[發明專利]一種轉動關節機械臂重力補償機構

有效

• 申請號: 201711093230.7
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN107914284B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 楊彥東;李新亮
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J19/00
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙) 13116
• 代理人: 崔鳳英

本發明公開了一種轉動關節機械臂重力補償機構，其包括機架、非圓齒輪行星輪系和平面渦卷彈簧，所述機架包括一個平面渦卷彈簧外端固定桿，所述非圓齒輪行星輪系包括系桿、行星軸、轉動軸、固定圓太陽輪、行星圓齒輪、非圓太陽輪、行星非圓齒輪，所述圓太陽輪通過法蘭固定在機架上，所述系桿與行星軸套接，行星軸兩端分別與行星圓齒輪和行星非圓齒輪連接，其中行星圓齒輪與固定圓太陽輪嚙合，行星非圓齒輪與轉動非圓太陽輪嚙合，所述轉動軸隨非圓太陽輪旋轉，所述平面渦卷彈簧內端通過銷與轉動軸連接，外端與機架固定桿連接，所述系桿為輸入構件，其非圓齒輪行星輪系使轉動軸輸出一定量的轉角，進一步地平面渦卷彈簧發生扭轉，從而產生反平衡力矩，本發明專利結構簡單，運動平穩可靠，重力補償精度高，且適用于連續回轉機構。

技術領域

本發明涉及工業機器人、康復醫療機器人以及服務機器人等領域，具體涉及一種重力補償機構。

背景技術

在機器人系統設計中，對于關節軸線平行于地面的機械臂來說，由于機械臂自身的重力，會使關節處產生額外的扭矩，不僅在一定程度上降低機械臂的動態特性，而且在制動系統失效的情況下，沒有其它的自鎖裝置，在重力的作用下造成機械臂下落，嚴重威脅操作人員或其它裝置的安全。

目前現有的重力補償方法有兩種：一是利用控制手段驅動電機進行主動式力矩補償，需要對機械臂轉角實時測量，控制器驅動電機實時輸出相反方向的力矩。從理論上講，這種方法可實現機械臂完全重力補償，但控制算法相當復雜；二是利用儲能裝置進行被動式力矩補償，通過機械臂關節帶動重力補償裝置運動，重力補償裝置輸出與重力相反的力矩，被動式重力補償只需設計重力補償機構，不消耗多余的能量。

現有的被動式重力補償機構，如：懸掛拉簧式結構、平行四桿機構及拉簧結構等，均無法滿足重力矩的非線性變化，故只能進行近似補償；凸輪拉簧式結構，補償精度較高，但凸輪機構點、線接觸，磨損比較大，而且凸輪行程比較小，補償范圍不是很大；再有公開號為CN 104245250A的專利，公開了一對非圓齒輪及拉簧的重力補償機構，并對自由度較高的機械臂進行重力補償，轉動關節軸線平行于地面的機械臂重力矩按正弦規律變化，一對非圓齒輪嚙合無法實現精確正弦規律變化的函數，故也為近似重力補償。

綜上所述，在工業機器人、康復機器人、服務機器人等領域，良好的重力補償裝置可有效降低關節驅動力矩，并且能夠提高安全系數。

發明內容

本發明目的是提供一種補償精度較高且能連續回轉的轉動關節機械臂重力補償機構。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種轉動關節機械臂重力補償機構，包括機架、非圓齒輪行星輪系和平面渦卷彈簧，所述機架由機架A和機架B兩部分組成，所述機架B與平面渦卷彈簧外端固定桿焊接在一起，所述機架A與機架B通過螺栓連接在一起；所述非圓齒輪行星輪系為定中心距非圓齒輪行星輪系，包括系桿、行星軸、轉動軸、圓太陽輪、行星圓齒輪、非圓太陽輪和行星非圓齒輪；所述系桿穿過圓太陽輪4的中心通孔一端通過第一轉動關節與機架A相連，另一端通過滑動軸承與行星軸套接；所述圓太陽輪通過法蘭固定在機架A上；所述行星軸兩端分別與行星圓齒輪和行星非圓齒輪鍵連接，行星圓齒輪與圓太陽輪嚙合，行星非圓齒輪與非圓太陽輪嚙合；行星軸上的行星圓齒輪繞圓太陽輪自轉及公轉，行星非圓齒輪帶動非圓太陽輪旋轉；所述非圓太陽輪與轉動軸鍵連接；所述平面渦卷彈簧外端固定于機架B固定桿上，內端通過銷與轉動軸固定連接；所述轉動軸通過第三轉動關節與機架B相連。

在使用時，系桿一端作為重力補償機構的輸入，隨轉動關節機械臂一起旋轉，行星軸上的行星圓齒輪繞圓太陽輪自轉及公轉，行星非圓齒輪帶動非圓太陽輪旋轉；非圓太陽輪轉動使轉動軸發生旋轉，轉動軸在旋轉過程中使平面渦卷彈簧發生扭轉，產生反平衡力矩，以此進行重力矩的平衡。