TWI580540B - Space joint armrest gravity balance device - Google Patents

Description

空間關節式機械手臂重力平衡裝置

本發明係關於一種關節式機械手臂，特別是指一種利用位能守恆的原理，使系統在任意組態永遠保持靜力平衡狀態的空間關節式機械手臂重力平衡裝置。

按，關節式機器手臂系統的重力平衡，通常能減少關節扭力的驅動，進而減少驅動器的能量耗損。當一個機構處於一個完全重力平衡的狀態下，可將此機構視為一個靜平衡系統，此系統即可使用較少或甚至不需輸入任何力量就可將此機構移動至任何組態(configuration)或位置，像是處於一個無重力的環境當中。一般而言，重力平衡的設計可分為主動式與被動式平衡：主動式的平衡常需要昂貴的驅動以及控制系統；被動式的平衡則可利用相對簡單的元件來達成。被動式重力平衡的設計已廣泛應用於各個領域當中，例如：檯燈、手術照明設備、工程用起重機、人體上肢手臂支撐器(mobile  arm  support)、術後人體下肢矯正器(orthosis)、工業用機器手臂以及並聯式機器平台等。

被動式重力平衡的主要方法包含：摩擦法(friction  methods)、配重法(counterweight  mass  methods)以及彈簧平衡法(spring  balancing methods)等。摩擦法常用於筆記型電腦螢幕鉸鏈(hinge)設計，此技術原理是利用軸與孔的幾何干涉來產生足夠的摩擦力矩，以支撐螢幕重量，但使用此方法將會使零件以及轉軸因長期的配合摩擦，造成零件磨耗，導致零件可能失效的風險。因此，摩擦法大部分是用於有限壽命且較不發生危險的設計。

配重法主要是利用外加的質量於系統中，使整體系統在運動過程中仍可保持系統質心位置不變，藉此達成系統的重力平衡、位能守恆的目的。但使用配重法的主要缺點通常會增加系統使用空間，增加系統整體的質量與慣性力，影響系統桿件的強度，因此較少在空間限制條件較多的設計上採用。

相對於摩擦法與配重法，彈簧平衡法因其本身具有輕量化與不易磨耗等優點，普遍被認為是一個較佳的重力平衡方法，因此廣泛被工業界與學術界所採用。彈簧平衡法所使用的彈簧，可能包括：拉伸彈簧(tension  spring)、壓縮彈簧(compression  spring)、扭矩彈簧(torsion  spring)以及零自由長度彈簧(zero-free-length spring)或其他彈性元件等。早期的彈簧平衡法通常只針對系統特定的組態位置，去進行重力平衡的設計，其結果雖可將在特定組態位置中消弭大部分的重力影響，但這類型的彈簧平衡設計只將系統的重力作用盡量降到最小，乃屬於非完全的重力平衡設計。

另一方面，許多學者利用系統位能守恆的原理，發展出各種完全重力平衡的設計。這方面的發展最早可追朔到 1961 年，美國科學家 K.Hain 將一個零自由長度彈簧連接於一個位於垂直面的單自由度旋轉連桿，並使此連桿在任意角度皆可達到完全的重力平衡。之後科學家們進一步闡釋 K. Hain 的平衡系統，提出若要使機構保持完全的重力平衡，可以使用一條、二條或四條彈簧，因為只使用一條彈簧時，就必須使用零自由長度彈簧，若使用二條彈簧，零自由長度彈簧的設計條件將會更加嚴苛。但如果使用四條彈簧，就可用一般的拉伸彈簧。對於一般平面機構的重力平衡方法，有學者提出利用向量迴路法搭配零自由長度彈簧解決部分平面四連桿與六連桿機構的重力平衡問題，並發展出一套剛性矩陣法(stiffness matrix)來解決平面多軸關節式連桿系統的平衡問題。上述的方法雖然可以同時求得彈簧的安裝數目與位置。但是其只適用於均為旋轉對的平面機構，對於立體機構的重力平衡問題則無法有效處理。

在立體機構的重力平衡方面，一般除了利用配重法，也可使用彈簧平衡法來解決空間平行機器平台的重力平衡問題。例如利用輔助平行連桿機構(auxiliary parallelogram)以追蹤系統的質心位置，並在第二臂體與系統質心以及數個平行連桿機構之間安裝零自由長度彈簧，使系統在任意組態位置均可達到完全的重力平衡。此種方法可應用於人體下肢助行輔具的設計可消除下肢大部分的重量影響，降低關節扭矩，使穿戴者易於行走。但此方法需要安裝比較多的彈簧與輔助桿件，並且在這個設計中，會因彈簧與彈簧之間的平衡，產生極大的系統內力，此種現象將會損害系統的可靠度。

由於配重法會增加系統的總質量與慣性，而摩擦法常會因直接接觸而導致磨耗，減少系統之壽命，因此透過彈性元件來達成重力平衡的技術廣泛被採用。而在彈簧平衡法的元件使用中，除了少數用線性彈簧(linear  spring)、扭矩彈簧(torsion spring)以及其他彈性元件外，大部分的重力平衡設計多使用零自由長度彈簧。但由於零自由長度彈簧在實務的應用上，常因裝置點距離過長，造成占用過大系統空間，妨礙連桿的運動，產生相對大的彈簧內力。並且由於零自由長度彈簧包含滑輪、纜線以及拉伸彈簧等零件，整體系統的複雜度較高，以及在設計上，亦容易造成可靠度降低等缺點，仍有許多有待改良之處存在。

有鑑於上述提到目前重力平衡機械手臂所存在之缺點，本案發明人秉持精益求精的良善動機，提出一種空間關節式機械手臂重力平衡裝置，可利用位能守恆的原理，當系統的重力位能下降時，系統的彈力位能將以同樣大小的增量以補償其重力位能的損失，使系統在任意組態永遠保持靜力平衡(static balance)的狀態。

為了達到上述目的，本發明係提供一種空間關節式機械手臂重力平衡裝置，包括：一第一臂體以及一第二臂體。該第一臂體固定於一位置上，且具有一彈性元件、一頂靠部以及一第一齒輪。該第一齒輪一側面上具有一第一壓迫部以及一第二壓迫部，二該壓迫部對稱設置於一第一齒輪中心兩側，且分別與該第一齒輪中心相距有一第一距離，該頂靠部與二該壓迫部其中之一相貼靠。固定於該第二臂體之一端具有一第二齒輪，該第二臂體以一旋轉軸與該第一臂體相樞接，而該第二齒輪中心與該旋轉軸為同一軸心，且該第二齒輪與該第一齒輪相連接。其中，該第一齒輪中心處對該旋轉軸的延伸方向定義為一第一軸心方向，該旋轉軸至該第二臂體之質量中心的延伸方向定義為一第二軸心方向，該第一軸心方向與該二壓迫部中心連線之夾角定義為一第一夾角，該第一軸心方向至該第二軸心方向定義為一第二夾角，該第二臂體之質量中心與該旋轉軸具有一第二距離；於重力平衡的狀態時，適當的安裝與設計應該為：當該第二夾角等於90度時，第一夾角亦須等於90度，且此時彈性元件為未壓縮狀態，且該第二臂體之重量與該第二距離之乘積等於四分之一該第一距離之平方與該彈性元件之彈性係數之乘積。在本發明較佳實施例中，該本體可固定於一位置上，且該第二臂體可沿著該旋轉軸為軸心作一旋轉運動方向。

在本發明較佳實施例中，該第一臂體可固定於一位置上，且該第二臂體可沿著該旋轉軸為軸心作一旋轉運動方向。

在本發明較佳實施例中，該頂靠部具有一容置空間，該彈性元件設置於該容置空間內，且該彈性元件一端與該本體相連接，其另端與該頂靠部相連接。

在本發明較佳實施例中，該第一齒輪之齒數為該第二齒輪之齒數的2倍。

在本發明較佳實施例中，若該第二臂體另一端具有另一第三臂體，則該第二臂體需具有另一第一齒輪、頂靠部與設置於該容置空間內的彈性元件，而另一該第三臂體需具有另一第二齒輪，使該第三臂體與第二臂體以該旋轉軸相樞接，且該第一齒輪與該第二齒輪相連接。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解，但須注意的是，該等內容不構成本發明的限定。

請參閱圖1所示， 其為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置一實施例之立體結構示意圖。本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1，至少包括：一第一臂體 3以及一第二臂體 2。

該第一臂體 3更包括有一旋轉軸 4以及一本體 5，本發明較佳實施例中，該本體5可固定於一位置 6上，該位置 6可以是牆壁、地表或是固定座。該第一臂體 3以該旋轉軸 4與該第二臂體 2相連接，使得該第二臂體 2可沿著該旋轉軸 4為軸心，相對該第一臂體 3做一旋轉運動方向91。

該本體 5具有一彈性元件 51、一頂靠部 52以及一第一齒輪 53。該彈性元件 51為一壓縮彈簧(compression spring)，該彈性元件 51一端與該本體 5相連接，其另端與該頂靠部 52相貼靠。較佳的，該本體 5內部設置有一檔塊 56，該彈性元件 51兩端分別與該檔塊 56以及該頂靠部 52相連接。較佳的設計為，該頂靠部 52具有一容置空間 521，使得該彈性元件 51可設置於該容置空間 521內。

該第一齒輪 53透過一定位件(圖中未示) 與該本體 5相樞接，於本發明較佳實施例中，該定位件大致位於一第一齒輪中心55位置，且該第一齒輪 53並可以沿著該第一齒輪中心55為軸心旋轉。該第一齒輪 53至少一側面上具有一第一壓迫部 531以及一第二壓迫部532，該第一壓迫部 531以及該第二壓迫部532以該第一齒輪中心55為中心點，對稱設置於該第一齒輪中心55兩側，且該第一壓迫部 531以及該第二壓迫部532分別相距該第一齒輪中心55有一第一距離 D ₁。該頂靠部 52與該第一壓迫部 531以及該第二壓迫部532其中之一相貼靠。在本創作較佳實施例中，該第一壓迫部531以及該第二壓迫部532分別為一圓柱結構，且凸出於該第一齒輪53之側面外，當然亦可是設計為該第一壓迫部531以及該第二壓迫部532分別為一長條柱狀結構之二端，但不限於此。

該第二臂體 2其一端具有一第二齒輪 21，該第二齒輪21固定於該第二臂體2上，且該第二臂體 2以該旋轉軸 4與該第一臂體3相樞接，該第二齒輪21與該第一齒輪53相嚙合連接，而該第二齒輪21中心與該旋轉軸4為同一軸心，該第一齒輪53之齒數為該第二齒輪21之齒數的2倍。該第一齒輪中心55對該旋轉軸 4的延伸方向定義為一第一軸心方向 92，該頂靠部 52之側面與該第一軸心方向 92相垂直，該第一軸心方向 92至該第一壓迫部531或該第二壓迫部532具有一第一夾角 β。而該旋轉軸4至該第二臂體2之質量中心M的延伸方向定義為一第二軸心方向93，該第一軸心方向92至該第二軸心方向93定義為一第二夾角θ，該第二臂體2之質量中心M與該旋轉軸4具有一第二距離D ₂。

為了達到整體系統的重力平衡，必須同時滿足下列二個條件：當該第二夾角θ等於90度時，該第一夾角β亦須等於90度，且此時彈性元件為未壓縮狀態；以及該第二臂體 2之重量與該第二距離 D ₂之乘積等於四分之一該第一距離 D ₁之平方與該彈性元件 51之彈性係數 k之乘積( , 其中 g代表重力)。此時當該第二臂體 2沿著該旋轉軸 4為軸心相對該第一臂體 3做該旋轉運動方向91時，該第一齒輪 53將由於其與該第二齒輪 54的囓合而被迫旋轉，帶動該第一壓迫部 531以及該第二壓迫部532其中之一壓迫該彈性元件 51以產生彈力位能，該彈力位能可與系統重力位能互相補償抵銷，進而使整體系統達到重力平衡的狀態，使作動該第二臂體 2為最省力。

請參閱圖2所示，其為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置另一實施例之立體結構示意圖。本發明另一較佳實施例中，本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1c，該第二臂體 2c可固定於一位置 6上，該位置 6可以是牆壁、地表或是固定座，而該第一臂體 3c可沿著該旋轉軸4為軸心作一旋轉運動方向91c，且該第二齒輪21c與該第一齒輪53c相嚙合連接。與前述實施例不同的是，由於該第一臂體 3c之旋轉方向的改變，該頂靠部52與該彈性元件51的位置變動，將使得該第一臂體 3c的重心位置運動中產生些許改變。

請同時參閱圖2及圖3所示，圖3為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置又一實施例之立體結構示意圖。在本創作空間關節式機械手臂重力平衡裝置又一實施例中，本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1a，該第二臂體2c可固定於一位置 6上，且以一栓軸22c將該第二齒輪21c以及其軸與該第二臂體2c結合成一體，而該第一臂體 3c可沿著該旋轉軸4c為軸心作一旋轉運動方向91c。本發明較佳實施例中，該第一臂體 3c另一端更具有另一第二臂體2a，另一該第二臂體2a以另一該栓軸22a將另一該第二齒輪21a的軸與另一第二臂體2a結合成一體，而該第一臂體 3a可沿著該旋轉軸4a為軸心作一旋轉運動方向91a。在完整的具重力平衡特性的空間關節式機械手臂的結構中，除第二齒輪21c固定於第二臂體2c外，其餘各軸樞的各相鄰第二齒輪之間，例如：第二齒輪21c與第二齒輪21a之間以及第二齒輪21a與第二齒輪21b之間等均需建構一平行四連桿組機構模組，以維持機械手臂運動時，各第二齒輪相對於第二齒輪21c的角度可以保持恆定，但由於平行四連桿組為一熟知之機構，因此並未於圖3所顯示。

依照此方式，該空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1a可與多個第一臂體(3c, 3a, 3b)等相連接以形成一多軸關節式機械手臂。而為了達成上述整體系統的重力平衡條件，以連結兩個第一臂體(3c, 3a)為例，該第一臂體之重量須修改為該第一臂體3c的二倍與該第一臂體 3a加上往外的另一第一臂體3b之重量和；而該第二距離 D ₂亦須依公式計算加以修改。

值得一提的是，藉由該旋轉軸4設置位置之不同，該空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1a可實現不同軸向之旋轉，如第一臂體 3a及第一臂體 3b的連接方式，該第一臂體 3b可相對該第一臂體 3b作旋轉運動方向 91b，使得該空間關節式機械手臂重力平衡裝置 1a可達到全方位的旋轉位移運動，以及具有更大的應用範圍。

綜合上述，可以看出本發明提出之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，可利用位能守恆的原理，當系統的重力位能下降時，系統的彈力位能將以同樣大小的增量以補償其重力位能的損失，使系統在任意組態永遠保持靜力平衡的狀態。

經過上述的詳細說明，已充分顯示本發明具有實施的進步性，且為前所未見的新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。惟以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，當不能用以限定本發明實施的範圍，亦即依本發明專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋的範圍內。

1, 1a, 1c‧‧‧空間關節式機械手臂重力平衡裝置

2, 2a, 2b, 2c‧‧‧第二臂體

21, 21a, 21b, 21c‧‧‧第二齒輪

22a, 22c‧‧‧栓軸

3, 3a, 3b, 3c‧‧‧第一臂體

4, 4a, 4c‧‧‧旋轉軸

5‧‧‧本體

51‧‧‧彈性元件

52‧‧‧頂靠部

521‧‧‧容置空間

53, 53c‧‧‧第一齒輪

531‧‧‧第一壓迫部

532‧‧‧第二壓迫部

55‧‧‧第一齒輪中心

56‧‧‧檔塊

6‧‧‧位置

91,  91a, 91b, 91c‧‧‧旋轉運動方向

92‧‧‧第一軸心方向

93‧‧‧第二軸心方向

D‧‧‧第一距離

D‧‧‧第二距離

β‧‧‧第一夾角

θ‧‧‧第二夾角

M‧‧‧質量中心

圖1為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置一實施例之立體結構示意圖； 圖2為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置另一實施例之立體結構示意圖； 圖3為本發明空間關節式機械手臂重力平衡裝置又一實施例之立體結構示意圖。

1‧‧‧空間關節式機械手臂重力平衡裝置

2‧‧‧第二臂體

21‧‧‧第二齒輪

3‧‧‧第一臂體

4‧‧‧旋轉軸

5‧‧‧本體

51‧‧‧彈性元件

52‧‧‧頂靠部

521‧‧‧容置空間

53‧‧‧第一齒輪

531‧‧‧第一壓迫部

532‧‧‧第二壓迫部

55‧‧‧第一齒輪中心

56‧‧‧檔塊

6‧‧‧位置

91‧‧‧旋轉運動方向

92‧‧‧第一軸心方向

93‧‧‧第二軸心方向

D₁‧‧‧第一距離

D₂‧‧‧第二距離

β‧‧‧第一夾角

θ‧‧‧第二夾角

M‧‧‧質量中心

Claims (8)

1. 一種空間關節式機械手臂重力平衡裝置，包括：一第一臂體，更包括有一旋轉軸以及一本體，該本體具有一彈性元件、一頂靠部以及一第一齒輪，該第一齒輪一側面上具有一第一壓迫部以及一第二壓迫部，二該壓迫部對稱設置於一第一齒輪中心兩側，且分別與該第一齒輪中心相距有一第一距離，該頂靠部與二該壓迫部其中之一相貼靠；以及一第二臂體，其一端具有一第二齒輪，該第二齒輪固定於該第二臂體，該第二臂體以該旋轉軸與該第一臂體相樞接，而該第二齒輪中心與該旋轉軸為同一軸心，且該第二齒輪與該第一齒輪相連接；其中，該第一齒輪中心處對該旋轉軸的延伸方向定義為一第一軸心方向，該旋轉軸至該第二臂體之質量中心的延伸方向定義為一第二軸心方向，該第一軸心方向與該二壓迫部中心連線之夾角定義為一第一夾角，該第一軸心方向至該第二軸心方向定義為一第二夾角，該第二臂體之質量中心與該旋轉軸具有一第二距離；當該第二夾角等於90度時，第一夾角亦須等於90度，且此時彈性元件為未壓縮狀態，且該第二臂體之重量與該第二距離之乘積等於四分之一該第一距離之平方與該彈性元件之彈性係數之乘積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該本體可固定於一位置上，且該第二臂體可沿著該旋轉軸為軸心作一旋轉運動方向。
3. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該第二臂體可固定於一位置上，且該本體可沿著該旋轉軸為軸心作一旋轉運動方向。
4. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該第一壓迫部以及該第二壓迫部分別為一圓柱結構，且凸出於該第一齒輪之側面外。
5. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該第一壓迫部以及該第二壓迫部分別為一長條柱狀結構之二端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該頂靠部具有一容置空間，該彈性元件設置於該容置空間內，且該彈性元件一端與該本體相連接，其另端與該頂靠部相連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該第一齒輪之齒數為該第二齒輪之齒數的2倍。
8. 如申請專利範圍第1項所述之空間關節式機械手臂重力平衡裝置，其中，該第二臂體另一端更具有另一第一臂體，另一該第一臂體與另一第二臂體以該旋轉軸相樞接，且該第一齒輪與該第二齒輪相連接。