CN110861122A - 用于机械手臂的负载平衡装置 - Google Patents

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CN110861122A CN201811049695.7A CN201811049695A CN110861122A CN 110861122 A CN110861122 A CN 110861122A CN 201811049695 A CN201811049695 A CN 201811049695A CN 110861122 A CN110861122 A CN 110861122A
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宋家仲
陈尚德
朱证裕
吴孟和
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Abstract

本发明公开一种用于机械手臂的负载平衡装置，包括一气压缸以及一活塞杆。气压缸用以储存一气体，气压缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一连接通道，其中连接通道连接第一腔室与第二腔室。活塞杆其一端连接机械手臂，另一端可滑动地设置于气压缸内，活塞杆根据一负载调整第一腔室与第二腔室内气体的体积及压力，其中第一腔室与第二腔室同轴设置于气压缸的轴向上。

Description

用于机械手臂的负载平衡装置
技术领域
本发明涉及一种用于机械手臂的负载平衡装置，且特别是涉及一种具有被动式气压缸的负载平衡装置。
背景技术
针对高负载机械手臂，需负载100公斤以上的物体，因此，在结构设计上，机械手臂的结构较重，且机械手臂的水平展长也较长(约3公尺)，负载造成的力矩可达10000Nm以上，然而目前用于轴关节的负载平衡装置的马达与减速机仅能提供约5000Nm，因而无法满足高负载机械手臂的运转需求。因此，有必要提出一种可满足高负载机械手臂的运转需求的负载平衡装置。
发明内容
本发明有关于一种用于机械手臂的负载平衡装置，具有双腔体串联式气压缸，其中活塞杆可根据负载的需求即时调整气压缸内气体的体积与压力，以产生与负载的力矩方向相反的力矩，以达到平衡的目的。
根据本发明的一方面，提出一种用于机械手臂的负载平衡装置，包括一气压缸以及一活塞杆。气压缸用以储存一气体，气压缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一连接通道，其中连接通道连接第一腔室与第二腔室。活塞杆其一端连接机械手臂，另一端可滑动地设置于气压缸内，活塞杆根据一负载调整第一腔室与第二腔室内气体的体积及压力，其中第一腔室与第二腔室同轴设置于气压缸的轴向上。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：
附图说明
图1为本发明一实施例的用于机械手臂的负载平衡装置的示意图，其中机械手臂位于初始位置；
图2为图1的负载平衡装置的内部示意图；
图3为本发明一实施例的用于机械手臂的负载平衡装置的示意图，其中机械手臂位于水平展长位置；
图4为图3的负载平衡装置的内部示意图；
图5至图6为另外二种不同型态的负载平衡装置的示意图。
符号说明
10：物体
110：机械手臂
111：操作端
112：第一轴关节
113：第二轴关节
114：第一支撑臂
115：第二支撑臂
116：底座
117：第一驱动装置
118：第二驱动装置
119：支架
120：负载平衡装置
121：第一中空本体
122：气压缸
123：第二中空本体
124：活塞杆
125：活塞头
126：固定底座
127：注气孔
128：密封元件
129：中央凸起部
130：轴承
131：转轴
132：旋转座
A：轴向
C1：第一腔室
C2：第二腔室
C3：连接通道
V：垂直轴向
H：水平轴向
W：负载
Si、Sf：距离
G：气体
Pi：初始压力
Vi：初始体积
Pf：极限压力
Vf：极限体积
V1i、V2i、V1f、V2f：腔室的体积
S1、S2：侧壁
TS1、TS2：顶侧
BS1、BS2：底侧
具体实施方式
以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。
图1及图3分别绘示机械手臂110位于初始位置与水平展长位置的示意图。请参照图1，机械手臂110具有一操作端111、一第一轴关节112以及一第二轴关节113。操作端111可装载一物体10，第一轴关节112例如为肘关节，第二轴关节113例如为肩关节。机械手臂110的结构自重与物体10的重力的合力以负载W表示，其位于一重力轴上。当机械手臂110位于垂直状态的初始位置时，重力轴上的负载W与第二轴关节113之间的距离(力臂)Si较短，因此相对产生的力矩W×Si也较小。请参照图3，当机械手臂110由垂直状态的初始位置移动至水平状态的水平展长位置时，重力轴上的负载W与第二轴关节113之间的距离(力臂)Sf较长，因此相对产生的力矩W×Sf也较大。根据上述内容，本实施例提出一种用于机械手臂110的负载平衡装置120，能根据负载W产生的力矩即时调整气压缸122内气体G的体积与压力，以产生与负载W的力矩方向相反的力矩，以达到平衡的目的。
请参照图1及图2，负载平衡装置120包括一气压缸122以及一活塞杆124。气压缸122用以储存一气体G，气压缸122包括一第一腔室C1、一第二腔室C2以及一连接通道C3，其中连接通道C3连接第一腔室C1与第二腔室C2。活塞杆124一端连接机械手臂110(邻近于第二轴关节113)，另一端可滑动地设置于气压缸122内。活塞杆124可根据一负载W调整第一腔室C1、连接通道C3与第二腔室C2内气体G的体积及压力。
具体而言，机械手臂110具有一第一支撑臂114、一第二支撑臂115、一底座116、一第一驱动装置117以及一第二驱动装置118。第一支撑臂114通过第一轴关节112相对于第二支撑臂115转动，第二支撑臂115通过第二轴关节113相对于底座116转动，气压缸122的一端通过一转轴131与一支架119相互枢接，且支架191固定于旋转座132上，旋转座132设置于底座116上且可相对于底座116水平旋转，使得负载平衡装置120可以作旋转及倾斜运动。第一驱动装置117(例如马达)设置于垂直轴向V上，用以驱动第二轴关节113于垂直轴向V上相对于底座116旋转，第二驱动装置118(例如马达)设置于一水平轴向H上，用以驱动第二轴关节113于水平轴向H上相对于底座116旋转。
此外，活塞杆124一端通过一轴承130固定于第二支撑臂115上，并可随着第二支撑臂115的转动而在气压缸122的轴向上来回移动，以调整气压缸122内气体G的体积与压力。如图2所示，当机械手臂110位于初始位置时，气压缸122内的气体G具有一初始压力Pi以及一初始体积Vi，其中第一腔室C1的初始体积V1i、连接通道C3的体积(极小，可忽略不计)与第二腔室C2的体积V2i的和为气体G的初始体积Vi，即V1i+V2i＝Vi。如图4所示，当机械手臂110位于水平展长位置时，气压缸122内的气体G受到活塞杆124挤压而改变体积与压力，使得气压缸122内的气体G具有一极限压力Pf以及一极限体积Vf，其中第一腔室C1的极限体积V1f、连接通道C3的体积(极小，可忽略不计)与第二腔室C2的体积V2f的和为气体G的极限体积Vf，即V1f+V2f＝Vf。
根据理想气体方程式，在定温下，定量气体G的体积与压力成反比。因此，活塞杆124挤压前与挤压后的气体G体积与压力的乘积为定值，即PiVi＝PfVf，其中Vi>Vf，Pi<Pf。由此可知，当机械手臂110由初始位置移动至水平展长位置时，负载W的力矩由W×Si增加到W×Sf，而气压缸122内的气体G压力也会同步由Vi增加到Vf，进而提供反向力矩来补偿第二驱动装置118(例如马达)不足的力矩。
在一实施例中，气压缸122内的气体G的初始压力Pi例如为7bar(kg/cm2)，初始体积Vi例如介于23000cm3至24000cm3之间。气压缸122内的气体G的极限压力Pf例如为12bar(kg/cm2)，极限体积Vf例如介于13000cm3至14000cm3之间。当机械手臂110由初始位置移动至水平展长位置时，负载W的重力矩例如从1080Nm增加至11117Nm，此时，气压缸122提供的补偿力矩例如从338Nm增加至8584Nm，因此第二驱动装置118(例如马达及减速机)只要提供742Nm至2533Nm的力矩，负载平衡装置120即可提供反向力矩以达到平衡，满足高负载W机械手臂110的运转需求。
在一实施例中，气压缸122采用一体化设计，结合同轴配置于气压缸122的轴向A上的第一腔室C1与第二腔室C2，可简化内部零件并且避免组装不良的风险。此外，同轴配置的第一腔室C1与第二腔室C2可使气压缸122的体积达最小化，以减少气压缸122的制作成本。
请参照图2及图4，气压缸122包括一第一中空本体121、一第二中空本体123、一固定底座126以及多个密封元件128，此些密封元件128密合于第一中空本体121、第二中空本体123、固定底座126及活塞杆124两两之间的连接处，可防止气体G泄漏，使气体G被密封于第一腔室C1与第二腔室C2中。
请参照图5及图6，其分别绘示另外二种不同型态的负载平衡装置120的示意图。如图2、图5至图6所示，第一中空本体121与第二中空本体123同轴配置，且第二中空本体123至少部分包覆第一中空本体121。在图2中，第二中空本体123包覆第一中空本体121的底侧BS1，第二中空本体123的顶侧TS2与第一中空本体121的底侧BS相互密合，且连接通道C3沿着侧壁S1轴向贯穿至第一中空本体121的底侧BS1及第二中空本体123的顶侧TS2，以连通位于第二中空本体123内的第二腔室C2。在图5及图6中，第二中空本体123完全包覆第一中空本体121的底侧BS1及侧壁S1，第一中空本体121的底侧BS1与第二中空本体123的底侧BS2相互密合，在第一中空本体121的侧壁S1与第二中空本体123的侧壁S2之间形成一第二腔室C2，且连接通道C3贯穿第一中空本体121的侧壁S1，以连通位于第二中空本体123内的第二腔室C2。在图5及图6中，位于第一中空本体121与第二中空本体123之间的第二腔室C2于靠近顶侧TS1处还可设有一密封元件128，用以密封第二腔室C2内的气体。在图6中，第二中空本体123还可包括径向尺寸增加的中央凸起部129，以增加第二腔室C2的体积。
在上述实施例中，第一腔室C1位于第一中空本体121内，即位于第一中空本体121的顶侧TS1与位于活塞杆124的顶部的活塞头125之间的密封腔室，且第一腔室C1的体积可随活塞杆124的移动而调整，进而改变气压缸122内气体G的体积。此外，第二腔室C2位于第二中空本体123内，第二腔室C2的体积保持固定，即第二腔室C2的体积V2i与体积V2f相等。
在上述实施例中，固定底座126例如具有一注气孔127，气体G可经由注气孔127进入第一中空本体121及第二中空本体123内。因此，气压缸122内的气体G的初始压力可经由注气孔127来调整。注气孔127在常时状态下为封闭，调整气体G压力时才打开。在图5及图6中，注气孔127例如设置在第二中空本体123的侧壁S2上或中央凸起部129的侧壁S2上。
在上述实施例中，当负载W产生的力矩增加时，第一腔室C1的体积可随活塞杆124的移动而缩小，使气体G的体积相对缩小，气体G的压力则相对增加。反之，当负载W产生的力矩减少时，第一腔室C1的体积随活塞杆124的移动而增加，使气体G的体积相对增加，气体G的压力则相对减少。因此，本发明上述实施例所揭露的负载平衡装置120，可根据负载W产生的力矩即时调整气压缸122内气体G的体积与压力，以产生与负载W的力矩方向相反的力矩，以达到平衡的目的。
综上所述，虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种用于机械手臂的负载平衡装置，其特征在于，包括：
气压缸，用以储存一气体，该气压缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一连接通道，其中该连接通道连接该第一腔室与该第二腔室；以及
活塞杆，其一端连接机械手臂，另一端可滑动地设置于该气压缸内，该活塞杆根据一负载调整该第一腔室与该第二腔室内该气体的体积及压力，其中该第一腔室与该第二腔室同轴设置于该气压缸的轴向上。
2.如权利要求1所述的负载平衡装置，其中该气压缸包括一第一中空本体、一第二中空本体、一固定底座以及多个密封元件，该些密封元件密合于该第一中空本体、该第二中空本体、该固定底座及该活塞杆两两之间的连接处。
3.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该活塞杆位于该第一中空本体内，该连接通道贯穿该第一中空本体，使该第一中空本体与该第二中空本体相连通。
4.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第一中空本体与该第二中空本体同轴配置。
5.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第二中空本体至少部分包覆该第一中空本体。
6.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第一腔室位于该第一中空本体内，该第一腔室的体积随该活塞杆的移动而调整。
7.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第二腔室位于该第二中空本体内，该第二腔室的体积固定。
8.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该负载产生的力矩增加时，该第一腔室的体积随该活塞杆的移动而缩小，使该气体的体积相对缩小，该气体的压力相对增加。
9.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该负载产生的力矩减少时，该第一腔室的体积随该活塞杆的移动而增加，使该气体的体积相对增加，该气体的压力相对减少。
10.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该固定底座具有一注气孔，该气体经由该注气孔进入该第一中空本体及该第二中空本体内。
11.如权利要求1所述的负载平衡装置，其中该机械手臂具有一轴关节以及连接该轴关节的一支撑臂，该活塞杆的一端固定于该支撑臂上且邻近该轴关节。
12.如权利要求1所述的负载平衡装置，其中该机械手臂具有一旋转座，该气压缸的一端与一支架相互枢接，且该支架固定于该旋转座上。
13.如权利要求12所述的负载平衡装置，其中该气压缸的该端通过一转轴与该支架相互枢接。
14.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第二中空本体的顶侧与该第一中空本体的底侧相互密合。
15.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该连接通道贯穿该第二中空本体的该顶侧与该第一中空本体的该底侧。
16.如权利要求2所述的负载平衡装置，其中该第二中空本体完全包覆该第一中空本体。
17.如权利要求16所述的负载平衡装置，其中该第一中空本体的底侧与第二中空本体的底侧相互密合。
18.如权利要求16所述的负载平衡装置，其中该第一中空本体的侧壁与该第二中空本体的侧壁之间形成该第二腔室。
19.如权利要求16所述的负载平衡装置，其中该第二中空本体还包括一中央凸起部。
20.如权利要求16所述的负载平衡装置，还包括一注气孔，该注气孔设置在该第二中空本体的侧壁。
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