Static balancing of planar articulated robots

Abstract

Static balancing for a manipulator’s weight is necessary in terms of energy saving and performance improvement. This paper proposes a method to design balancing devices for articulated robots in industry, based on robotic dynamics. Full design details for the balancing system using springs are presented from two aspects: One is the optimization for the position of the balancing system; the other is the design of the spring parameters. As examples, two feasible balancing devices are proposed, based on different robotic structures: The first solution consists of linkages and springs; the other consists of pulleys, cross mechanisms and (hydro-) pneumatic springs. Then the two solutions are compared. Pneumatic, hydro-pneumatic and mechanical springs are discussed and their parameters are decided according to the requirements of torque compensation. Numerical results show that with the proper design using the methodology presented in this paper, an articulated robot can be statically balanced perfectly in all configurations. This paper therefore provides a design method of the balancing system for other similar structures.

Keywords

robotics / static balancing / pneumatic spring / mechanical spring / torque compensation

References

[1] U.S. Energy Information Administration. Annual Energy Review 2011. 2012

[2] Bruzzone L, Bozzini G. Energetic efficiency of a statically balanced hybrid industrial manipulator. In: Proceedings of 9th International Workshop on Research and Education in Mechatronics. Bergamo, 2008

[3] Diken H. Effect of mass balancing on the actuator torques of a manipulator. Mechanism and Machine Theory, 1995, 30(4): 495–500

[4] Bruzzone L, Bozzini G. Elastic balancing of a SCARA-link hybrid industrial manipulator. In: Proceedings of 28th IASTED International Conference on Modelling, Identification and Control (MIC 2009). Innsbruck, 2009

[5] Hervé J M. US Patent 4620829, 1985-05-23

[6] Baradat C, Arakelian V, Briot S,  Design and prototyping of a new balancing mechanism for spatial parallel manipulators. Journal of Mechanical Design, 2008, 130(7): 072305

[7] Segla S, Kalker-Kalkman C M, Schwab A L. Statically balancing of a robot mechanism with the aid of a genetic algorithm. Mechanism and Machine Theory, 1998, 33(1−2): 163–174

[8] Rizk R, Krut S, Dombre E. Design of a 3D gravity balanced orthosis for upper limb. In: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena: IEEE, 2008, 2447–2452

[9] Streit D A, Shin E. Equilibrators for planar linkages. Journal of Mechanical Design, 1993, 115(3): 604–610

[10] Shin E, Streit D A. An energy efficient quadruped with two-stage equilibrator. Journal of Mechanical Design, 1993, 115(1): 156–163

[11] Lens T, Stryk O. Investigation of safety in human-robot-interaction for a series elastic, tendon-driven robot arm. In: Proceedings of the IEEE-RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Vilamoura: IEEE, 2012, 4309–4312

[12] Morita T, Kuribara F, Shiozawa Y. A novel mechanism design for gravity compensation in three dimensional space. In: Proceedings of the 2003 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. IEEE, 2003, 163–168

[13] Saravanan R, Ramabalan S, Badu P D. Optimum static balancing of an industrial robot mechanism. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2008, 21(6): 824–834

[14] Hain K. Spring Mechanisms. In: Chironis N P, ed. Spring Design and Application. New York: McGraw-Hill, 1961, 268–275

[15] Simionescu I, Ciupitu L. The static balancing of the industrial robot arms Part I: Discrete balancing. Mechanism and Machine Theory, 2000, 35(9): 1287–1298

[16] Simionescu I, Ciupitu L. The static balancing of the industrial robot arms Part II: Continuous balancing. Mechanism and Machine Theory, 2000, 35(9): 1299–1311

[17] Fattah A, Agrawal S <?Pub Caret?>K. Gravity-balancing of classes of industrial robots. In: Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Orlando: IEEE, 2006, 2872–2877

[18] Agrawal S K, Fattah A. Gravity-balancing of spatial robotic manipulators. Mechanism and Machine Theory, 2004, 39(12): 1331–1344

[19] Balana S K, Agrawal S K, Fattah A,  Gravity-balancing leg orthosis and its performance evaluation. IEEE Transactions on Robotics, 2006, 22(6): 1228–1239

[20] Vermeulen M, Wisse M. Intrinsically safe robot arm: Adjustable static balancing and low power actuation. International Journal of Social Robotics, 2010, 2(3): 275–288

[21] Ulrich N, Kumar V. Passive mechanical gravity compensation for robot manipulators. In: Proceedings of IEEE international conference on robotics and automation. Sacramento: IEEE, 1991, 1536–1541

[22] Herder J L. Design of spring force compensation systems. Mechanism and Machine Theory, 1998, 33(1−3): 151–161

[23] Tuijthof G J M, Herder J L. Design, actuation and control of an anthropomorphic robot arm. Mechanism and Machine Theory, 2000, 35(7): 945–962

[24] Herder J L. Energy-free systems: Theory, conception and design of statically balanced mechanisms. Dissertation for the Doctoral Degree. Delft: Delft University of Technology, 2001

[25] Shin E, Streit D A. Spring equilibrator theory for static balancing of planar pantograph linkages. Mechanism and Machine Theory, 1991, 26(7): 645–657

[26] Gosselin C M. Gravity compensation, static balancing and dynamic balancing of parallel mechanisms. In: Wang L, Xi J, eds. Smart Devices and Machines for Advanced Manufacturing. London: Springer, 2008, 27–48

[27] Haddadin S, Albu-Schäffer A, Hirzinger G. Requirements for safe robots: Measurements, analysis and new insights. International Journal of Robotics Research, 2009, 28(11−12): 1507–1527

[28] Walsh G J, Streit D A, Gilmore B J. Spatial spring equilibrators theory. Mechanism and Machine Theory, 1991, 26(2): 155–170

[29] Streit D A, Gilmore B J. Perfect spring equilibrators for rotatable bodies. ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, 1989, 111: 451–458

[30] Wang J, Gosselin C M. Static balancing of spatial four-degree-of-freedom parallel mechanisms. Mechanism and Machine Theory, 2000, 35(4): 563–592

[31] Wang J, Gosselin C M. Static balancing of spatial three-degree-of-freedom parallel mechanisms. Mechanism and Machine Theory, 1999, 34(3): 437–452

[32] Russo A, Sinatra R, Xi F. Static balancing of parallel robots. Mechanism and Machine Theory, 2005, 40(2): 191–202

[33] Lowen G G, Tepper F R, Berkof R S. Balancing of linkages—An update. Mechanism and Machine Theory, 1983, 18(3): 213–220

[34] Yan H, Soong R C. Kinematic and dynamic design of four-bar linkages by links counterweighing with variable input speed. Mechanism and Machine Theory, 2001, 36(9): 1051–1071

[35] Tsai L W. Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators. New York: John Wiley & Sons, 1999

[36] Quaglia G, Yin Z. Optimization of static balancing for an anthropomorphic robot. In: Proceedings of the 3rd IFToMM International Symposium on Robotics and Mechatronics. Singapore, 2013

[37] Quaglia G, Yin Z. A balancing mechanism for an anthropomorphic robot. Advanced Materials Research, 2013, 774−776: 1397–1403

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg