技术领域
[0001] 本
发明涉及一种重力平衡装置。特别是涉及一种五自由度混联机器人的重力平衡装置。
背景技术
[0002]
专利ZL201510401279.9所公开的一种含多轴转动
支架的五自由度混联机器人，其由具有三自由度并联机构和与之串接的二自由度转头组成，其中并联机构包括
机架、三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置、一个从动调节装置、一个动平台和一个多轴转动支架，具有
工作空间/装备占地比大、制造和装配工艺型好、运动学简单等优点。然而，该机器人模
块卧式放置时由于机器人自身重力的影响，使得其中一个主动调节装置中的
电机负载远大于另外两个主动调节装置中的电机负载，严重制约了机器人高速特性的实现。针对这种五自由度混联机器人，天津大学提出了一种重力自平衡装置。
[0003] 专利CN107351124A公开了一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，其由安装在机器人转动支架后部的悬伸支架、两个安装轴座以及连接于悬伸支架与安装轴座之间的两个
气缸组成，其中所述的气缸也为恒压气缸，可保证气缸沿轴向恒定推力的实现，气缸两端分别与悬伸支架和安装轴座通过球铰连接，这种重力平衡装置可以部分平衡掉重力场对电机静态保持力矩的影响。然而，该重力平衡装置所占用的空间较大，在机器人运动过程当中易与机器人自身产生机械干涉。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种占用空间更小，结构更为简单的五自由度混联机器人的重力平衡装置。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是用在由相连接的二自由度转头和动平台，以及前端分别铰接在所述动平台后端面上的第一主动长度调节装置、第二主动长度调节装置、第三主动长度调节装置和从动长度调节装置构成的五自由度混联机器人上，其中，所述第一主动长度调节装置、第二主动长度调节装置和从动长度调节装置的后部分别铰接在转动支架上，所述转动支架的两端分别通过一个第一固定轴座连接在机器人
基座上，所述第三主动长度调节装置位于第一主动长度调节装置、第二主动长度调节装置和从动长度调节装置的下面，且后部铰接在虎克铰上，所述虎克铰的两端分别通过一个第二固定轴座连接在机器人基座上，其特征在于，重力平衡装置包括有对称设置在所述第三主动长度调节装置两侧的能够将第三主动长度调节装置所需承载的
支撑力直接传到机器人基座上的两个气压缸，两个所述气压缸的缸体尾端分别连接在所述第三主动长度调节装置外管的两侧，两个所述气压缸的
活塞杆的前端分别连接在动平台上。
[0006] 所述动平台上在连接所述第三主动长度调节装置的第三球铰的两侧分别设置有一个连接轴座，所述第三主动长度调节装置的外管上设置有气压缸支撑件，所述气压缸支撑件的两端在位于所述第三主动长度调节装置外管的两侧相对称的分别设置有连接座，两个所述气压缸的缸体尾端分别铰接在所对应的连接座上，两个所述气压缸的
活塞杆的前端分别铰接在所对应的连接轴座。
[0007] 两个所述气压缸是能够保证所述气压缸沿轴向实现恒定推力的恒压气压缸。
[0008] 本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，可完全或部分平衡掉机器人自身重力对电机静态保持力矩的影响，实现机器人的重力自平衡，有利于提高这种五自由度混联机器人的静动态特性。本发明具有如下优点：
[0009] 1.所述的五自由度混联机器人重力平衡装置尺寸较小，结构简单，易于安装，在机器人运动过程中不易与机器人自身产生机械干涉，可行性较好。
[0010] 2.所述的五自由度混联机器人重力平衡装置中，恒压气缸两端分别与连接轴座和安装管夹通过球铰连接以保证混联机器人在运动过程当中恒压气缸产生的推力可以有效作用在动平台上，在实际安装使用过程中，可以使用合适的关节
轴承来实现球铰连接，实用性强。
[0011] 3.通过合理设定所述气缸压强可以全部或大部分消除重力场对电机静态保持力矩的影响，重力平衡效果较为显著，极大的提高了该机器人的静动态性能。
附图说明
[0012] 图1是五自由度混联机器人的整体结构示意图；
[0013] 图2是图1的后视图；
[0014] 图3是五自由度混联机器人安装在机器人基座上的结构示意图；
[0015] 图4是五自由度混联机器人重力平衡装置的发明原理图；
[0016] 图5是本发明的五自由度混联机器人的重力平衡装置安装状态的结构示意图。
[0017] 图中
[0018] 1：转动支架2：连接轴座
[0019] 3：缸体4：气压缸支撑件
[0020] 5：机器人基座6：活塞杆
[0021] 7：从动长度调节装置8：第一主动长度调节装置
[0022] 9：第二主动长度调节装置10：第三主动长度调节装置
[0023] 11：第一固定轴座12：第二固定轴座
[0024] 13：第一
伺服电机14：第二伺服电机
[0025] 15：第三伺服电机16：第一球铰
[0026] 17：第二球铰18：第三球铰
[0027] 19：转动副20：第一转动副
[0028] 21：第二转动副22：虎克铰
[0029] 23：动平台24：二自由度转头
[0030] 25：连接座
具体实施方式
[0031] 下面结合
实施例和附图对本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置做出详细说明。
[0032] 本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是用在五自由度混联机器人上。所述的五自由度混联机器人是由相连接的二自由度转头24和动平台23，以及前端分别铰接在所述动平台23后端面上的第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9、第三主动长度调节装置10和从动长度调节装置7构成。其中，所述第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9和从动长度调节装置7的后部分别铰接在转动支架1上，所述转动支架1的两端分别通过一个第一固定轴座11连接在机器人基座5上，所述第三主动长度调节装置10位于第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9和从动长度调节装置7的下面，且后部铰接在虎克铰22上，所述虎克铰22的两端分别通过一个第二固定轴座12连接在机器人基座5上。
[0033] 所述的五自由度混联机器人详细结构如图1、图2、图3所示，由具有一个平动两个转动的三自由度并联机构和与之串接的具有两个转动自由度的二自由度转头24组成，其中并联机构包括三个可沿轴向伸长或缩短的第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9、第三主动长度调节装置10、一个从动长度调节装置7、一个转动支架1、一个机器人基座5。所述的第一主动长度调节装置8，第二主动长度调节装置9一端分别对应通过第一转动副
20和第二转动副21与所述的转动支架1连接，另一端通过由三个转动副组成的第一球铰16和第二球铰17与所述的动平台23连接；所述的第三主动长度调节装置10一端由两个转动副组成的虎克铰22与安装在所述机器人基座5上的两个第二固定轴座12连接，另一端通过由三个转动副组成的第三球铰18与动平台23连接；所述的转动支架1通过转动副与安装在所述机器人基座5上的第一固定轴座11连接。二自由度转头24与动平台23串接。连接转动支架
1与第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9的
转轴轴线，以及连接转动支架1与从动长度调节装置7的转轴轴线彼此平行，且与连接机器人基座5的转轴轴线
正交。所述的第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9、第三主动长度调节装置10在所对应的第一伺服电机13、第二伺服电机14和第三伺服电机15驱动下，可以伸长和缩短，使得所述动平台23可绕第一固定轴座11的轴线转动，可绕连接转动支架1与从动长度调节装置7的转轴轴线转动，及可沿从动长度调节装置7的轴线移动，进而形成一个平动和两个转动自由度。
[0034] 所述五自由度混联机器人采用如图3所示卧式放置时，由于自身重力的影响，使得安装在第三主动长度调节装置10末端的第三伺服电机15所受负载远大于第一伺服电机13和第二伺服电机14所受负载，严重制约了机器人高速特性的实现。
[0035] 如图3、图4所示，所述的五自由度混联机器人的重力平衡装置，包括有对称设置在所述第三主动长度调节装置10两侧的能够将第三主动长度调节装置10所需承载的支撑力直接传到机器人基座5上的两个气压缸，两个所述气压缸是能够保证所述气压缸沿轴向实现恒定推力的恒压气压缸。两个所述气压缸的缸体3尾端分别连接在所述第三主动长度调节装置10外管的两侧，两个所述气压缸的活塞杆6的前端分别连接在动平台23上。保证了五自由度混联机器人在运动过程中恒压气缸3产生的推力可以有效作用在动平台上，即恒压气缸沿轴向产生的推力帮助抵消一部分机器人重力对第三主动长度调节装置10的影响，可有效消除或减少重力场对第三主动长度调节装置10中电机静态保持力矩的影响，实现机器人的重力自平衡。
[0036] 所述动平台23上在连接所述第三主动长度调节装置10的第三球铰18的两侧分别设置有一个连接轴座2，所述第三主动长度调节装置10的外管上设置有气压缸支撑件4，所述气压缸支撑件4的两端在位于所述第三主动长度调节装置10外管的两侧相对称的分别设置有连接座25，两个所述气压缸的缸体3尾端分别铰接在所对应的连接座25上，两个所述气压缸的活塞杆6的前端分别铰接在所对应的连接轴座2。
[0037] 所述的五自由度混联机器人重力平衡装置原理为：如图4、图5所示，若取消重力平衡装置，即F＝0，则F3明显大于F1和F2，所述五自由度混联机器人自身重力基本由第三主动长度调节装置10来承担，五自由度混联机器人此时会有沿转动支架逆
时针转动的趋势(τ)，这势必会使得安装在第三主动长度调节10上的第三伺服电机15的负载过大。当所述重力平衡装置作用在五自由度混联机器人上时，基于静力学分析，可建立包含两个恒压气压缸沿轴向产生的推力F、五自由度混联机器人自身重力G以及第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9和第三主动长度调节装置10中电机静态保持力(F1F2F3)的力平衡方程F1+F2+F3+F＝G，即F3＝G-F1-F2-F，从上式中可以看出施加重力平衡装置后第三主动长度调节装置受五自由度混联机器人自身重力场的影响相较于重力平衡前有显著下降。通过合理设定恒压气压缸的压强以保证推力F，即可实现五自由度混联机器人的重力自平衡，达到全部或基本消除重力场G对第三伺服电机15静态保持力矩影响的目的。
[0038] 尽管上面结合附图对本发明的实例进行了描述计算，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，实际的工程当中可以根据混联机器人不同尺寸改变重力平衡装置的参数，但计算的原理和方法与上述无异，这些均属于本发明的保护范围之内。
