專利名稱：五自由度大幅角自平衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種機(jī)械支承定位平衡裝置，主要用于機(jī)器人或機(jī)械手、多自由度的醫(yī)療器械和燈具等。
目前，在垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂的設(shè)計中，一般都要考慮手臂重力矩的平衡問題，用于減小驅(qū)動器的負(fù)載和縮短啟動時間。機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)一般有配重平衡機(jī)構(gòu);彈簧平衡機(jī)構(gòu);與活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)。相比之下，彈簧平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單;造價低，工作可靠，平衡效果好，易維護(hù)，并且不會增加機(jī)器的負(fù)載與慣量，因而得到了廣泛的應(yīng)用。而最常見的彈簧平衡機(jī)構(gòu)只有一種形式，其工作方法如圖4所示(注以后稱此方法為A方法)。設(shè)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(zhì)量，L＇為彈簧在力臂上安裝點(diǎn)至關(guān)節(jié)軸心O的距離，E為彈簧在關(guān)節(jié)軸座上方安裝點(diǎn)Y向相對關(guān)節(jié)軸心O的偏心距離，γ為手臂與水平面的夾角，L為手臂質(zhì)量中心與關(guān)節(jié)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(γ))·COS(γ)]]>靜力矩平衡條件是C＇＝C即
因為E＜＜L＇所以可近似認(rèn)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，殘余不平衡力矩很小。
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(jié)構(gòu)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(yīng)用場合，即便對一些很小的殘余力矩也需克服，以獲得準(zhǔn)確的位置性。這在過去還沒有討論過。
本發(fā)明的主要目的就是為了(1)提供一種新的“彈簧平衡機(jī)構(gòu)”;(2)提供三種具有助平衡作用的“阻尼機(jī)構(gòu)”。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的(一)發(fā)明的“彈簧平衡機(jī)構(gòu)”設(shè)計方法如圖5所示(注以后稱此方法為B方法)。設(shè)K為彈簧剛度，R為彈簧自由長度 )，M為手臂不平衡質(zhì)量，L＇為彈簧上支點(diǎn)離開關(guān)節(jié)軸中心O的距離，H為關(guān)節(jié)軸中心O離開彈簧下支點(diǎn)所在水平面的距離，E為彈簧下支點(diǎn)至關(guān)節(jié)軸心O的垂足的距離，L為手臂質(zhì)量中心至關(guān)節(jié)軸心O的距離，γ為機(jī)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+H2·COS(γ))·SIN(γ)]]>靜力矩平衡條件為C＇＝C因為E＜＜H;L＇＜＜H，所以可以認(rèn)為
H2+E2+Li-2-2Li-E2+H2·COS(γ)≈H]]>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°范圍內(nèi)基本上都能保持平衡，殘余不平衡力矩很小。在γ＝90°～180°范圍內(nèi)雖不如在0°～90°范圍內(nèi)效果好，但若參數(shù)選擇得當(dāng)(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(jī)器人結(jié)構(gòu)中。對于減少驅(qū)動器的載荷與縮短啟動時間，也已是非常有利的了。
(二)本發(fā)明的“阻尼結(jié)構(gòu)”之一主要是為平衡上述A方法和B方法中的殘余重力矩設(shè)計的，其設(shè)計結(jié)構(gòu)請參見圖1～3，將其布置在兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處。松開鎖緊墊片31＇(見圖2)、31(見圖3，以下同此)當(dāng)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(chǎn)生彈力。該力通過槽環(huán)27＇、27作用于固定在大臂結(jié)構(gòu)件11上的阻尼摩擦片26＇、26上。其中槽環(huán)27＇、27由導(dǎo)向鍵33＇、33限制只能在鉸座8(見圖2)或小臂結(jié)構(gòu)件15(見圖3)右邊的大孔內(nèi)作軸向移動而不能轉(zhuǎn)動;大臂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件11兩端的凹槽中。這樣，當(dāng)大臂結(jié)構(gòu)件11與銷軸30＇、30相對于鉸座8或小臂結(jié)構(gòu)件15產(chǎn)生轉(zhuǎn)動或具有這種趨勢時，在阻尼摩擦片26＇或26各自與槽環(huán)27＇或27的結(jié)觸面上，就會產(chǎn)生阻止這個轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦阻力矩。適當(dāng)選擇摩擦材料，摩擦面積，與壓緊力，就會產(chǎn)生合適的反動力矩。以反動力矩能平衡掉不能被平衡機(jī)構(gòu)平衡的殘余重力矩為原則。
在本發(fā)明中對大臂結(jié)構(gòu)件11采用了A方法，而對小臂結(jié)構(gòu)件15采用了B方法。這兩種方法的聯(lián)合使用，使二臂在運(yùn)動過程中都偏離了原設(shè)計方法特定的位置關(guān)系，從而對二臂的平衡都產(chǎn)生一些影響。在實際使用的場合，兩個臂的活動范圍并不需要到達(dá)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(zhí)行機(jī)來說，平衡掉大部分的重力矩后，其負(fù)載與啟動性能已大為改善，用這種小影響換取好的結(jié)構(gòu)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(jī)來說，需要好的停位性)。本種阻尼結(jié)構(gòu)的采用，除了可以平衡前述的殘余力矩外，合理調(diào)節(jié)還可以消除這種使用過程中機(jī)構(gòu)偏離原設(shè)計位置而對平衡產(chǎn)生的影響。雖然增加阻尼帶來一些驅(qū)動負(fù)載的增加，但是，這個增加的負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不采用平衡方法時對驅(qū)動器所多加的負(fù)載。并且，這個小負(fù)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(fā)明的另外兩種阻尼結(jié)構(gòu)分別為(A)如圖1所示，在轉(zhuǎn)盤6與托盤5之間加阻尼摩擦墊4。本裝置上部的重量通過轉(zhuǎn)盤6的底面作用在阻尼摩擦墊4的表面上。當(dāng)轉(zhuǎn)盤6圍繞中軸7轉(zhuǎn)動或有這種趨勢時，重力的作用使二接觸面之間產(chǎn)生摩擦阻尼反動力矩。適當(dāng)?shù)淖枘崃乜煞乐贡娟P(guān)節(jié)(或稱其為腰部)的無意亂動。其中轉(zhuǎn)盤6通過軸承24與中軸7聯(lián)接;中軸7穿過軸承24、轉(zhuǎn)盤6、托盤5與阻尼摩擦墊4的中心孔，用圓螺母2與鎖緊墊片3固定在托盤5上;托盤5用螺紋組件25固定在支架1上;在轉(zhuǎn)盤6的上面由螺栓23將鉸座8與其相聯(lián)。
(B)本發(fā)明在兩處使用了阻尼環(huán)產(chǎn)生阻尼。一處是，如圖1所示，阻尼環(huán)21裝在小臂結(jié)構(gòu)件15的前端孔中，芯軸20穿過阻尼環(huán)21，然后與掌19呈過盈配合聯(lián)接。轉(zhuǎn)動掌19時，便帶動芯軸20在阻尼環(huán)21內(nèi)產(chǎn)生帶阻尼轉(zhuǎn)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(huán)16。芯軸17穿過其中，并與夾在二阻尼環(huán)16之間的手柄結(jié)構(gòu)件18呈過盈配合聯(lián)接。轉(zhuǎn)動手柄結(jié)構(gòu)件18，便使芯軸17在阻尼環(huán)16內(nèi)作帶阻尼轉(zhuǎn)動。
阻尼環(huán)的阻尼作用在于一是可以平衡有關(guān)部分的不平衡力矩使其可任意停位;二是可以防止本關(guān)節(jié)處無意亂動情況的發(fā)生。
本發(fā)明的優(yōu)特點(diǎn)在于它解決了利用彈簧對小臂的不平均力矩進(jìn)行平衡的問題，從而擴(kuò)大了彈簧平衡方法的應(yīng)用范圍，在機(jī)器人的小臂上采用本發(fā)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(jī)體重量增加、慣量增大等缺點(diǎn);由于采用了阻尼機(jī)構(gòu)，本發(fā)明可很好地消除彈簧平衡機(jī)構(gòu)中的殘余不平衡力矩，提高了平衡效果;本發(fā)明將一種新型的彈簧平衡機(jī)構(gòu)、三種專用阻尼機(jī)構(gòu)和一種常用的彈簧平衡機(jī)構(gòu)聯(lián)用，所以使它具有五自由度、大幅角、自平衡等特點(diǎn)?？偠灾?，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、位置關(guān)系對應(yīng)明確、操作靈活、平衡效果好、停位可靠等優(yōu)點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、多自由度的醫(yī)療器械和燈具等有關(guān)領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的正投影剖視原理圖。
圖2是圖1拆掉螺栓23后放大的C-C剖視圖。
圖3是圖1放大的B-B剖視旋轉(zhuǎn)視圖。
圖4是一種常用彈簧平衡機(jī)構(gòu)的原理圖。
圖5是本發(fā)明的彈簧平衡機(jī)構(gòu)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(fā)明的一個實施例。
本發(fā)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(jī)械聯(lián)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、托盤-5、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)件-11、掛銷-12、阻尼摩擦片-26＇、槽環(huán)-27＇、橡膠彈簧-28＇、壓盤-29＇、銷軸-30＇、鎖緊墊片-31＇、圓螺母-32＇、導(dǎo)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(jié)構(gòu)件-15、阻尼摩擦片-26、槽環(huán)-27、橡膠彈簧-28、壓盤-29、銷軸-30、鎖緊墊片-31、圓螺母-32、導(dǎo)向鍵-33、螺釘-34組成。
掌部組件Ⅴ由阻尼環(huán)-16、芯軸-17、手柄結(jié)構(gòu)件-18、掌-19、芯軸-20、阻尼環(huán)21組成。
在腰部組件Ⅱ(見圖1)中轉(zhuǎn)盤6與托盤5之間夾有阻尼摩擦墊4;中軸7穿過軸承24、轉(zhuǎn)盤6、阻尼摩擦墊4、托盤5的中心孔，并用圓螺母2與鎖緊墊片3將它們聯(lián)在一起;托盤5與支架1用螺紋組件25固定在一起;轉(zhuǎn)盤6用螺栓23與大臂組件Ⅲ中的鉸座8聯(lián)接。
在大臂組件Ⅲ(見圖1、2)中其下端關(guān)節(jié)處裝有阻尼機(jī)構(gòu)，在該阻尼機(jī)構(gòu)中，由銷軸30＇穿過鉸座8、大臂結(jié)構(gòu)件11、阻尼摩擦片26＇、槽環(huán)27＇、橡膠彈簧28＇及壓盤29＇的中心孔，將它們依次聯(lián)在一起，并在銷軸30＇的螺紋端部裝有鎖緊墊片31＇和調(diào)整彈力用的圓螺母32＇，其中，橡膠彈簧28＇裝在槽環(huán)27＇內(nèi)，銷軸31＇與大臂結(jié)構(gòu)件11呈過盈配合聯(lián)接，與鉸座8及槽環(huán)27＇呈間隙配合聯(lián)接，阻尼摩擦片26＇用螺釘34＇上在大臂結(jié)構(gòu)件11的右端凹槽中，在槽環(huán)27＇的下方裝有導(dǎo)向鍵33＇，以限制它只能在孔中作軸向移動而不能轉(zhuǎn)動;在鉸座8上部的左右兩邊，各裝有一個掛銷9;在大臂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)中，由銷軸30穿過小臂結(jié)構(gòu)件15、大臂結(jié)構(gòu)件11、阻尼摩擦片26、槽環(huán)27、橡膠彈簧28及壓盤29的中心孔，將它們依次聯(lián)在一起，并在銷軸30的螺紋端部裝有鎖緊墊片31和調(diào)整彈力用的圓螺母32，其中，橡膠彈簧28裝在槽環(huán)27內(nèi)，銷軸31與大臂結(jié)構(gòu)件11呈過盈配合聯(lián)接，與小臂結(jié)構(gòu)件15及槽環(huán)27呈間隙配合聯(lián)接，阻尼摩擦片26用螺釘34上在大臂結(jié)構(gòu)件11的右端凹槽中;在槽環(huán)27的下方裝有導(dǎo)向鍵33，以限制它只能在孔中作軸向移動而不能轉(zhuǎn)動;另外，在小臂結(jié)構(gòu)件15的后方焊有一個掛銷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(huán)21裝在小臂結(jié)構(gòu)件15前端的孔中(見圖1);芯軸20穿過阻尼環(huán)21，并與掌19的中心孔呈過盈配合聯(lián)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(huán)16;芯軸17穿過該二阻尼環(huán)16及手柄結(jié)構(gòu)件18的中心孔，并與手柄結(jié)構(gòu)件18呈過盈配合聯(lián)接。
權(quán)利要求
1.一種用于機(jī)器人、多自由度的醫(yī)療器械和燈具等有關(guān)領(lǐng)域的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于它由支架組件Ⅰ、腰部組件Ⅱ、大臂組件Ⅲ、小臂組件Ⅳ、掌部組件Ⅴ以機(jī)械聯(lián)接而組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于所說的腰部組件Ⅱ中a在轉(zhuǎn)盤6與托盤5之間夾有阻尼摩擦墊4，中軸7穿過軸承24、轉(zhuǎn)盤6、阻尼摩擦墊4、托盤5的中心孔，并用圓螺母2與鎖緊墊片3將它們聯(lián)在一起，b托盤5與支架1用螺紋組件25固定在一起，c轉(zhuǎn)盤6用螺栓23與大臂組件Ⅲ中的鉸座8聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于所說的大臂組件Ⅲ的下端關(guān)節(jié)處裝有阻尼機(jī)構(gòu)，在該阻尼機(jī)構(gòu)中a由銷軸30＇穿過鉸座8、大臂結(jié)構(gòu)件11、阻尼摩擦片26＇、槽環(huán)27＇、橡膠彈簧28＇及壓盤29＇的中心孔，將它們依次聯(lián)在一起，并在銷軸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(huán)27＇內(nèi)，b阻尼摩擦片27＇用螺釘34＇上在大臂結(jié)構(gòu)件11的右端凹槽中，c在槽環(huán)27＇的下方裝有導(dǎo)向鍵33＇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于所說的大臂組件Ⅲ中的大臂結(jié)構(gòu)件11，在其背部下端焊有一個掛銷12。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于所說的小臂組件Ⅳ中a銷軸30穿過小臂結(jié)構(gòu)件15、大臂結(jié)構(gòu)件11、阻尼摩擦片26、槽環(huán)27、橡膠彈簧28及壓盤29的中心孔，將它們依次聯(lián)在一起，并在銷軸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(huán)27內(nèi)，b阻尼摩擦片26用螺釘34上在大臂結(jié)構(gòu)件11的右端凹槽中，c在槽環(huán)27的下方裝有導(dǎo)向鍵33，d在小臂結(jié)構(gòu)件15的后方焊有一個掛銷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(jù)權(quán)利要求1、5所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于所說的掌部組件Ⅴ中a阻尼環(huán)21裝在小臂結(jié)構(gòu)件15前端的孔中，b芯軸20穿過阻尼環(huán)21，與掌19的中心孔呈過盈配合聯(lián)接，c在掌19前部的兩個同心孔中，裝有兩個阻尼環(huán)16，芯軸17穿過該二阻尼環(huán)16及手柄結(jié)構(gòu)件18的中心孔，并與手柄結(jié)構(gòu)件18呈過盈配合聯(lián)接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的五自由度大幅角自平衡裝置，其特征在于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+H2·COS(γ))·SIN(γ)]]>式中K為彈簧剛度，R為彈簧自由長度( )，L＇為彈簧上支點(diǎn)離開關(guān)節(jié)軸中心O的距離，H為關(guān)節(jié)軸中心O離開彈簧下支點(diǎn)所在水平面的距離，E為彈簧下支點(diǎn)至關(guān)節(jié)軸心O的垂足的距離，γ為機(jī)器人手臂與鉛垂線的夾角，E＜＜H;L＇＜＜H，b可認(rèn)為H2+E2+Li-2-2Li-E2+H2·COS(γ)≈H]]>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(γ)]]>d小臂平衡彈簧13對小臂結(jié)構(gòu)件15的靜力矩平衡條件為C＇＝C式中C＝MGL·SIN(γ)，M為小臂結(jié)構(gòu)件15的不平衡質(zhì)量，L為小臂結(jié)構(gòu)件15質(zhì)量中心至關(guān)節(jié)軸心O的距離，γ為機(jī)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(jié)構(gòu)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(fā)明是一種用于機(jī)器人、多自由度的醫(yī)療器械和燈具等有關(guān)領(lǐng)域的支承定位平衡裝置。由于采用了一種新型的彈簧平衡機(jī)構(gòu)、三種專用阻尼機(jī)構(gòu)和一種常用的彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)用，所以使它具有五自由度、大幅角、自平衡等特點(diǎn)。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(jī)械聯(lián)接而組成。在使用中，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、位置關(guān)系對應(yīng)明確、操作靈活、平衡效果好、停位可靠等優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日1993年11月29日
發(fā)明者樊炳輝, 陳達(dá)慶, 李貽斌, 趙紀(jì)標(biāo), 蘇學(xué)成, 徐國華, 徐道昌 申請人:山東礦業(yè)學(xué)院濟(jì)南分院