重力平衡装置及机械臂关节的制作方法

本发明涉及机器人，特别是涉及重力平衡装置及机械臂关节。

背景技术：

1、在广泛应用于工业、医疗、科研等领域的串联机械臂关节中，重力平衡装置是一种常见的模块，它能够利用主动驱动机构、配重或弹簧提供的辅助力来平衡机械臂关节连杆的自重，从而减轻机械臂关节驱动电机的负载，提升机械臂关节的安全性。在实际应用中，此类装置中通常需要使用大长径比的弹簧，然而，弹簧在形变过程中容易失稳，装置的可靠性低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有的装置需要使用大长径比的弹簧，然而，弹簧在形变过程中容易失稳，装置的可靠性低的技术问题，提供一种重力平衡装置。

2、一种重力平衡装置，包括主体、平衡绳、弹簧及导向组件；

3、所述主体用于通过俯仰轴与转动臂转动连接；所述平衡绳的一端连接于所述转动臂，另一端连接于所述导向组件，所述导向组件连接于所述主体，且包括内筒和滑动套设于所述内筒的外筒；

4、所述弹簧设于所述内筒外侧和/或所述外筒内侧，且两端分别连接于所述内筒和所述外筒，以在所述平衡绳的拉动下，所述内筒部和所述外筒部相对滑动时沿所述弹簧的延伸方向伸缩，以平衡所述转动臂的重力相对于所述俯仰轴产生的重力矩。

5、在其中一个实施例中，所述外筒和所述内筒的其中一者与所述主体相对固定，将固定于所述主体的定义为静筒部，将相对所述主体滑动的定义为动筒部；

6、所述导向组件还包括调节件，所述调节件连接于所述动筒部，所述平衡绳远离所述转动臂的一端沿所述弹簧的延伸方向延伸，并连接于所述调节件。

7、在其中一个实施例中，所述内筒被配置为所述静筒部时，所述内筒连接于所述主体，所述弹簧两端分别连接于所述内筒和所述外筒的末端，所述调节件连接于所述外筒远离所述内筒的一端。

8、在其中一个实施例中，所述重力平衡装置还包括套接于所述内筒的导向筒，所述导向筒沿所述弹簧的延伸方向滑动连接于所述外筒。

9、在其中一个实施例中，所述外筒被配置为所述静筒部时，所述外筒连接于所述主体，所述内筒和所述外筒滑动连接，且两者之间限定出环状限位腔，所述弹簧位于所述环状限位腔内，所述调节件连接于所述内筒的一端。

10、在其中一个实施例中，所述调节件包括支撑块和张紧块；所述支撑块连接于所述动筒部，所述张紧块连接于所述支撑块，所述平衡绳穿过所述支撑块连接于所述张紧块，所述张紧块能够相对所述支撑块沿所述弹簧的延伸方向移动，以张紧所述平衡绳。

11、在其中一个实施例中，所述调节件还包括转动块，所述转动块绕所述弹簧的延伸方向转动连接于所述支撑块，且所述转动块螺纹连接于所述张紧块，所述张紧块沿所述弹簧的延伸方向滑动连接于所述支撑块，所述转动块被配置为相对所述支撑块转动，以驱动所述张紧块相对所述支撑块沿所述弹簧的延伸方向移动。

12、在其中一个实施例中，所述平衡绳包括两根间隔设置的拉绳，两根所述拉绳的一端均连接于所述转动臂，另一端均沿所述弹簧的延伸方向延伸，并与所述调节件连接。

13、在其中一个实施例中，所述调节件上设有楔形槽，所述楔形槽一相对的两侧槽壁上均设有斜面，所述重力平衡装置还包括相互抵接的两个楔形块，两个所述楔形块容设于所述楔形槽内，且两个所述楔形块相背的一侧分别与两个所述斜面贴合，两根所述拉绳远离所述转动臂的一端沿所述弹簧的延伸方向伸入所述楔形槽内，并分别与两个所述楔形块连接，在所述拉绳伸入所述楔形槽的方向上，两个所述斜面之间的距离逐渐增大，以使两个所述楔形块在对应的所述拉绳的拉动下，能够相对移动。

14、在其中一个实施例中，两根所述拉绳与所述转动臂连接的两个连接位置沿水平方向间隔设置，且在所述俯仰轴的轴向重合。

15、在其中一个实施例中，所述重力平衡装置还包括两个同轴设置的导向轮，两个所述导向轮绕自身轴向转动连接于所述主体远离所述转动臂的一端，两根所述拉绳位于所述转动臂和所述调节件之间的部分区域分别绕设于对应的所述导向轮的轮面上。

16、在其中一个实施例中，两个所述导向轮的径向尺寸不同，且所述导向轮的轴向与所述俯仰轴的轴向垂直，所述重力平衡装置还包括两个连接于所述主体的张紧轮，两个所述张紧轮沿所述导向轮的轴向间隔设置，两根所述拉绳位于所述转动臂和对应的所述导向轮之间的部分区域均穿设于两个所述张紧轮之间的间隙中。

17、在其中一个实施例中，两个所述张紧轮分别为第一张紧轮和第二张紧轮，所述第一张紧轮包括径向尺寸不同的第一轮体和第二轮体，所述第二张紧轮包括径向尺寸不同的第三轮体和第四轮体，所述第三轮体与所述第一轮体之间形成供一所述拉绳穿设的第一通道，所述第四轮体与所述第二轮体之间形成供另一所述拉绳穿设的第二通道，所述第一通道和所述第二通道在所述导向轮的轴向上错开，两个所述拉绳位于对应的所述导向轮和所述张紧轮之间的区域沿所述弹簧的延伸方向延伸。

18、本发明还提供一种机械臂关节，能够解决上述至少一个技术问题。

19、一种机械臂关节，包括转动臂、俯仰轴及上述的重力平衡装置，所述俯仰轴转动连接于所述主体，所述转动臂连接于所述俯仰轴，所述俯仰轴用于驱动所述转动臂转动。

20、有益效果：

21、本发明提供的重力平衡装置，包括主体、平衡绳、弹簧及导向组件；主体用于通过俯仰轴与转动臂转动连接；平衡绳的一端连接于转动臂，另一端连接于导向组件，导向组件连接于主体，且包括内筒和滑动套设于内筒的外筒；弹簧设于内筒外侧和/或外筒内侧，且两端分别连接于内筒和外筒，以在平衡绳的拉动下，内筒和外筒相对滑动时沿弹簧的延伸方向伸缩，以平衡转动臂的重力相对于俯仰轴产生的重力矩。本申请中在平衡绳的拉动下，内筒和外筒相对滑动时，由于弹簧的两端分别连接于内筒和外筒，使得弹簧能够伸缩，而弹簧设于内筒外侧和/或内筒内侧，使得内筒和外筒能够对弹簧的部分内侧和外侧起到一定的支撑作用，从而能够控制弹簧形变过程中的失稳状态，保证弹簧末端沿弹簧的延伸方向稳定的运动，从而能够对拉绳起到稳定的反向拉力，以提供稳定的辅助力来平衡转动臂的重力相对于俯仰轴产生的重力矩，提高装置的可靠性。

22、本发明实施例提供的机械臂关节，包括转动臂、俯仰轴及上述的重力平衡装置，俯仰轴转动连接于主体，转动臂连接于俯仰轴，俯仰轴用于驱动转动臂转动。该机械臂关节能够实现上述至少一个技术效果。

技术特征：

1.一种重力平衡装置，其特征在于，包括主体(100)、平衡绳(200)、弹簧(310)及导向组件(400)；

2.根据权利要求1所述的重力平衡装置，其特征在于，所述外筒(421)和所述内筒(411)的其中一者与所述主体(100)相对固定，将固定于所述主体(100)的定义为静筒部，将相对所述主体(100)滑动的定义为动筒部；

3.根据权利要求2所述的重力平衡装置，其特征在于，所述内筒(411)被配置为所述静筒部时，所述内筒(411)连接于所述主体(100)，所述弹簧(310)两端分别连接于所述内筒(411)和所述外筒(421)的末端，所述调节件(500)连接于所述外筒(421)远离所述内筒(411)的一端。

4.根据权利要求3所述的重力平衡装置，其特征在于，所述重力平衡装置还包括套接于所述内筒(411)的导向筒(412)，所述导向筒(412)沿所述弹簧(310)的延伸方向滑动连接于所述外筒(421)。

5.根据权利要求2所述的重力平衡装置，其特征在于，所述外筒(421)被配置为所述静筒部时，所述外筒(421)连接于所述主体(100)，所述内筒(411)和所述外筒(421)滑动连接，且两者之间限定出环状限位腔，所述弹簧(310)位于所述环状限位腔内，所述调节件(500)连接于所述内筒的一端。

6.根据权利要求2-5任一项所述的重力平衡装置，其特征在于，所述调节件(500)包括支撑块(510)和张紧块(520)；所述支撑块(510)连接于所述动筒部，所述张紧块(520)连接于所述支撑块(510)，所述平衡绳(200)穿过所述支撑块(510)连接于所述张紧块(520)，所述张紧块(520)能够相对所述支撑块(510)沿所述弹簧(310)的延伸方向移动，以张紧所述平衡绳(200)。

7.根据权利要求6所述的重力平衡装置，其特征在于，所述调节件(500)还包括转动块(530)，所述转动块(530)绕所述弹簧(310)的延伸方向转动连接于所述支撑块(510)，且所述转动块(530)螺纹连接于所述张紧块(520)，所述张紧块(520)沿所述弹簧(310)的延伸方向滑动连接于所述支撑块(510)，所述转动块(530)被配置为相对所述支撑块(510)转动，以驱动所述张紧块(520)相对所述支撑块(510)沿所述弹簧(310)的延伸方向移动。

8.根据权利要求2-5任一项所述的重力平衡装置，其特征在于，所述平衡绳(200)包括两根间隔设置的拉绳，两根所述拉绳的一端均连接于所述转动臂(330)，另一端均沿所述弹簧(310)的延伸方向延伸，并与所述调节件(500)连接。

9.根据权利要求8所述的重力平衡装置，其特征在于，所述调节件(500)上设有楔形槽(523)，所述楔形槽(523)一相对的两侧槽壁上均设有斜面(524)，所述重力平衡装置还包括相互抵接的两个楔形块(550)，两个所述楔形块(550)容设于所述楔形槽(523)内，且两个所述楔形块(550)相背的一侧分别与两个所述斜面(524)贴合，两根所述拉绳远离所述转动臂(330)的一端沿所述弹簧(310)的延伸方向伸入所述楔形槽(523)内，并分别与两个所述楔形块(550)连接，在所述拉绳伸入所述楔形槽(523)的方向上，两个所述斜面(524)之间的距离逐渐增大，以使两个所述楔形块(550)在对应的所述拉绳的拉动下，能够相对移动。

10.根据权利要求8所述的重力平衡装置，其特征在于，两根所述拉绳与所述转动臂(330)连接的两个连接位置沿水平方向间隔设置，且在所述俯仰轴(320)的轴向重合。

11.根据权利要求10所述的重力平衡装置，其特征在于，所述重力平衡装置还包括两个同轴设置的导向轮(600)，两个所述导向轮(600)绕自身轴向转动连接于所述主体(100)远离所述转动臂(330)的一端，两根所述拉绳位于所述转动臂(330)和所述调节件(500)之间的部分区域分别绕设于对应的所述导向轮(600)的轮面上。

12.根据权利要求11所述的重力平衡装置，其特征在于，两个所述导向轮(600)的径向尺寸不同，且所述导向轮(600)的轴向与所述俯仰轴(320)的轴向垂直，所述重力平衡装置还包括两个连接于所述主体(100)的张紧轮，两个所述张紧轮沿所述导向轮(600)的轴向间隔设置，两根所述拉绳位于所述转动臂(330)和对应的所述导向轮(600)之间的部分区域均穿设于两个所述张紧轮之间的间隙中。

13.根据权利要求12所述的重力平衡装置，其特征在于，两个所述张紧轮分别为第一张紧轮(710)和第二张紧轮(720)，所述第一张紧轮(710)包括径向尺寸不同的第一轮体(711)和第二轮体(712)，所述第二张紧轮(720)包括径向尺寸不同的第三轮体(721)和第四轮体(722)，所述第三轮体(721)与所述第一轮体(711)之间形成供一所述拉绳穿设的第一通道(730)，所述第四轮体(722)与所述第二轮体(712)之间形成供另一所述拉绳穿设的第二通道(740)，所述第一通道(730)和所述第二通道(740)在所述导向轮(600)的轴向上错开，两个所述拉绳位于对应的所述导向轮(600)和所述张紧轮之间的区域沿所述弹簧(310)的延伸方向延伸。

14.一种机械臂关节，其特征在于，包括转动臂(330)、俯仰轴(320)及如权利要求1-13中任一项所述的重力平衡装置，所述俯仰轴(320)转动连接于所述主体(100)，所述转动臂(330)连接于所述俯仰轴(320)，所述俯仰轴(320)用于驱动所述转动臂(330)转动。

技术总结
本发明涉及一种重力平衡装置及机械臂关节。装置包括主体、平衡绳、弹簧及导向组件；主体用于通过俯仰轴与转动臂转动连接；平衡绳的一端连接于转动臂，另一端连接于导向组件，导向组件连接于主体，且包括内筒和滑动套设于内筒的外筒；弹簧设于内筒外侧和/或外筒内侧，且两端分别连接于内筒和外筒，以在平衡绳的拉动下，内筒和外筒相对滑动时沿弹簧的延伸方向伸缩。在平衡绳的拉动下内筒和外筒相对滑动时，弹簧能够伸缩，而弹簧设于内筒外侧和/或外筒内侧，使得内筒和外筒能够对弹簧的部分内侧和外侧起到一定的支撑作用，从而能够控制弹簧形变过程中的失稳状态，保证弹簧末端沿弹簧的延伸方向稳定的运动，提高装置的可靠性。

技术研发人员：宋雨桐,谢强,刘欢,周圆圆,朱龙泉,薛虎
受保护的技术使用者：武汉联影智融医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4