重力负载平衡臂及机械臂的制作方法

本发明涉及机械结构设计技术领域，具体涉及一种重力负载平衡臂及由重力负载平衡臂组成的机械臂。

背景技术：

工业用手持电动、手持气动或手持液压工具等由于其自身的重量较重，长时间使用其重量会对使用者的工作效率、操作稳定性，以及使用的安全性产生不良影响。

专利cn203204283u公开了一种专门针对摄影行业的斯坦尼康稳定臂，其应用于摄影行业以搭载摄像机，起到支撑与稳定作用。该稳定臂为针对工业应用的改良，以使其可以搭载手持工具。但该结构的稳定臂在竖直运动过程中不能保证全运动范围内良好的重力抵消效果，其作用以减震为主，因此在搭载手持工具时对于重力调节的灵活性会相应下降。

为了较好的对重力进行平衡，申请号为200680012023.8的专利文件公开了一种平衡支撑装置。图1示出了专利文件中平衡支撑装置的结构示意图。如图1所示，该装置平衡支撑采用由第一边301、第二边302、第三边322和第四边303构成平行四连杆机构，在平行四连杆机构远离负载的一端设置一连杆320，连杆320通过弹簧314与负载连接，连杆320提拉弹簧以产生抵消重力的支撑力。上述平衡支撑装置通过弹簧314拉动连杆320对重力负载产生力矩进而达到对负载重力的平衡，该机构可改善上下摆动极限位置时的弹簧力矩输出情况，进而保证对重力的全运动范围内的均匀抵消。该结构中起关键调节作用的是位于弹簧末端位置的轴318。轴318在机械臂上下运动过程中的空间位置改变直接影响了弹簧的伸长量以及弹簧相对于轴312所产生的力臂值，进而保证了机械臂摆动过程中弹簧力矩对负载力矩的均匀抵消效果。轴318在机械臂运动过程中相对于轴312摆动，因为轴318的运动空间位置有限，因而降低对弹簧输出力矩调节的显著性。对于机械臂在全摆动范围内不能实现良好的实时重力抵消效果。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种重力负载平衡臂，以解决现有平衡支撑装置不能实时产生良好的重力抵消效果的问题，进而提高使用手持工具的生产效率，提高加工质量的稳定性，以及降低生产安全隐患。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种重力负载平衡臂，包括支座；

第一支撑臂，其第一端可绕所述支座上设置的第一枢轴旋转；

第二支撑臂，其第一端可绕所述支座上设置的第二枢轴旋转；第一枢轴与第二枢轴在竖直方向相距设定高度；

负载安装座，在竖直方向具有设定高度，其顶端与第一支撑臂通过第三枢轴枢接，其底端与第二支撑臂的第二端通过第四枢轴枢接；

第一调节连杆，其第一端枢接于第四枢轴上；

第二调节连杆，其第一端可绕所述支座上设置的第五枢轴旋转，其第二端与第一调节连杆的第二端通过第六枢轴枢接；在竖直方向上，第五枢轴设置于第一枢轴和第二枢轴之间；第六枢轴的高度低于第四枢轴的高度；

所述支座中第五枢轴与第二枢轴之间的部分、第二支撑臂、第一调节连杆和第二调节连杆构成交叉四连杆结构；

弹性部件，其一端固定于第六枢轴上，其另一端与所述支座中第一枢轴与第五枢轴之间的部分铰接。

其中，所述支座固定所述弹性部件的部分安装有调整机构，所述弹性部件的另一端与所述调整机构铰接，通过所述调整机构所述弹性部件的另一端可在第一枢轴与第五枢轴之间竖直方向的任一位置固定。

优选地，所述调整机构包括：

导向轴，固定于第一枢轴与第五枢轴之间；

调节座，与所述导向轴滑动连接；

丝杆，与所述调节座固定连接；

调节旋钮，设置于所述丝杆的顶部，通过旋转所述调节旋钮，丝杆带动所述调节座在竖直方向移动；

所述弹性部件中远离第六枢轴的那一端与所述调节座铰接。

作为另一优选方案，所述调整机构包括：

导向轴，固定于第一枢轴与第五枢轴之间；

调节座，与所述导向轴滑动连接；

丝杆，与所述调节座固定连接；

电机，设置于所述丝杆的顶部，所述电机带动所述丝杆自动旋转，所述丝杆带动所 述调节座在竖直方向移动；

所述弹性部件中远离第六枢轴的那一端与所述调节座铰接。

优选地，所述交叉四连杆结构中，第一调节连杆的长度与支座中第五枢轴与第二枢轴之间的部分的长度相同；第二支撑臂与第二调节连杆的长度相同。

优选地，所述弹性部件为单根拉伸弹簧或并联的多根拉伸弹簧。

优选地第一支撑臂和第二调节连杆构成平行四连杆；在所述平行四连杆的两侧，均设置所述交叉四连杆。

优选地，所述弹性部件包括并联的多根拉伸弹簧。

根据本发明的另一方面，还提供了一种机械臂，包括两个如上所述的重力负载平衡臂和连接机构，两个重力负载平衡臂的支座铰接于所述连接机构的两端，且每个重力负载平衡臂均可绕所述连接结构做水平转动。

由以上技术方案可知，本申请中的重力负载平衡臂利用力矩平衡的原理对重力负载进行平衡。通过交叉四连杆机构与平行四连杆机构的结合使弹性力矩的极值位置与重力负载的极值位置重合，以及使弹性力矩的变化曲线与重力负载的变化曲线良好地逼近，从而实现在重力负载的整个运动范围内实现对重力负载的实时抵消。

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，下面描述中的附图仅仅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示出了现有专利文件中平衡支撑装置的结构示意图；

图2为根据一优选实施例示出的重力负载平衡臂的结构示意图；

图3为图2所示重力负载平衡臂的正视图；

图4a-4c示出了重力负载平衡臂在三种不同位置的结构简化图；

图5为重力负载平衡臂采用设定弹性系数的弹性部件获得的弹簧力矩曲线示意图；

图6为计算图5所示曲线时所使用的结构图；

图7为根据一优选实施例示出的机械臂的结构示意图。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

图2为根据一优选实施例示出的重力负载平衡臂的结构示意图。如图2所示，重力负载平衡臂包括支座1、第一支撑臂2、第二支撑臂3、负载安装座4、第一调节连杆5、第二调节连杆6和弹性部件7。

在支座1的一侧设有第一枢轴8与第二枢轴9，第一枢轴8与第二枢轴9在竖直方向相距设定高度。第一枢轴8和第二枢轴9的轴心垂直于图2所示的纸面。在本实施例中，第一枢轴8位于第二枢轴9的上方。

第一支撑臂2与第一枢轴8枢接。第一支撑臂2包括第一端和第二端两个端部，第一支撑臂2通过其第一端与第一枢轴8枢接并可绕第一枢轴8旋转。

第二支撑臂3与第二枢轴9枢接。第二支撑臂3亦包括第一端和第二端两个端部，第二支撑臂3通过其第一端与第二枢轴9枢接并可绕第二枢轴9旋转。即支座1设置于第一支撑臂2和第二支撑臂3的一侧。

负载安装座4安装于第一支撑臂2和第二支撑臂3的另一侧。负载安装座4在竖直方向具有设定高度，包括一个顶端和一个底端。负载安装座4的顶端与第一支撑臂2通过第三枢轴10枢接，其底端与第二支撑臂3的第二端通过第四枢轴11枢接。负载安装座4用于安装重力负载。

在支座1的第一枢轴8和第二枢轴9之间还设有第五枢轴12，即在竖直方向上，第五枢轴12位于第一枢轴8和第二枢轴9之间。

第一调节连杆5包括第一端和第二端，其中，第一调节连杆5的第一端枢接于第四枢轴11上；第一调节连杆5的第二端与位于第四枢轴11下方的第六枢轴枢接。

第二调节连杆6包括第一端和第二端，其中，第二调节连杆6的第一端枢接于支座1上的第五枢轴12，第二调节连杆6的第二端与第六枢轴14枢接。

弹性部件7的一端固定于第六枢轴14上，其另一端与支座1中第一枢轴8与第五枢轴12之间的部分铰接。在本实施例中，弹性部件7优选为单根拉伸弹簧。

支座1中第五枢轴12与第二枢轴9之间的部分、第二支撑臂3、第一调节连杆5和第二调节连杆6构成交叉四连杆结构。其中，支座1中第五枢轴12与第二枢轴9之间的 部分、第一调节连杆5为交叉四联杆中的两根短杆，第二支撑臂3和第二调节连杆6为交叉四联杆中的两根长杆。作为各实施例中的优选实施例，本申请中交叉四联杆中两长杆的长度相同，两短杆的长度相同。

在交叉四联杆中两长杆长度不变的情况下，两短杆长度的改变可使弹性部件7的输出力矩曲线的极值点位置发生改变。本申请中，两短杆的长度需满足：重力负载的力矩曲线与弹性部件7的输出力矩曲线在同一自变量角度以及特定相关常数(弹性部件原长，弹性部件末端初始位置，以及弹性部件的弹性系数)的选取下，弹性部件7的输出力矩曲线与重力负载的力矩曲线的极值点的偏移应该尽量小，即弹性部件7输出力矩曲线极值点的横坐标与重力负载力矩曲线极值点的横坐标之间的距离应尽量小。

需要说明的是，上述交叉四联杆中采用的两长杆长度相同、两短杆长度相同只是示例性的，交叉四联杆中四根连杆的长度可以全部不等长，也可部分等长。本申请对于交叉四联杆中长杆与短杆的长度不做具体限定，只要满足四根连杆的长度能够满足弹性部件7的输出力矩曲线与重力负载的力矩曲线的极值点的偏移尽量小的条件，均落入本发明的保护范围。

作为各实施例中的优选方案，支座1固定弹性部件7的部分安装有调整机构13，弹性部件7的另一端与调整机构13铰接，通过调整机构13的调节，弹性部件7的另一端可在第一枢轴8与第五枢轴12之间竖直方向的任一位置固定。

图3为图2所示重力负载平衡臂的正视图。如图3所示，调整机构13包括导向轴130、调节座131、丝杆132和调节旋钮133。其中，导向轴130固定于第一枢轴8与第五枢轴12之间。调节座131与导向轴130滑动连接。丝杆132与调节座131固定连接。调节旋钮133设置于丝杆132的顶部，通过旋转调节旋钮133，丝杆132带动调节座131在竖直方向移动。弹性部件7固定于调节座131上，优选地，弹性部件7中远离第六枢轴14的那一端与调节座铰接。

作为另一优选方案，调整机构包括导向轴、调节座、丝杆和电机。其中，导向轴固定于第一枢轴8与第五枢轴12之间。调节座与导向轴滑动连接。丝杆与调节座固定连接。电机设置于丝杆的顶部，电机带动丝杆自动旋转，丝杆带动调节座在竖直方向移动。弹性部件7中远离第六枢轴14的那一端与调节座铰接。通过对电机的控制，可实现对弹性部件7位置的自动调节。通过调节弹性部件7中远离第六枢轴14的那一端，弹性部件7能够适应不同的重力负载。

下面对于本申请中重力负载平衡臂的工作原理进行详细阐述。

根据重力负载对弹性部件7中远离第六枢轴14的那一端的位置进行相应调整。本 申请中的重力负载平衡臂利用力矩平衡的原理对重力负载进行平衡。图4a-4c示出了重力负载平衡臂在三种不同位置的结构简化图。重力在重力负载上下摆动的过程中，重力负载相对于支座1上第一枢轴8和第二枢轴9产生的力矩由弹簧相对于第五枢轴12所产生的力矩相平衡。如图4a所示，第一支撑臂2和第二支撑臂3在上下摆动过程中重力力臂减小，重力负载的重力为常数，因而重力负载的力矩在此情况下会减小。如图4b所示，在水平伸直的位置上，重力负载的重力力矩为最大值。弹性部件7在拉动第二调节连杆6并为其提供力矩时，弹性部件7对第二调节连杆6产生的弹性力矩并非最大值。相应的，其弹性力矩的极值位置是第二调节连杆6相对于水平位置有一个向下摆角的位置处。通过第一调节连杆5，使弹性部件7与第二调节连杆6在相对于水平位置向下摆角的位置处连接，从而使弹性力矩的极值位置与重力负载的极值位置重合。在弹性力矩的极值位置与重力负载的极值位置重合后，弹性力矩的变化曲线与重力负载的变化曲线呈现良好的逼近效果，从而实现在重力负载的整个运动范围内实现对重力负载的实时抵消。当重力继续向下如图4c所示，重力负载相对于支座1上第一枢轴8和第二枢轴9产生的力矩由弹簧相对于第五枢轴12所产生的力矩相平衡。

图5为重力负载平衡臂采用设定弹性系数的弹性部件获得的弹簧力矩曲线示意图。其中，横坐标为第二调节连杆相对于水平面的转角角度，纵坐标为15公斤负载情况下负载对支座所产生的力矩，图5所示曲线显示在整个运动过程当中弹簧力矩逼近重力力矩的情况。对于不同重力的负载，重力力矩曲线的形式相同，但最高点发生变化。由图5可知，本申请中的重力负载平衡臂可使弹簧力矩曲线逼近重力力矩曲线以形成良好的支撑效果。进而实现在整个运动范围内对重力负载的实时抵消。

图6为计算图5所示曲线时所使用的结构图。如图6所示，d为重力矩力臂，h为弹簧力矩力臂，角a为图5中横坐标所取转角。

在本申请中，第一支撑臂2和第二调节连杆6可均为具有设定截面积的柱体，柱体的截面形状包括但不限于圆形或者规则多边形，如方形等。为了具有更高的承载力，第一支撑臂2和第二调节连杆6还可优选为沿图2中纸面方向延伸设定长度的梯子状支架。如图3所示。适应性地，与第一支撑架枢接的第一枢轴8、第三枢轴10，以及与第二调节连杆6枢接的第五枢轴12和第六枢轴14均在沿图2中纸面的方向具有设定长度。

在第一支撑臂2和第二调节连杆6采用梯子状支架时，第一支撑臂2和第二调节连杆6构成平行四连杆结构。适应性地，支座1在沿图2中纸面的方向亦具有设定长度，同时在平行四连杆的两侧均安装第二支撑臂3和第一调节连杆5，即在平行四连杆的两侧分别设置一组交叉四连杆。支座1、平行四连杆、交叉四连杆和负载安装座4围成一个具有一定安装空间的架体，在该架体中，弹性部件7优选为多根拉伸弹簧，多根拉伸 弹簧并联设置。

需要说明的是，第一支撑臂2和第二调节连杆6采用梯子状支架只是示例性的，本申请对于第一支撑臂2和第二调节连杆6的形状不做具体限定，凡是能够与支座1和负载安装座4围成一定安装空间的形状均落入本发明的保护范围。

该实施例中平行四连杆机构与交叉四连杆机构结合使用的重力负载平衡臂的工作原理与上述重力负载平衡臂的工作原理相同，此处不再赘述。

根据本发明的另一方面，还提供了一种机械臂。图7为根据一优选实施例示出的机械臂的结构示意图。如图7所示，该机械臂包括两个如上所述的重力负载平衡臂701和连接机构702，两个重力负载平衡臂的支座1铰接于连接机构702的两端，且每个重力负载平衡臂均可绕连接结构做水平转动。

由以上技术方案可知，本申请中的重力负载平衡臂利用力矩平衡的原理对重力负载进行平衡。通过交叉四连杆机构与平行四连杆机构的结合使弹性力矩的极值位置与重力负载的极值位置重合，以及使弹性力矩的变化曲线与重力负载的变化曲线良好地逼近，从而实现在重力负载的整个运动范围内实现对重力负载的实时抵消。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确方法，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。