TWI419778B - 順應性關節 - Google Patents

Description

順應性關節

本提案係關於一種順應性關節，特別是一種用於機械手臂的機械關節。

由於高齡化、少子化社會的來臨，造成勞動人口大幅減少，進而影響整體國家及社會之進步。為了解決此問題，機器人也漸漸地從工廠走入人類的日常生活中，協助人類處理危險工作或生活瑣事。在機器人與人類接觸越來越頻繁之際，如何安全地使機器人與使用者間互動及提供服務，已成為機器人研究現階段最重要之議題。

一般安全機械手臂的設計，可分為主動式關節設計及被動式關節設計。主動式關節大多是在機械手臂表面配置大量的壓力感測器或是關節處配置扭力感測器。當感測器接收到訊號且判斷機械手臂受到碰撞時，機械手臂之關節上的一煞車裝置便立即執行，以使機械手臂停止運作。但主動式關節設計的訊號識別技術較為複雜，相對也造成較高的成本。

相較於主動式關節，被動式關節則利用彈性元件作為緩衝碰撞的衝擊力，所以無須使用訊號識別技術。藉此，被動式關節設計也相對較主動式關節設計簡單，且成本也相對便宜。

習知的一關節設計，係利用一片狀彈簧結合一滑塊螺桿系統，並透過一馬達以控制滑塊位置，藉此調整關節的剛性。此外，關節設計更可搭配一彈簧形變感測器及一位置感測器，以達到力量順應控制的效果。

習知的另一關節設計，係利用一彈簧結構與一凸輪結構搭配，以達被動式安全關節機構。當機械手臂碰撞物體時，關節扭力之負荷量會使彈簧壓縮而使凸輪脫離一凹槽限制，以使轉軸處於空轉之狀態，以達到安全設計的效果。然而，此種關節設計會有剛性不足的問題，且其安全機制並無法於碰撞當下及時的啟動。

因此，如何設計出結構簡單、成本低廉以及能夠及時啟動安全機制的關節設計，已是研發人員所要追求的重要目標。

鑒於以上的問題，本提案在於提供一種順應性關節，藉以解決習知具安全機制的機械關節之設計較為複雜，造成開發成本較高之問題。

本提案所揭露之順應性關節，其包含一固定座體、一轉軸、一第一殼體、至少一簧片組、一第二殼體及至少一隨動件。其中，轉軸樞設於固定座體，第一殼體連接於轉軸，並隨轉軸旋轉。簧片組包含至少一簧片，並隨轉軸旋轉。第二殼體樞設於轉軸。隨動件設置於第二殼體，隨動件抵靠於簧片。此外，轉軸被驅動而旋轉，簧片受轉軸連動而旋轉，且簧片推壓隨動件而產生變形。簧片因變形而產生一彈性力以推動隨動件，以帶動第二殼體相對固定座體旋轉。

根據上述本提案所揭露之順應性關節，係藉由簧片組與隨動件的搭配，以提供順應性關節的緩衝效果。由於簧片組可吸收外界的衝擊量，除了可保護使用者的安全外，並也可保護機械手臂本身。並且，工程人員可透過更換簧片數量以及簧片規格，以調整簧片組的等效彈性係數，或者於第一殼體與第二殼體之間添加不同黏滯係數之阻尼油，以調整順應性關的阻尼係數。藉此，可令順應性關節適用於各種不同的使用場合。是以這樣的順應性關節具有簡單的簧片-阻尼結構設計，因此可降低製作成本。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照「第1A圖」至「第1C圖」，「第1A圖」係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構示意圖，「第1B圖」係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構分解示意圖，「第1C圖」係為根據本提案一實施例之順應性關節的部分結構分解示意圖。

本實施例之順應性關節10係可用於機械手臂，且順應性關節10內部係具簧片-阻尼結構以吸收突發的碰撞及衝擊，以達安全的功效。順應性關節10包含有一固定座體100、一轉軸200、一第一殼體300、兩簧片組400、一第二殼體500以及兩隨動件600。此外，順應性關節10更可以包含一驅動器700。

其中，固定座體100更具有一第一容置槽110，第一容置槽110內設置有兩軸承130、140。轉軸200藉由穿設軸承130、140而樞設於固定座體100。此外，順應性關節10更包含一環型固定蓋120，固定蓋120可藉由多個螺絲121的穿鎖而固定於固定座體100之一側，以將軸承130、140以及轉軸200的部分體積固定於第一容置槽110內。

本實施例之驅動器700可以是但不侷限於馬達，驅動器700可藉由螺絲101之鎖附而固定於固定座體100相對固定蓋120之一側。並且，驅動器700具有一傳動軸710，傳動軸710藉由一插銷201而連接轉軸200，使得驅動器700可帶動轉軸200相對固定座體100進行旋轉。

本實施例之第一殼體300為一杯形體，且具有一環繞其杯形體內緣一圈的環型內齒310。第一殼體300可藉由螺絲301之鎖附而固定於轉軸200，第一殼體300隨著轉軸200而一併旋轉。

請繼續參照「第1B圖」，簧片組400係包含至少一簧片。簧片為彈性體，例如是板形彈簧。使用者可依據實際需求而調整簧片組400所包含的簧片數量，以調整出簧片組400整體的等效彈性係數。更進一步來說，在使用相同規格之簧片的條件下，越多數量的簧片所構成之簧片組400能夠有較大的等效彈性係數，以承受較大之負荷或外力衝擊。本實施例之兩簧片組400係分別藉由螺絲401而被鎖附於轉軸200的相對兩側，簧片組400可隨著轉軸200而旋轉。並且，兩簧片組400係位於第一殼體300的杯形體內，並被環型內齒310所環繞。

此外，順應性關節10更可包含兩擋板410，擋板410用以限制簧片組400的變形量。在本實施例當中，擋板410具有一圓弧表面，圓弧表面面對簧片組400，簧片組400係沿著圓弧表面而變形。更進一步來說，圓弧表面限制了簧片組400的變形量，以避免簧片組400因變形量過大而造成損壞。並且，擋板410與簧片組400係共同藉由螺絲401而鎖附於轉軸200上，並且隨著轉軸200而一併旋轉，且簧片組400係介於擋板410與轉軸200之間。

需注意的是，在本實施例當中，簧片組400與擋板410係藉由螺絲401而直接固定於轉軸200上，然而此特徵非用以限定本提案。舉例來說，簧片組400與擋板410也可以皆固定在第一殼體300，或者是簧片組400固定於轉軸200上，而擋板410固定在第一殼體300上。

請參照「第2A圖」並同時搭配「第1B圖」以及「第1C圖」，「第2A圖」係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構剖示圖。

本實施例之第二殼體500係為一杯形體，第二殼體500樞設於轉軸200，且第二殼體500並可同時套設於第一殼體300。兩隨動件600可分別藉由兩螺帽610而固定或樞設於第二殼體500，且被夾設於兩簧片組400之間。更進一步來說，隨動件600、擋板410及簧片組400係被第一殼體300及第二殼體500所共同包覆。當驅動器700帶動轉軸200旋轉而連動第一殼體300、簧片組400及擋板410一併旋轉時，簧片組400係推動兩隨動件600而迫使第二殼體500也一併旋轉。

此外，本實施例之順應性關節10更可包含一固定塊800，固定塊800藉由螺絲801而固置於第二殼體500相對於第一殼體300之一側。換句話說，第二殼體500介於固定塊800與第一殼體300之間。固定塊800可包含一第二容置槽810，第二容置槽810內容設有兩軸承820、830。轉軸200之一端係穿過第二殼體500並樞設於兩軸承820、830內。其中，固定塊800係可用來連接一機械手臂。並且，本實施例之順應性關節10還可包含一限位件840，限位件840套設並固定於轉軸200之末端。限位件840用以限制第二殼體500的旋轉軸向位移，以避免第二殼體500由轉軸200之一端脫出而與第一殼體300分離。更進一步來說，第二殼體500與固定塊800係被夾設於限位件840與第一殼體300之間。

此外，本實施例之第一殼體300與第二殼體500之間，更可可添加有一阻尼油20。更進一步來說，阻尼油20位於第一殼體300之杯形體的一環型外壁面302與第二殼體500之杯形體的一環型內壁面502之間。藉由阻尼油20的設置，使得第二殼體500相對第一殼體300樞轉時，其兩者間具有阻尼的效果。並且，順應性關節10可藉由添加不同黏滯係數之阻尼油20於第一殼體300與第二殼體500之間，以調整順應性關節10之系統的阻尼係數，使順應性關節10適用於各種不同的使用條件。

本實施例之順應性關節10更可包含一感測器900，感測器900為一角位移感測器，但不以此為限。舉例來說，感測器900也可以是光學感測器等，感測器900只需能夠量測第一殼體300與第二殼體500之間的角位移量即可。感測器900藉由螺帽930而固定於一固定片920上，固定片920再藉由螺絲901而鎖附於第二殼體500上，並使感測器900與固定塊800位於第二殼體500的相同側。

本實施例之順應性關節10更可包含一齒輪910，齒輪910藉由插銷911而與感測器900相連接。齒輪910被第一殼體300與第二殼體500包覆，且齒輪910囓合於環形內齒310。藉由齒輪910相對環形內齒310的旋轉量，可令感測器900計算出第二殼體500相對於第一殼體300的角位移量。

請同時搭配「第1C圖」、「第2A圖」及「第2B圖」，「第2B圖」係為根據本提案一實施例之順應性關節的隨動件與簧片作動示意圖。

於常態不受外力的狀態下，順應性關節10之兩隨動件600係被夾設於兩簧片組400之間，且隨動件600與轉軸200之間保持有一距離L，如「第2A圖」所示。當驅動器700驅動轉軸200相對固定座體100旋轉時，固定於轉軸200上的第一殼體300、兩簧片組400以及兩擋板410也相對於固定座體100旋轉。此時，兩簧片組400因推壓隨動件600而連動第二殼體500相對固定座體100旋轉。若此時連接第二殼體500的機械手臂受到一外力衝擊或者是一額外負重，簧片組400便沿著擋板410的表面產生彈性變形，如「第2B圖」所示。若機械手臂受到的是外力衝擊，簧片組400便可因彈性變形而吸收此衝擊量。若機械手臂受到的是額外負重，則簧片組400因此彈性變形而產生一彈性力，此彈性力的大小正比於彈性變形量與簧片組400的等效彈性係數。當簧片組400持續變形而使得彈性力超過機械手臂所成受的額外負重時，第二殼體500便可繼續相對固定座體100旋轉。

其中，感測器900可藉由齒輪910相對於環形內齒310的旋轉量而計算出第二殼體500與第一殼體300之間的角位移量。其目的用以使操作者獲得轉軸200的旋轉量與第二殼體500的實際旋轉量，已用來進行補正及校正的依據。舉例來說，當驅動器700驅動轉軸200相對固定座體100旋轉90度角，第一殼體300因固定於轉軸200而同樣相對固定座體100旋轉90度角。此時，簧片組400因連接第二殼體500的機械手臂因具有一負重而產生彈性變形，因此第二殼體500的實際轉量可能只有達70度角。此時，感測器900所測得第二殼體500與第一殼體300間的角位移量便為20度角。

因此，操作者可利用感測器900而獲得每一轉軸200的旋轉角度與第二殼體500的實際旋轉角度之差值，並依據這資訊來精準的控制機械手臂。舉例來說，當操作者期望機械手臂實際旋轉90度角，則需令轉軸200旋轉115度角以達成使機械手臂旋轉90度角。至於上述的控制方法由於並非本提案的重點，因此便不再多做贅述。

由於本實施例之順應性關節10係具有簧片組400搭配隨動件600所構成的簧片-阻尼結構，因此轉軸200驅動第二殼體500的旋轉過程中，若連接於第二殼體500的機械手臂與使用著的互動中受到瞬間的碰撞或衝擊，簧片組400可立即的吸收此衝擊量。藉此，可保護使用著的安全，以達安全關節的功效。並且，藉由本實施例之順應性關節10的雙簧片組400與兩隨動件600的搭配，可具有雙向(正、反轉)的緩衝效果。

此外，簧片組400的等效彈性係數係可藉由不同規格或數量的簧片以搭配出各種不同彈性係數。因此，工程人員只需更換簧片組400的規格，譬如增加或減少簧片組400的簧片數量，即可調整簧片組400的等效彈性係數，或於第一殼體300與第二殼體500之間添加不同黏滯係數之阻尼油20，以調整第一殼體300與第二殼體500之間的阻尼係數。藉此，使順應性關節10適用於各種不同的使用場合。

並且，在「第2A圖」實施例當中，隨動件600與轉軸200間係具有一距離L，然而此距離L的大小也同樣影響順應性關節10的等效彈性係數大小。舉例而言，距離L越小，則順應性關節10的等效彈性係數越大。在本提案另一實施例當中，隨動件600與轉軸200之間的距離係可調整，其方法可藉由滑塊來移動隨動件600的位置，或者於第二殼體500上設置不同的組配孔以搭配調整隨動件600與轉軸200間的位置。藉由適當地調整隨動件600與轉軸200間的距離L以控制順應性關節10的等效彈性係數大小，使順應性關節10適用於各種不同的使用場合。

接著請參照「第3圖」，「第3圖」係為根據本提案另一實施例之順應性關節的結構剖示圖。本提案另一實施例之順應性關節10之結構與「第2A圖」之實施例相似，因此針對相同之處便不再詳細贅述。

本提案另一實施例之順應性關節10具有一簧片組400，簧片組400設置於轉軸200的同一側。兩隨動件600位於簧片組400的同一側，且隨動件600分別位於簧片組400的相對兩端。順應性關節10藉由一簧片組400與兩隨動件600的搭配也可具有雙向的緩衝效果。

接著請參照「第4圖」，「第4圖」係為根據本提案另一實施例之順應性關節的結構剖示圖。本提案另一實施例之順應性關節10之結構與「第2A圖」之實施例相似，因此針對相同之處便不再詳細贅述。

本提案另一實施例之順應性關節10具有兩簧片組400，兩簧片組400設置於轉軸200的相對兩側，一隨動件600夾設於兩簧片組400之間。順應性關節10藉由兩簧片組400與一隨動件600的搭配也可具有雙向的緩衝效果。

此外，前述實施例之順應性關節10係只具有單軸向的旋轉功能，若將兩順應性關節10適當的搭配，則可組合成具雙軸向旋轉功能的機械關節。

接著請參照「第5圖」，「第5圖」係為根據本提案另一實施例之雙軸向的順應性關節之結構示意圖。

其中一順應性關節10之固定塊800係與另一順應性關節10' 的固定座體100' 相結，順應性關節10' 的固定塊800' 另連接一驅動桿15。藉由上述的兩順應性關節10、10' 之搭配設置，可令驅動桿15具有雙軸向的旋轉功能。

根據上述實施例之順應性關節，係藉由簧片組與隨動件的搭配，即可提供順應性關節的緩衝效果。由於簧片組可吸收外界的衝擊量，除了可保護使用者的安全外，並也可保護機械手臂本身。並且，工程人員可透過更換簧片數量以及簧片規格，以調整簧片組的等效彈性係數。或者，可於第一殼體與第二殼體之間添加不同黏滯係數之阻尼油，以調整順應性關節的阻尼係數。藉此，可令順應性關節適用於各種不同的使用場合。是以這樣的順應性關節具有簡單的簧片-阻尼結構設計，因此可降低製作成本。

此外，本提案之順應性關節更可搭配感測器，以獲取第一殼體與第二殼體間的角位移量。工程人員可根據此位移資訊以進行控制手段的補正及校正依據，而令順應性關節具有良好的運轉精度。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10、10' ．．．順應性關節

15．．．驅動桿

20．．．阻尼油

100、100' ．．．固定座體

101．．．螺絲

110．．．第一容置槽

120．．．固定蓋

121．．．螺絲

130．．．軸承

140．．．軸承

200．．．轉軸

201．．．插銷

300．．．第一殼體

301．．．螺絲

302．．．環型外壁面

310．．．環形內齒

400．．．簧片組

401．．．螺絲

410．．．擋板

500．．．第二殼體

502．．．環型內壁面

600．．．隨動件

610．．．螺帽

700．．．驅動器

710．．．傳動軸

800、800' ．．．固定塊

801．．．螺絲

810．．．第二容置槽

820．．．軸承

830．．．軸承

840．．．限位件

900．．．感測器

901．．．螺絲

910．．．齒輪

911．．．插銷

920．．．固定片

930．．．螺帽

第1A圖係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構示意圖。

第1B圖係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構分解示意圖。

第1C圖係為根據本提案一實施例之順應性關節的部分結構分解示意圖。

第2A圖係為根據本提案一實施例之順應性關節的結構剖示圖。

第2B圖係為根據本提案一實施例之順應性關節的隨動件與簧片作動示意圖。

第3圖係為根據本提案另一實施例之順應性關節的結構剖示圖。

第4圖係為根據本提案另一實施例之順應性關節的結構剖示圖。

第5圖係為根據本提案另一實施例之雙軸向的順應性關節之結構示意圖。

10．．．順應性關節

100．．．固定座體

101．．．螺絲

110．．．第一容置槽

120．．．固定蓋

121．．．螺絲

130．．．軸承

140．．．軸承

200．．．轉軸

201．．．插銷

300．．．第一殼體

301．．．螺絲

310．．．環形內齒

400．．．簧片組

401．．．螺絲

410．．．擋板

500．．．第二殼體

600．．．隨動件

610．．．螺帽

700．．．驅動器

710．．．傳動軸

800．．．固定塊

801．．．螺絲

810．．．第二容置槽

820．．．軸承

830．．．軸承

840．．．限位件

900．．．感測器

901．．．螺絲

910．．．齒輪

911．．．插銷

920．．．固定片

930．．．螺帽

Claims (18)

1. 一種順應性關節，包含：一固定座體；一轉軸，樞設於該固定座體；一第一殼體，連接於該轉軸，並隨該轉軸旋轉；一簧片組，包含至少一簧片，並隨該轉軸旋轉；一第二殼體，樞設於該轉軸；以及至少一隨動件，設置於該第二殼體，該隨動件抵靠於該簧片組；其中，該轉軸被驅動而旋轉，該簧片組受該轉軸連動而旋轉，該簧片組推壓該隨動件而產生變形，該簧片組因變形而產生一彈性力以推動該隨動件，以帶動該第二殼體相對該固定座體旋轉。
2. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一螺絲，該簧片組藉由該螺絲而鎖附於該轉軸上。
3. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一擋板，設置於該第一殼體，該擋板對應該簧片組，以限制該簧片組之變形量。
4. 如請求項第3項所述之順應性關節，更包含一螺絲，該簧片組及該擋板藉由該螺絲而鎖附於該轉軸上。
5. 如請求項第1項所述之順應性關節，包含兩該簧片組，該兩簧片組分別位於該轉軸的相對兩側。
6. 如請求項第5項所述之順應性關節，其中該隨動件夾設於該兩簧片組之間。
7. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一感測器，該感測器設置於該第二殼體，該感測器量測該第一殼體與該第二殼體之間的一角位移量。
8. 如請求項第7項所述之順應性關節，更包含一齒輪，該第一殼體具有一環型內齒，該齒輪連接該感測器，並囓合於該環型內齒。
9. 如請求項第1項所述之順應性關節，其中該隨動件與該第二殼體的一旋轉軸心之間具有一距離，且該距離係可調整。
10. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一限位件，套設於該轉軸之一端，該第一殼體介於該第一殼體與該限位件之間。
11. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一固定塊，該固定塊設置於該第一殼體相對於該第一殼體之一側，該固定塊內容設有一軸承，該轉軸之一端位於該軸承內。
12. 如請求項第1項所述之順應性關節，其中該固定座體內具有一軸承，該轉軸位於該軸承內。
13. 如請求項第1項所述之順應性關節，包含兩該隨動件，該兩隨動件位於該簧片組的同一側，且分別位於該簧片組的相對兩端。
14. 如請求項第1項所述之順應性關節，其中該第二殼體套設於該第一殼體。
15. 如請求項第14項所述之順應性關節，更包含一阻尼油，該阻尼油介於該第一殼體與該第二殼體之間。
16. 如請求項第1項所述之順應性關節，更包含一驅動器，該驅動器連接並驅動該轉軸。
17. 如請求項第1項所述之順應性關節，其中該簧片組固定於該第一殼體。
18. 如請求項第1項所述之順應性關節，其中該簧片組包含複數個簧片。