(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111544952.6 (22)申请日 2021.12.16 (71)申请人 伯朗特机 器人股份有限公司 地址 523791 广东省东莞 市大朗镇沙步村 沙富路83号 (72)发明人 程群超　王刻强　周文　覃锦　 (74)专利代理 机构 广州骏思知识产权代理有限 公司 44425 代理人 龙婷 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关 节的选型方法 (57)摘要 本发明涉及一种工业机器人的弹簧式平衡 缸及二轴关节的选型方法。 本发 明所述的一种工 业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方 法包括： 根据T1、 T2、 Tf、 T0max、 T和i得到所述二轴 关节中电机的正常启停转矩率η1和匀速运动负 载率η2， 根据所述电机和减速机的型号参数和 η1与η2设置所述二轴关节中电机和减速机的 选型约束条件。 本发明具有降低装配难度、 优化 二轴关节部位的优点。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 114218708 A 2022.03.22 CN 114218708 A 1.一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法， 其特征在于， 所述方法包 括： 步骤S1、 将工业机器人的结构简化为二维模型， 其中， 弹簧式平衡缸的支点为A， 弹簧式 平衡缸与大臂连接点的回转中心为B， 二轴关节回转轴线为C， 大臂上三轴回转轴线为D， 设 AC长度为l1， BC长度为l2； 步骤S2、 确定工业机器人的设计参数和结构参数， 所述设计参数包括所述二轴关节 的 设定运行角度 θ、 加减速时间t和二轴关节 转速n， 所述结构参数包括二轴关节前端负载的重 量m、 最大转动惯量J， 和其重心相对二轴关节回转轴线最远距离l0； 步骤S3、 根据所述设计参数和结构参数， 计算得到二轴关节前端负载正常启停所需最 大转矩T1、 所述二轴关节运行任意角度所承受的重力矩T2和弹簧式平衡缸在所述二轴关节 运行角度范围内所提供的最大平衡力矩T0max； 步骤S4、 获取待选电机和 减速机的型号参数， 所述电机和减速机的总摩擦力矩为Tf， 所 述电机的型号参数包括额定转矩T、 额定转速ne、 最大转速n电机max和转动惯量j， 所述减速机 的型号参数包括减速比i、 容许最高输出转速n'max、 起停容许峰值转矩Te'、 瞬间容许最大转 矩T'max； 步骤S5、 根据T1、 T2、 Tf、 T0max、 T和i得到所述二轴关节中电机的正常启停转矩率 η1和匀速 运动负载率η2， 根据所述电机和减速机的型号参数和 η1与 η2设置所述二轴关节中电机和减 速机的选型约束条件； 步骤S6、 根据所述选型约束条件， 从待选的电机和减速机中选取得到一组或多组符合 所述选型约束条件的电机与减速 机组合； 步骤S7、 确定所述弹簧式平衡缸中弹簧的约束条件， 根据所述弹簧的约束条件和二轴 关节运行角度范围内所提供的平衡力矩T0求得弹簧式平衡缸的参数变量l1、 l2、 弹簧刚度k0 和弹簧预压缩量x0的取值区间； 步骤S8、 将运行角度 范围内电机正常启停转矩率的斜率绝对值之和作为电机启停转矩 率波动的特征， 在所述取值区间中选取多组所述参数变量的数值， 计算每一组所述电机和 减速机组合分别 在不同所述参数变量取值条件下， 运行角度范围内电机正常启停转矩率的 斜率的绝对值之和， 输出所述绝对值之和在最小值的情况下， 所述电机和减速机的型号和 所述变量 参数的取值。 2.根据权利要求1所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法， 其 特征在于： 在步骤S1中， BC垂直于 CD。 3.根据权利要求1所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法， 其 特征在于： 在步骤S2中， 所述θ角度范围为θ∈[+a, ‑b]， 当θ 为 零时， 所述AB平行于地 面。 4.根据权利要求1 ‑3任一权利要求所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选 型方法， 其特征在于： 在步骤S3中， 所述二轴关节前端负载正常启停所需最大转矩为T1＝ J·2 πn/t， 所述二轴关节运行任意角度所承受的重力矩为T2＝mgl0sinθ， 所述弹簧式平衡缸 在所述二轴关节运行角度范围内所提供的最大平衡力矩T0max＝(1～1.5) ·T2max。 5.根据权利要求4所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于： 在步骤S5中， 所述电机的正常启停转矩率为 η1＝(T1+T2+Tf‑T0max)/(T·i)， 所述电机的 匀速运动负载率 为 η2＝(T2+Tf‑T0max)/(T·i)， 其中T2＝T2max。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114218708 A 26.根据权利要求5所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于， 在步骤S5中： 所述电机的约束条件为所述正常启停转矩率η1≤200％， 所述匀速运动负载率η2≤ 80％； 所述电机的实际最高输出转速Nmax＝n·i≤所述电机的最大转速n电机max， 所述电机的 实际平均输出转速Nm＝i·(n·t+(a+b‑nt))/(2t+a+b ‑nt)≤所述电机的额定转速ne， 惯量 比r＝J/i2/j＜10； 所述减速机的约束条件为所述二轴关节的实际最大转速n≤所述减速机的容许最高输 出转速n'max； 所述二轴关节的实际启停最大转矩(包括重力矩)(T1+T2+Tf‑T0max)≤所述减速 机的起停容许峰值转矩Te'； 所述二轴关节的最大冲击转矩Tem＝(T1+T2+Tf‑T0max)/0.05≤所 述减速机瞬间容许最大转矩T'max。 7.根据权利要求6所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于： 在步骤S7中， 当大臂 转动时， 所述 弹簧式平衡缸绕支 点A转动， 所述 弹簧式平衡缸与大 臂连接点回转中心移动到B '， 此时 B 'C＝BC ， 弹簧长度增加 ， 则AB '的 距离 弹簧所需最大压缩量x＝lmax‑l1+l2+x0， 根据几何关系可得平衡 缸在二轴关节运行角度范围内所提供的平衡力矩 T0＝k0l1l2(x0+l‑l1+l2)|sinθ|/l， 其中， k0 为弹簧刚度， x0为弹簧预压缩量， 所述T0的最大值 为T0max。 8.根据权利要求7所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于： 在步骤S7中， 所述弹簧的约束条件为弹簧预压缩力k0x0≤(200～800)N， 其中弹簧刚度 k0≤(20～10 0)， 所述弹簧的实际最大压缩量x'≥x。 9.根据权利要求8所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于： 在步骤S8中， 所述绝对值之和 其中根据二轴关节运行角 度区间的大小均匀选取nn个点， nn＝(500～2000)， 得到各点对应的所述电机正常启停转矩 率数值 ηi。 10.根据权利要求9所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及关节的选型方法， 其特征 在于： 所述方法还包括步骤S9、 对选型后的弹簧进 行校核， 并对弹簧的疲劳强度和稳定性进 行校核， 保证满足使用要求。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114218708 A 3