机器人平衡器及解耦型码垛机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种机器人平衡器及解耦型码垛机器人。

背景技术

在工业生产过程中，越来越多的工作场景需要使用到机器人进行作业，其中，解耦型码垛机器人使用广泛，解耦型码垛机器人具有x和y方向坐标的控制互不干涉的解耦型结构，其控制简单、价格低廉，但是其运动中存在这样的问题：由于机器人手臂的重心不通过关节轴线，因而相对于整机产生了很大的重力弯矩，极大的重力弯矩和运动过程中惯性力矩等减少机器人的稳定性和缩短精密件的寿命。同时当加减速时，极大的冲击力，对丝杆产生极大的交变应力。

为了解决上述问题，人们通过为机器人设置平衡器，从而减少关节负载力矩，改善关键件受力状态，提高电机、减速机的性能。

在已有机器人平衡器设计方面：关节型机器人大多采用拉伸弹簧或者配重块方式减少重力力矩，但配重块平衡装置或者弹簧拉伸平衡装置均存在体积大，重量重的问题，并且工业流水线大量使用的解耦型码垛机器人大摆臂的旋转支点是移动的，传统平衡缸不能用于解耦型码垛机器人平衡，配重块提供的平衡力矩是恒定的，也不适合码垛机器人上下移动时线性变化的重力力矩，同时当y向或者x向驱动同步带轮由于疲劳出现断裂现象，将会导致整个机器人机械臂出现滑脱撞击限位块，给机械本体带来不必要的损坏，同时给在现场生产人员带来安全隐患。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种机器人平衡器及解耦型码垛机器人。

本发明能够增加机器人运行的高效性、稳定性、准确性，有利于提高机器人的使用寿命，同时，可降低机器人运行过程中的危险系数，提高生产过程的安全性。

为实现本发明的目的采用如下的技术方案。

本发明的第一技术方案为一种机器人平衡器，所述机器人平衡器包括基座、拉力输出装置、行星减速装置以及储能装置。

在所述基座上形成有贯通所述基座的安装孔，承载所述储能装置的动力输出轴安装于所述安装孔中。

所述行星减速装置包括输入齿轮和行星架。

所述行星架与所述动力输出轴的一端连接，所述输入齿轮能够带动所述行星架转动进而带动所述动力输出轴转动；所述储能装置构造成使所述动力输出轴在朝第一方向转动的工况下始终具有向与所述第一方向相反的第二方向转动的转动趋势；所述拉力输出装置包括与所述输入齿轮连接的拉力输出轮以及与所述拉力输出轮连接的动作输出机构。

另外，第二技术方案的机器人平衡器，在第一技术方案的机器人平衡器中，所述行星减速装置还包括齿圈和设置于所述行星架上的行星齿轮。

所述齿圈具有内齿，所述行星齿轮和所述输入齿轮分别具有各自的外齿，所述行星齿轮和所述输入齿轮包围于所述齿圈的内部，且所述行星齿轮的外齿分别与所述齿圈的内齿和所述输入齿轮的外齿相啮合，所述齿圈固定于所述安装孔的靠近所述行星架的一端的孔壁上。

另外，第三技术方案的机器人平衡器，在第一技术方案的机器人平衡器中，所述储能装置包括弹性元件，所述弹性元件在所述动力输出轴转动时向所述动力输出轴施加与转动方向相反的作用力；所述弹性元件的一端固定于所述动力输出轴上，所述弹性元件的另一端固定于所述基座上。

另外，第四技术方案的机器人平衡器，在第三技术方案的机器人平衡器中，所述弹性元件为设于所述动力输出轴的外周上的扭簧。

另外，第五技术方案的机器人平衡器，在第四技术方案的机器人平衡器中，所述扭簧的一端通过钩挂组件固定于所述动力输出轴上。

另外，第六技术方案的机器人平衡器，在第二技术方案的机器人平衡器中，所述行星齿轮具有四个，且四个所述行星齿轮在垂直于所述动力输出轴的平面内围绕所述动力输出轴均匀分布。

另外，第七技术方案的机器人平衡器，在第一技术方案的机器人平衡器中，所述机器人平衡器还包括无励磁制动器，所述无励磁制动器的转子通过转动轴与所述输入齿轮连接，所述拉力输出轮以套设于所述转动轴的外部的方式与所述输入齿轮固定连接。

另外，第八技术方案的机器人平衡器，在第一技术方案的机器人平衡器中，所述行星架与所述动力输出轴为一体成型结构。

另外，第九技术方案的机器人平衡器，在第一技术方案的机器人平衡器中，所述拉力输出轮为链轮，所述动作输出机构与所述链轮之间通过传动链连接。

本发明的第十技术方案为一种解耦型码垛机器人，具有上述第一至第九中任意一种技术方案所描述的机器人平衡器。

与现有技术相比，采用上述技术方案，本发明能产生如下有益效果。

本发明的一方面，提供了一种机器人平衡器，该机器人平衡器包括基座、拉力输出装置、行星减速装置以及储能装置。

在基座上形成有贯通基座的安装孔，承载储能装置的动力输出轴安装于安装孔中。

行星减速装置包括输入齿轮和行星架。

行星架与动力输出轴的一端连接，输入齿轮能够带动行星架转动进而带动动力输出轴转动；储能装置构造成使动力输出轴在朝第一方向转动的工况下始终具有向与第一方向相反的第二方向转动的转动趋势；拉力输出装置包括与输入齿轮连接的拉力输出轮以及与拉力输出轮连接的动作输出机构。

使用时，将其安装于机器人的肩部，在该机器人平衡器中，利用储能装置提供反作用力矩平衡机器人前端重力及惯性的影响。

其中，为了避免直接将储能装置与拉力输出轮连接需要大外径的拉力输出轮，影响机器人结构的紧凑性，同时避免储能装置的旋转角度过小，影响机器人的工作空间的问题，本发明设置行星减速装置，将储能装置置于行星减速装置的低速端，将拉力输出轮置于行星减速装置的高速端，通过控制行星减速装置的减速比对储能装置的回转角度进行控制，例如，使其转动角度保持在90度范围以内。

本发明提供的机器人平衡器能够有效地减少关节负载力矩，改善机器人关键件受力状态，从而提高电机、减速机的性能，增加机器人响应的快速性、准确性及稳定性。

本发明的另一方面，还提供了一种解耦型码垛机器人，则具有上述机器人平衡器。

从而，可根据上述机器人平衡器平衡解耦型码垛机器人上下运动时巨大的反作用力，改善解耦型码垛机器人上下运动时的受力状况，特别地，将交变应力改变为脉冲应力，达到提高解耦型码垛机器人使用寿命的效果，同时，可使解耦型码垛机器人的运行更加平衡、高速，大大提升解耦型码垛机器人的运动性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的整体结构示意图。

图2是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的拉力输出装置的整体结构示意图。

图3是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的无励磁制动器的整体结构示意图。

图4是表示本发明提供的机器人平衡器在解耦型码垛机器人上的安装位置示意图。

附图标记：1-基座；21-齿圈；22-行星齿轮；23-输入齿轮；241-行星架；242-动力输出轴；25-轴承；31-扭簧；32-端盖；41-拉力输出轮；42-传动链；5-无励磁制动器；51-转子；52-定子；53-电枢板；54-定子线圈；55-转矩弹簧；56-转子前板；57-电线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面根据本发明提供的机器人平衡器的整体结构，对其具体实施例进行说明。

图1是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的整体结构示意图。图2是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的拉力输出装置的整体结构示意图。图3是表示本发明提供的机器人平衡器的具体实施例的无励磁制动器的整体结构示意图。图4是表示本发明提供的机器人平衡器在解耦型码垛机器人上的安装位置示意图。

本实施例提供了一种机器人平衡器，如图1、图2所示，该机器人平衡器，包括基座1、拉力输出装置、行星减速装置以及储能装置。

其中，在基座1上形成有贯通基座1的安装孔，承载上述储能装置的动力输出轴242安装于安装孔中。

行星减速装置包括输入齿轮23和行星架241。

行星架241与动力输出轴242的一端连接，输入齿轮23能够带动行星架241转动进而带动动力输出轴242转动；储能装置构造成使动力输出轴242在朝第一方向转动的工况下始终具有向与第一方向相反的第二方向转动的转动趋势；拉力输出装置包括与输入齿轮23连接的拉力输出轮41以及与拉力输出轮41连接的动作输出机构(图中未示出)。

为了提高传动的稳定可靠性，可设置动力输出轴242的中心轴线、输入齿轮23的中心轴线以及安装孔的中心轴线重合。

进一步地，上述行星减速装置还包括齿圈21和设置于行星架241上的行星齿轮22。

齿圈21具有内齿，行星齿轮22和输入齿轮23分别具有各自的外齿，行星齿轮22和输入齿轮23包围于齿圈21的内部，且行星齿轮22的外齿分别与齿圈21的内齿和输入齿轮23的外齿相啮合，齿圈21固定于安装孔的靠近行星架241的一端的孔壁上。

另外，上述的储能装置包括弹性元件和端盖32。

弹性元件在动力输出轴242转动时向动力输出轴242施加与转动方向相反的作用力，弹性元件的一端固定于动力输出轴242上，弹性元件的另一端固定于基座1上；端盖32布置于安装孔的远离行星架241的一端，动力输出轴242的与行星架241连接的另一端通过轴承25与端盖32转动连接。

进一步地，该弹性元件为设于动力输出轴242的外周上的扭簧31。

更进一步地，扭簧31的一端通过钩挂组件固定于动力输出轴242上。

该钩挂组件结构多样，例如，该钩挂组件包括形成于扭簧31的一端的挂钩和设置于动力输出轴242上的沿动力输出轴242的轴线方向延伸的凹槽，在凹槽的内部形成有用于钩挂挂钩的钩挂孔。

另外，上述的行星齿轮22具有四个，且四个行星齿轮22在垂直于动力输出轴242的平面内围绕动力输出轴242均匀分布。

另外，该机器人平衡器还包括无励磁制动器5，该无励磁制动器5的转子51通过转动轴与输入齿轮23连接，拉力输出轮41以套设于转动轴的外部的方式与输入齿轮23固定连接。

具体地，如图3所示，上述无励磁制动器5为一种电磁制动器，该无励磁制动器5具有转子51、定子52、电枢板53、定子线圈54、转矩弹簧55、转子前板56以及电线57。

当定子线圈54通电产生电磁吸引力，电枢板53受到电磁力吸引克服转矩弹簧55的推力紧靠定子52侧表面，此时转子51与电枢板53之间以及转子51与转子前板56之间均具有空隙，可以允许转子51旋转；当定子线圈54断电，电磁吸引力消失，此时转矩弹簧55将电枢板53压向转子51侧表面；转子51被电枢板53和转子前板56夹紧使得转子51无法旋转，从而起到制动和保持的作用。

这种制动器与电机内置的电磁制动器的原理一样，都是靠弹簧的推力产生摩擦力的制动器：在停电时紧急制动、长时间保持停止状态、防止机械空转等方面发挥制动和保持位置的性能。

另外，上述行星架241与上述动力输出轴242为一体成型结构。

另外，上述拉力输出轮41为链轮，动作输出机构与作为拉力输出轮41的链轮之间通过传动链42连接。

另外，本发明还提供了一种解耦型码垛机器人，其具有上述机器人平衡器，该机器人平衡器的安装位置如图4所示，其中，以a表示该机器人平衡器。

以上对本发明的机器人平衡器及解耦型码垛机器人的具体实施方式的结构进行了说明，下面对其使用及工作方式进行说明。

使用时，将机器人平衡器安装于机器人的肩部，利用储能装置提供反作用力矩平衡机器人前端重力及惯性的影响。

其中，为了避免直接将储能装置与拉力输出轮连接需要大外径的拉力输出轮，影响机器人结构的紧凑性，同时避免储能装置的旋转角度过小，影响机器人的工作空间的问题，本发明设置行星减速装置，将储能装置置于行星减速装置的低速端，将拉力输出轮置于行星减速装置的高速端，通过控制行星减速装置的减速比对储能装置的回转角度进行控制，例如，使其转动角度保持在90度范围以内。

更具体地，在本发明的具体实施例提供的机器人平衡器中，利用扭簧的旋转变形储存能量，从而，通过扭簧的反作用力矩平衡机器人前端重力及惯性的影响。

工作时，动作输出机构作向上运动时，拉动拉力输出轮朝一个方向转动，拉力输出轮依次带动输入齿轮、行星齿轮、行星架、动力输出轴转动，进而使扭簧受扭发生形变，重力势能转化为弹性势能；动作输出机构作下降运动时，拉动拉力输出轮朝相反方向转动，拉力输出轮依次带动输入齿轮、行星齿轮、行星架、动力输出轴转动，进而使扭簧恢复，弹性势能被释放。

本发明提供的机器人平衡器能够有效地减少关节负载力矩，改善机器人关键件受力状态，从而提高电机、减速机的性能，增加机器人响应的快速性、准确性及稳定性。

另外，本发明提供的解耦型码垛机器人可通过机器人平衡器平衡上下运动时巨大的反作用力，从而改善解耦型码垛机器人上下运动时的受力状况，特别地，将交变应力改变为脉冲应力，达到提高解耦型码垛机器人使用寿命的效果，同时，可使解耦型码垛机器人的运行更加平衡、高速，大大提升解耦型码垛机器人的运动性能。

另外，在上述的具体实施方式中，设置扭簧的一端通过钩挂组件固定于动力输出轴上，进一步地，使钩挂组件包括形成于扭簧的一端挂钩和设置于动力输出轴上的沿动力输出轴的轴线方向延伸的凹槽，在凹槽的内部形成有用于钩挂挂钩的钩挂孔。

从而，提供了扭簧的一端固定于动力输出轴上的一种固定方式，具有易于装配，且连接稳定可靠的优点。

另外，在上述的具体实施方式中，行星齿轮具有四个，且四个行星齿轮在垂直于动力输出轴的平面内围绕动力输出轴均匀分布。

从而，可通过多个行星齿轮进行传动，提高行星减速装置的传动稳定性。

另外，在上述的具体实施方式中，通过设置无励磁制动器，从而，可通过为机器人的中央控制系统输入控制指令对无励磁制动器进行程序控制，进而在出现紧急状况时，由无励磁制动器制动拉力输出轮和输入齿轮，将机器人制动，避免危险情况的发生。由于无励磁制动器可直接作用于拉力输出轮和输入齿轮，因而其制动具有快速、灵敏的特点，能够有效防止意外发生，确保机器人、机器人周边设备以及在场工作人员的安全。

另外，在上述的具体实施方式中，通过设置行星架与动力输出轴为一体成型结构，从而，可使扭簧的一端直接固定于行星架上，从而减少平衡运动的转动惯量，该一体成型结构使得制动器更加紧凑，有利于从结构上保证机器人的安装精度、减少零件数量，提高行星减速装置的使用寿命，具有易维护的优点。

另外，在上述的具体实施方式中，使拉力输出轮为链轮，动作输出机构与作为拉力输出轮的链轮之间通过传动链连接。

链传动的承载能力高、效率高，且其作用于轴上的力小，使拉力输出轮为链轮，动作输出机构与拉力输出轮之间通过传动链连接，从而，可保证动作输出装置进行平稳的动力输出，且有利于提高该机器人平衡器的使用寿命。

另外，在上述的具体实施方式中，为了使动力输出轴在安装孔的内部更加流畅地转动，可按照图1所示，将动力输出轴设置为轴线方向一侧的直径大于轴线方向另外一侧直径的形状，并将其直径较大的一面与钮簧连接。

另外，还可以设置输入齿轮与拉力输出轮为一体成型结构，从而，可保证输入齿轮与拉力输出轮之间具有动作一致性，避免输入齿轮与拉力输出轮之间存在动作偏差，有利于保证机器人动作输出的快速、准确性，同时，输入齿轮与拉力输出轮一体成型，有利于机器人平衡器的整体装配，提高机器人平衡器的组装效率。

另外，在上述的具体实施方式中，对本发明提供的机器人平衡器及解耦型码垛机器人的具体结构进行了说明，但是不限于此。

例如，在上述的具体实施方式中，行星减速装置还可以是包括多级输入齿轮、多级输出齿轮相互交错排列而成的多级减速器结构，其中，行星齿轮的排列方式可依据多级减速器的各级齿轮的排列方式而改变，只要能够实现行星减速功能即可。

另外，在上述的具体实施方式中，储能装置也可以是气动储能装置或磁力式储能装置等，只要能够起到使动力输出轴在朝第一方向转动的工况下始终具有向与第一方向相反的第二方向转动的转动趋势的功能即可。

另外，在上述的具体实施方式中，设置弹性元件为扭簧，但是不限于此，该弹性元件也可以不是扭簧，而是平面涡卷弹簧，或者是普通弹簧结构等。

另外，在上述的具体实施方式中，设置机器人平衡器还包括无励磁制动器，但是不限于此，也可以不设置该无励磁制动器，同样可实现利用机器人平衡器减少机器人关节负载力矩，改善关键件受力状态，提高电机、减速机性能的功能。

但是，按照具体实施方式中的结构，设置上述的无励磁制动器，从而，可通过为机器人的中央控制系统输入控制指令对无励磁制动器进行程序控制，进而在出现紧急状况时，由无励磁制动器制动拉力输出轮和输入齿轮，将机器人制动，避免危险情况的发生。由于无励磁制动器可直接作用于拉力输出轮和输入齿轮，因而其制动具有快速、灵敏的特点，能够有效防止意外发生，确保机器人、机器人周边设备以及在场工作人员的安全。

另外，在上述的具体实施方式中，设置行星架与动力输出轴为一体成型结构，但是不限于此，也可以是，设置行星架与动力输出轴之间的连接为可拆装连接，例如，行星架与动力输出轴之间通过销钉或螺钉连接、或者行星架与动力输出轴之间通过两端设置有螺纹的连接套连接等，同样可实现利用机器人平衡器减少机器人关节负载力矩，改善关键件受力状态，提高电机、减速机性能的功能。

但是，按照具体实施方式中的结构，设置行星架与动力输出轴为一体成型结构，从而，可使扭簧的一端直接固定于行星架上，从而减少平衡运动的转动惯量，该一体成型结构使得制动器更加紧凑，有利于从结构上保证机器人的安装精度、减少零件数量，提高行星减速装置的使用寿命，具有易维护的优点。

另外，在上述的具体实施方式中，行星齿轮具有四个，且四个行星齿轮在垂直于动力输出轴的平面内围绕动力输出轴均匀分布。但是不限于此，行星齿轮的数量也可以不是四个，而是一个、或两个或三个或五个等任意整数个，只要能够实现通过输入齿轮带动行星齿轮转动从而带动行星架转动进而带动动力输出轴转动即可。

但是，按照具体实施方式中的结构，设置行星齿轮具有四个，与设置行星齿轮具有一个或者两个或者三个相比，其能够在简单结构下提高行星减速装置的传动稳定性。

另外，在上述的具体实施方式中，设置扭簧的一端通过钩挂组件固定于动力输出轴上，进一步地，使钩挂组件包括形成于扭簧的一端的挂钩和设置于动力输出轴上的沿动力输出轴的轴线方向延伸的凹槽，在凹槽的内部形成有用于钩挂挂钩的钩挂孔。但是不限于此，扭簧的一端还可以是通过螺钉固定于动力输出轴上，其中，为了更好地实现固定，可设置扭簧的一端为扁平片状结构；或者，设置扭簧的一端与行星减速器的输出轴之间焊接，以达到固定功能等。

但是，与上述可替换的结构相比，按照具体实施方式中的结构，设置扭簧的一端通过钩挂组件固定于动力输出轴上，从而，可使扭簧的一端以易于装配的方式固定于动力输出轴上，安装方便，且具有连接稳定可靠的优点。

另外，在设置扭簧的一端通过钩挂组件固定于动力输出轴上的基础上，上述的钩挂组件还可以是形成为以下结构：包括形成于扭簧的一端的具有钩挂孔的安装片以及设置于动力输出轴上的能够穿过钩挂孔对该安装片进行固定的u形定位件，其中，u形定位件可以是分布于动力输出轴的周面上，也可以是分布于动力输出轴的端面上；或者，上述的钩挂组件为其他形式的钩挂组件等。

另外，在上述的具体实施方式中，使拉力输出轮为链轮，动作输出机构与作为拉力输出轮的链轮之间通过传动链连接，但是不限于此，拉力输出轮也可以不是链轮，而是普通摩擦轮，动力输出机构相应与拉力输出轮之间通过摩擦带传动等，只要能够达到通过拉力输出轮实现动力输出的功能即可。

但是，按照具体实施方式中的结构，使拉力输出轮为链轮，动作输出机构与拉力输出轮之间通过传动链连接，从而，可利用链传动的承载能力高、效率高，且其作用于轴上的力小的优点，保证动作输出装置进行平稳的动力输出，且有利于提高该机器人平衡器的使用寿命。

另外，本发明的机器人平衡器及解耦型码垛机器人，可由上述实施方式的各种结构组合而成，同样能够发挥上述的效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。