一种具有势能补偿功能的机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种具有势能补偿功能的机器人。

背景技术：

在机器人领域，机械臂(或者叫机械手)是工业领域最常用到的一种多轴机器人(或称为多关节机器人)，其主要是根据预定的路线从一个初始位置夹取目标物体到目标位置，适用于诸多工业领域的机械自动化作业。

现在市场上的多轴机器人主要包括四轴机器人(具有四个关节)和六轴机器人(具有六个关节)，他们均包括有基座、臂和末端的物体夹持部，关节的多少决定了机器人的“轴”的数量。

名称为“一种可移动搬运六轴机械手”、专利号为201620776796.4的中国实用新型专利公开了一种六轴机器人，该六轴机器人包括有底座，底座可以旋转，底座上设有第一减速机和第一电机(二者共同构成了一个关节的驱动体)，第一电机和第一减速机驱动六轴机械臂，六轴机械臂中的第一肘臂的下端连接第一减速机的输出轴，第一电机带动第一减速机转动、以驱动第一肘臂俯向下运动或后仰运动。第一肘臂的上端设置有垂直旋转驱动装置驱动第二肘臂做旋转运动，第二肘臂上设置有第二电机和第二减速机，第二电机驱动第二减速机控制第三肘臂旋转运动，夹具设置在第三肘臂的末端、可以旋转并夹取物体。

上述六轴机器人是多轴机器人的典型结构，上述六轴机器人在工作时，底座可以360度转动、带动整个六轴机械臂实现大方向的调整，而第一电机带动第一减速机转动则可以带动六轴机械臂实现俯向下运动以抓取物体、后仰向上运动以带起物体，在这个过程中，第一电机和第一减速机需要承受极大的力矩，包括第一肘臂、第二肘臂、第三肘臂和夹具等本身的重力在第一减速机的输出轴处形成的力矩，还包括被抓取的物体的重力在第一减速机的输出轴处形成的力矩，特别是当第一肘臂、第二肘臂、第三肘臂完全伸直在一条线上抓取物体时，第一减速机的输出轴承受的力矩最大。

作为常量，减速机可承受的最大力矩是固定的，当机械臂(包括第一肘臂、第二肘臂、第三肘臂和夹具等)的重力固定后、该机器人可抓取的物体的最大重量随之被确定，该机器人实际能抓取的最大重量还受其他关节的可承受能力的限制，但第一电机和第一减速机可承受的力矩因承受几乎整个机器人的重力、因而限制最大。

以一款市场上存在的abb公司的七轴机器人yumi为例，其标注最大载重仅为500g，售价高达百万人民币，在实际应用中十分受限，市场上需要载重更大的机器人，因此如何提高机器人的载重是目前多轴机器人面临的问题之一。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有势能补偿功能的机器人，通过势能补偿技术大大提高了机器人的载重。

本发明的具有势能补偿功能的机器人包括有基座、安装在基座上的驱动体，安装在所述驱动体的输出轴上的臂，所述驱动体的输出轴旋转、以带动所述臂转动；

还包括有延伸支架、弹簧、弹簧支板、相互配合的齿轮和齿条、导杆，

所述延伸支架的固定端固定安装在所述驱动体本体上，所述弹簧支板固定安装在所述延伸支架的延伸端上，所述齿轮安装在所述驱动体的输出轴上，所述齿条与所述驱动体本体滑动连接、且所述齿条的一端与所述导杆的一端固定连接，所述导杆的另一端穿过所述弹簧支板上的通孔，所述弹簧套设在所述导杆上、并位于所述齿条和所述弹簧支板之间，所述弹簧在所述齿条和所述弹簧支板的作用下始终处于被压缩状态；

所述驱动体的输出轴旋转以带动所述臂俯向转动时，同时带动所述齿轮转动、以驱动所述齿条进一步压缩所述弹簧；

所述驱动体的输出轴旋转以带动所述臂后仰转动时，同时带动所述齿轮转动、以驱动所述齿条减小对所述弹簧的压缩。

本发明的机器人在驱动体的输出轴上固定有齿轮、齿轮随驱动体的输出轴的转动而转动，与齿轮配合设置有可滑动的齿条，随着齿轮的转动、齿条可以向两侧滑动，齿条和弹簧支板之间设置有被压缩的弹簧，弹簧被压缩的程度随着齿条的滑动而变化，弹簧套设在一个导杆上，导杆可以使弹簧沿一条直线被压缩、降低弹簧被压缩过程中非正常变形的风险。当机器人工作时，驱动体的输出轴可以带动臂俯向下转动，以使机器人可以抓取前下方的物体，此时齿轮随输出轴同时转动、带动齿条向后方运动，齿条压缩弹簧使弹簧逐步产生更强的反作用力，弹簧的反作用力通过齿条和齿轮传输到驱动体的输出轴，可以抵消一部分臂和被抓取的物体的重力在输出轴处产生的力矩、臂俯向转动到极限位置时、对弹簧的压缩达到最大，此时弹簧的反作用力最大，弹簧在输出轴处产生的反向力矩最大、对臂和被抓去的物体在输出轴处产生的力矩的抵消最多；驱动体的输出轴还可以带动臂向后仰转动，以使机器人的臂抬起，此时齿轮随输出轴同时转动、带动齿条向前方运动，齿条减小对弹簧的压缩、弹簧产生的反作用力逐步降低，此时臂和被抓取的物体的重力在输出轴处产生的力矩逐步降低，弹簧在输出轴处产生的反向力矩也逐步降低，这就使得本发明的机器人在抓取物体的过程中自动的随着驱动体的输出轴需要承受的力矩越大、弹簧产生的抵消力矩也越大，抵消效果非常好，使得机器人可以抓取更重的物体，提高了机器人的载重。

作为一种举例说明，本发明的机器人还包括有相互配合的导轨和滑块，所述导轨固定安装在所述齿条的侧面，所述滑块固定安装在所述驱动体本体上；所述导轨在所述齿条的驱动下可沿所述滑块滑动，实现所述齿条与所述驱动体本体的滑动连接。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述齿条的一端与所述导杆的一端通过一l型支板固定连接；所述l型支板的第一条边上设置有第一固定孔，所述导杆的一端的端面上设置有第一螺孔，与所述第一螺孔配合的螺钉穿过所述第一固定孔、将所述l型支板与所述导杆固定连接；所述l型支板的第二条边上设置有第二固定孔，所述齿条的侧边上设置有第二螺孔，与所述第二螺孔配合的螺钉穿过所述第二固定孔、将所述l型支板与所述齿条固定连接。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述l型支板在垂直于所述齿条运动方向的面上的投影与所述滑块在垂直于所述齿条运动方向的面上的投影部分重合。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，在所述导杆的穿过所述弹簧支板上的通孔的另一端上设置有卡圈。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，在所述导杆的外部套设有一导杆套，所述导杆套的一端与所述弹簧支板固定连接。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述驱动体包括有配合设置的电机和减速机，所述减速机的输出轴为所述驱动体的输出轴；其中所述减速机安装在所述基座上，所述电机的转轴与所述减速机的输入轴固定连接。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述减速机采用蜗轮蜗杆减速机。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述齿轮的形状为扇形。

作为又一种举例说明，本发明的机器人中，所述导轨和所述齿条等长。

本发明的机器人通过在驱动体的输出轴上设置齿轮和配合的齿条、弹簧等结构，当机器人的臂在驱动体的驱动下俯向运动时(此时臂施加在驱动体的输出轴上的力矩逐步增加)，驱动体的输出轴同步带动齿轮转动、齿轮驱动齿条压缩弹簧，弹簧的反作用力逐步增加，使得弹簧施加在驱动体的输出轴上的反向力矩逐步增加，以抵消一部分臂等带来的力矩，实现了对机器人的势能补偿，使得机器人可以抓取更重得的物体，机器人的载重能力增加。

附图说明

图1是本发明的具体实施例中机器人101的结构示意图；

图2是图1的b-b剖视图；

图3是本发明的具体实施例中机器人100的又一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

结合参考附图1和附图2，附图1和附图2示出了本发明的一款机器人100，机器人100包括有基座1、驱动体2、臂3、驱动体本体11、驱动体2的输出轴4、延伸支架5、弹簧6、弹簧支板7、齿轮8、齿条9、导杆10等。

其中，基座1一般设计成筒状结构，其内安装有电机和减速机，以驱动基座1上的臂3实现旋转，例如360度旋转。

所述延伸支架5的固定端固定安装在所述驱动体本体11上，所述弹簧支板7固定安装在所述延伸支架5的延伸端上，所述齿轮8安装在所述驱动体2的输出轴4上，所述齿条9与所述驱动体本体11滑动连接、且所述齿条9的一端与所述导杆10的一端固定连接，所述导杆10的另一端穿过所述弹簧支板7上的通孔，所述弹簧6套设在所述导杆10上、并位于所述齿条9和所述弹簧支板7之间，所述弹簧6在所述齿条9和所述弹簧支板7的作用下始终处于被压缩状态；所述驱动体2的输出轴4旋转以带动所述臂3俯向转动时，同时带动所述齿轮8转动、以驱动所述齿条9进一步压缩所述弹簧6；所述驱动体2的输出轴4旋转以带动所述臂3后仰转动时，同时带动所述齿轮8转动、以驱动所述齿条9减小对所述弹簧6的压缩。

臂3是机器人100从各个方位抓取物体的主要运动结构之一，根据机器人100的轴的数量的不同、臂3可以由多个相互连接的分支组成，例如附图1中示出的机器人100是一种四轴机器人，臂3包括有两个分支(垂直设置的臂和水平设置的臂)；如专利号为201620776796.4的中国实用新型专利，六轴机器人的臂包括有3个分支(第一肘臂、第二肘臂、第三肘臂)，等等。

驱动体2用于实现对比3的驱动，驱动体2包括有驱动体本体11和输出轴4等部分，驱动体2安装在基座1上，臂3安装在驱动体2的输出轴4上，当所述驱动体2工作时，输出轴4旋转可以带动臂3转动，附图1中，以人眼向附图垂直观看的角度，当输出轴4顺时针转动时，会带动臂3以输出轴4的轴心为中心、沿s1的方向俯下运动；当输出轴4逆时针转动时，会带动臂3以输出轴4的轴心为中心、沿s2的方向后仰运动。

所述延伸支架5用于固定弹簧6，延伸支架5的固定端安装在驱动体本体11上，可以通过螺钉等方式实现固定。延伸支架5的另一端为延伸端，弹簧支板7固定安装在延伸支架5的延伸端上，作为弹簧6的固定面；弹簧支板7上设置有一通孔，导杆10可以穿过通孔向前或向后运动。

齿轮8安装在驱动体2的输出轴4上，可以随输出轴4的旋转而同步转动，齿条9的一端与导杆10的一端固定连接，在齿条9和弹簧支板7的共同作用下，弹簧6始终处于被压缩状态。

当齿轮8随输出轴4的旋转而转动时，齿轮8驱动齿条9向前或向后直线运动，齿条9带动导杆10同步向前或向后直线运动，齿条9向后运动(向延伸支架5的延伸端方向)时、会进一步压缩弹簧6，弹簧6被压缩的越紧，其反弹力越大，即弹簧6给齿条9的反弹力会逐步增加。

当齿轮8驱动齿条9向前运动(远离延伸支架5的延伸端方向)时，会减小对弹簧6的压缩，弹簧6的反弹力变小，即弹簧6给齿条9的反弹力逐步减小。

本发明的机器人100工作时，当用户控制机器人100俯向前运动，以抓取前方的物体时，驱动体2驱动输出轴4沿顺时针(以人眼向附图1垂直观看的角度)旋转，输出轴4的旋转带动臂3以输出轴4的中心为转轴、沿s1俯向下转动(即顺时针转动)，配合臂3的各个分支的转动以及机器人100末端的物体抓取部(附图中未示出)的运动，可以实现对机器人100前下方的物体的抓取。这个过程中，由于臂3不断向远离基座1的竖直的中心轴的方向伸展，机器人100的中心不断的远离基座1的中心轴，臂3本身的重心越来越远离输出轴4，使得臂3在输出轴4处产生的力矩逐步增加，特别是抓取物体后，被抓取的物体的重力进一步增加了输出轴4处的力矩。

此过程中，输出轴4同时带动齿轮8顺时针转动，齿轮8驱动齿条9向延伸支架5延伸端的方向运动，在齿条9和弹簧支板7的共同压缩下、弹簧6进一步被压缩，弹簧6的反弹力逐步增加，弹簧6的反弹力通过齿条9和齿轮8传递到驱动体2的输出轴4上，弹簧6在输出轴4上产生的力矩与臂3(还包括被抓取的物体)的重力在输出轴4上产生的力矩方向相反，正好可以相互抵消(或抵消一部分)。

一旦抓取物体，用户控制机器人100向后仰运动，以使机器人100抓着物体从合适的线路去往物体放置区，此时驱动体2驱动输出轴4沿逆时针(以人眼向附图1垂直观看的角度)旋转，输出轴4的旋转带动臂3以输出轴4的中心为转轴、沿s2后仰向上转动(即逆时针转动)，配合臂3的各个分支的转动，可以使机器人100的向上抬起臂3，在这个过程中，输出轴4同时带动齿轮8逆时针转动，齿轮8驱动齿条9向远离延伸支架5延伸端的方向运动，齿条9和弹簧支板7的距离变大，弹簧6的压缩量减小、弹簧6的弹力减小。

然后转动底座1，使底座1驱动臂3到达目的地方位，再驱动臂3俯向下运动，可以将被抓取的物体放在目的地位置。

通过上述描述可以明显看到，由于机器人100上增加了包括有弹簧6、齿轮8、齿条9等组成的势能补偿结构，当机器人100的臂3(或还包括被抓取的物体)的重力在输出轴4处产生的力矩不断增加时，弹簧6由于被压缩、弹簧6的弹力通过齿条9和齿轮8传递到输出轴4的反向力矩也在不断增加，二者可以相互抵消或抵消一部分，这就使得驱动体2的输出轴4不需要独自承受臂3(或还包括被抓取的物体)的重力在输出轴4处产生的力矩，机器人100可以抓取更重的物体，其载重能力大大增加。

在本实施例中，作为一种举例说明，结合参考附图3，机器人100还包括有互相配合的导轨12和滑块13，导轨12固定安装在齿条9的侧面，滑块13固定安装在驱动体本体11上，导轨12可以沿滑块13滑动，当齿条9在齿轮8的驱动下前后运动时，导轨12被齿条9带动沿滑块13滑动，实现了齿条9和驱动体本体11的滑动连接。由于导轨12只能沿滑块13滑动，防止了当齿条9压缩弹簧6时，弹簧6产生变形而导致齿条9产生偏移的现象，使得齿条9智能沿直线运动。

作为一种变形，齿条9和驱动体本体11的滑动连接还可以采用其他连接结构实现，例如在齿条9上开设有一条横向开口，在驱动体本体11上安装一个与开口配合的固定杆，当齿条9在齿轮8的驱动下向前或向后移动时，在开口和固定杆的束缚下，齿条9仅能实现向前或向后运动。

作为又一种变形，齿条9和驱动体本体11的滑动连接还可以是：导轨12固定安装在驱动体本体11上，滑块13固定安装在齿条9上，当齿轮8驱动齿条9向前或向后运动时，在滑块13和导轨12的限制下，齿条9只能向前或向后运动。

作为又一种变形，齿条9和驱动体本体11的滑动连接还可以是延伸支架5与驱动体本体11首先固定在一起，然后在齿条9和延伸支架5之间设置导轨12和滑块13，也可以实现齿条9和驱动体本体11的滑动连接。

在本实施例中，作为一种举例说明，结合参考附图3，机器人100还包括有一l型支板14，l型支板14包括有相互垂直的两个边，齿条9和导杆10的固定连接通过l型支板14实现。l型支板14的第一条边上设置有第一固定孔(附图中未示出)，导杆10一端的端面上设置有第一螺孔18，采用一个与第一螺孔18配合的螺钉穿过第一固定孔、将l型支板14和导杆10固定在一起；l型支板14的第二条边上设置有第二固定孔19，齿条9的侧边上对应设置有第二螺孔20，采用一个与第二螺孔20配合的螺钉穿过第二固定孔19、将l型支板14和齿条9固定在一起，实现了将齿条9和导杆10固定连接的效果，这种连接方式设计简单、安装方便、易于调节和更换零部件。

作为一种变形，所述齿条9和导杆10的固定连接还可以采用直接连接的方式，比如在齿条9的端面上设置有一个螺孔，在导杆10的对应端设置有螺丝，通过螺丝和螺孔将导杆10旋拧进齿条9内，实现固定。

作为又一种变形，齿条9和导杆10的固定连接还可以用一条直线型的支板实现，在直线型支板分别和齿条9、导杆10的对应处开设通孔，在齿条9和导杆10的侧面开设螺孔，通过螺钉将直线型支板分别固定在一起。

在本实施例中，作为一种举例说明，l型支板14在垂直于所述齿条9运动方向的面上的投影与所述滑块13在垂直于所述齿条9运动方向的面上的投影部分重合。即当齿轮8带动齿条9向远离弹簧支板7的方向运动时，l型支板在齿条9的带动下向滑块13方向移动，l型支板14的第一条边(与导杆10固定连接的一条边)在某一时刻会与滑块13抵接在一起，滑块13限定l型支板14不能再向前移动，这使得当驱动体2带动臂3沿s2后仰运动时，即使齿轮8和齿条9运动到极限、齿轮8甚至脱离齿条9后，弹簧6的弹力也不会使齿条9一直向远离弹簧支板7的方向运动、甚至使得弹簧6处于自由状态(即完全不被压缩)，滑块13和l型支板14起到了对弹簧6和齿条9的限位作用。

作为一种变形，在所述导杆10的穿过所述弹簧支板7上的通孔的另一端上设置有卡圈，也可以起到对弹簧6和齿条9的限位作用。

作为又一种变形，还可以通过在导轨12上设置限位块、当齿轮8和齿条9运动到极限、齿轮8甚至脱离齿条9时，限位块可以卡在滑块13的某处，这也可以实现对弹簧6和齿条9的限位。

在本实施例中，在所述导杆10的外部套设有一导杆套15，所述导杆套15的一端与所述弹簧支板7固定连接。通过设置导杆套15，使得当导杆10在齿条9的带动下运动时可以在导杆10束缚的范围内直线移动，进一步避免了弹簧6被压缩时导杆10和齿条9产生偏移或晃动的现象。

作为说明，所述导杆套15的长度可以小于导杆10的长度。

作为一种变形，实际应用时，机器人100上也可以不设置导杆套10，而仅通过导轨12和滑块13的限位避免导杆10和齿条9的偏移产生。

在本实施例中，作为一种举例说明，所述驱动体2包括有配合设置的电机16和减速机17，所述减速机17的输出轴为所述驱动体2的输出轴4；其中所述减速机17安装在所述基座1上，所述电机16的转轴与所述减速机17的输入轴固定连接。

作为一种变形，驱动体2也可以仅采用电机16实现，此时电机16构成的驱动体2可承受的力矩进一步降低。

作为一种举例说明，所述减速机17采用蜗轮蜗杆减速机实现，蜗轮蜗杆减速机可以承受较大的力矩，安装方便。

作为一种变形，减速机17还可以采用行星减速机、齿轮减速机等实现。

作为一种举例说明，齿轮8可以设计成扇形形状。扇形形状的齿轮8重量小、齿的数量和尺寸可以根据机器人100设计的最大承受力矩而计算得出，重量小、体积小，安装方便，还可以在其空余的空间安装编码器等部件。

作为一种变形，齿轮8还可以设计成圆环形形状，可以实现360度旋转，而不受限制。

作为一种举例说明，导轨12和齿条9设计成等长长度，这便于二者的安装和使用。

作为一种变形，导轨12和齿条9的长度也可以不等长，只需要二者中更短的那个的长度大于齿轮8必须的行程(最小行程可根据机器人100最大载重、臂3在输出轴4处产生的最大力矩等确定)即可。

本发明的机器人100设计有弹簧6、齿轮8、齿条9等构成的势能补偿结构，当驱动体2的输出轴4带动臂3沿s1俯向下运动以抓取物体(或放置物体)时，臂3和物体的重力在输出轴4处产生了较大的力矩，在此过程中，输出轴4带动齿轮8同步旋转，齿轮8驱动齿条9向弹簧支板7的方向运动，齿条9逐步压缩弹簧6，弹簧6的反弹力一步步增加，弹簧6的反弹力通过齿条9和齿轮8传递到输出轴4处的反向力矩也逐步增加，弹簧6产生的反向力矩与臂3和物体产生的力矩至少部分抵消，即实现了输出轴4处的势能补偿，使得机器人100可以抓取更重的物体，机器人100的载重增加，机器人100的载重可以达到2000g以上，解决了现有技术中存在的机器人的载重低的问题，且结构相对简单，安装和维护方便。

以上所述的仅为本发明的具体实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。