TWI649956B - 線性串聯彈性致動器 - Google Patents

Abstract

一種線性串聯彈性致動器，包含線性驅動機構、動力輸出部件與彈性部件，線性驅動機構包含步進馬達、螺桿組件及線性運動部件，步進馬達結合線性運動部件連接螺桿組件，使線性運動部件能被驅動而沿著一動力輸入軸向直線往復運動，動力輸出部件設於線性運動部件的軸向一側且能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，動力輸出軸向與動力輸入軸向為同一軸向，彈性部件連接於線性運動部件與動力輸出部件之間雙向傳遞力量，及提供與動力輸入軸向同軸向的彈力，藉此，使其具備順、逆向驅動及高扭矩密度比，且輸入輸出共軸，結構精簡及能減少傳遞扭矩的損耗，且具備儲能及衝擊保護能力，而能應用於需與人或環境互動接觸的機器人等領域。

Description

線性串聯彈性致動器

本發明係關於一種致動器，尤指一種適用於人形機器人、復健機構等技術領域之線性串聯彈性致動器。

現有工業機器人皆係以馬達模組作為驅動器，惟因工業機器人之運動強調速度及剛性，故而使用機構較龐大的驅動器。但是，復健機器人、人形機器人或義肢機器人等，其運動速度及剛性的需求不若工業機器人高，而係著重於移動性與人機親和性。因此，對於復健機器人、人形機器人或義肢機器人等使用的驅動器需有不同的思維，而應以輕量化的馬達模組為主要設計考量，因此需選用高扭矩密度比的馬達。

然而，目前已知復健機器人使用的馬達模組仍沿襲工業機器人的設計思維，皆以直流有刷馬達或直流無刷馬達為主，其扭矩密度比不佳，難以對復健機器人、人形機器人或義肢機器人提供合適之驅動器。其次，現有驅動器中之馬達模組係利用皮帶輪組或齒輪組將馬達輸入軸提供之力量傳遞至螺桿輸出軸，造成輸入與輸出不共軸，因而會增加馬達扭矩傳遞的損耗。

本發明之目的在於提供一種線性串聯彈性致動器，解決現有復健機器人等使用之直流有刷或無刷馬達之扭矩密度比不佳，難以符合復健機器人輕量化需求，以及輸入與輸出不共軸導致馬達扭矩傳遞的損耗等問題。

為了達成前揭目的，本發明所提出的線性串聯彈性致動器係包含：一線性驅動機構，其包含一步進馬達、一螺桿組件以及一線性運動部件，該螺桿組件連接該步進馬達，該線性運動部件設於該步進馬達一側且連接該螺桿組件，該線性運動部件能被該螺桿組件驅動而沿著一動力輸入軸向直線往復運動；一動力輸出部件，係設置於該線性運動部件的軸向一側，且能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，該動力輸出軸向與該動力輸入軸向為同軸向；以及一彈性部件，係連接於該線性運動部件與該動力輸出部件之間，並能提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力。

如上所述之線性串聯彈性致動器中，其包含一位移感測器，該位移感測器設於該彈性部件的一側，且能感測該彈性部件的變形量而換算輸出力量。

藉由前揭線性串聯彈性致動器之發明，其相較於現有線性致動器，本發明線性串聯彈性致動器至少具備以下特點：

1、兼具順、逆向驅動及高扭矩密度比之功能：本發明於其線性驅動機構中使用步進馬達作為動力源，該步進馬達具備順向與逆向驅動功能，同時還具備高扭矩密度比，價格便宜以及可靠度高等功能，具有良好的優勢。

2、具備精準力量控制功能：本發明利用連接於該線性運動部件與該動力輸出部件之間的彈性部件的剛性較小，讓步進馬達能在彈性部件的變形量內輕易而精準地控制輸出力量。

3、輸入輸出共軸，結構精簡化且能減少傳遞扭矩的損耗：本發明還利用其線性驅動機構中能被螺桿驅動之線性運動部件沿著一動力輸入軸向直線往復運動，動力輸出部件能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，該動力輸出軸向與該動力輸入軸向為同軸向，且連接於該線性運動部件與該動力輸出部件之間的彈性部件能雙向傳遞力量，並提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力，如此使輸入之動力、輸出動力以及彈力等三者之力量作用方向皆位於同一軸向上，使該線性串聯彈性致動器之整體結構的安排較緊密，零部件數量少而具備結構精簡化之特點，且步進馬達能夠直接驅動螺桿，並通過共軸的線性運動部件、彈性部件對動力輸出部件輸入力量，使動力輸出部件產生直線運動，故能有效減少步進馬達傳遞扭矩的損耗。

4、具備尺寸小、輕量化之優勢：承上所述，本發明利用輸入輸出共軸之機構創作，使該線性串聯彈性致動器整體結構的安排較緊密，而具備尺寸小之特點，同時因零部件數量較少而具備結構精簡化之特點，達到輕量化之優勢。

5、能普遍應用於需與人或環境互動接觸的機器人等領域：本發明利用其線性串聯彈性致動器之整體機構創作，其中利用彈性部件同軸連接於線性運動部件與動力輸出部件之間雙向傳遞力量，並能提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力，使其具備儲能及衝擊保護能力，對於特別強調移動性與人機親和性等需與人或環境互動接觸的機器人，例如復健機器人、人形機器人或義肢機器人等技術領域，本發明線性串聯彈性致動器確能提供優異的驅動基礎，並能確保協動安全。

本發明還能進一步使用一位移感測器設置於彈性部件的一側，利用位移感測器感測該彈性部件的變形量而換算輸出力量，使該線性串聯彈性致動器能夠利用低成本的位移感測器，產生更準確的順向與逆向的力量控制之特性，而達到高扭矩密度及力量控制準確等優點。

1A、1B‧‧‧線性驅動機構

10A、10B‧‧‧步進馬達

11B‧‧‧轉子

12A、12B‧‧‧螺桿組件

121A、121B‧‧‧螺桿

122B‧‧‧螺套

123A‧‧‧聯軸器

13A、13B‧‧‧線性運動部件

15A‧‧‧基板

16A‧‧‧滑軌

17A‧‧‧支撐架

18A‧‧‧螺桿支撐座

2A、2B‧‧‧動力輸出部件

21A‧‧‧通孔

21B‧‧‧通孔

22B‧‧‧活動空間

23B‧‧‧第一側板

24B‧‧‧第二側板

3A、3B‧‧‧彈性部件

30A、30B‧‧‧彈簧

5A、5B‧‧‧位移感測器

圖1係本發明線性串聯彈性致動器之第一較佳實施例的立體示意圖。

圖2係圖1所示線性串聯彈性致動器第一較佳實施例的另一觀視角度的立體示意圖。

圖3係圖1及圖2所示線性串聯彈性致動器第一較佳實施例的俯視平面示意圖。

圖4係本發明線性串聯彈性致動器之第二較佳實施例的立體示意圖。

圖5係圖4所示線性串聯彈性致動器第二較佳實施例的另一觀視角度的立體示意圖。

圖6係圖4及圖5所示線性串聯彈性致動器第二較佳實施例的俯視平面示意圖。

如圖1及圖4所示，係揭示本發明線性串聯彈性致動器之數種較佳實施例，由該些圖式中可以見及，所述線性串聯彈性致動器A、B係包含一線性驅動機構1A、1B、一動力輸出部件2A、2B以及一彈性部件3A、3B。

如圖1、圖2及圖3、圖4所示，該線性驅動機構1A、1B包含一步進馬達10A、10B、一螺桿組件12A、12B以及一線性運動部件13A、13B，該螺桿組件12A、12B連接該步進馬達10A、10B，該線性運動部件13A、13B設於該步進馬達10A、10B一側且連接該螺桿組件12A、12B，該線性運動部件13A、13B能被該螺桿組件12A、12B驅動而沿著一動力輸入軸向直線往復運動。

如圖1、圖2及圖3、圖4所示，該動力輸出部件2A、2B係設置於該線性運動部件13A、13B的軸向一側，且能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，該動力輸出軸向與該動力輸入軸向為同一軸向。

如圖1、圖2及圖3、圖4所示，該彈性部件3A、3B係連接於該線性運動部件13A、13B與該動力輸出部件2A、2B之間雙向傳遞力量，並能提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力。

如圖1至圖3所示，於本發明線性串聯彈性致動器A的第一較佳實施例中，該步進馬達10A包含一驅動軸，該動力輸出部件2A設於該線性運動部件13A與該步進馬達10A之間，該動力輸出部件2A中具有一通孔21A，該螺桿組件12A包含一螺桿121A及一螺套，該螺套設於該線性運動部件13A中，該螺桿121A通過該動力輸出部件2A的通孔21A，該螺桿121A以一聯軸器123A同軸連接該步進馬達10A的驅動軸，該螺桿121A背向該步進馬達10A的一端樞設於一螺桿支撐座18A中，該聯軸器123A外側設有一支撐架17A，該支撐架17A固定步進馬達10A，該支撐架17A中具有一軸承座171A，該螺桿121A面向該步進馬達10A的一端樞設於該支撐架17A之軸承座171A中，該螺桿121A螺接設於該線性運動部件13A中之螺套。

如圖1至圖3所示，該線性串聯彈性致動器A還包含至少一滑軌16A，於圖式中係揭示具有二滑軌16A，所述滑軌16A平行於該螺桿121A，該線性運動部件13A與該動力輸出部件2A分別設置所述滑軌16A上且能沿著滑軌16A直線運動，該線性串聯彈性致動器A可設置於一基板15A上，該步進馬達10A藉由該支撐架17A組設於該基板15A上，所述滑軌16A與該螺桿支撐座18A固定於該基板15A上。

於圖1至圖3所示的第一較佳實施例中，所述彈性部件3A包含一彈簧30A，該彈簧30A套設於該螺桿121A外側，且該彈簧30A兩端分別連接於該線性運動部件13A與該動力輸出部件2A。

如圖1至圖3所示之線性串聯彈性致動器A第一較佳實施例中，所述線性串聯彈性致動器A還包含一位移感測器5A，該位移感測器5A設於該彈性部件3A的一側，且能感測連接於該線性運動部件13A與該動力輸出部件2A之間的彈性部件3A的變形量而換算輸出力量，進而能精準控制該線性串聯彈性致動器A的輸出力量。

如圖4至圖6所示，於本發明線性串聯彈性致動器B的第二較佳實施例中，該步進馬達10B包含一軸向貫通的轉子11B，該線性運動部件13中係設於該動力輸出部件2B中，該螺桿組件12B包含一螺桿121B與一螺設於該螺桿121B上的螺套122B，該螺桿121B同軸連接該轉子11B，且沿著該動力輸入軸向通過該動力輸出部件2B，螺桿121B末端樞接該線性運動部件13B，所述彈性部件3B包含一彈簧30B，該彈簧30B套設於該螺桿組件12B外側，且該彈簧30B兩端分別連接於該線性運動部件13B與該動力輸出部件2B。

如圖4至圖6所示的線性串聯彈性致動器B第二較佳實施例中，該步進馬達10B包含一軸向貫通的轉子11B，該動力輸出部件2B包含一活動空間22B，以及位於該活動空間22B軸向相對兩側之一第一側板23B與一第二側板24B，該第一側板23B中形成一連通該活動空間22B的通孔21B，該線性運動部件13B係能直線運動地設於該動力輸出部件2B的活動空間22B中，該螺桿組件12B包含一螺桿121B與一螺套122B，該螺套122B固接於該轉子11B的軸向一端，該螺桿121B係能直線運動地通過該轉子11B及螺設於該螺套122B中，該螺桿121B還通過該第一側板23B的通孔21B且伸入該活動空間22B中樞接該線性運動部件13B，所述彈性部件3B包含一彈簧30B，該彈簧30B套設於該螺桿組件 12B外側，且該彈簧30B兩端分別連接於該線性運動部件13B與該動力輸出部件2B的第一側板23B。

如圖4至圖6所示之線性串聯彈性致動器第二較佳實施例中，所述線性串聯彈性致動器還包含一位移感測器5B，該位移感測器5B設於該彈性部件3B的一側，且能感測該彈性部件3B的變形量而換算輸出力量。

本發明線性串聯彈性致動器適用於復健機器人、人形機器人、義肢機器人，或是其他需與人或環境互動接觸的機器人等領域，並以本發明線性串聯彈性致動器作為供給動力的驅動器，並以動力輸出部件連接前述機器人能運動之部件。

以圖1至圖3所示線性串聯彈性致動器第一較佳實施例為例，本發明線性串聯彈性致動器中，其線性驅動機構1A係使用步進馬達10A作為動力源，該步進馬達10A具備順、逆向雙向驅動功能，該步進馬達10A能夠提供扭矩而驅動螺桿組件12A並帶動線性運動部件13A、13B直線運動，進而經由彈性部件3A帶動連接負載的動力輸出部件2A同軸向直線運動，進而機器人能夠產生動作。前述中，連接於該線性運動部件13A、13B與該動力輸出部件2A之間的彈性部件3A的剛性較小，讓步進馬達10A能在彈性部件3A的變形量內輕易而精準地控制輸出力量。

本發明還能進一步使用一位移感測器5A設置於彈性部件3A的一側，利用位移感測器5A感測該彈性部件3A的變形量而換算輸出力量，使該線性串聯彈性致動器能夠利用低成本的位移感測器5A，產生更準確的順向與逆向的力量控制之特性，而達到高扭矩密度及力量控準確等優點。

綜上所述，本發明線性串聯彈性致動器中之線性驅動機構係使用步進馬達作為動力源，該步進馬達具備順、逆向雙向驅動功能，且具備高扭矩密度比，價格便宜以及可靠度高等特點，並利用連接於該線性運動部件與該 動力輸出部件之間的彈性部件的剛性較小，讓步進馬達能在彈性部件的變形量內輕易而精準地控制輸出力量，使本發明線性串聯彈性致動器具有良好的優勢。

再者，本發明線性串聯彈性致動器藉由其輸入輸出共軸，使該線性串聯彈性致動器之整體結構的安排較緊密，零部件數量少而具備結構精簡化、整體尺寸小與輕量化之特點。該步進馬達還能夠直接驅動螺桿，並通過共軸的線性運動部件、彈性部件對動力輸出部件輸入力量，而使動力輸出部件產生直線運動，故能有效減少步進馬達傳遞扭矩的損耗。而且，本發明利用其線性串聯彈性致動器還利用彈性部件同軸連接於線性運動部件與動力輸出部件之間雙向傳遞力量，使其具備儲能及衝擊保護能力，對於特別強調移動性與人機親和性等需與人或環境互動接觸的機器人，例如復健機器人、人形機器人或義肢機器人等技術領域，本發明線性串聯彈性致動器確能提供優異的驅動基礎，並能確保協動安全。

Claims (5)

1. 一種線性串聯彈性致動器，其包含：一線性驅動機構，其包含一步進馬達、一螺桿組件以及一線性運動部件，該步進馬達組設於一支撐架上，該螺桿組件包含一螺桿與一螺套，該螺桿之一端連接該步進馬達，該螺桿之另一端樞設於一螺桿支撐座中，該線性運動部件設於該步進馬達一側且連接該螺桿組件，該線性運動部件能被該螺桿組件驅動而沿著一動力輸入軸向直線往復運動；一動力輸出部件，係設置於該線性運動部件的軸向一側，且能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，該動力輸出軸向與該動力輸入軸向為同軸向；一彈性部件，其具有一彈簧，該彈簧連接於該線性運動部件與該動力輸出部件之間，並能提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力；以及一位移感測器，其設置於該彈性部件的一側，且能感測該彈性部件的彈簧的變形量而換算輸出力量。
2. 如請求項1所述之線性串聯彈性致動器，其中，該步進馬達包含一轉子，該動力輸出部件設於該線性運動部件與該步進馬達之間，該動力輸出部件中具有一通孔，該螺桿組件的螺桿同軸連接該轉子，且沿著該動力輸入軸向通過該動力輸出部件的通孔，該螺套裝設於該線性運動部件中，該彈簧套設於該螺桿外側，且該彈簧兩端分別連接於該線性運動部件與該動力輸出部件。
3. 如請求項2所述之線性串聯彈性致動器，其中，該線性串聯彈性致動器還包含至少一滑軌，所述滑軌平行於該螺桿，該線性運動部件與該動力輸出部件分別設置所述滑軌上，該螺桿背向該步進馬達的一端樞設於一遠端軸承座中。
4. 如請求項2所述之線性串聯彈性致動器，其中，該線性串聯彈性致動器還包含至少一滑軌，所述滑軌平行於該螺桿，該線性運動部件與該動力 輸出部件分別設置所述滑軌上，該螺桿背向該步進馬達的一端樞設於一螺桿支撐座中，該步進馬達包含一驅動軸，該螺桿以一聯軸器同軸連接該驅動軸，該支撐架設於該聯軸器的外側，該支撐架中具有一軸承座，該螺桿面向該步進馬達的一端樞設於該支撐架之軸承座中。
5. 一種線性串聯彈性致動器，其包含：一線性驅動機構，其包含一步進馬達、一螺桿組件以及一線性運動部件，該螺桿組件連接該步進馬達，該線性運動部件設於該步進馬達一側且連接該螺桿組件，該線性運動部件能被該螺桿組件驅動而沿著一動力輸入軸向直線往復運動，該步進馬達包含一軸向貫通的轉子，該螺桿組件包含一螺桿與一螺套，該螺套固接於該轉子的軸向一端，該螺桿係能直線運動地通過該轉子及螺設於該螺套中；一動力輸出部件，係設置於該線性運動部件的軸向一側，且能沿著一動力輸出軸向直線往復運動，該動力輸出軸向與該動力輸入軸向為同軸向，該動力輸出部件包含一活動空間，以及位於該活動空間軸向相對兩側之一第一側板與一第二側板，該第一側板中形成一連通該活動空間的通孔，該螺桿通過該第一側板的通孔且伸入該活動空間中，該螺桿端部樞接於該線性運動部件，該線性運動部件係能直線運動地設置於該活動空間中且組接該螺桿；一彈性部件，其具有一彈簧，該彈簧套設於該螺桿組件外側，且該彈簧兩端分別連接於該線性運動部件與該動力輸出部件的第一側板，並能提供與該動力輸入軸向同軸向的彈力；以及一位移感測器，其設置於該彈性部件的一側，且能感測該彈性部件的彈簧的變形量而換算輸出力量。