弹簧II一端与连杆II末端的弹簧II挂点I连接，另一端与丝杠滑块系统II中滑块B上弹簧II挂点II连接。

本发明的优点是：上述弹簧自平衡助力机械手，克服现有的助力机械手制 造成本高，动力单元较为复杂，不适用于轻型简易工作场所的不足，主要用于轻便型场合的物料搬运，结构简单，易于操作，负载可调，适应性强。五自由度机械臂实现了物料在空间的移动，弹簧平衡系统用于平衡负载，起助力作用，使机构可在任意位置平衡，通过调节丝杠螺母机构，改变弹簧初始长度，以满足不同负载要求。

附图说明

图1为本发明弹簧自平衡助力机械手的整体结构示意图；

图2为图1中五自由度串联机械臂的爆炸视图；

图3为图2中杆I组件的构造图；

图4为图2中杆I组件的纵向剖面构造图；

图5为图2中杆II组件的构造图；

图6为图2中杆II组件的纵向剖面构造图；

图7为图1中弹簧平衡系统的结构示意图；

图8为图5中弹簧调节支座组件的结构示意图。

图9为图5中弹簧调节支座组件的后视结构示意图。

图中：1、五自由度串联机械臂，2、弹簧调节系统，3、移动小车，101、腰关节，102、杆I组件，103、杆II组件，104、杆III组件，105、末端执行组件，102a、轴承座，102b、销轴A，102c、弹簧I挂点I，102d、连杆I，103a、 连杆II，103b、连接轴，103c、销轴B，103d、弹簧II挂点I，301、弹簧I，302、丝杠滑块调节系统I，303、弹簧调节支座组件，304、丝杠滑块调节系统II，305、弹簧II，303a、丝杠座A，303b、丝杠A，303c、弹簧I挂点II，303d、滑块A，303e、滑杆A，303f、丝杠座B，303g、滑杆B，303h、安装支撑座，303n、弹簧II挂点II，303p、滑块B，303q、丝杠B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，弹簧自平衡助力机械手，由移动小车3、五自由度串联机械臂1和弹簧平衡系统2三部分组成；所述五自由度串联机械臂1通过腰关节101上底座固定于移动小车3上，弹簧平衡系统2位于五自由度串联机械臂1后方，其弹簧调节支座组件303中安装支撑座303h固定安装在腰关节101的转盘上；所述五自由度串联机械臂1包括：腰关节101、杆I组件102、杆II组件103、杆III组件104及杆IV构成的末端执行组件105五部分；其中，腰关节101内装有转盘轴承，可使转盘绕底座360°转动，构成第一关节；杆I组件102的轴承座102a固定于腰关节101的转盘上，销轴A102b一端穿过连杆I102d下端U型叉架的安装孔，为过盈配合，另一端与轴承座102a中轴承内圈连接，使杆I组件102与腰关节101行成铰接关系，构成第二关节；杆II组件103的连杆II103a，其前端两侧开有安 装孔，位置关于其中轴面对称，销轴B103c一端连杆II103a前端安装孔连接，为过盈配合，另一端与轴承内圈相配合，最后把轴承安装于连杆I102d上端的U型叉架安装孔中，并用上盖压紧，由此杆II组件103与杆I组件102在连杆I102d上端连接处形成铰接关系，构成第三关节；杆II组件103中连杆II103a内部为空心结构，其前后端均开有安装孔，内安装有轴承，连接轴103b分别与穿过连杆II103a内部，分别与两轴承内圈相配合，故连接轴103b可绕连杆II103a的轴线转动，连杆III组件104末端与连接轴103b前端相固连，因此，连杆III组件与连杆II组件构成转动副，两者可绕其轴线相对转动，构成第四关节；杆IV构成的末端执行组件105与杆III组件104前端的U型叉架铰接，构成第五关节；所述弹簧平衡系统2包括：弹簧调节支座组件303、弹簧I301、弹簧II305三部分，其中，弹簧调节支座组件303由安装支撑座303h、丝杠滑块调节系统I302、丝杠滑块调节系统II304组成，丝杠滑块调节系统I302中，丝杠座A303a通过螺钉竖直固定在安装支撑座303h上，丝杠A303b、滑杆A303e分别通过丝杠座A303a上的安装定位孔，进行连接，滑块A303d上开有两孔，丝杠A303b通过螺纹孔，以便驱动滑块A303d移动，滑杆A303e通过光孔，起支撑作用，滑块A303d上装有弹簧I挂点II303c，用于连接弹簧I301；丝杠滑块系统II304中，丝杠座B303f通过螺钉竖直固定在安装支撑座303h上，丝杠B303q、滑杆B303g分别通过丝杠座B303p上的安装定位孔，进行连接，滑块B303p上开有三 孔，丝杠B303q通过中间的螺纹孔，以便驱动滑块B303p移动，两滑杆B303g通过光孔，起支撑作用，滑块B303p上装有弹簧II挂点II303n，用于连接弹簧II305，挂点两侧对称，既能使机构承受较大的负载，又能使弹簧空间布置位置更加合理；弹簧I一端与连杆I102d上的弹簧I挂点I102c连接，另一端与丝杠滑块系统I302中滑块A303d上弹簧I挂点II303c连接；弹簧II一端与连杆II103a末端的弹簧II挂点I103d连接，另一端与丝杠滑块系统II中滑块B303p上弹簧II挂点II303n连接。

上述弹簧自平衡助力机械手，具有移动小车3、五自由度串联机械臂1和弹簧平衡系统2三部分；述五自由度串联机械臂1通过底座固定于移动小车3上，可实现整体机构的移动；五自由度串联机械臂1具有五个自由度，工作空间大，运动灵活；弹簧平衡系统2位于五自由度串联机械臂1的后方，其调节支座固定于五自由度串联机械臂1的腰关节101的转盘上，为物料搬运提供助力；弹簧平衡系统2利用利用势能守恒原理，通过储能元件弹簧，将结构的重力势能转换为弹性势能，实现机构的静力平衡。

所述五自由度串联机械臂1具有五个自由度，末端运动可实现3个移动、2个转动；五自由度串联机械臂1主要包括腰关节101、杆I组件102、杆II组件103、杆III组件104及杆IV构成的末端执行组件105五部分，其中腰关节101与杆I组件102、杆I组件102与杆II组件103、杆III组件103与杆IV 组件104为铰接关系，杆II组件103与杆III组件104构成轴承转动副，可绕其轴线相对转动。

所述杆I组件102由轴承座102a、连杆I102d组成，连杆I102d下端通过销轴和轴承销轴A102b与轴承座轴承座102a构成铰接关系，连杆I102d上端与杆II组件103构成铰接关系，其中连杆两端均为U型连接架，整体结构对称，受力性能良好。

所述弹簧平衡系统2由弹簧调节支座组件303、弹簧I301、弹簧II305组成，具体方式为：弹簧调节支座组件303位于五自由度串联机械臂1的后方，固定安装在腰关节1转盘上，弹簧I301两端分别与调节机构和连杆I102d上的挂点连接，弹簧II305两端分别与调节机构和连杆II103a、末端的挂点连接；当移动重物时，弹簧力平衡掉一部分重力，起到助力作用，此外，选择合适的挂点，使重物在移动过程中，重力势能与弹性势能相互转换，总体势能始终守恒，机构能够在任意位置实现自平衡。

通过调节，可改变系统的负载能力，以适应不同的负载；通过调节丝杠滑块系统中的丝杠转动，可以改变滑块位置，滑块上有挂点，进而改变两组弹簧挂点的位置，达到调节其负载能力的目的。

Claims (1)

1.弹簧自平衡助力机械手，其特征在于：由移动小车、五自由度串联机械臂和弹簧平衡系统三部分组成；所述五自由度串联机械臂通过腰关节上底座固定于移动小车上，弹簧平衡系统位于五自由度串联机械臂后方，其弹簧调节支座组件中安装支撑座固定安装在腰关节的转盘上；所述五自由度串联机械臂1包括：腰关节、杆I组件、杆II组件、杆III组件及杆IV构成的末端执行组件五部分；其中，腰关节内装有转盘轴承，可使转盘绕底座360°转动，构成第一关节；杆I组件的轴承座固定于腰关节的转盘上，销轴A一端穿过连杆I下端U型叉架的安装孔，为过盈配合，另一端与轴承座中轴承内圈连接，使杆I组件与腰关节行成铰接关系，构成第二关节；杆II组件的连杆II，其前端两侧开有安装孔，位置关于其中轴面对称，销轴B一端连杆II前端安装孔连接，为过盈配合，另一端与轴承内圈相配合，最后把轴承安装于连杆I上端的U型叉架安装孔中，并用上盖压紧，由此杆II组件与杆I组件在连杆I上端连接处形成铰接关系，构成第三关节；杆II组件中连杆II内部为空心结构，其前后端均开有安装孔，内安装有轴承，连接轴分别与穿过连杆II内部，分别与两轴承内圈相配合，故连接轴可绕连杆II的轴线转动，连杆III组件末端与连接轴前端相固连，因此，连杆III组件与连杆II组件构成转动副，两者可绕其轴线相对转动，构成第四关节；杆IV构成的末端执行组件与杆III组件前端的U型叉架铰接，构成第五关节；所述弹簧平衡系统包括：弹簧调节支座组件、弹簧I、弹簧II三部分，其中，弹簧调节支座组件由安装支撑座、丝杠滑块调节系统I、丝杠滑块调节系统II组成，丝杠滑块调节系统I中，丝杠座A通过螺钉竖直固定在安装支撑座上，丝杠A、滑杆A分别通过丝杠座A上的安装定位孔，进行连接，滑块A上开有两孔，丝杠A通过螺纹孔，以便驱动滑块移动，滑杆A通过光孔，起支撑作用，滑块A上装有弹簧I挂点II，用于连接弹簧I；丝杠滑块系统II中，丝杠座B通过螺钉竖直固定在安装支撑座上，丝杠B、滑杆B分别通过丝杠座B上的安装定位孔，进行连接，滑块B上开有三孔，丝杠B通过中间的螺纹孔，以便驱动滑块移动，两滑杆B通过光孔，起支撑作用，滑块B上装有弹簧II挂点II，用于连接弹簧II，挂点两侧对称，既能使机构承受较大的负载，又能使弹簧空间布置位置更加合理；弹簧I一端与连杆I上的弹簧I挂点I连接，另一端与丝杠滑块系统I中滑块A上弹簧I挂点II连接；弹簧II一端与连杆II末端的弹簧II挂点I连接，另一端与丝杠滑块系统II中滑块B上弹簧II挂点II连接。