一种转动关节机械臂重力补偿机构的制作方法

本发明涉及工业机器人、康复医疗机器人以及服务机器人等领域，具体涉及一种重力补偿机构。

背景技术：

在机器人系统设计中，对于关节轴线平行于地面的机械臂来说，由于机械臂自身的重力，会使关节处产生额外的扭矩，不仅在一定程度上降低机械臂的动态特性，而且在制动系统失效的情况下，没有其它的自锁装置，在重力的作用下造成机械臂下落，严重威胁操作人员或其它装置的安全。

目前现有的重力补偿方法有两种：一是利用控制手段驱动电机进行主动式力矩补偿，需要对机械臂转角实时测量，控制器驱动电机实时输出相反方向的力矩。从理论上讲，这种方法可实现机械臂完全重力补偿，但控制算法相当复杂；二是利用储能装置进行被动式力矩补偿，通过机械臂关节带动重力补偿装置运动，重力补偿装置输出与重力相反的力矩，被动式重力补偿只需设计重力补偿机构，不消耗多余的能量。

现有的被动式重力补偿机构，如：悬挂拉簧式结构、平行四杆机构及拉簧结构等，均无法满足重力矩的非线性变化，故只能进行近似补偿；凸轮拉簧式结构，补偿精度较高，但凸轮机构点、线接触，磨损比较大，而且凸轮行程比较小，补偿范围不是很大；再有公开号为cn104245250a的专利，公开了一对非圆齿轮及拉簧的重力补偿机构，并对自由度较高的机械臂进行重力补偿，转动关节轴线平行于地面的机械臂重力矩按正弦规律变化，一对非圆齿轮啮合无法实现精确正弦规律变化的函数，故也为近似重力补偿。

综上所述，在工业机器人、康复机器人、服务机器人等领域，良好的重力补偿装置可有效降低关节驱动力矩，并且能够提高安全系数。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种补偿精度较高且能连续回转的转动关节机械臂重力补偿机构。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种转动关节机械臂重力补偿机构，包括机架、非圆齿轮行星轮系和平面涡卷弹簧，所述机架由机架a和机架b两部分组成，所述机架b与平面涡卷弹簧外端固定杆焊接在一起，所述机架a与机架b通过螺栓连接在一起；所述非圆齿轮行星轮系为定中心距非圆齿轮行星轮系，包括系杆、行星轴、转动轴、圆太阳轮、行星圆齿轮、非圆太阳轮和行星非圆齿轮；所述系杆穿过圆太阳轮4的中心通孔一端通过第一转动关节与机架a相连，另一端通过滑动轴承与行星轴套接；所述圆太阳轮通过法兰固定在机架a上；所述行星轴两端分别与行星圆齿轮和行星非圆齿轮键连接，行星圆齿轮与圆太阳轮啮合，行星非圆齿轮与非圆太阳轮啮合；行星轴上的行星圆齿轮绕圆太阳轮自转及公转，行星非圆齿轮带动非圆太阳轮旋转；所述非圆太阳轮与转动轴键连接；所述平面涡卷弹簧外端固定于机架b固定杆上，内端通过销与转动轴固定连接；所述转动轴通过第三转动关节与机架b相连。

在使用时，系杆一端作为重力补偿机构的输入，随转动关节机械臂一起旋转，行星轴上的行星圆齿轮绕圆太阳轮自转及公转，行星非圆齿轮带动非圆太阳轮旋转；非圆太阳轮转动使转动轴发生旋转，转动轴在旋转过程中使平面涡卷弹簧发生扭转，产生反平衡力矩，以此进行重力矩的平衡。

与现有的重力补偿技术相比，本发明专利有如下优点：被动式重力补偿，避免额外能量的输入，以函数再现的观点出发，可有效提高补偿精度，可实现平面多自由度机械臂在任意可达工作空间内的重力补偿，不仅能够解决转角范围受限的问题，并且有效避免结构干涉。本发明结构简单，运动平稳可靠，重力补偿精度高，且适用于连续回转机构。

附图说明

图1表示本发明立体结构图；

图2表示本发明结构图；

图3表示平面涡卷弹簧固定示意图；

图4表示所述重力补偿机构简图；

图5表示所述重力补偿简化模型；

图6a表示所述重力补偿机构及机器人第一说明图；

图6b表示所述重力补偿机构及机器人第二说明图；

图6c表示所述重力补偿机构及机器人第三说明图；

图6d表示所述重力补偿机构及机器人第四说明图；

图6e表示所述重力补偿机构及机器人第五说明图；

图6f表示所述重力补偿机构及机器人第六说明图。

图中标号：1-机架a，2-法兰，3-端盖a，4-圆太阳轮，5-螺钉，6-轴承a，7-系杆，8-弹性挡圈a，9-行星轴，10-键a，11-行星圆齿轮，12-弹性挡圈b，13-特氟龙滑动轴承，14-螺栓，15-垫片，16-螺母，17-行星非圆齿轮，18-键b，19-弹性挡圈c，20-转动轴，21-平面涡卷弹簧，22-固定杆，23-轴承b，24-端盖b，25-弹性挡圈d，26-键c，27-非圆太阳轮，28-机架b，29-连杆a，30-连杆b，31-连杆c，32-小臂，33-大臂，34-机器人底座，35-圆锥销，l、u旋转轴，f地面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

本发明的一种转动关节机械臂重力补偿机构，如图1—2所示，包括机架、非圆齿轮行星轮系和平面涡卷弹簧21，所述机架由机架a1和机架b28两部分组成，所述机架b28与平面涡卷弹簧外端固定杆22焊接在一起，所述机架a1与机架b28通过螺栓14、垫片15和螺母16连接固定在一起；所述非圆齿轮行星轮系为定中心距非圆齿轮行星轮系，包括系杆7、行星轴9、转动轴20、圆太阳轮4、行星圆齿轮11、非圆太阳轮27和行星非圆齿轮17；所述圆太阳轮4用螺钉5固定在法兰2上，并通过法兰2固定在机架a1上；所述系杆7穿过圆太阳轮4的中心通孔一端通过轴承a6与机架a1相连，端盖a3在机架a1外部通过螺栓固定在机架a1上；所述系杆7的另一端通过特氟龙滑动轴承13与行星轴9套接，特氟龙滑动轴承13两端通过弹性挡圈b12定位；所述行星轴9两端分别通过键a10与行星圆齿轮11以及通过键b18与行星非圆齿轮17连接；行星圆齿轮11一端通过轴肩与行星轴9固定，另一端通过弹性挡圈a8固定，行星圆齿轮11与圆太阳轮4啮合；行星非圆齿轮17一端通过轴肩与行星轴9固定，另一端通过弹性挡圈c19固定，行星非圆齿轮17与非圆太阳轮27啮合；行星轴9上的行星圆齿轮11绕圆太阳轮4自转及公转，行星非圆齿轮17带动非圆太阳轮27旋转；所述非圆太阳轮27通过键c26与转动轴20固定连接，非圆太阳轮27一端轴肩与转动轴20固定，另一端用弹性挡圈d25固定；如图3所示，所述平面涡卷弹簧21外端固定于机架b28的固定杆22上，内端通过销35与转动轴20固定连接；所述转动轴20通过轴承b与机架b相连，端盖b24在机架b28外部通过螺栓固定在机架b28上。

如图4所示，系杆7一端作为重力补偿机构的输入，另一端套接行星轴9，行星轴9分别与行星圆齿轮11和行星非圆齿轮17连接，其中圆太阳轮4固定，系杆7带动行星圆齿轮11和行星非圆齿轮17围绕固定圆太阳轮4、转动非圆太阳轮27旋转，并通过转动太阳轮将运动输出，即转动轴20输出转角，从而使平面涡卷弹簧21发生扭转，从而产生力矩，完成重力补偿。

如图5所示，平面1r机构重力补偿简化模型，关节o处为储能弹簧，c点为连杆质心位置，q为重力方向与杆长方向夹角，当关节转过q角度时，储能弹簧发生相应的变形，进而完成重力补偿。

实施例1：对平行四杆2r机械臂进行重力补偿

如图6a所示，2r机械臂包括：33大臂、32小臂、四杆机构的29连杆a、30连杆b、31连杆c。

所述机器人大臂33的一端能够围绕旋转轴l进行旋转，所述旋转轴l与地面f平行。所述小臂32的一端设置在大臂33的前端部上，所述小臂32能够围绕旋转轴u进行旋转，所述旋转轴u与旋转轴l平行。所述四杆机构的连杆a和连杆c始终与小臂32平行，且连杆b始终与大臂33平行。

如图6b所示，所述大臂33和小臂32初始位置如图实线所示，虚线为运动后的位置，所述初始位置平面涡卷弹簧21不受扭矩，为自由状态。

所述2r机械臂重力补偿分为两部分，如图6c所示，第一部分重力补偿：与大臂33连接的重力补偿机构zlbc1，如图6e所示，第二部分重力补偿：与四杆机构连杆a连接的重力补偿机构zlbc2。

若忽略四杆机构的质量，如图6d所示，所述大臂33长度为l1，质量为m1，相对于初始位置旋转角度为q1；所述小臂32长度为l2，质量为m2，旋转角度为q1+q2。

如图6b所示，所述小臂32的重力m2g由质心位置向大臂33与小臂32连接处简化(即u轴处)，会得到一个力m2g和一个力矩0.5m2gl2sin(q1+q2)。

如图6c所示，这个力和大臂33的重力由重力补偿机构zlbc1去补偿(mgcm1＝-τgq1＝-(m1g/2+m2g)l1sinq1)。这个力矩由重力补偿机构zlbc2去补偿(mgcm2＝-τgq12＝-m2gl2sin(q1+q2))

如图6f所示，所述重力补偿机构zlbc1的系杆7与大臂33在旋转轴l处连接，大臂33的旋转作为非圆齿轮行星轮系系杆的输入，非圆太阳轮27带动转动轴20旋转，使平面涡卷弹簧21发生扭转变形，从而产生反平衡力矩，实现第一部分重力补偿。

所述重力补偿机构zlbc2的系杆与四杆机构的连杆a在旋转轴l处连接，四杆机构的连杆a的旋转作为非圆齿轮行星轮系系杆的输入，非圆太阳轮带动其转动轴旋转，使平面涡卷弹簧发生扭转变形，从而产生反平衡力矩，实现第二部分重力补偿。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。