五自由度大幅角自平衡裝置的製作方法

2023-07-21 09:39:41

專利名稱：五自由度大幅角自平衡裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種機械支承定位平衡裝置，主要用於機器人或機械手、多自由度的醫療器械和燈具等。
目前，在垂直關節機器人手臂的設計中，一般都要考慮手臂重力矩的平衡問題，用於減小驅動器的負載和縮短啟動時間。機器人所採用的平衡機構一般有配重平衡機構;彈簧平衡機構;與活塞推桿平衡機構。相比之下，彈簧平衡機構結構簡單;造價低，工作可靠，平衡效果好，易維護，並且不會增加機器的負載與慣量，因而得到了廣泛的應用。而最常見的彈簧平衡機構只有一種形式，其工作方法如圖4所示(注以後稱此方法為A方法)。設K為彈簧剛度，R為彈簧自由長度(R＜L＇-E)，M為手臂的不平衡質量，L＇為彈簧在力臂上安裝點至關節軸心O的距離，E為彈簧在關節軸座上方安裝點Y向相對關節軸心O的偏心距離，γ為手臂與水平面的夾角，L為手臂質量中心與關節軸心O的距離。則臂的靜不平衡力矩為C＝MGL·COS(γ)彈簧的平衡力矩為Ci-=KLi-E(1-R/E2+Li-2-2ELi-SIN)COS]]>靜力矩平衡條件是C＇＝C即
因為E＜＜L＇所以可近似認為 這樣，靜力矩平衡條件可近似簡化為KE(L＇-R)＝MGL如果能夠滿足以上的平衡條件，則大臂在γ＝0°～90°及90°～180°時，基本上都能保持平衡，殘餘不平衡力矩很小。
但是在一些不易在上部安裝彈簧的場合，或在一些考慮使結構更簡單，美觀的場合，A方法就顯出一定的局限性。
另外，還有一些應用場合，即便對一些很小的殘餘力矩也需克服，以獲得準確的位置性。這在過去還沒有討論過。
本發明的主要目的就是為了(1)提供一種新的「彈簧平衡機構」;(2)提供三種具有助平衡作用的「阻尼機構」。
本發明是這樣實現的(一)發明的「彈簧平衡機構」設計方法如圖5所示(注以後稱此方法為B方法)。設K為彈簧剛度，R為彈簧自由長度 )，M為手臂不平衡質量，L＇為彈簧上支點離開關節軸中心O的距離，H為關節軸中心O離開彈簧下支點所在水平面的距離，E為彈簧下支點至關節軸心O的垂足的距離，L為手臂質量中心至關節軸心O的距離，γ為機器人手臂與鉛垂線的夾角。則臂的靜不平衡重力矩為C＝MGL·SIN(γ)彈簧的靜平衡力矩為C'=KL'H2+E2(1-RH2+E2+L'2-2L'E2+H2COS)SIN]]>靜力矩平衡條件為C＇＝C因為E＜＜H;L＇＜＜H，所以可以認為
H2+E2+Li-2-2Li-E2+H2COSH]]>這樣，靜力矩平衡條件就可簡化為KL』H2+E2]]>·(1-R/H)=MGL若能滿足這一平衡條件，則上臂在γ＝0°～90°範圍內基本上都能保持平衡，殘餘不平衡力矩很小。在γ＝90°～180°範圍內雖不如在0°～90°範圍內效果好，但若參數選擇得當(如E與L＇的值都不超過H的十分之一時)，仍能平衡90%以上的不平衡力矩。這在機器人結構中。對於減少驅動器的載荷與縮短啟動時間，也已是非常有利的了。
(二)本發明的「阻尼結構」之一主要是為平衡上述A方法和B方法中的殘餘重力矩設計的，其設計結構請參見圖1～3，將其布置在兩個轉動關節處。鬆開鎖緊墊片31＇(見圖2)、31(見圖3，以下同此)當旋緊圓螺母32＇、32時，壓盤29＇、29便壓緊橡膠彈簧28＇、28使其變形產生彈力。該力通過槽環27＇、27作用於固定在大臂結構件11上的阻尼摩擦片26＇、26上。其中槽環27＇、27由導向鍵33＇、33限制只能在鉸座8(見圖2)或小臂結構件15(見圖3)右邊的大孔內作軸向移動而不能轉動;大臂結構件11的兩端各與銷軸30＇、30呈過盈配合;而銷軸30＇、30與鉸座8(見圖2)或小臂結構件15(見圖3)左端小孔呈間隙配合;兩個阻尼摩擦片26＇與26各由螺釘34＇、34固定在大臂結構件11兩端的凹槽中。這樣，當大臂結構件11與銷軸30＇、30相對於鉸座8或小臂結構件15產生轉動或具有這種趨勢時，在阻尼摩擦片26＇或26各自與槽環27＇或27的結觸面上，就會產生阻止這個轉動產生的摩擦阻力矩。適當選擇摩擦材料，摩擦面積，與壓緊力，就會產生合適的反動力矩。以反動力矩能平衡掉不能被平衡機構平衡的殘餘重力矩為原則。
在本發明中對大臂結構件11採用了A方法，而對小臂結構件15採用了B方法。這兩種方法的聯合使用，使二臂在運動過程中都偏離了原設計方法特定的位置關係，從而對二臂的平衡都產生一些影響。在實際使用的場合，兩個臂的活動範圍並不需要到達某些對上述平衡影響有較大作用的極限位置，因此，有時對這種影響可不必考慮(如對有的執行機來說，平衡掉大部分的重力矩後，其負載與啟動性能已大為改善，用這種小影響換取好的結構性是合適的)。但是有時在某些場合，對這種影響卻又不得不考慮(如對有的控制機來說，需要好的停位性)。本種阻尼結構的採用，除了可以平衡前述的殘餘力矩外，合理調節還可以消除這種使用過程中機構偏離原設計位置而對平衡產生的影響。雖然增加阻尼帶來一些驅動負載的增加，但是，這個增加的負載遠遠小於不採用平衡方法時對驅動器所多加的負載。並且，這個小負載的增加換來了大臂與小臂不靠其他外力就可以任意停位的性能。這在某些場合是非常值得的。
(三)本發明的另外兩種阻尼結構分別為(A)如圖1所示，在轉盤6與託盤5之間加阻尼摩擦墊4。本裝置上部的重量通過轉盤6的底面作用在阻尼摩擦墊4的表面上。當轉盤6圍繞中軸7轉動或有這種趨勢時，重力的作用使二接觸面之間產生摩擦阻尼反動力矩。適當的阻尼力矩可防止本關節(或稱其為腰部)的無意亂動。其中轉盤6通過軸承24與中軸7聯接;中軸7穿過軸承24、轉盤6、託盤5與阻尼摩擦墊4的中心孔，用圓螺母2與鎖緊墊片3固定在託盤5上;託盤5用螺紋組件25固定在支架1上;在轉盤6的上面由螺栓23將鉸座8與其相聯。
(B)本發明在兩處使用了阻尼環產生阻尼。一處是，如圖1所示，阻尼環21裝在小臂結構件15的前端孔中，芯軸20穿過阻尼環21，然後與掌19呈過盈配合聯接。轉動掌19時，便帶動芯軸20在阻尼環21內產生帶阻尼轉動。另一處是，如圖7所示，在掌19前端的兩個同軸孔中，裝有兩個阻尼環16。芯軸17穿過其中，並與夾在二阻尼環16之間的手柄結構件18呈過盈配合聯接。轉動手柄結構件18，便使芯軸17在阻尼環16內作帶阻尼轉動。
阻尼環的阻尼作用在於一是可以平衡有關部分的不平衡力矩使其可任意停位;二是可以防止本關節處無意亂動情況的發生。
本發明的優特點在於它解決了利用彈簧對小臂的不平均力矩進行平衡的問題，從而擴大了彈簧平衡方法的應用範圍，在機器人的小臂上採用本發明的彈簧平衡法，可省除過去常用的配重平衡法所帶來的使機體重量增加、慣量增大等缺點;由於採用了阻尼機構，本發明可很好地消除彈簧平衡機構中的殘餘不平衡力矩，提高了平衡效果;本發明將一種新型的彈簧平衡機構、三種專用阻尼機構和一種常用的彈簧平衡機構聯用，所以使它具有五自由度、大幅角、自平衡等特點。總而言之，本發明具有結構簡單、位置關係對應明確、操作靈活、平衡效果好、停位可靠等優點。它可廣泛應用於機器人、多自由度的醫療器械和燈具等有關領域。


圖1是本發明的正投影剖視原理圖。
圖2是圖1拆掉螺栓23後放大的C-C剖視圖。
圖3是圖1放大的B-B剖視旋轉視圖。
圖4是一種常用彈簧平衡機構的原理圖。
圖5是本發明的彈簧平衡機構的原理圖。
圖6是圖1的A向視圖。
圖7是圖1放大的A-A剖視圖。
圖1、圖2、圖3、圖6、圖7是本發明的一個實施例。
本發明主要是由支架組件Ⅰ、腰部組件Ⅱ、大臂組件Ⅲ、小臂組件Ⅳ、掌部組件Ⅴ以機械聯接而組成。其中支架組件Ⅰ由支架-1、螺紋組件-25組成。
腰部組件Ⅱ由圓螺母-2、鎖緊墊片-3、阻尼摩擦墊-4、託盤-5、轉盤-6、中軸-7、螺栓23、軸承-24組成。
大臂組件Ⅲ由鉸座-8、掛銷-9、大臂平衡彈簧-10、大臂結構件-11、掛銷-12、阻尼摩擦片-26＇、槽環-27＇、橡膠彈簧-28＇、壓盤-29＇、銷軸-30＇、鎖緊墊片-31＇、圓螺母-32＇、導向鍵-33＇、螺釘-34＇組成。
小臂組件Ⅳ由小臂平衡彈簧-13、掛銷-14、小臂結構件-15、阻尼摩擦片-26、槽環-27、橡膠彈簧-28、壓盤-29、銷軸-30、鎖緊墊片-31、圓螺母-32、導向鍵-33、螺釘-34組成。
掌部組件Ⅴ由阻尼環-16、芯軸-17、手柄結構件-18、掌-19、芯軸-20、阻尼環21組成。
在腰部組件Ⅱ(見圖1)中轉盤6與託盤5之間夾有阻尼摩擦墊4;中軸7穿過軸承24、轉盤6、阻尼摩擦墊4、託盤5的中心孔，並用圓螺母2與鎖緊墊片3將它們聯在一起;託盤5與支架1用螺紋組件25固定在一起;轉盤6用螺栓23與大臂組件Ⅲ中的鉸座8聯接。
在大臂組件Ⅲ(見圖1、2)中其下端關節處裝有阻尼機構，在該阻尼機構中，由銷軸30＇穿過鉸座8、大臂結構件11、阻尼摩擦片26＇、槽環27＇、橡膠彈簧28＇及壓盤29＇的中心孔，將它們依次聯在一起，並在銷軸30＇的螺紋端部裝有鎖緊墊片31＇和調整彈力用的圓螺母32＇，其中，橡膠彈簧28＇裝在槽環27＇內，銷軸31＇與大臂結構件11呈過盈配合聯接，與鉸座8及槽環27＇呈間隙配合聯接，阻尼摩擦片26＇用螺釘34＇上在大臂結構件11的右端凹槽中，在槽環27＇的下方裝有導向鍵33＇，以限制它只能在孔中作軸向移動而不能轉動;在鉸座8上部的左右兩邊，各裝有一個掛銷9;在大臂結構件11上部的左右兩邊，各焊有一個掛銷22;兩根大臂平衡彈簧10分別掛在掛銷9與掛銷22上;在大臂結構件11的背部下端焊有一個掛銷12。
在小臂組件Ⅳ(見圖1、圖3)的阻尼機構中，由銷軸30穿過小臂結構件15、大臂結構件11、阻尼摩擦片26、槽環27、橡膠彈簧28及壓盤29的中心孔，將它們依次聯在一起，並在銷軸30的螺紋端部裝有鎖緊墊片31和調整彈力用的圓螺母32，其中，橡膠彈簧28裝在槽環27內，銷軸31與大臂結構件11呈過盈配合聯接，與小臂結構件15及槽環27呈間隙配合聯接，阻尼摩擦片26用螺釘34上在大臂結構件11的右端凹槽中;在槽環27的下方裝有導向鍵33，以限制它只能在孔中作軸向移動而不能轉動;另外，在小臂結構件15的後方焊有一個掛銷14(見圖1);小臂平衡彈簧13的上端掛在掛銷14上，下端掛在掛銷12上(見圖1，圖6)。
在掌部組件Ⅴ中，阻尼環21裝在小臂結構件15前端的孔中(見圖1);芯軸20穿過阻尼環21，並與掌19的中心孔呈過盈配合聯接;在掌19前部的兩個同心孔中(見圖1、圖7)，裝有兩個阻尼環16;芯軸17穿過該二阻尼環16及手柄結構件18的中心孔，並與手柄結構件18呈過盈配合聯接。
權利要求
1.一種用於機器人、多自由度的醫療器械和燈具等有關領域的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於它由支架組件Ⅰ、腰部組件Ⅱ、大臂組件Ⅲ、小臂組件Ⅳ、掌部組件Ⅴ以機械聯接而組成。
2.根據權利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於所說的腰部組件Ⅱ中a在轉盤6與託盤5之間夾有阻尼摩擦墊4，中軸7穿過軸承24、轉盤6、阻尼摩擦墊4、託盤5的中心孔，並用圓螺母2與鎖緊墊片3將它們聯在一起，b託盤5與支架1用螺紋組件25固定在一起，c轉盤6用螺栓23與大臂組件Ⅲ中的鉸座8聯接。
3.根據權利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於所說的大臂組件Ⅲ的下端關節處裝有阻尼機構，在該阻尼機構中a由銷軸30＇穿過鉸座8、大臂結構件11、阻尼摩擦片26＇、槽環27＇、橡膠彈簧28＇及壓盤29＇的中心孔，將它們依次聯在一起，並在銷軸30＇的螺紋端部裝有鎖緊墊片31＇和圓螺母32＇，其中，橡膠彈簧28＇裝在槽環27＇內，b阻尼摩擦片27＇用螺釘34＇上在大臂結構件11的右端凹槽中，c在槽環27＇的下方裝有導向鍵33＇。
4.根據權利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於所說的大臂組件Ⅲ中的大臂結構件11，在其背部下端焊有一個掛銷12。
5.根據權利要求1、3、4所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於所說的小臂組件Ⅳ中a銷軸30穿過小臂結構件15、大臂結構件11、阻尼摩擦片26、槽環27、橡膠彈簧28及壓盤29的中心孔，將它們依次聯在一起，並在銷軸30的螺紋端部裝有鎖緊墊片31和圓螺母32，其中，橡膠彈簧28裝在槽環27內，b阻尼摩擦片26用螺釘34上在大臂結構件11的右端凹槽中，c在槽環27的下方裝有導向鍵33，d在小臂結構件15的後方焊有一個掛銷14，e小臂平衡彈簧13的上端掛在掛銷14上，下端掛在掛銷12上。
6.根據權利要求1、5所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於所說的掌部組件Ⅴ中a阻尼環21裝在小臂結構件15前端的孔中，b芯軸20穿過阻尼環21，與掌19的中心孔呈過盈配合聯接，c在掌19前部的兩個同心孔中，裝有兩個阻尼環16，芯軸17穿過該二阻尼環16及手柄結構件18的中心孔，並與手柄結構件18呈過盈配合聯接。
7.根據權利要求5所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特徵在於a小臂平衡彈簧13的平衡力矩為C'=KL'H2+E2(1-R/H2+E2+L'2-2L'E2+H2COS)SIN]]>式中K為彈簧剛度，R為彈簧自由長度( )，L＇為彈簧上支點離開關節軸中心O的距離，H為關節軸中心O離開彈簧下支點所在水平面的距離，E為彈簧下支點至關節軸心O的垂足的距離，γ為機器人手臂與鉛垂線的夾角，E＜＜H;L＇＜＜H，b可認為H2+E2+Li-2-2Li-E2+H2COSH]]>c小臂平衡彈簧13的平衡力矩可簡化為Ci-=KLi-H2+E2(1-R/H)sin]]>d小臂平衡彈簧13對小臂結構件15的靜力矩平衡條件為C＇＝C式中C＝MGL·SIN(γ)，M為小臂結構件15的不平衡質量，L為小臂結構件15質量中心至關節軸心O的距離，γ為機器人手臂與鉛垂線的夾角，G為重力加速度，e小臂平衡彈簧13對小臂結構件15的靜力矩平衡條件可簡化為KLi-H2+E2(1-R/H)=MGL]]>
全文摘要
本發明是一種用於機器人、多自由度的醫療器械和燈具等有關領域的支承定位平衡裝置。由於採用了一種新型的彈簧平衡機構、三種專用阻尼機構和一種常用的彈簧平衡機構進行聯用，所以使它具有五自由度、大幅角、自平衡等特點。它主要由支架組件、腰部組件、大臂組件、小臂組件和掌部組件以機械聯接而組成。在使用中，本發明具有結構簡單、位置關係對應明確、操作靈活、平衡效果好、停位可靠等優點。
文檔編號F16M11/00GK1103475SQ93115240
公開日1995年6月7日 申請日期1993年11月29日 優先權日1993年11月29日
發明者樊炳輝, 陳達慶, 李貽斌, 趙紀標, 蘇學成, 徐國華, 徐道昌 申請人:山東礦業學院濟南分院