[发明专利]一种机械臂的重力平衡装置

说明书

本发明公开了一种机械臂的重力平衡装置，包括第一臂、第二臂、涡卷弹簧、第一柱体和第二柱体；第二臂可相对第一臂转动；涡卷弹簧的最内侧具有内端，最外侧具有外端；第一柱体用于固定内端，第二柱体用于固定外端；第一柱体随第一臂和第二臂中的一个运动，第二柱体随另一个运动，第一柱体与第二臂绕第一臂转动的转轴同轴。本发明采用了非接触式平面涡卷弹簧的设计，其结构简单，通过弹簧内外端同整个机构相连接，寿命长、可靠性极高、能直接输出线性扭矩，可以完美匹配活动臂旋转过程中由其本身重量所产生的扭矩，降低马达的负载。此外，采用两组弹簧反向设置的平衡装置可以实现活动臂180度的旋转需求，极大的增加了机械臂的活动范围。

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种机械臂的重力平衡装置。

背景技术

机械臂是一种常用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域具有广泛应用。机械臂通常具有多个自由度，能够精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。在机械臂的活动过程中，关节处的活动臂绕转轴旋转是机械臂最基本的运动之一。在这个运动中，由于受到活动臂的重力影响，转轴会承受很大的扭矩，当活动臂要回到初始位置时，马达需要额外做功克服活动臂的重力力矩，这不仅需要更多的能量，还增加了马达的负载，加速损耗。因此在机械臂的活动关节处通常会设置平衡装置来抵消活动臂的重力作用。

一般使用的机械臂的重力平衡装置有拉伸式钢丝弹簧、扭转式钢丝弹簧、液压缸/气动缸或者配重平衡这四种平衡方法。拉伸式钢丝弹簧和扭转式钢丝弹簧都是将一端与活动臂相连接，另一端与固定部连接，当活动臂转动时，弹簧被拉伸或扭转压缩，进而储存弹性势能，当活动臂复位时，弹簧释放势能起到平衡活动臂重力的作用。液压缸/气动缸在使用时则是一端与活动臂相连接，另一端与固定部连接，当活动臂转动时会对其压缩，使内部的高压液体或气体排出液压泵或气压泵，当活动臂复位时高压的液压油或气体推动液压缸/气动缸对活动臂支撑，起到平衡重力的作用。配重平衡则是利用杠杆原理，在活动臂转轴的另一侧配置与活动臂等同重量的配重块，使活动臂在转动过程中始终处于重力平衡的状态。

以上四种平衡方法都可以起到平衡活动臂重力的作用，但是在实际应用中还是有各自的缺陷。拉伸式钢丝弹簧的整体寿命偏低，且对活动臂的输出扭矩为非线性的，不利于实际应用；扭转式钢丝弹簧的有效负载较低，只能使用在活动臂重量轻的载荷条件，应用范围太窄；液压缸/气动缸的结构较为复杂，且前期投入和后期维护的成本很高；配重平衡机构由于增加了配重块，使得系统的整体重量增加，从而增加了能耗，系统的整体运行成本较高，且对整个机构有更高的强度要求。

因此，针对以上技术的缺陷，本领域技术人员希望能够得到一种机械臂的重力平衡装置，其具有较高的使用寿命，整体平衡装置的前期投入和后期维护成本较低，且整个装置具有较高的可靠性。

发明内容

有鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是开发一种新的机械臂重力平衡装置，使得在有较高使用寿命的同时还具有较高的可靠性，整体平衡装置的前期投入和后期维护成本较低。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械臂的重力平衡装置，具体地，本发明提供的技术方案如下：

一种机械臂的重力平衡装置，机械臂包括第一臂和第二臂，第二臂可相对第一臂转动；重力平衡装置包括涡卷弹簧、第一柱体和第二柱体，涡卷弹簧的最内侧具有内端，最外侧具有外端；第一柱体用于固定内端，第二柱体用于固定外端；第一柱体随第一臂和第二臂中的一个运动，第二柱体随第一臂和第二臂中的另一个运动，第一柱体与第二臂绕第一臂转动的转轴同轴。

优选地，涡卷弹簧为两组，两组涡卷弹簧以相反的弯曲方向固定在第一柱体和第二柱体上，使得两组涡卷弹簧对第二臂产生的扭矩方向相反。

优选地，两组涡卷弹簧交替设置。

优选地，两组涡卷弹簧分布在第一臂的同一侧或相对的两侧。