本技术提出一种用于机械臂的重力平衡装置,安装于机械臂基座上,是用于平衡机械臂自身重力的机械结构,旨在解决现有机械臂在运动中因重力作用导致的能耗增加、精度降低等问题,同时安装在基座上可显著降低机械臂的转动惯量。该机械臂重力平衡机械结构由传动机构、固定机构和平衡机构组成。传动机构用于将机械臂关节轴的转动传导至位于基座的平衡机构上。固定机构用于将重力平衡装置固定在基座上。平衡机构可根据机械臂关节角度,产生完全等同于机械臂重力矩的扭矩。本发明具有结构简单、安装方便、精度高等优点,可广泛应用于工业自动化、机器人技术等领域。
背景技术
机械臂作为工业自动化和机器人技术领域的核心设备,广泛应用于物料搬运、装配、加工等各个领域,有效提升了生产效率和质量。然而机械臂运行时,由于其本身较大的质量与灵活的姿态,使各关节轴处产生了非恒定的重力矩。这些力矩即会消耗掉相当程度的关节电机负载能力,增加机械臂的能耗;又会对机械臂运行过程的精度和稳定性产生负面影响,使得机械臂难以达到预期的精度要求。因此在机械臂设计过程中,必须考虑加入重力平衡装置来抵消关节轴处的重力矩,减小关节电机的负载,降低机械臂能耗,加快响应速度,提高控制精度和稳定性。
为了解决上述问题,研究人员对机械臂重力平衡技术进行了深入研究。目前,已经存在一些重力平衡的方法和技术,但每种方法都有其局限性和不足之处。
例如,传统的配重法通过在机械臂关节轴另一端添加适当的配重块来平衡机械臂本身的重力矩,只需令转轴两侧的质量与质心到转轴距离乘积相等,即可平衡掉机械臂自身的重力矩。该方法设计简单,成本低廉,但是配重块自身会加大机械臂本身的质量与转动惯量,影响到机械臂的灵敏性。较大的质量与转动惯量也会在意外事件中对人体产生更大的伤害。
弹簧法也是一种常见的平衡方法,通过弹簧弹力来抵消机械臂的重力,实现平衡效果,根据弹簧两端固定的位置以及连接方式的不同,弹簧法还可发展出许多变种。这种方法不会改变机械臂的质量与转动惯量,不会降低其灵敏性与安全性。但是平衡装置需要巧妙的结构设计,弹簧的刚度和预紧力也需进行精确计算,以适应不同尺寸、重量的机械臂。
此外还有一些基于传感器和算法的的先进重力平衡技术,如力反馈控制、主动平衡系统等。这些技术通过实时检测机械臂的运动状态和负载变化,利用算法计算并调整平衡机构的输出力,以实现动态平衡。例如通过传感器测量出机械臂转动角度,计算得出此状态下转轴处的重力矩具体数值,通过电机提供补偿扭矩T。然而,这些技术通常需要复杂的控制系统和精确的算法支持,对技术和成本要求较高。
实现思路