TWI387517B - 具安全防護之無感測器可適變剛性致動器 - Google Patents

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Description

具安全防護之無感測器可適變剛性致動器
本發明是有關一種具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，尤指一種以無感測器之機構組合來達到防止自動化機械裝置傷害使用者的致動器。
在過去機器手臂由於價格昂貴且多應用於大型工廠之產線裝配上，對於機器手臂設計之要求一直停留在精準、平滑、快速等發展方向，在安全上卻多使用消極的防護方式處理且多與機械手臂設計分開考量。也因此人與機械手臂只能各司其職，而無法藉由合作達到更高之利益與效用。
一般的自動化工廠都是操作員與機械手臂保持適當之距離來做意外的預防，資本雄厚之工廠會加裝昂貴之感測器，同時具有緊急停止按鈕，以及具有複雜之控制系統等裝置做為保護，然而，對於中小企業或是家庭用服務型機器加裝這些裝置將大大的提高成本且會佔用更多空間。
再者，會發生意外之狀況往往不是在手臂操作當下，而是在進行維修時發生，因此即便是安裝昂貴之感測器及精密之控制系統也無法真正達到實際之安全。從另一角度來看，使用大量感測器及精密之控制系統來進行安全之防護，將會增加系統複雜程度並且提高系統錯誤與故障的機會，也因此大幅降低了系統之可靠度。
緣是，本發明人有感於上述裝置方法或設備之限制與問題，乃特潛心研究並配合學理之運用提出本發明。
本發明主要目的，在於提供一種具安全防護之無感測 器可適變剛性致動器，以此避免使用者受到作動裝置傷害，進而令使用者可更安全的與作動裝置互動。
為達上述之目的，本發明提供一種具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，包括：一驅動元件；至少一傳動元件，其嚙合於該驅動元件；一作動元件，其嚙合於該傳動元件；一撓性裝置，其連接於該傳動元件；以及一作動裝置，其連接於該作動元件；該作動裝置正常運作時，該撓性裝置為固定狀態且不影響動力輸出及方向之傳動，該作動裝置受到衝擊時，該撓性裝置使該傳動元件與該驅動元件或作動元件分離進而使動力無法輸出至作動裝置。
本發明具有下述有益的效果：1.完全截斷傳動只剩下作動裝置本體的慣性，若配合輕量化之作動裝置設計必能達到高度安全之功效；2.本發明之設計解決習知使用感測器偵測系統的延遲問題；3.本發明之設計增加系統之穩定性，即使在作動裝置不當動作下仍具安全保護功能；4.不僅人員安全獲得保障，機構本身亦獲得相對的安全保護；5.在正常操作狀況下，作動裝置因此精準度佳；6.機構不管是高低速下，經由撓性裝置的調整與變換皆能達到安全要求；7.價格低廉。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作 任何的限制。
請參閱第一圖至第七圖，其為本發明的第一實施例，如第一圖所示，本發明為一種具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，包括：一驅動元件1、嚙合於驅動元件1的一傳動元件2、嚙合於傳動元件2的一作動元件3、連接於傳動元件2的一撓性裝置4以及連接於作動元件3的一作動裝置5。
當該驅動元件1、傳動元件2與作動元件3可為齒輪，而具安全防護之無感測器可適變剛性致動器運作時，傳動元件2會受到由驅動元件1所施加的一轉動力F，轉動力F可分解成一徑向力Fr 、一軸向力Fa 以及一切向力Ft 。傳動元件2可為斜齒輪7、螺旋齒輪8或蝸齒輪(圖略)等；當傳動元件2為斜齒輪7時，傳動元件2的受力分析如第二圖所示，並且由受力之幾何關係可求得Fa =2Ft ×tan(壓力角)×sin(齒椎角)，當斜齒輪7為傘齒輪時，壓力角可設定為20°，齒椎角可設定為45°，則Fa =0.5Ft ；在一般使用此種齒輪主要是為了轉變傳動方向，然而，在此利用軸向力Fa 小於切向力Ft 的特點，有效的避開較大的切向力，以利於撓性裝置4之設計；另，當傳動元件2為螺旋齒輪8時，傳動元件2的受力分析如第三圖所示，其軸向力Fa 與切向力Ft 的關係亦可比照上述方式求出，在此不再複述。
另，傳動元件2轉動時，可經由作動元件3傳送給該作動裝置5一扭力τ，因此，當作動裝置5受衝擊而承受一逆向之扭力τ時，作動裝置5將經由作動元件3對傳動元件2施加轉動力F，使傳動元件2受到軸向力Fa 。由上 述可知，軸向力Fa 大小與扭力τ大小具有關聯性。
傳動元件2於軸向上連接該撓性裝置4，故傳動元件2所受到之軸向力Fa 可傳送至撓性裝置4，因此，藉由預先設置撓性裝置4所能承受之軸向力Fa 上限值，進而設置作動裝置5所欲承受的一臨界扭力τlimit 。
因此，當該作動裝置5正常運作時，撓性裝置4所受到的軸向力Fa 為預設上限值之內，故撓性裝置4為固定狀態。當作動裝置5受衝擊而承受之逆向扭力τ超過臨界扭力τlimit 時，作動裝置5經作動元件3與傳動元件2，進而施加於撓性裝置4的軸向力Fa 將超過上限值，此時，撓性裝置4將於軸向上帶動傳動元件2，使傳動元件2與驅動元件1和作動元件3分離。
此外，該驅動元件1連接一驅動裝置6(如第八圖所示)，該驅動裝置6為直流馬達、交流馬達、氣壓馬達或液壓馬達(圖略)。
請參閱第四圖和第五圖，該撓性裝置4具有連接於該傳動元件2的一負載機構41、樞接於該負載機構41的一崩潰機構42以及固定該負載機構41與崩潰機構42的一殼體43，並且傳動元件2軸向地滑設於殼體43。
該負載機構41具有一負載滑塊411、一負載彈簧412以及一調整滑塊413；該負載滑塊411的一端於軸向上樞接傳動元件2，而於負載滑塊411軸向上的另一端固接負載彈簧412一端，負載彈簧412的另一端固接於該調整滑塊413一端，調整滑塊413的另一端樞接崩潰機構42，負載滑塊411與調整滑塊413軸向移動地滑設於該殼體43；再者，因傳動元件2滑設於殼體43，使得負載滑塊411僅具有一 個軸向的平移自由度。而傳動元件2所受到之徑向力Fr 則由固定負載滑塊411的殼體43所承受，並且藉由調整或變換負載彈簧412來調整撓性機構4所能承受之軸向力Fa 上限值，進而使臨界扭力τlimit 達到所欲之標準。
此外，負載機構41進一步具有一錐體4131，錐體4131設置於調整滑塊413上且固接負載彈簧412；錐體4131主要是為了便於更換負載彈簧412，並且錐體4131具有數個螺絲4132，以旋轉螺絲4132可改變負載彈簧412的預壓力，藉此，達到改變撓性機構4所能承受之軸向力Fa 上限值。
該崩潰機構42具有一連桿421、二崩潰滑塊422、二崩潰彈簧423及二止退桿件424；該連桿421的一端樞設於調整滑塊413上，連桿421的另一端樞設於崩潰滑塊422，崩潰滑塊422夾持於崩潰彈簧423與止退桿件424之間，崩潰滑塊422與崩潰彈簧423移動地滑設於該殼體43上，止退桿件424連接固定於該負載滑塊411。另，第五圖為崩潰機構崩潰時的示意圖。
第六圖的(a)為作動裝置5未運轉時傳動元件2的受力圖，此時，傳動元件2所受的扭力τ與臨界扭力τlimit 之區間是相當大的。
第六圖的(b)為作動裝置5運轉時傳動元件2的受力圖，第七A圖為此時具安全防護之無感測器可適變剛性致動器的示意圖，傳動元件2所受的扭力τ與臨界扭力τlimit 之區間已所剩不多，但只要經過適當的調整負載彈簧412來控制臨界扭力τlimit ，便依然可以在此情況下達到精準控制作動裝置5。
第六圖的(c)為傳動元件2於作動裝置5受衝擊時的受力圖，第七B圖為此時具安全防護之無感測器可適變剛性致動器的示意圖，作動裝置5受衝擊時的衝量產生逆向之扭力τ，該送向之扭力τ超過臨界扭力τlimit ，進而造成負載彈簧412的壓縮與負載滑塊411的位移，同時牽動止退桿件424，並因此使崩潰彈簧423失去平衡而推動崩潰滑塊422，該崩潰滑塊422拉動連桿421與調整滑塊413，進而使負載彈簧412拉動負載滑塊411，因而將傳動元件2脫離與驅動元件1或作動元件3的嚙合。此時，傳動元件2由運轉到受衝擊的過程中，所增加之扭力τ稱為衝擊扭力τc 。
因此，當作動裝置5與人發生碰撞時，只要負載彈簧412的選取適當與臨界扭力τlimit 的調整得宜，整個發生過程只需要幾百微秒的時間便能達到安全的防護。並且可將人體所受到的衝擊扭力τc 控制為對人體沒有傷害之大小，此令使用者更為安全。
該作動裝置5可為機械手臂、機器人、升降裝置、輸送裝置、工具機之進刀裝置等。
請參閱第八圖和第九圖，其為本發明的第二實施例，在本實施例中，主要是將第一實施例的至少一傳動元件2進一步的設置為嚙合於驅動元件1的二行星元件21、嚙合於行星元件21的一傳動元件2以及嚙合於該作動元件3的一環元件22，該行星元件21樞設於環元件22，傳動元件2連接撓性裝置4；當作動裝置5受到衝擊時，撓性裝置4將使傳動元件2與行星元件21分離，使行星元件21僅自轉而不公轉，進而使環元件22不轉動來達到作動元件3亦不轉動的效果。
當驅動元件1、傳動元件2、行星元件21、環元件22以及作動元件3為齒輪時，由齒輪間的幾何關係可推得環元件22的輸出扭力τ。與驅動元件1的輸入扭力τi 關係為：τo =τi ×Nplanet ，其中，Nplanet 為行星元件21的數量。如此一來可進行變比，使得輸入端可選取扭力τ較小之驅動裝置6。
〔本發明之發明特徵及特點〕
本發明的具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，主要以無感測器之機構組合來達到防止自動化機械裝置傷害使用者，進而令使用者可更安全的與作動裝置相處。再者，本發明可經由負載彈簧412的調整來控制使用者受到作動裝置5衝擊時的衝擊扭力τc ，並且經適當地調整齒輪組合型態即可使用扭力較小的驅動裝置6。
惟以上所揭露者，僅為本發明較佳實施例而已，自不能以此限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請範圍所做之均等變化或修飾，仍屬本發明所涵蓋之範圍。
1‧‧‧驅動元件
2‧‧‧傳動元件
21‧‧‧行星元件
22‧‧‧環元件
3‧‧‧作動元件
4‧‧‧撓性裝置
41‧‧‧負載機構
411‧‧‧負載滑塊
412‧‧‧負載彈簧
413‧‧‧調整滑塊
4131‧‧‧錐體
4132‧‧‧螺絲
42‧‧‧崩潰機構
421‧‧‧連桿
422‧‧‧崩潰滑塊
423‧‧‧崩潰彈簧
424‧‧‧止退桿件
43‧‧‧殼體
5‧‧‧作動裝置
6‧‧‧驅動裝置
7‧‧‧斜齒輪
8‧‧‧螺旋齒輪
F‧‧‧轉動力
Fa ‧‧‧軸向力
Ft ‧‧‧切向力
Fr ‧‧‧徑向力
τ‧‧‧扭力
τlimit ‧‧‧臨界扭力
τc ‧‧‧衝擊扭力
第一圖為本發明第一實施例之示意圖。
第二圖為本發明斜齒輪之受力圖。
第三圖為本發明螺旋齒輪之受力圖。
第四圖為本發明撓性裝置之示意圖。
第五圖為本發明崩潰機構崩潰時之示意圖。
第六圖為本發明作動裝置之受力圖。
第七A圖為本發明運轉時之示意圖。
第七B圖為本發明受衝擊時之示意圖。
第八圖為本發明第二實施例之示意圖。
第九圖為本發明第二實施例齒輪配置之示意圖。
1‧‧‧驅動元件
2‧‧‧傳動元件
3‧‧‧作動元件
4‧‧‧撓性裝置
5‧‧‧作動裝置

Claims (12)

  1. 一種具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，包括：一驅動元件；一傳動元件；至少一行星元件，其兩側嚙合於該驅動元件與該傳動元件；一環元件，該行星元件樞設於該環元件；一作動元件，其嚙合於該環元件；一撓性裝置，其連接於該傳動元件，其中該撓性裝置具有連接於該傳動元件的一負載機構、抵觸於該負載機構的一崩潰機構以及固定該負載機構與該崩潰機構的一殼體；以及一作動裝置，其連接於該作動元件；該作動裝置正常運作時，該撓性裝置為固定狀態，該作動裝置受到衝擊時，該撓性裝置使該傳動元件與該行星元件分離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該驅動元件、該環元件以及該作動元件為齒輪，該傳動元件以及該至少一行星元件為螺旋齒輪、斜齒輪或蝸齒輪。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該負載機構具有一負載滑塊、一負載彈簧以及一調整滑塊；該負載滑塊的兩端分別連接該傳動元件與該負載彈簧的一端，該負載彈簧的另一端連接固定於該調整滑塊的一端，該調整滑塊的另一端抵 觸該崩潰機構，該負載滑塊與該調整滑塊滑設於該殼體上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該負載機構進一步具有一錐體，該錐體設置於該調整滑塊上且連接該負載彈簧。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該崩潰機構具有一連桿、至少一崩潰滑塊、至少一崩潰彈簧、至少一止退桿件；該連桿的一端抵觸於該調整滑塊上，該連桿的另一端連接該崩潰滑塊，該崩潰滑塊夾持於該崩潰彈簧與該止退桿件之間，該崩潰滑塊與崩潰彈簧設置於該殼體上，該止退桿件連接固定於該負載滑塊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該作動裝置為機械手臂、機器人、升降裝置、輸送裝置或工具機之進刀裝置。
  7. 一種具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，包括：一驅動元件；至少一傳動元件，其嚙合於該驅動元件；一作動元件，其嚙合於該傳動元件；一撓性裝置，其連接於該傳動元件，其中該撓性裝置具有連接於該傳動元件的一負載機構、抵觸於該負載機構的一崩潰機構以及固定該負載機構與該崩潰機構的一殼體；以及一作動裝置，其連接於該作動元件；該作動裝置正常運作時，該撓性裝置為固定狀態，該 作動裝置受到衝擊時，該撓性裝置使該傳動元件與該驅動元件或該作動元件分離。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該驅動元件與該作動元件為齒輪，該至少一傳動元件為螺旋齒輪、斜齒輪或蝸齒輪。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該負載機構具有一負載滑塊、一負載彈簧以及一調整滑塊；該負載滑塊的兩端分別連接該傳動元件與該負載彈簧的一端，該負載彈簧的另一端連接固定於該調整滑塊的一端，該調整滑塊的另一端抵觸該崩潰機構，該負載滑塊與該調整滑塊滑設於該殼體上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該負載機構進一步具有一錐體，該錐體設置於該調整滑塊上且連接該負載彈簧。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該崩潰機構具有一連桿、一崩潰滑塊、一崩潰彈簧、一止退桿件；該連桿的一端抵觸於該調整滑塊上，該連桿的另一端連接該崩潰滑塊，該崩潰滑塊夾持於該崩潰彈簧與該止退桿件之間，該崩潰滑塊與崩潰彈簧設置於該殼體上，該止退桿件連接固定於該負載滑塊。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之具安全防護之無感測器可適變剛性致動器，其中該作動裝置為機械手臂、機器人、升降裝置、輸送裝置或工具機之進刀裝置。
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