TW201538291A - 可調式重力補償裝置 - Google Patents

Abstract

一種可調式重力補償裝置，其將對稱之二等效零長彈簧組設於基座上，根據機械手臂夾取物件之重量訊號，控制轉軸帶動機械手臂旋轉，使二線材拉動二滑塊壓縮二等效零長彈簧組或使二等效零長彈簧組彈性復位，同時控制外側重力調整器及內側重力調整器運作，藉以調整機械手臂至重力平衡狀態。此外，可利用省力的傳動結構設計及機械手臂的輕量化結構設計來強化機械手臂的搬運能力，同時能降低馬達控制器所需輸出的最大扭力，以達到結構簡單、輕量及低耗能的功效。

Description

可調式重力補償裝置

本發明係有關一種可調式重力補償裝置，尤指一種利用重力補償的結構設計使抓取不同重量的重物後仍能達到靜力平衡效果之可調式重力補償裝置。

隨著人力資源成本的上漲與勞工安全的要求逐漸完整之下，尋找可以替代人力來執行搬運重物及取代粗工勞力的需求每年都在不斷的增加，機器人及機械手臂正是在這種需求下最適合用來取代勞力的最佳方法。

近年來節能減碳意識的抬頭，省能已成為最近研究中所熱門的議題。為了讓搬運型機械手臂能達到降低耗能的效果，目前重力補償器的設計，雖然大部分的被動式重力補償器在裝設於機械手臂後能達到很好的重力平衡的效果，讓機械手臂在任何姿勢下都能達到靜力平衡，但大多數的重力補償器都只能對應原先設計的機械手臂夾取的重物質量，若夾取重物的質量改變，則會破壞系統的重力平衡。考慮到搬運型的機械手臂必須抓取重物，在抓取重物後機械手臂的質心位置與總重會有所改變，此時原本設計於機械手臂上用於重力平衡的彈簧便會無法平衡質心與重量改變後的機械手臂姿態。

再者，採用越大扭力的伺服機，被不必要浪費掉的能量也會越多，像是大扭力伺服機在高輸出時因為電流較高，馬達內的電阻發熱所消耗掉的能量也會提高，另外就是輸出功率越大的伺服馬達也會有相對較大的重量和體積，重量和體積會使機械手臂的旋轉慣量增加，造成了機械手臂本身的負荷提高，間接地提高為了維持機械手臂平衡時伺服機所需要的輸出，更降低了機械手臂的工作效率和手臂的靈活度。此外，機械手臂的傳動結構必須夠強壯，才能符合伺服機的動力輸出，這也造成了重量和成本的增加。因此，如何改善習知因為機械手臂夾取了不同的重量的物件，就得改變彈簧係數的配置或是重新設計彈簧的幾何位置，使得受限於無法應用在不同載重的搬運型機械手臂或是加工用的機械手臂是亟待解決的問題。

有鑑於此，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種可調式重力補償裝置，以有效克服上述之該等問題。

本發明的主要目的在於提供一種可調式重力補償裝置，其可根據夾取物件的重量改變而對應調整重力補償的傳動方式，使機械手臂能保持靜力平衡狀態，可在不同載重的搬運型機械手臂或是加工用的機械手臂能更具應用彈性。

本發明的次要目的在於提供一種可調式重力補償裝置，其利用省力的傳動結構設計及機械手臂的輕量化結構設計來強化機械手臂的搬運能力，同時能降低馬達控制器所需輸出的最大扭力，以達到結構簡單、輕量及低耗能的功效。

為達以上之目的，本發明提供一種可調式重力補償裝置，包括一基座、一機械手臂、一轉軸、至少二線材、一外側重力調整器、一內側重力調整器及一馬達控制器。基座設有對稱之二等效零長彈簧組、二第一滑塊及對稱之二第二滑塊；二第一滑塊分別設於二等效零長彈簧組上，二第二滑塊分別設於基座之兩內側，且二第二滑塊分別設有至少一第一開孔。機械手臂設於基座上，機械手臂設有對稱之二第三滑塊及一夾取器；二第三滑塊分別設於機械手臂之兩側上，且位於二第二滑塊下方，二第三滑塊分別設有至少一第二開孔，第二開孔係對應第一開孔的位置，夾取器係用來夾取一物件。轉軸穿設固定於基座與機械手臂之間，且位於二第三滑塊下方，轉軸設有二第三開孔，分別對應第二開孔位置。二線材之一端分別係穿設於二等效零長彈簧組中並固定於二第一滑塊上，另一端分別穿設經二第一開孔、二第二開孔而固定至二第三開孔中。外側重力調整器設於基座上，且分別連接二第二滑塊，係調整二第二滑塊與轉軸之間的相對距離。內側重力調整器設於機械手臂上，且分別連接二第三滑塊，係調整二第三滑塊與轉軸之間的相對距離。馬達控制器設於基座上，且電性連接外側重力調整器、內側重力調整器及轉軸，馬達控制器係根據物件之重量訊號控制轉軸帶動機械手臂旋轉，使二線材拉動二滑塊壓縮二等效零長彈簧組或使二等效零長彈簧組彈性復位，同時控制外側重力調整器及內側重力調整器運作。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧基座

12‧‧‧機械手臂

14‧‧‧轉軸

142、142’‧‧‧第三開口

16、16’‧‧‧線材

18‧‧‧馬達控制器

20、20’‧‧‧等效零長彈簧組

22、22’‧‧‧第一滑塊

24、24’‧‧‧第二滑塊

242、242’‧‧‧第一開孔

26、26’‧‧‧第三滑塊

262、262’‧‧‧第二開孔

28‧‧‧夾取器

30‧‧‧第一傳動器

32‧‧‧外側齒輪組

322‧‧‧蝸齒驅動軸

324、324’‧‧‧蝸輪

326、326’‧‧‧傘齒

328‧‧‧蝸齒

34、34’‧‧‧第一螺桿

36‧‧‧第二傳動器

38‧‧‧內側齒輪組

382‧‧‧齒輪驅動軸

384、384’‧‧‧從動齒輪

386‧‧‧主動齒輪

40、40’‧‧‧第二螺桿

42、42’‧‧‧固定塊

44‧‧‧重力感測器

第1圖為本發明之結構示意圖。

第2圖為本發明之外側重力調整器設於基座的放大示意圖。

第3圖為本發明之內側重力調整器設於基座的放大示意圖。

第4圖為本發明進行重力補償之作動圖。

第5圖為本發明之重力平衡示意圖。

本發明考慮到搬運型的機械手臂必須抓取重物，在每次抓取不同質量重物後，機械手臂與重物質量、質心位置及總重量會隨之改變；因此，本發明提供一種新穎的可調式重力補償裝置，利用省力結構設計來強化機械手臂的搬運能力，並降低馬達控制器所需輸出的最大功耗，同時利用傳動設計調整機械手臂於任何移動姿勢下皆能保持靜力平衡的效果，詳細結構設計與應用容後詳述。

請參閱第1圖，為本發明之結構示意圖。可調式重力補償裝置包括一基座10、一機械手臂12、一轉軸14、至少二線材16、16’、一外側重力調整器、一內側重力調整器及一馬達控制器18。基座10設有對稱之二等效零長彈簧組20、20’、二第一滑塊22、22’及對稱之二第二滑塊24、24’。第一滑塊22設於等效零長彈簧組20上，第一滑塊22’設於等效零長彈簧組20’上；二第二滑塊24、24’分別設於基座10之兩內側，且第二滑塊24位於等效零長彈簧組20的正下方，第二滑塊24’位於等效零長彈簧組20’的正下方。其中，第二滑塊24設有至少一第一開孔242，第二滑塊24’設有至少一第一開孔242’。

其中，機械手臂12設於基座10上，較佳是位於基座10的中間位置，機械手臂12設有對稱之二第三滑塊26、26’及一夾取器28，夾取器28係用來夾取一物件，二第三滑塊26、26’分別設於機械手臂12之兩側上。第三滑塊26位於第二滑塊24下方，且第三滑塊26設有至少一第二開孔262，其對應第一開孔242位置；第三滑塊26’位於第二滑塊24’下方，且第三滑塊26’設有至少一第二開孔262’，其對應第一開孔242’位置。轉軸14穿設固定於基座10與機械手臂12之間，且位於二第三滑塊26、26’下方，轉軸14設有二第三開孔142、142’，第三開孔142對應第二開孔262位置，第三開孔142’對應第二開孔262’位置。

其中，線材16之一端係穿設於等效零長彈簧組20中並固定於第一滑塊22上，另一端分別穿設經第一開孔242、第二開孔262而固定至第三開孔142中。線材16’之一端係穿設於等效零長彈簧組20’中並固定於第一滑塊22’上，另一端分別穿設經第一開孔242’、第二開孔262’而固定至第三開孔142’中。馬達控制器18設於基座10上，且電性連接外側重力調整器、內側重力調整器及轉軸14，馬達控制器18可根據物件之重量訊號控制轉軸14帶動機械手臂12旋轉，使二線材16、16’同時拉動二第一滑塊22、22’壓縮二零長彈簧20、20’組或使二等效零長彈簧組20、20’彈性復位，同時控制外側重力調整器及內側重力調整器運作。

其中，外側重力調整器設於基座10上，且分別連接二第二滑塊24、24’，係調整二第二滑塊24、24’與轉軸14之間的相對距離。為能進一步瞭解外側重力調整器之細部結構與運作方式，首先，請同時參閱第1圖及第2圖，第2圖為本發明之外側重力調整器設於基座的放大示意圖。外側重 力調整器更包含一第一傳動器30、一外側齒輪組32及二第一螺桿34、34’。第一傳動器30電性連接馬達控制器18，第一傳動器30係為直流馬達、汽缸或油壓。外側齒輪組32連接第一傳動器30及二第一螺桿34、34’，第一螺桿34係連接第二滑塊24；第一螺桿34’係連接第二滑塊24’。第一傳動器30係根據馬達控制器18之控制訊號驅動外側齒輪組32運作以帶動二第一螺桿34、34’分別調整二第二滑塊24、24’上升或下降移動。詳言之，外側齒輪組32更包含一蝸齒驅動軸322、二蝸輪324、324’及二傘齒326、326’，蝸齒驅動軸322連接第一傳動器30，二傘齒326、326’分別連接二第一螺桿34、34’，二蝸輪324、324’一端分別抵靠二傘齒326、326’上，另一端分別抵靠蝸齒驅動軸322之蝸齒328上。當蝸齒驅動軸322旋轉使蝸齒328帶動二蝸輪324、324’傳動至二傘齒326、326’，二第一螺桿34、34’透過二傘齒326、326’旋轉以調整二第二滑塊24、24’上升或下降移動。

其中，內側重力調整器設於機械手臂12上，且分別連接二第三滑塊26、26’，係調整二第三滑塊26、26’與轉軸14之間的相對距離。為能進一步瞭解內側重力調整器之細部結構與運作方式，首先，請同時參閱第1圖及第3圖，第3圖為本發明之內側重力調整器設於基座的放大示意圖。內側重力調整器更包含一第二傳動器36、一內側齒輪組38及二第二螺桿40、40’。第二傳動器36電性連接馬達控制器18，內側齒輪組38連接第二傳動器36及二第二螺桿40、40’；二第二螺桿40、40’分別連接二第三滑塊26、26’。第二傳動器36係為直流馬達、汽缸或油壓器。第二傳動器36係根據馬達控制器18之控制訊號驅動內側齒輪組38運作以帶動二第二螺桿40、40’分別調整二第三滑塊26、26’上升或下降移動。內側齒輪組38更包含一齒輪驅動軸 382及二從動齒輪384、384’；齒輪驅動軸382連接第二傳動器36，二從動齒輪384、384’位於齒輪驅動軸382之兩側，且抵靠齒輪驅動軸384、384’之主動齒輪386上。二從動齒輪384、384’分別連接二第二螺桿40、40’，齒輪驅動軸382旋轉使主動齒輪386帶動二從動齒輪384、384’，二第二螺桿40、40’透過二從動齒輪384、384’旋轉以分別調整二第三滑塊26、26’上升或下降移動。其中，主動齒輪386係為小齒輪，二從動齒輪384、384’係為大齒輪，能利用小齒輪帶動大齒輪運作，以降低驅動耗能。

瞭解上述本發明之整體細部結構及其連接關係之後，本發明係根據重力平衡理論讓機械手臂12在搬運中重物時，仍達到靜力平衡狀態，請同時參閱第2、3、4圖，第4圖為本發明進行重力補償之作動圖。當馬達控制器18控制機械手臂12搬運一物件後，馬達控制器18係根據物件的重量訊號輸出對應之扭力以保持機械手臂12之靜力平衡狀態，但是當物件的重量非為預設值範圍時，可同時控制外側重力調整器及內側重力調整器進行重力補償，使馬達控制器18在機械手臂12靜止時的扭力輸出能趨近於零。請同時參閱第5圖，為本發明之重力平衡示意圖，以轉軸14、第二滑塊24、第三滑塊26、線材16及等效零長彈簧組20等元件作為重力平衡為例說明。轉軸14作為旋轉軸的中心點O，第二滑塊24作為平衡點A，第三滑塊26作為平衡點B；O與A的距離為h1，也就是線材16連接於轉軸14與第二滑塊24之間的線段；O與B的距離為h2，也就是線材16連接於轉軸14與第三滑塊26之間的線段，在此利用一勢能函數方程式(1)表示之，如下：

其中，q係為等效零長彈簧組20的旋轉角度，k係為等效零長彈簧組20 的彈簧係數，s係為等效零長彈簧組20的變形量，等效零長彈簧組20的變形量即為A與B之間移動的相對距離，A的位置向量為A=[-h,0,0] ^T ，B的位置向量為B=[h cos q,h sin q,0] ^T 。其中勢能函數方程式(1)中的S ²計算為S ²=|BA|²=2h ²(1+cos q)，將其帶入勢能函數方程式(1)中，得到V(q)=kh ²+(kh ²-mgl)cos q，為能讓機械手臂12不管旋轉的角度q如何變化，V(q)值都應該維持一固定常數，因此，等效零長彈簧組20的彈簧係數k可得到，；根據公式的推導可得知，當彈簧係數k、重力加速度g、機械手臂12夾取物件與旋轉軸的距離l不變下，也就是機械手臂12為靜止狀態，此時，馬達控制器18同時控制外側重力調整器調整A與0的距離，內側重力調整器調整B與0的距離，使得h1與h2調整後的距離能夠補償馬達控制器18輸出的扭力，不僅可讓機械手臂12保持靜力平衡狀態，又能將馬達控制器18輸出的扭力趨近於零，進而達到節能功效。

其中，馬達控制器18控制外側重力調整器調整A與0的距離，也就是調整二第二滑塊24、24’與轉軸14之間的相對距離。詳言之，第一傳動器30係根據馬達控制器18之控制訊號驅動蝸齒驅動軸322旋轉，使蝸齒328帶動二蝸輪324、324’傳動至二傘齒326、326’，二第一螺桿34、34’透過二傘齒326、326’旋轉以調整二第二滑塊24、24’下降移動(或上升移動)，據以調整第二滑塊24、24’與轉軸14的相對距離h1。同理，第二傳動器36係根據馬達控制器18之控制訊號驅動齒輪驅動軸382旋轉，使主動齒輪386帶動二從動齒輪384、384’，二第二螺桿40、40’透過二從動齒輪384、384’旋轉以分別調整二第三滑塊26、26’下降移動(或上升移動)，據以調整二第三 滑塊26、26’與轉軸14之間的相對距離h2。其中，當機械手臂12旋轉或外側重力調整器、內側重力調整器進行調整時，二線材16、16’會因機械手臂12的旋轉角度或h1、h2之距離改變而對應拉動二第一滑塊22、22’壓縮二等效零長彈簧組20、20’，或者使二等效零長彈簧組20、20’彈性復位。

由於機械手臂12會因夾取的物件質量不同，而使機械手臂12的負載改變，因此透過改變h1與h2，可讓機械手臂不論旋轉角度大小或是物件質量大小，皆能保持靜力平衡狀態；此外，本創作之重力調整裝置的部分機構參數為可設定調變者，讓機械手臂12夾取的物件，其重量不同時，仍然能實現機械手臂12旋轉至任意位置，皆能維持重力平衡的效果，可有效解決現有技術只能在固定載重的情況下才達到重力平衡的限制。更進一步而言，由於本發明將彈簧設置在基座10上，因此可以大幅降低機械手臂12本身的荷重及大功率的動力輸出等問題，同時能提高機械手臂12的工作效率及靈活度。

其中，二線材16、16’係為鋼索、纜線或是皮帶，為能進一步達到省力效果，二第二滑塊24、24’分別更設有一第一滑輪(圖中未示)，位於第一開孔242、242’內，二第三滑塊26、26’分別更設有一第二滑輪(圖中未示)，位於第二開孔262、262’內，二線材16、16’係繞設於第一滑輪及第二滑輪上，使得二線材16、16’被拉動時，能減少摩擦力而達到更省力的效果。如第4圖所示，基座10之兩內側更設有二固定塊42、42’，使等效零長彈簧組20、20’分別位於二第一滑塊22、22’與二固定塊42、42’之間。夾取器28上更設有一重力感測器44，且電性連接馬達控制器18，重力感測器44係偵測物件的重量訊號；因此，本發明除了利用預先設定的重力補償參數 對應物件進行重力補償之外，馬達控制器18亦可透過重力感測器44自動偵測重量訊號以自動進行重力補償調整之運作。

綜上所述，本發明將機械手臂的結構設計的更輕量化，將體積大且負荷重的零長彈簧與內側、外側重力調整器搭配運用，可根據夾取物件的重量改變而對應調整重力補償的傳動方式，使機械手臂能保持靜力平衡狀態，又可在不同載重的搬運型機械手臂或是加工用的機械手臂能更具工作效率及靈活性，進而提昇應用彈性。再者，利用省力的傳動結構設計及機械手臂的輕量化結構設計來強化機械手臂的搬運能力，同時能降低馬達控制器所需輸出的最大扭力，以達到結構簡單、輕量及低耗能的功效，更能充分發揮適應多重負載任務的省能機器的功效。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧基座

12‧‧‧機械手臂

14‧‧‧轉軸

142、142’‧‧‧第三開口

16、16’‧‧‧線材

18‧‧‧馬達控制器

20、20’‧‧‧等效零長彈簧組

22、22’‧‧‧第一滑塊

24、24’‧‧‧第二滑塊

242、242’‧‧‧第一開孔

26、26’‧‧‧第三滑塊

262、262’‧‧‧第二開孔

28‧‧‧夾取器

30‧‧‧第一傳動器

34、34’‧‧‧第一螺桿

36‧‧‧第二傳動器

Claims (12)

1. 一種可調式重力補償裝置，包括：一基座，設有對稱之二等效零長彈簧組、二第一滑塊及對稱之二第二滑塊，該二第一滑塊分別設於該二等效零長彈簧組上，該二第二滑塊分別設於該基座之兩內側，且該二第二滑塊分別設有至少一第一開孔；一機械手臂，設於該基座上，該機械手臂設有對稱之二第三滑塊及一夾取器，該夾取器係夾取一物件，該二第三滑塊分別設於該機械手臂之兩側上，且位於該二第二滑塊下方，該二第三滑塊分別設有至少一第二開孔；一轉軸，其穿設固定於該基座與該機械手臂之間，且位於該二第三滑塊下方，該轉軸設有二第三開孔，分別對應該第二開孔位置；至少二線材，其一端分別係穿設於該二等效零長彈簧組中並固定於該二第一滑塊上，另一端分別穿設經該二第一開孔、該二第二開孔而固定至該二第三開孔中；一外側重力調整器，設於該基座上，且分別連接該二第二滑塊，係調整該二第二滑塊與該轉軸之間的相對距離；一內側重力調整器，設於該機械手臂上，且分別連接該二第三滑塊，係調整該二第三滑塊與該轉軸之間的相對距離；及一馬達控制器，設於該基座上，且電性連接該外側重力調整器、該內側重力調整器及該轉軸，該馬達控制器根據該物件之重量訊號控制該轉軸帶動該機械手臂旋轉，使該二線材拉動該二第一滑塊壓縮該二等效零長彈簧組或使該二等效零長彈簧組彈性復位，同時控制該外側重力 調整器及該內側重力調整器運作。
2. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，更包括一重力感測器，設於該夾取器上，且電性連接該馬達控制器，該重力感測器係偵測該物件的該重量訊號。
3. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，其中該二第二滑塊分別更設有一第一滑輪，位於該第一開孔內，該二第三滑塊分別更設有一第二滑輪，位於該第二開孔內，該二線材係繞設於該第一滑輪及該第二滑輪上。
4. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，其中該外側重力調整器更包含一第一傳動器、一外側齒輪組及二第一螺桿，該第一傳動器電性連接該馬達控制器，該外側齒輪組連接該第一傳動器及該二第一螺桿，該二第一螺桿分別連接該二第二滑塊，該第一傳動器係根據該馬達控制器之控制訊號驅動該外側齒輪組運作以帶動該二第一螺桿調整該二第二滑塊上升或下降移動。
5. 如請求項4所述之可調式重力補償裝置，其中該外側齒輪組更包含一蝸齒驅動軸、二蝸輪及二傘齒，該蝸齒驅動軸連接該第一傳動器，該二傘齒分別連接該二第一螺桿，該二蝸輪一端分別抵靠該二傘齒上，另一端抵靠該蝸齒驅動軸之蝸齒上，該蝸齒驅動軸旋轉使該蝸齒帶動該二蝸輪傳動至該二傘齒，該二第一螺桿透過該二傘齒旋轉以調整該二第二滑塊上升或下降移動。
6. 如請求項4所述之可調式重力補償裝置，其中該第一傳動器係為直流馬達、汽缸或油壓器。
7. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，其中該內側重力調整器更包含一 第二傳動器、一內側齒輪組及二第二螺桿，該第二傳動器電性連接該馬達控制器，該內側齒輪組連接該第二傳動器及該二第二螺桿，該二第二螺桿分別連接該二第三滑塊，該第二傳動器係根據該馬達控制器之控制訊號驅動該內側齒輪組運作以帶動該二第二螺桿調整該二第三滑塊上升或下降移動。
8. 如請求項7所述之可調式重力補償裝置，其中該內側齒輪組更包含一齒輪驅動軸及二從動齒輪，該齒輪驅動軸連接該第二傳動器，該二從動齒輪位於該齒輪驅動軸之兩側，且抵靠該齒輪驅動軸之主動齒輪上，該二從動齒輪分別連接該二第二螺桿，該齒輪驅動軸旋轉使該主動齒輪帶動該二從動齒輪，該二第二螺桿透過該二從動齒輪旋轉以調整該二第三滑塊上升或下降移動。
9. 如請求項7所述之可調式重力補償裝置，其中該第二傳動器係為直流馬達、汽缸或油壓器。
10. 如請求項8所述之可調式重力補償裝置，其中該主動齒輪係為小齒輪，該二從動齒輪係為大齒輪。
11. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，其中該二線材係為鋼索、纜線或是皮帶。
12. 如請求項1所述之可調式重力補償裝置，其中該基座之兩內側更設有二固定塊，使該二等效零長彈簧組分別位於該二第一滑塊與該二固定塊之間。