利用供储能媒介为克服机械臂自重提供转矩的系统装置和方法与流程

技术领域：

本发明是机械手关节在非平行水平面内旋转的，利用供储能媒介为克服机械臂自重提供最佳节能平衡变量转矩的系统装置和方法。

背景技术：
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目前在关节式机械手设计方面，总的趋势是轻量化，高速化，高负载，低能耗。而关节式机械手在负载已定条件下，配套部件自重和负载一起决定了机械手关键部件减速器和电机的型号规格，而减速器和电机的规格又决定机械臂的大小和尺寸，机械臂尺寸大了自重就大，自重大反过来又要求减速器和电机提供的输出的转矩和功率增大，所以机械手大部分功率浪费在机械臂和配套部件的自重上。在造价方面减速器每增大一个型号价格差异是相当的巨大，整个机械手的造价就可想而知了。而在国内外机械手设计行业内，除了在材料方面改进减小自重和部分单纯利用电机、减速器的自重和安装位置进行平衡配重外，还没有针对此问题有好的方法，所以看到的流水线上的机械手就显得很笨重。根据能量守恒定律，利用供储能媒介装置为机械臂提供一个克服自重的最佳转矩t最佳进行平衡机械臂的空载自重转矩，让目的是让电机的最佳节能转矩等于由于机械臂的负载和空载转矩随机械臂和重力方向的夹角不同而变化，所以t最佳是一个变量。本发明通过供储能系统为机械臂提供最佳变量转矩t最佳，利用机械臂在非平行水平面内旋转时的重力做功进行储能，或克服重力做功提供能量。通过施加最佳变量t最佳让关节式机械手的电机运行能耗和关键部件减速器规格均减少50％以上，(所以电机能耗和减速器规格减少50％以上)，从而在节能和减排方面，取得良好的经济效益和社会效益，也填补了利用供储能媒介装置为克服机械臂自重提供最佳节能平衡变量转矩方面的技术空白。

技术实现要素：
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为了解决目前机械手高自重、高能耗、低负载的弊端，为机械臂提供最佳变量转矩，本发明解决技术问题的技术方案共分为以下五个装置、供储能媒介装置(以弹簧或者液压等供储能为媒介的装置)、圆柱齿轮定比变速装置、非圆齿轮不定比变速装置，扇形齿轮转向装置、安装装置。通过圆柱齿轮定比变速和扇形齿轮的转向装置对往复运动的调整，然后再经过非圆齿轮的不定比变速，让供储能媒介装置输出的变量转矩转变成恒等于机械臂为克服自重所需的最佳变量转矩和为了平衡而施加的最佳电机转矩的和。从而在机械手轻量化、高负载、以及节能减排、造价方面取得良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的结构总图

图2是供储能媒介装置的上视图和等轴测图

图3是供储能媒介装置的e-e剖视图

图4是圆柱齿轮定比变速装置、非圆齿轮不定比变速装置、扇形齿轮转向装置、安装装置组成部件结构标注

图5是非圆齿轮不定比变速装置结构说明图

图中(1)棘轮(2)簧盒(3)上盖(4)齿轮1(5)发条簧(6)轴承(7)输出轴(8)固定外壳(9)底盖(10)调节钮(11)齿轮2(12)齿轮5(13)齿轴1(14)扇形齿轮2(15)轴3(16)齿轮7(17)轴4(18)齿轮6(19)非圆齿轮2(20)非圆齿轮1(21)齿轴2(22)轴1(23)扇形齿轮1(24)齿轮4(25)齿轮3(26)轴5(27)扇形齿轮重合角(28)变速箱(29)储能装置

具体实施方式

发明一共分为五个装置；1)供储能媒介装置2)圆柱齿轮定比变速装置3)扇形齿轮转向装置4)非圆齿轮的不定比变速装置5)安装装置。其中核心装置是非圆齿轮不定比变速装置。以发条簧为例，是通过类似的非线性积分方程求解出i的函数式，然后根据非圆中心距求出非圆的节曲线。(i是非圆齿轮半径比率k为发条簧形变系数a是最佳施加转矩c为供储能提供的最大转矩b为电机提供最佳转矩最大值机械臂转动θ角时弹簧在未定比变速前的角度变化)。

下面分别结合附图对五个装置具体实施方案进行阐述

1：供储能媒介装置：

a)作用原理；利用机械臂在非平行水平面内旋转时的重力做功进行储能，或克服重力做功提供能量。(本例以发条簧作为供储能媒介装置进行说明)

b)结构组成：供储能媒介、调节装置、输出输入装置三部分。本例以发条簧为媒介说明：组成零件有发条簧盒发条簧发条簧调节钮棘轮齿轮1外壳底盖轴承输出轴。其中发条簧为供储能媒介；簧盒通过棘轮的控制在固定壳内做单向旋转运动，主要作用是调节供储能媒介装置的转矩大小，方便安装和后期弹簧疲劳对转矩的调节，为调节装置；输出轴和供储能媒介装置连接，通过上端的齿轮1和定比变速装置齿轮2外齿合，输出或输入转矩能量，为输出输入装置。本装置结构组成中主要重点是供储能媒介的参数配置。

c)参数设计：主要是根据供储能媒介为机械臂所提供最佳变量转矩的函数式和速比等参数求解出供储能媒介的各项参数。在本例中根据公式(1)和给定参数关系，计算出发条簧未定比变速前所需最大、最小转矩，最小转矩＝最大转矩-kπ。根据定比变速后的最大转矩和最小转矩以及发条簧最大变化角度和最大转矩时的工作圈数，然后根据涡卷簧相关公式推导出齿轮定速比：(t1为最大转矩，n为最大转矩工作圈数，b为弹簧的宽度σb为弹簧材料的抗拉弹簧极限。k4k3分别为弹簧的有效系数和固定系数k为弹簧形变系数)然后根据速比、最大转矩计算出发条簧各项参数。

d)附图说明：弹簧储能装置附图共两张分别是图2和图3，主要是说明发条弹簧装置的主要结构组成和部件外观

2：齿轮的定比变速装置：

a)作用原理：主要是克服机械臂自重所需求的最佳变量转矩大，而供储能媒介装置的自重和安装占用空间却要求小型化，所以需要经过齿轮的定比变速来达到为克服机械臂自重所需求的最佳变量转矩。本装置的重点就是根据供储媒介参数和最佳变量转矩，计算出适合机械臂需求的定速比。

b)结构组成：外壳固定盖轴1轴5齿轴1齿轴2齿轮1齿轮2齿轮3齿轮4齿轮5扇形齿轮1扇形齿轮2轴承本装置结构要根据实际需要，尽可能小型化。主要是经过齿轮1和齿轮2的一级变速，齿轮2和齿轮4的二级变速，齿轴和扇形齿轮的三级变速来完成整个定速比变速的功能。

c)参数设计：根据公式(2)计算出速比，然后根据速比和空间要求选择最合理的变速方案。以尽可能的减轻重量、缩小空间占用而且还能达到定比变速的功能为目的。

d)附图说明：具体结构见附图4：主要说明定比变速结构组成和前后连接关系。

3：转向装置：

a)作用原理：主要是机械臂重力做功时存储转矩能量，克服重力做功时提供转矩能量。让机械臂在0-360度往复旋转时供储能媒介装置能够不间断的提供转矩能量和储存剩余能量。

b)结构组成：扇形齿轮1、扇形齿轮2、齿轴1、齿轴2、齿轮3、齿轮4、齿轮5、轴承、安装固定座。该转向机构不是独立存在的，是在定比变速装置中完成工作的，扇形齿轮在这个过程中，既有调节转向功能还承担定比变速的功能。当机械臂克服重力做功时(机械臂从0～180或者360～180旋转时，机械臂和重力方向相同时为0度)供储能媒介装置转矩经过一，二级变速后通过齿轴1上的齿和扇形齿轮1齿合，再经非圆变速后输出到安装装置。而这时扇形齿轮2和齿轴2上的齿虽然都旋转但处于非齿合状态，只是空转不做功。当机械臂重力做功时(180～0或180～360旋转时)这时机械臂经安装装置传导的转矩，带动轴5上的扇形齿轮1和2旋转，这时扇形齿轮1刚好进入无齿合状态，扇形齿轮2和齿轴2的齿齿合，经过二级和一级变速后把转矩储存到供储能媒介装置中。让机械臂能在0-360度往复运动中不间断的存储或获取能量。

c)参数设计；扇形齿轮1和扇形齿轮2的重合角度，目的是保证齿轴1上的齿和扇形半圆齿轮1刚临界齿合时，齿轴2上的齿和扇形半圆齿轮2正好进入非齿合状态，反之亦然。从上可以看出扇形齿轮1和扇形齿轮2的重合角度就是齿轴1和轴5、齿轴2和轴5轴心之间连线的夹角α。

d)附图见图4，主要说明扇形半圆齿轮的位置和重合角度

4：非圆齿轮装置：

a)作用原理：主要作用是通过非圆齿轮的不定比变速让供储能媒介装置输出的变量转矩转变成恒等于为克服机械臂重力所需的最佳节能变量转矩和电机最佳转矩的和。在本例中发条簧提供转矩的理论值是随角度变化的斜线，函数式为c-kx，(c为供储能媒介装置最大提供的转矩，k为供储能媒介装置的形变系数，x为变形角)因为非圆齿轮主动齿轮即机械臂转动θ角度时，从动齿轮转动即为非圆齿轮的半径比。故供储能媒介装置提供的转矩函数为而机械臂所需最佳转矩为asin(θ)(4)由表达式(3)和(4)得出当机械臂在0度时，供储能媒介装置处于提供最大转矩状态，而机械臂所需最佳转矩为0，为了保持平衡需要电机施加一个为克服重力的最佳节能转矩成反比的最佳电机转矩，电机提供转矩函数式为b(1-sin(θ))，b为电机提供最佳转矩最大值。根据能量守恒定律和非圆齿轮的半径变比特性列出函数式为：简化后得出表达式含义就是供储能媒介装置提供的转矩永远和机械臂所需的最佳转矩和电机提供的转矩和相等。

b)结构组成：非圆齿轮1、非圆齿轮2、轴4、轴5、轴承。通过非圆齿轮1和2齿合不定比变速后把来自供储能媒介装置的转矩能量转化成恒等于为克服机械臂重力所需的最佳节能转矩和电机提供的转矩和，反之则把来自机械臂重力做功时的转矩能量储存到供储能媒介装置里。

c)参数设计：由于供储能媒介所提供的转矩理论值和实际值有误差，需要把根据供储能媒介实际实验数据曲线拟合的函数式再代入(5)式计算出的非圆齿轮半径比率i，然后根据满足空间要求所能给定的非圆齿轮的中心距d(d＝r1+r2)以及非圆齿轮最大转矩，计算出符合受力要求的非圆齿轮的各项参数。非圆齿轮是本发明的核心，而且目前非线性积分方程的求解方法几乎无人能做系统的解答，所以作为机密，解题过程不在此公开。

d)附图：图5主要是非圆齿轮1和2的结构位置和外形

5安装装置：

a)作用原理：主要是把本系统提供的转矩，根据机械臂内的电机、减速器的安装位置和外径尺寸大小，充分利用本系统的自重合理的安装在机械臂上。

b)组成结构：齿轮6、齿轮7、轴3、轴4、齿环、和齿环齿合的齿轮、轴承。非圆齿轮1共轴的齿轮6通过和齿轮7的调节后，再通过输出轴端的齿轮，和在机械臂上与旋转中心同心加装的齿环齿合，并且在相对运动的另一个机械臂上固定本发明的平衡系统装置。除机械手第一关节安装在机械手固定端外，其它固定本发明平衡系统装置均安装在旋转臂旋转中心的另一端。这样除了供储能媒介装置提供的转矩平衡外还能充分利用本装置的自重进行平衡。因为安装空间的原因，对齿环和与其齿合的齿轮大小有空间制约要求。还要本装置内置齿轮变速和齿环齿轮的变速相同，目的保证非圆齿轮1角度变化和机械臂旋转角度相同。

c)参数设计：安装装置比较简单，主要是根据机械臂电机和减速器的尺寸大小和安装位置确定齿环的安装位置和齿环的大小，在另一个相对运动的机械臂上旋转中心的另一端安装平衡系统装置。

d)附图：无。