CN108953472A - 一种机械手臂非线性重力矩平衡装置 - Google Patents

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林义忠
罗光平
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Abstract

一种机械手臂非线性重力矩平衡装置，包括端面齿型轴、带键的端面齿型轴、弹簧、带槽的套筒。端面齿型轴通过端面的齿与带键的端面齿型轴相配合，两配合面发生相对转动时两轴会产生轴向位移，使带键的端面齿型轴上的键沿着带槽的套筒上的槽滑动，最终使套在带键的端面齿型轴上的弹簧压缩，把旋转力矩转化为弹簧沿轴向的弹力。通过以上方式本发明可以平衡作用在机械手臂上的非线性重力矩。

Description

一种机械手臂非线性重力矩平衡装置
技术领域
本发明涉及机械技术领域，特别涉及一种机械手臂非线性重力矩平衡装置。
背景技术
今天，我们对工业产品的需求在不断增长，人口老龄化不断加剧，许多地方出现了用工短缺问题，为了解决这些问题和提高生产效率、节约成本，工程师们设计了各式各样的机械手臂用于生产作业中。在工作的过程中机械手臂所受的重力矩随着转动的角度变化而发生变化，通过计算得知，机械手臂所受的重力矩是呈非线性变化的。这种非线性变化的重力矩不但会给电机增加额外的功耗，而且会给机械手臂的稳定、控制带来难度。为了降低机械手臂重力矩的非线性变化带来的影响，通常会设计一些机构来平衡非线性重力矩，现有的方法主要有重力平衡法、弹簧平衡法和气液压平衡法等，这些方法都只能够平衡掉部分中的力矩，而本发明中的装置可以平衡掉全部的非线性重力矩。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种机械手臂非线性重力矩平衡装置，能够提高机械手臂的有效负载、提高驱动电机功率的有效利用。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种机械手臂非线性重力矩平衡装置，该装置主要包括：端面齿型轴、带键的端面齿型轴、弹簧、带槽的套筒。端面齿型轴通过端面的齿与带键的端面齿型轴相配合，力矩使两配合面发生相对转动，产生轴向位移，使带键的端面齿型轴上的键沿着带槽的套筒上的槽滑动，最终使套在带键的端面齿型轴上的弹簧压缩。
其中，端面齿型轴、带键的端面齿型轴、弹簧、带槽的套筒所在轴线位于同一轴线上。所述的端面齿型轴非齿型端接机械手臂，并与之所在轴线垂直。
其中，端面齿型轴的齿型是类正弦三角函数，并与之齿型相匹配的带键的端面齿型轴相啮合。通过两者之间的相对转动产生轴向位移使带键的端面齿型轴上的键在带槽的套筒中的槽里滑动。
其中，带键的端面齿型轴的另一端沉头孔内有一同轴线的轴，轴上套有一弹簧。其中，带键的端面齿型轴在带槽的套筒里滑动时，使弹簧压缩。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过两相互啮合的类正弦三角函数齿面，在力矩的作用下发生轴向位移，使弹簧压缩来平衡力矩。因此，这就提高了机器人的有效负载能力，提高驱动电机功率的有效利用。
附图说明
图1是机械手臂受重力作用的示意图。
图2是端面齿型轴用沿轴的母线切开后的展开图。
图3是非线性重力矩平衡装置的实体图
图4是非线性重力矩平衡装置的全剖视图。
图5是带槽的套筒实体图。
图6是带槽的套筒剖视图。
图7是端面齿型轴。
图8是端面齿型轴剖视图。
图9是带键的端面齿型轴。
图10是带键的端面齿型轴剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。图1是机械手臂受重力作用的示意图，在忽略摩擦损耗的情况下，通过计算可知弹簧压缩量X(实际上也是端面齿型轴1与带键的端面齿型轴5相对转动时产生的轴向间距)与机械手臂转角θ(转动的范围是正转或反转0-180°)之间的数学关系是类正弦三角函数。根据这种关系，把端面齿型轴的一端齿型9做成这种函数曲面，端面齿型轴用沿轴的母线的面切开后的展开图如图2。
机械手臂非线性重力矩平衡装置主要包括端面齿型轴1、带键的端面齿型轴5、弹簧6、带槽的套筒7，它们的轴线位于同一直线上。端面齿型轴1非齿型端2接机械手臂关节处，两者之间构成一转动副。端面齿型轴1的齿型9是类正弦三角函数，并与之齿型相匹配的带键的端面齿型轴5相啮合。由弹簧的压缩量与机械手臂转角的关系可知，当机械手臂的转角为零时，端面齿型轴1、带键的端面齿型轴5的齿型面是啮合的，此时弹簧压缩量为零。当机械手臂的转角为一百八十度时，端面齿型轴1、带键的端面齿型轴5的齿型面是轴向间距最大，此时弹簧压缩量最大。重力矩使端面齿型轴1、带键的端面齿型轴5之间的相对转动产生轴向位移使带键的端面齿型轴上的键10在带槽的套筒中的槽11里滑动。带键的端面齿型轴5的另一端沉头孔内有一同轴线的轴8，轴8上套有一弹簧6。其中，带键的端面齿型轴5在带槽的套筒7槽11中滑动时，使弹簧压6缩。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种机械手臂非线性重力矩平衡装置，其特征在于它包括端面齿型轴、带键的端面齿型轴、弹簧、带槽的套筒。端面齿型轴通过端面的齿与带键的端面齿型轴相配合，两配合面发生相对转动时产生轴向位移，使带键的端面齿型轴上的键沿着带槽的套筒上的槽滑动，最终使套在带键的端面齿型轴上的弹簧压缩。
2.根据权利要求1所述的机械手臂非线性重力矩平衡装置，其特征在于，所述端面齿型轴、带键的端面齿型轴、弹簧、带槽的套筒所在轴线位于同一直线上。所述的端面齿型轴非齿型端联结机械手臂，两者构成一转动副。
3.根据权利要求2所述的机械手臂非线性重力矩平衡装置，其特征在于，所述端面齿型轴的齿型是类正弦三角函数，并与之齿型相匹配的带键的端面齿型轴相啮合。通过两者之间的相对转动，产生轴向位移使带键的端面齿型轴上的键在带槽的套筒中的槽里滑动。
4.根据权利要求3所述的机械手臂非线性重力矩平衡装置，其特征在于，所述带键的端面齿型轴的另一端沉头孔内有一同轴线的轴，轴上套有一弹簧。
5.根据权利要求3所述的机械手臂非线性重力矩平衡装置，其特征在于，所述带键的端面齿型轴在带槽的套筒里滑动时，使弹簧压缩。
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