一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107738275 A(43)申请公布日 2018.02.27

(21)申请号 201711049846.4(22)申请日 2017.10.31

(71)申请人 上海理工大学

地址 200093 上海市杨浦区军工路516号(72)发明人 崔建昆　刘兵　刘爽　

(74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限

公司 31225

代理人 刘燕武(51)Int.Cl.

B25J 19/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

CN 107738275 A(54)发明名称

一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构(57)摘要

本发明涉及一种机械臂重力补偿的凸轮拉

机械下臂(5)、盘形凸簧机构，包括机械上臂(1)、

轮(2)、钢丝绳(4)和拉簧单元，所述的机械上臂(1)转动设置在机械下臂(5)上端，所述盘形凸轮(2)与机械上臂(1)固定连接，所述的钢丝绳(4)的一端固定在盘形凸轮(2)边缘上，另一端连接固定在机械下臂(5)上的拉簧单元。与现有技术相比，本发明可实现机械臂关节大转角范围完全重力补偿。本发明的实现过程为凸轮带动弹簧变形使得随着机构的运动，弹簧力发生相应的改变，将机械臂变化的重力势能转化为弹性势能，实现机械臂关节在有效工作空间内达到完全重力平衡效果。

CN 107738275 A

权　利　要　求　书

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1.一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，包括机械上臂(1)、机械下臂(5)、盘形凸轮(2)、钢丝绳(4)和拉簧单元，所述的机械上臂(1)转动设置在机械下臂(5)上端，所述盘形凸轮(2)与机械上臂(1)固定连接，所述的钢丝绳(4)的一端固定在盘形凸轮(2)边缘上，另一端连接固定在机械下臂(5)上的拉簧单元。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，所述的机械上臂(1)通过关节铰链(3)转动设置在机械下臂(5)上，并可绕关节铰链(3)的转动中心转动。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，所述的凸轮拉簧(7)机构还包括设置在机械下臂(5)下部的滑轮(7)，所述钢丝绳(4)一端与盘形凸轮(2)固定后，经所述滑轮(7)导向后再与所述拉簧单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，所述滑轮(7)与机械上臂(1)绕机械下臂(5)转动的中心位于同一竖直线上。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，所述的拉簧单元采用与其端部固定连接的固定销(8)安装在机械下臂(5)上。

6.根据权利要求1所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，所述的拉簧单元包括一组或复数组并联连接的拉簧(7)。

7.根据权利要求1所述的一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其特征在于，工作时，所述的钢丝绳(4)始终处于绷紧状态。

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说　明　书

一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构

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技术领域

[0001]本发明涉及一种机械臂重力补偿的机械装置，尤其是涉及一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构。

背景技术

[0002]由于轴线平行于地面的机械臂关节受臂杆重力的作用，关节处会产生额外的扭矩，降低机械臂的动态特性，大多数机械臂都需要设计重力补偿装置。主动式重力补偿机构的一般是通过调节电机的输出扭矩，再利用钢丝绳牵引，抵消掉机械臂自重对关节产生的扭矩，从而实现机械臂重力平衡。理论上主动式重力补偿装置能够实现多关节机械臂的完全重力平衡，但是需要编制复杂的控制程序和算法，以及对机械臂位置和重心的实时检测。同时由于加入电机，导致了机械臂整体结构尺寸增大，成本也相应的增加。发明内容

[0003]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构。

[0004]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：[0005]一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，包括机械上臂、机械下臂、盘形凸轮、钢丝绳和拉簧单元，所述的机械上臂转动设置在机械下臂上端，所述盘形凸轮与机械上臂固定连接，所述的钢丝绳的一端固定在盘形凸轮边缘上，另一端连接固定在机械下臂上的拉簧单元。

[0006]优选的，所述的机械上臂通过关节铰链转动设置在机械下臂上，并可绕关节铰链的转动中心转动。[0007]优选的，所述的凸轮拉簧机构还包括设置在机械下臂下部的滑轮，所述钢丝绳一端与盘形凸轮固定后，经所述滑轮导向后再与所述拉簧单元连接。[0008]更优选的，所述滑轮与机械上臂绕机械下臂转动的中心位于同一竖直线上。[0009]优选的，所述的拉簧单元采用与其端部固定连接的固定销安装在机械下臂上。[0010]优选的，所述的拉簧单元包括一组或复数组并联连接的拉簧。[0011]优选的，工作时，所述的钢丝绳始终处于绷紧状态。[0012]本发明的机械臂在工作时，机械上臂自重会对其在机械下臂上的转动中心O点产生一个附加的转矩T，由于盘形凸轮与机械上臂固定，也会随其一起旋转，钢丝绳便开始缠绕在盘形凸轮上，拉簧从而被钢丝绳拉长而产生弹性变形，拉簧变形产生的拉力将对转动中心O点产生一个相反的转矩，进而将机械臂变化的重力势能转化为弹性势能，实现机械臂关节在有效工作空间内达到完全重力平衡效果。

[0013]本发明实际上是一种被动式重力补偿装置，通过机械臂的运动带动补偿装置位置变化，输出与重力相反的扭矩，在机械臂反向运动时，平衡机构将储存的能量释放出来，推动机械臂运动，不需要消耗多余的能量。

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与现有技术相比，本发明提供了一种用于机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构纯机械

结构，其结构简单、所占空间小。此外，简化了被动式重力补偿结构，充分利用了关节之间的间距空间，可以将拉簧凸轮布置在机械臂中，零部件少而轻，不仅使结构紧凑也不会增加额外的附带质量。

附图说明

[0015]图1为本发明的结构示意图；[0016]图中，1-机械上臂，2-盘形凸轮，3-关节铰链，4-钢丝绳，5-机械下臂，6-滑轮，7-拉簧，8-固定销。具体实施方式

[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0018]一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，包括机械上臂1、机械下臂5、盘形凸轮2、钢丝绳4和拉簧单元，机械上臂1转动设置在机械下臂5上端，盘形凸轮2与机械上臂1固定连接，钢丝绳4的一端固定在盘形凸轮2边缘上，另一端连接固定在机械下臂5上的拉簧单元。[0019]作为本发明的一种优选的实施方式，机械上臂1通过关节铰链3转动设置在机械下臂5上，并可绕关节铰链3的转动中心转动。[0020]作为本发明的一种优选的实施方式，凸轮拉簧7机构还包括设置在机械下臂5下部的滑轮6，钢丝绳4一端与盘形凸轮2固定后，经滑轮6导向后再与拉簧单元连接。更优选的，滑轮6与机械上臂1绕机械下臂5转动的中心位于同一竖直线上。[0021]作为本发明的一种优选的实施方式，拉簧单元采用与其端部固定连接的固定销8安装在机械下臂5上。

[0022]作为本发明的一种优选的实施方式，拉簧单元包括一组或复数组并联连接的拉簧7。

[0023]作为本发明的一种优选的实施方式，工作时，钢丝绳4始终处于绷紧状态。[0024]本发明的机械臂在工作时，机械上臂1自重会对其在机械下臂5上的转动中心O点产生一个附加的转矩T，由于盘形凸轮2与机械上臂1固定，也会随其一起旋转，钢丝绳4便开始缠绕在盘形凸轮2上，拉簧7从而被钢丝绳4拉长而产生弹性变形，拉簧7变形产生的拉力将对转动中心O点产生一个相反的转矩，进而将机械臂变化的重力势能转化为弹性势能，实现机械臂关节在有效工作空间内达到完全重力平衡效果。[0025]本发明实际上是一种被动式重力补偿装置，通过机械臂的运动带动补偿装置位置变化，输出与重力相反的扭矩，在机械臂反向运动时，平衡机构将储存的能量释放出来，推动机械臂运动，不需要消耗多余的能量。[0026]实施例1

[0027]一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，其结构如图1所示，包括机械上臂1、机械下臂5、盘形凸轮2、滑轮6、固定销8、钢丝绳4和拉簧单元，机械上臂1通过关节铰链3转动设置在机械下臂5上部，并可绕关节铰链3的转动中心转动，盘形凸轮2与机械上臂1固定连接，并随机械上臂1旋转，钢丝绳4一端与盘形凸轮2固定后，经滑轮6导向后再与拉簧单元连接，滑轮6与机械上臂1绕机械下臂5转动的中心位于同一竖直线上，拉簧7采用与其端部固定连接

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的固定销8安装在机械下臂5上。[0028]机械臂工作时，机械上臂1由于自身受到重力的影响对关节铰链3中心将产生一个附加的转矩。附加的转矩会带动机械上臂1产生运动趋向，由于盘形凸轮2与机械上臂1固定，也会跟着旋转，钢丝绳4开始缠绕在盘形凸轮2上，拉簧7被钢丝绳4拉长而产生弹性变形。变形产生的拉力将对关节铰链3中心点产生一个与机械上臂1自身受重力影响产生一个附加的转矩相反的转矩，当两个转矩能完全抵消掉，从而实现机械臂重力平衡。

[0029]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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说　明　书　附　图

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图1

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