本发明提供了一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，包括外壳、内固定板、外固定板、工字梁、固定轴、辅助固定轴、螺栓、第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧、输入主轴，其中：工字梁、内固定板、外固定板、外壳组成平衡装置的外部结构；固定轴、辅助固定轴和螺栓组成锁止机构。在初始安装位置，两个蜗卷弹簧的外侧挂钩被锁止机构固定、内侧挂钩紧贴输入主轴环形凹槽的径向端面。本发明通过两个参数完全相同、安装绕向相反的蜗卷弹簧为工业机器人关节提供双向平衡力矩；其结构简单，安装维护方便，成本较低，有着极强的实用性和广泛的适用性。
1.一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，包括外壳、内固定板、外固定板、工字梁、固定轴、辅助固定轴、螺栓、第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧、输入主轴，其中：外壳与内固定板连接，外固定板与外壳连接，工字梁的一端与内固定板连接、另一端与机器人肩关节连接，固定轴和辅助固定轴连接安装于内固定板、外固定板之间，固定轴与辅助固定轴通过螺栓锁紧，内固定板、工字梁、外壳、外固定板组成所述平衡装置的外部结构，用以支撑固定轴和辅助固定轴；第一、第二蜗卷弹簧上均设置有内侧挂钩和外侧挂钩，输入主轴上设置有内侧环形凹槽和外侧环形凹槽，第一蜗卷弹簧的内侧挂钩紧贴输入主轴的内侧环形凹槽径向端面、外侧挂钩与第一固定轴贴合，第二蜗卷弹簧的内侧挂钩紧贴输入主轴的外侧环形凹槽径向端面、外侧挂钩与第二固定轴贴合，所述固定轴、辅助固定轴和螺栓组成锁止机构，固定轴充当第一、第二蜗卷弹簧的固定端，辅助固定轴和螺栓对固定轴起锁止作用。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述固定轴有两个，分别为第一、第二固定轴；所述辅助固定轴也有两个，分别为第一、第二辅助固定轴；其中：在所述第一固定轴与第一辅助固定轴相应位置设置有通孔，螺栓分别穿过第一固定轴与第一辅助固定轴上的通孔并锁紧；
在所述第二固定轴与第二辅助固定轴相应位置设置有通孔，螺栓分别穿过第二固定轴与第二辅助固定轴上的通孔并锁紧。
3.根据权利要求2所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述螺栓配合螺母实现第一固定轴与第一辅助固定轴、第二固定轴与第二辅助固定轴的锁紧。
4.根据权利要求2所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述第一固定轴与内固定板销孔连接，所述第一固定轴与外固定板销孔连接；所述第二固定轴与内固定板销孔连接，所述第二固定轴与外固定板销孔连接；所述第一辅助固定轴与内固定板销孔连接，所述第一辅助固定轴与外固定板销孔连接；所述第二辅助固定轴与内固定板销孔连接，所述第二辅助固定轴与外固定板销孔连接；该八处连接均为过渡配合。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述输入主轴的一端直接与机器人关节轴外壁相连，且所述输入主轴轴线与机器人关节轴线重合；所述输入主轴的另一端深入所述平衡装置内部，并与第一蜗卷弹簧和第二蜗卷弹簧的内侧挂钩均相连。
6.根据权利要求1所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述内侧、外侧环形凹槽沿输入主轴的轴向间隔分布，并对称分布于输入主轴中心平面的两侧。
7.根据权利要求6所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述内侧、外侧环形凹槽均为具有一夹角的环形凹槽；所述内侧、外侧环形凹槽的夹角根据工业机器人关节轴的设计极限转角确定。
8.根据权利要求6所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述内侧环形凹槽的宽度大于第一蜗卷弹簧的宽度，所述外侧环形凹槽的宽度大于第二蜗卷弹簧的宽度，所述内侧环形凹槽的内环半径小于第一蜗卷弹簧内侧挂钩至输入主轴轴心的距离，所述外侧环形凹槽的内环半径小于第二蜗卷弹簧内侧挂钩至输入主轴轴心的距离。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，所述第一蜗卷弹簧与第二蜗卷弹簧初始位置均无形变，不产生平衡力矩；所述第一蜗卷弹簧与第二蜗卷弹簧安装绕向相反、参数完全相同，为工业机器人关节提供双向平衡力矩。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，其特征在于，在所述第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧之间还设置有隔板，以保证第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧互不接触。
一种工业机器人储能节能型重力平衡装置
技术领域
[0001] 本发明涉及工业机器人技术领域的一种重力平衡装置，具体地，涉及一种工业机器人储能节能型重力平衡装置。
背景技术
[0002] 工业机器人执行作业过程中存在这样的问题：由于关节型机器人的手臂重心一般不通过关节轴线，因而对机身产生了负载力矩，伴随着运动参数的变化，整机的动态性能也会随之受到影响。而工业机器人平衡装置则可以有效地减小关节负载力矩。尤其是对于进行重载码垛和装配作业的工业机器人，平衡装置不仅可以有效减小负载力矩、防止过载，而且对电机、减速器的保护效果尤为明显。
[0003] 传统的工业机器人重力平衡装置大多采用拉伸弹簧式或者气缸式装置，目前市面的工业机器人厂商也大多采用这两种形式。拉伸弹簧平衡方式具有结构简单、重量轻等优点，但占用空间较大，而且需要预紧安装，安装和拆卸都需要专门的工具。气缸式平衡方式多采用压缩空气的原理，这容易导致平衡缸温度过高而引起气体泄漏，对密封、安装和检修有较高要求。
[0004] 通过查询相关专利，例如公开号为CN1033253A，发明名称为“工业机器人的平衡机构”的发明中，利用拉伸弹簧和链条组合作为工业机器人大臂平衡装置的设计巧妙，但是机构占用体积较大，链条传动配合不紧凑。又例如公开号为CN102161206A，发明名称为“一种机器人平衡器联接结构及其装配方法”的发明中，利用横向布置的拉伸弹簧作为大臂平衡装置的设计解决的占用空间的问题，但是结构复杂，装配困难。
发明内容
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，该装置能够优化工业机器人的动态性能、提高机器人系统的稳定性，具有安装简单、维护方便和平衡效果优越的特点。
[0006] 为实现以上目的，本发明提供一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，包括外壳、内固定板、外固定板、工字梁、固定轴、辅助固定轴、螺栓、第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧、输入主轴，其中：外壳与内固定板连接，外固定板与外壳连接，工字梁的一端与内固定板连接、另一端与机器人肩关节连接，固定轴和辅助固定轴连接安装于内固定板、外固定板之间，固定轴与辅助固定轴通过螺栓锁紧，内固定板、工字梁、外壳、外固定板组成所述平衡装置的外部结构，用以支撑固定轴和辅助固定轴；第一、第二蜗卷弹簧上均设置有内侧挂钩和外侧挂钩，输入主轴上设置有内侧环形凹槽和外侧环形凹槽，第一蜗卷弹簧的内侧挂钩紧贴输入主轴的内侧环形凹槽径向端面、外侧挂钩与第一固定轴贴合，第二蜗卷弹簧的内侧挂钩紧贴输入主轴的外侧环形凹槽径向端面、外侧挂钩与第二固定轴贴合，所述固定轴、辅助固定轴和螺栓组成锁止机构，固定轴充当第一、第二蜗卷弹簧的固定端，辅助固定轴和螺栓对固定轴起锁止作用。
[0007] 优选地，所述固定轴有两个，分别为第一、第二固定轴；所述辅助固定轴也有两个，分别为第一、第二辅助固定轴；其中：
[0008] 在所述第一固定轴与第一辅助固定轴相应位置设置有通孔，螺栓分别穿过第一固定轴与第一辅助固定轴上的通孔并锁紧；
[0009] 在所述第二固定轴与第二辅助固定轴相应位置设置有通孔，螺栓分别穿过第二固定轴与第二辅助固定轴上的通孔并锁紧。
[0010] 更优选地，所述螺栓配合螺母实现第一固定轴与第一辅助固定轴、第二固定轴与第二辅助固定轴的锁紧；所述螺栓采用六角头螺栓，所述螺母采用六角螺母。
[0011] 优选地，所述第一、第二固定轴与内、外固定板的销孔连接和所述第一、第二辅助固定轴与内、外固定板的销孔连接均为过渡配合。
[0012] 优选地，所述输入主轴的一端直接与机器人关节轴外壁相连，且所述输入主轴轴线与机器人关节轴线重合；所述输入主轴的另一端深入所述平衡装置内部，并与第一蜗卷弹簧和第二蜗卷弹簧的内侧挂钩均相连。
[0013] 优选地，所述内侧、外侧环形凹槽沿输入主轴的轴向间隔分布，并对称分布于输入主轴中心平面的两侧。
[0014] 更优选地，所述内侧、外侧环形凹槽均为具有一夹角的环形凹槽；所述内侧、外侧环形凹槽的夹角根据工业机器人关节轴的设计极限转角确定。
[0015] 更优选地，所述内侧、外侧环形凹槽的宽度大于第一、第二蜗卷弹簧的宽度，所述内侧、外侧环形凹槽的内环半径小于第一、第二蜗卷弹簧内侧挂钩至轴心的距离。
[0016] 优选地，所述第一蜗卷弹簧与第二蜗卷弹簧初始位置均无形变，不产生平衡力矩；所述第一蜗卷弹簧与第二蜗卷弹簧安装绕向相反、参数完全相同，其刚度、宽度和圈数性能参数根据实际工程需要而确定。所述第一蜗卷弹簧与第二蜗卷弹簧为工业机器人关节提供双向平衡力矩。
[0017] 优选地，在所述第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧之间还设置有隔板，以保证第一蜗卷弹簧、第二蜗卷弹簧互不接触。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0019] 本发明所述的一种工业机器人储能节能型重力平衡装置，通过两个参数完全相同、安装绕向相反的蜗卷弹簧为工业机器人关节提供双向平衡力矩；同时，依靠内部两个锁止机构和外部壳体结构的支撑，将蜗卷弹簧的反作用力矩巧妙地卸载到机器人肩关节上。本发明的结构设计可以单独设计成一个可拆卸的平衡装置组件，也可以与工业机器人的肩关节做成一体化设计。本发明安装方便，机械结构简单，维护十分轻松，且成本不高，适合规模化生产，可以广泛应用于工业机器人和自动化生产设备领域，有着极强的实用性。
附图说明
[0020] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0021] 图1为本发明一较优实施例的内部机械结构示意图；
[0022] 图2为本发明一较优实施例的取下外固定板后前视图；
[0023] 图3为本发明一较优实施例的蜗卷弹簧结构示意图；
[0024] 图4为本发明一较优实施例的输入主轴结构示意图；
[0025] 图5为本发明在码垛机器人上的安装示意图；
[0026] 图中：重力平衡装置100，内固定板1，工字梁2，第一蜗卷弹簧3，外壳4，固定轴5，螺栓6，辅助固定轴7，输入主轴8，第二蜗卷弹簧9，外固定板10，固定轴孔11，隔板12。
具体实施方式
[0027] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0028] 如图1所示，本发明一较优实施例的工业机器人储能节能型重力平衡装置，该重力平衡装置100安装于机器人肩关节处，用以平衡肩关节轴所受到的负载力矩(如图5所示)。
[0029] 本实施例所述重力平衡装置包括：内固定板1、工字梁2、第一蜗卷弹簧3、外壳4、固定轴5、螺栓6、辅助固定轴7、输入主轴8、第二蜗卷弹簧9、外固定板10、固定轴孔11和隔板12，其部件结构如图2至图4所示。上述部件之间的连接关系如下：
[0030] 工字梁2的一端与机器人肩关节通过螺栓连接，另一端与内固定板1通过螺栓连接；外壳4与内固定板1通过螺栓连接；输入主轴8与工业机器人大臂通过螺栓连接；固定轴5有上下两个，其与内固定板1、外固定板10均通过销孔连接；辅助固定轴7也有上下两个，其与内固定板1、外固定板10均通过销孔连接；螺栓6穿过上方固定轴5与上方辅助固定轴7、下方固定轴5与下方辅助固定轴7上设置的通孔并用螺母锁紧，其不仅可以夹第一紧蜗卷弹簧3的外侧挂钩，还可以防止上、下方固定轴5发生转动；第一蜗卷弹簧3、第二蜗卷弹簧9上均设置有内侧挂钩和外侧挂钩，输入主轴8上设置有内侧环形凹槽和外侧环形凹槽，第一蜗卷弹簧3的内侧挂钩与输入主轴8的内侧环形凹槽径向端面贴合、外侧挂钩与上方固定轴5贴合；第二蜗卷弹簧9的连接关系与第一蜗卷弹簧3类似，即第二蜗卷弹簧9的内侧挂钩紧贴输入主轴8的外侧环形凹槽径向端面、外侧挂钩与下方固定轴5贴合；在第一、第二蜗卷弹簧3、
9之间还设置有隔板12以保证第一、第二蜗卷弹簧3、9互不接触；外固定板10与外壳4通过螺栓连接，并固定上、下方固定轴5和辅助固定轴7的空间位置。
[0031] 本实施例中，所述的内固定板1、工字梁2、外壳4、外固定板10组成所述平衡装置的外部结构，用以支撑固定轴5和辅助固定轴7；所述的固定轴5、辅助固定轴7和螺栓6组成锁止机构，固定轴5充当第一、第二蜗卷弹簧3、9的固定端，辅助固定轴7和螺栓6对固定轴5起锁止作用。
[0032] 本实施例中，所述的固定轴5与内固定板1、外固定板10的销孔连接均采用过渡配合。
[0033] 本实施例中，所述的辅助固定轴7与内固定板1、外固定板10的销孔连接均采用过渡配合。
[0034] 本实施例中，所述的输入主轴8与工业机器人大臂的螺栓连接孔、肩关节RV减速器的输出螺栓孔孔位一致。
[0035] 本实施例中，所述的内侧、外侧环形凹槽沿输入主轴8轴向间隔分布，并对称分布于输入主轴8中心平面的两侧。
[0036] 本实施例中，所述的内侧、外侧环形凹槽均为具有一夹角的环形凹槽，所述夹角根据关节轴极限转角确定；所述的内侧、外侧环形凹槽宽度大于第一、第二蜗卷弹簧3、9的宽度，所述的内侧、外侧环形凹槽的内环半径小于第一、第二蜗卷弹簧3、9内侧挂钩至输入主轴8轴心的距离。
[0037] 本实施例中，所述的第一、第二蜗卷弹簧3、9的刚度、宽度和圈数性能参数根据实际工程需要而确定。
[0038] 本实施例所述重力平衡装置各部件的安装顺序为：
[0039] 步骤1、将输入主轴8通过螺栓安装在大臂关节轴线上；
[0040] 步骤2、将工字梁2通过螺栓安装在工业机器人肩关节上；
[0041] 步骤3、将内固定板1通过螺栓与工字梁2连接，并将输入主轴8穿入其安装孔内；
[0042] 步骤4、将外壳4安装在内固定板1上；
[0043] 步骤5、将第一蜗卷弹簧3的内挂钩插入输入主轴8的端面细槽中，并将内侧挂钩贴紧环形凹槽的径向端面，再用上方固定轴5插入第一蜗卷弹簧3的外侧挂钩，然后插入内固定板1的固定轴孔11中；
[0044] 步骤6、将上方辅助固定轴7插入固定轴孔11左侧的孔中，并将螺栓同时穿过上方辅助固定轴7和上方固定轴5的通孔中，用螺母在另一端拧上(但不需要拧紧，在后续安装完成后再拧紧和调节)；
[0045] 步骤7、在第一蜗卷弹簧3安装完成后，将隔板12中心设置的孔套入输入主轴8，同时将隔板12上、下两端设置的孔分别套入上、下方固定轴5，并与第一蜗卷弹簧3保持较小距离，保证第一蜗卷弹簧3与第二蜗卷弹簧9互不接触；
[0046] 步骤8、第二蜗卷弹簧9的安装方法与步骤6类似，只需注意其安装绕向要与第一蜗卷弹簧的安装绕向相反；
[0047] 步骤9、将外固定板10通过螺栓安装在外壳4上，并保证上下方两组固定轴5和辅助固定轴7都插入外固定板10上的固定孔内；
[0048] 步骤10、将步骤6和步骤8中未拧紧的两个螺母拧紧。
[0049] 本发明的重力平衡功能通过以下过程实现：
[0050] 通过两个蜗卷弹簧(即第一、第二蜗卷弹簧3、9)产生双向平衡力矩；同时，依靠由固定轴5、辅助固定轴7、螺栓6组成的两个锁止机构分别固定住第一、第二蜗卷弹簧3、9的外侧挂钩，确保在输入主轴8转动时，第一、第二蜗卷弹簧3、9的外侧挂钩保持锁止，从而使其中一个蜗卷弹簧产生变形而输出平衡力矩。在工作过程中，参照图5的机器人示意图，当机器人大臂逆时针转动时，大臂带动输入主轴8同步转动，这时第一蜗卷弹簧3被输入主轴8带动开始形变，将重力势能转化为弹性势能；而此时，第二蜗卷弹簧9由于输入主轴8上环形凹槽产生的空行程而失效；当机器人大臂逆时针转动达到极限角度时，重力平衡装置的平衡力矩达到最大；当机器人大臂从逆时针极限位置返回零位时，第一蜗卷弹簧3将弹性势能又逐渐释放出来，帮助机械臂返回零位；返回零位后，第二蜗卷弹簧9的内侧挂钩重新贴合在输入主轴8的环形凹槽端面上。机器人大臂顺时针转动时的工作原理类似，这时第二蜗卷弹簧9将起作用，而第一蜗卷弹簧3将失效。
[0051] 本发明所述重力平衡装置安装方便、机械结构简单、维护十分轻松，且成本不高，适合规模化生产，可用于工业机器人、自动化设备等领域，例如码垛机器人、焊接机器人、喷涂机器人的输出关节部位，能够减小动力和传动元件的负载，优化自动化设备的动力性能，有着极强的实用性。本发明的结构设计可以单独设计成一个可拆卸的平衡装置组件，也可以与工业机器人的肩关节做成一体化设计。
[0052] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
