TWI668381B - 平面彈簧及旋轉式串聯彈性致動器 - Google Patents

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Abstract

一種平面彈簧及旋轉式串聯彈性致動器，所述平面彈簧於其外環與內環之間的活動空間中設置相對於中心線兩側呈對稱狀排列的兩扭轉彈性體，每一所述扭轉彈性體於外環連接端部與內環連接端部之間為撓性條，且所述扭轉彈性體兩端的夾角小於180度且大於或等於90度，藉此，利用設於內環與外環之間的兩所述扭轉彈性體為對稱排列，以及扭轉彈性體非對稱之構造，使其能夠藉由扭轉變形量的量測及已知平面彈簧之勁度，即能精確地計算出平面彈簧所輸出扭力，以及達到大範圍的線性轉角對扭力輸出性能，使其能應用於需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域。

Description

平面彈簧及旋轉式串聯彈性致動器
本發明係關於一種具備旋轉輸出功能且型體扁平化之平面彈簧，以及包括所述平面彈簧的旋轉式串聯彈性致動器。
一般習知的旋轉式螺旋彈簧，因其整體體積尺寸較大，不具有平面薄型的結構，較難符合致動器之扭力傳輸機構輕薄短小的產品需求。再者，旋轉式螺旋彈簧之扭力輸入端與扭力輸出端不易與馬達之心軸或減速齒輪之傳動軸連接，且旋轉式螺旋彈簧之順轉與逆轉之扭力輸出為非線性，不易用於準確扭力量測。
為了克服旋轉式螺旋彈簧體積尺寸偏大之問題，目前已有具備旋轉輸出功能且型體扁平化之平面彈簧產品。已知平面彈簧結構概有以下兩類，其中：
如圖10所示，已知第一類平面彈簧40A，其主要係於一內環42A與一外環41A之間設置有兩彈性結構體43A，所述彈性結構體43A為螺旋狀；又如圖12所示之另一種第一類平面彈簧40B，其係於內環42B與外環41B之間設置三個彈性結構體43B，每一彈性結構體43B係形成連續彎曲狀之型體。前述兩種第一類平面彈簧40A、40B之複數彈性結構體43A、43B不論是形成螺旋狀或連續彎曲狀，皆具備較大的彈性變形能力，具有大範圍旋轉輸出之性能（如圖11所示），但是，圖10及圖12揭示之平面彈簧40A、40B因其兩彈性結構體43A或三彈性結構體43B相對於內環42A、42B或外環41A、41B之中心線為非對稱排列，如圖11所示，故其順向、逆向扭轉角度與扭力輸出之關係為非線性，存在有不易準確扭力量測，難以應用於需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域。
如圖13所示，第二類平面彈簧40C主要係於一內環42C與一外環41C之間設置有兩彈性結構體43C，兩所述彈性結構體43C分別形成扇形體且呈對稱排列，兩所述彈性結構體43C以其中段部位之內緣延伸一內連接條連接於內環42C，兩所述彈性結構體43C以其中段部位之外緣延伸一外連接條連接於外環41C。惟前述第二類平面彈簧40C之每一單元的彈性結構體43C形狀為對稱，且複數彈性結構體43C形成對稱排列，因此，其轉角對扭力輸出為線性，與前述第一類平面彈簧40A、40B相較，如圖14所示，第二類平面彈簧40C之順向、逆向扭轉角度與扭力輸出之關係為線性，具有準確扭力量測的特點，但是前述第二類平面彈簧40C因其每一彈性結構體43C為形狀對稱之結構，且彈性結構體43C之中段部位連接於內環42C與外環41C之間，故在扭轉彈性變形的扭力輸出過程中易受限彈性結構體43C之形狀限制，而不易產生大範圍之旋轉輸出，難以應用於機器人及自動化領域。
本發明之一目的在於提供一種平面彈簧，用於解決現有平面彈簧難以兼具不易準確扭力量測與大範圍轉角對扭力輸出之問題。
為了達成前述目的，本發明所提出的平面彈簧具有： 一外環； 一內環，係設於該外環內，該內環界定有一中心點以及通過該中心點之一中心線，該內環與該外環之間具有一活動空間；以及 兩扭轉彈性體，係設於該內環與該外環之間的活動空間內，兩所述扭轉彈性體位於該中心線的相對兩側且呈對稱狀排列，兩所述扭轉彈性體之間具有一間距，每一所述扭轉彈性體包括一外環連接端部、一內環連接端部以及一撓性條，所述撓性條位於所述外環連接端部與所述內環連接端部之間，所述外環連接端部連接該外環的內周緣並具有一第一連接點，所述內環連接端部連接該內環的外周緣並具有一第二連接點，所述第一連接點至該中心點的連線與所述第二連接點至該中心點的連線的夾角小於180度且大於或等於90度。
藉由前述平面彈簧之發明，其至少具備以下特點： 1、具有精確扭力量測性能：本發明平面彈簧設於內環與外環之間的兩所述扭轉彈性體，係藉由相對於內環之中心線呈對稱排列，且每一扭轉彈性體之構造延伸的角度範圍介於180度與90度之間，且每一扭轉彈性體非對稱之構造，使其能夠藉由扭轉變形量的量測及已知平面彈簧之勁度，即能精確地計算出平面彈簧所輸出扭力。 2、具有大範圍的線性轉角對扭力輸出性能：承上所述，本發明平面彈簧之兩所述扭轉彈性體藉由相對於中心線呈對稱排列，且每一扭轉彈性體非對稱之構造，使其達到大範圍的線性轉角對扭力輸出性能。 3、易於形狀變化：承上所述，本發明平面彈簧僅需藉由兩所述扭轉彈性體相對於中心線呈對稱排列，每一扭轉彈性體本身不須為對稱之構造，因此本發明平面彈簧可依產品的需求而易於形狀延伸變化。 4、能應用於需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域:承上所述，本發明提出之平面彈簧，具備大範圍的線性轉角對扭力輸出之性能，且能搭配量測精確控制輸出扭力，使其能夠應用需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域。
本發明平面彈簧還可進一步令兩所述扭轉彈性體的外環連接端部相鄰且具有一第一間距，兩所述扭轉彈性體的外環連接端部相鄰且具有一第二間距。藉此，使兩所述扭轉彈性體於順向或逆向扭轉的過程中，能夠避免扭轉彈性體彈性變形過程相互接觸干涉。
本發明平面彈簧還能進一步利用兩所述扭轉彈性體之撓性條的形狀之變化，藉由平面彈簧中之扭轉彈性體形狀之複雜化，使其能夠易於產生較大範圍的線性轉角對扭力輸出。
為了達成上述目的，本發明另外提出的旋轉式串聯彈性致動器係包括： 一馬達式驅動機組，其包括一驅動軸； 一負載輸出軸，係與該驅動軸平行設置； 一如上所述的平面彈簧，所述平面彈簧的內環連接該驅動軸，所述平面彈簧的外環連接該負載輸出軸； 一第一角度感測元件，係設於該驅動軸的側邊，且能量測該驅動軸的旋轉角度；以及 一第二角度感測元件，係設於該負載輸出軸的側邊，且能量測該負載輸出軸的旋轉角度；藉以依據該第一角度感測元件量測該驅動軸的旋轉角度與該第二角度感測元件量測該負載輸出軸的旋轉角度計算出差值，測得所述平面彈簧的變形量。
藉由前述旋轉式串聯彈性致動器發明，其係利用如上所述平面彈簧作為旋轉串聯彈性致動器的彈簧元件，使該旋轉式串聯彈性致動器具備如上所述平面彈簧發明之各項特點外，其進一步利用第一角度感測元件量測驅動軸的旋轉角度，第二角度感測元件量測該負載輸出軸的旋轉角度。藉以通過外部控制機構依據第一角度感測元件量測驅動軸的旋轉角度與第二角度感測元件量測負載輸出軸的旋轉角度計算出差值，測得所述平面彈簧的變形量，以間接控制所述負載輸出軸輸出之扭力，使旋轉式串聯彈性致動器具備準確控制輸出扭力之功能。
依據前述發明內容之記載，本發明包括平面彈簧以及旋轉式串聯彈性致動器。如圖1以及圖3至圖6所示，係揭示本發明平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E之多種較佳實施例，由該多種平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E較佳實施例中可以見及，所述平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E皆具有一外環10、一內環20以及兩扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E。
如圖1所示，該內環20係裝設於該外環10中，且該內環20與該外環10之間具有一活動空間100，該外環10與該內環20能相對旋轉。以圖1所示實施例為例，該內環20界定有一中心點200以及通過該中心點200之一中心線201，兩所述扭轉彈性體30A則係設置於該內環20與該外環10之間的活動空間100內，兩所述扭轉彈性體30A位於該中心線201的相對兩側且呈對稱狀排列，兩所述扭轉彈性體30A之間具有一間距。其中，兩所述扭轉彈性體30A的外環連接端部31A相鄰而間隔排列且具有一第一間距D1，兩所述扭轉彈性體30A的內環連接端部32A相鄰而間隔排列且具有一第二間距D2。
如圖1至圖6所示，每一所述扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E包括一外環連接端部31A、31B、31C、31D、31E、一內環連接端部32A、32B、32C、32D、32E以及一撓性條33A、33B、33C、33D、33E，所述撓性條33A、33B、33C、33D、33E位於所述外環連接端部31A、31B、31C、31D、31E與所述內環連接端部32A、32B、32C、32D、32E之間。
以圖1所示平面彈簧1A為例，所述外環連接端部31A連接該外環10的內周緣並具有一第一連接點311A，所述內環連接端部32A連接該內環20的外周緣並具有一第二連接點321A，所述第一連接點311A至該中心點200的連線L1與所述第二連接點321A至該中心點200的連線L2的夾角θ小於180度且大於或等於90度。
如圖1所示的較佳實施例，所述扭轉彈性體30A的撓性條33A係形成圓弧狀。如圖3至圖6所示的較佳實施例，所述扭轉彈性體30B、30C、30D、30E的撓性條33B、33C、33D、33E中形成一個或複數個U形彎曲段331B、331C、331D、331E，所述U形彎曲段331B、331C、331D、331E朝向該外環10方向凸伸。當所述扭轉彈性體30B、30C、30D、30E的撓性條33A、33B、33C、33D、33E形成一個或複數個U形彎曲段331B、331C、331D、331E時，複數所述U形彎曲段331B、331C、331D、331E係間隔排列。
此外，如圖3至圖6所示的較佳實施例，兩所述扭轉彈性體30B、30C、30D、30E還可於所述外環連接端部31B、31C、31D、31E形成一U形彎折區段311B、311C、311D、311E，兩所述U形彎折區段311B、311C、311D、311E互朝相異方向凸伸。
前述扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E僅是揭露數種具體可行的形狀構造，在本發明前述技術特徵之基礎下，當可進一步對所述扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E延伸性變化，不以前揭扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E的形狀構造為限。所述平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E能夠利用兩所述扭轉彈性體30A、30B、30C、30D、30E之形狀複雜化，使其能夠易於產生較大範圍的線性轉角對扭力輸出。
如圖6所示的較佳實施例，本發明平面彈簧1E還可於所述扭轉彈性體30E於相鄰的兩所述U形彎曲段331E中之任一所述U形彎曲段331E面向另一所述U形彎曲段331E之側面上形成一延伸凸部332E，用以所述扭轉彈性體30E受力扭轉產生彈性變形時，藉由延伸凸部332E的限位，避免兩相鄰U形變曲段331E彈性變形而接觸。
前述各式平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E可作為旋轉彈性致動器的彈簧元件，或是應用於其他需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域，並能藉由量測平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E的扭轉變化量的量測以及已知平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E的勁度，而能計算出平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E輸出扭力，進而控制輸出扭力。以圖1所示的平面彈簧1A為例，配合圖2揭示之扭力-扭轉角度關係圖，當知本發明平面彈簧1A係利用設於內環20與外環10之間的兩所述扭轉彈性體30A相對於內環20中心線201的兩側呈對稱排列，每一扭轉彈性體30AE延伸的角度範圍介於180度與90度之間，且每一扭轉彈性體30A非對稱之構造，使其達到大範圍的線性轉角對扭力輸出性能，且能藉由扭轉變形量的量測及已知平面彈簧1A之勁度，即能精確地計算出平面彈簧1A所輸出扭力。
如圖7至圖9所示，為本發明包括平面彈簧之旋轉串聯彈性致動器之一較佳實施例。由圖式可以見及，該旋轉串聯彈性致動器包括：一馬達式驅動機組2A，其包括一驅動軸21A、一負載輸出軸3A、一平面彈簧1E、一第一角度感測元件4A以及一第二角度感測元件5A。其中，所述平面彈簧1E之形狀構造係如前述之本發明平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E，其形狀構造於此不再贅述。
所述馬達式驅動機組2A係包括一驅動軸21A，並以該驅動軸21A連接所述平面彈簧1E的內環20。於本較佳實施例中，該馬達式驅動機組2A包括一馬達與一減速齒輪組23A，其中，該馬達22A包括所述驅動軸，所述驅動軸經由該減速齒輪組23A間接連接所述平面彈簧1E的內環20；或者，該馬達式驅動機組2A也可以是該馬達22A連接該減速齒輪組23A，該減速齒輪組23A包括所述驅動軸(圖未示)，以所述驅動軸直接連接所述平面彈簧1E的內環20。
所述負載輸出軸3A係與該驅動軸21A平行設置，並以所述負載輸出軸3A連接所述平面彈簧1E的外環，以該負載輸出軸3A為扭力輸出端，於本較佳實施例中，所述負載輸出軸3A與該驅動軸21A同軸相對設置。
所述第一角度感測元件4A與所述第二角度感測元件5A兩者可選用編碼器或其他具備角度感測功能的元件，其中，所述第一角度感測元件4A係設於該驅動軸21A的側邊，且能量測該驅動軸21A的旋轉角度，所述第二角度感測元件5A則係設於該負載輸出軸3A的側邊，且能量測該負載輸出軸3A的旋轉角度。藉以通過外部控制機構依據該第一角度感測元件4A量測該驅動軸21A的旋轉角度與該第二角度感測元件5A量測該負載輸出軸3A的旋轉角度計算出差值，測得所述平面彈簧1A、1B、1C、1D、1E的變形量，以間接控制所述負載輸出軸3A輸出之扭力。
如圖　所示，該旋轉式串聯彈性致動器還可進一步包括一固定座6A，該馬達式驅動機組2A與該負載輸出軸3A分別組設於該固定座6A上。於本較佳實施例中，該固定座6A包括一第一側板61A與一第二側板62A，第一側板61A與第二側板62A間隔設置，馬達式驅動機組2A裝設於第一側板61A上，負載輸出軸3A樞設於第二側板62A中，該第二角度感測元件5A設於第二側板62A上，且該第二角度感測元件5A能夠量測該負載輸出軸3A之旋轉角度。
所述旋轉式串聯彈性致動器藉由平面彈簧提供之大範圍的線性轉角對扭力輸出之性能，且能搭配第一角度感測元件量測該驅動軸的旋轉角度與第二角度感測元件量測負載輸出軸的旋轉角度計算出差值，測得所述平面彈簧的變形量，以間接控制所述負載輸出軸輸出之扭力，使其能在外部控制機構控制下，精確控制其輸出扭力，進而能夠應用需準確控制輸出扭力之機器人及自動化領域。
1A、1B、1C、1D、1E‧‧‧平面彈簧
2A‧‧‧馬達式驅動機組
21A‧‧‧驅動軸
22A‧‧‧馬達
23A‧‧‧減速齒輪組
3A‧‧‧負載輸出軸
4A‧‧‧第一角度感測元件
5A‧‧‧第二角度感測元件
6A‧‧‧固定座
10‧‧‧外環
100‧‧‧活動空間
20‧‧‧內環
200‧‧‧中心點
201‧‧‧中心線
30A、30B、30C、30D、30E‧‧‧扭轉彈性體
31A、31B、31C、31D、31E‧‧‧外環連接端部
311B、311C、311D、311E‧‧‧U形彎折區段
32A、32B、32C、32D、32E‧‧‧內環連接端部
33A、33B、33C、33D、33E‧‧‧撓性條
331B、331C、331D、331E‧‧‧U形彎曲段
332E‧‧‧延伸凸部
311A‧‧‧第一連接點
321A‧‧‧第二連接點
L1‧‧‧第一連接點至中心點的連線
L2‧‧‧第二連接點至中心點的連線
θ‧‧‧第一連接點至中心點的連線L1與第二連接點至中心點的連線L2的夾角
D1‧‧‧第一間距
D2‧‧‧第二間距
40A、40B、40C‧‧‧平面彈簧
41A、41B、41C‧‧‧外環
42A、42B、42C‧‧‧內環
43A、43B、43C‧‧‧彈性結構體
圖1為本發明平面彈簧的第一較佳實施例的平面示意圖。 圖2為圖1所示平面彈簧第一較佳實施例之扭力-扭轉角度關係圖。 圖3為本發明平面彈簧的第二較佳實施例的平面示意圖。 圖4為本發明平面彈簧的第三較佳實施例的平面示意圖。 圖5為本發明平面彈簧的第四較佳實施例的平面示意圖。 圖6為本發明平面彈簧的第五較佳實施例的平面示意圖。 圖7為本發明旋轉式串聯彈性致動器的一較佳實施例的立體分解示意圖。 圖8為圖7所示旋轉式串聯彈性致動器較佳實施例的立體示意圖。 圖9為圖7所示旋轉式串聯彈性致動器較佳實施例的側視平面示意圖。 圖10為已知平面彈簧的平面示意圖。 圖11為圖10所示平面彈簧之扭力-扭轉角度關係圖。 圖12為已知平面彈簧的平面示意圖。 圖13為已知平面彈簧的平面示意圖。 圖14為圖13所示平面彈簧之扭力-扭轉角度關係圖。

Claims (13)

  1. 一種平面彈簧，其具有： 一外環； 一內環，係設於該外環內，該內環界定有一中心點以及通過該中心點之一中心線，該內環與該外環之間具有一活動空間；以及 兩扭轉彈性體，係設於該內環與該外環之間的活動空間內，兩所述扭轉彈性體位於該中心線的相對兩側且呈對稱狀排列，兩所述扭轉彈性體之間具有一間距，每一所述扭轉彈性體包括一外環連接端部、一內環連接端部以及一撓性條，所述撓性條位於所述外環連接端部與所述內環連接端部之間，所述外環連接端部連接該外環的內周緣並具有一第一連接點，所述內環連接端部連接該內環的外周緣並具有一第二連接點，所述第一連接點至該中心點的連線與所述第二連接點至該中心點的連線的夾角小於180度且大於或等於90度。
  2. 如請求項1所述之平面彈簧，其中，兩所述扭轉彈性體的外環連接端部相鄰且具有一第一間距，兩所述扭轉彈性體的內環連接端部相鄰且具有一第二間距。
  3. 如請求項1或2所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體的撓性條形成圓弧狀。
  4. 如請求項1或2所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體的撓性條中形成一U形彎曲段，所述U形彎曲段朝向該外環方向凸伸。
  5. 如請求項1或2所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體的撓性條中形成複數U形彎曲段，複數所述U形彎曲段係間隔排列，且所述U形彎曲段朝向該外環方向凸伸。
  6. 如請求項5所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體於相鄰的兩所述U形彎曲段中之任一所述U形彎曲段面向另一所述U形彎曲段之側面上形成一延伸凸部。
  7. 如請求項1或2所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體的撓性條中形成複數U形彎曲段，複數所述U形彎曲段係間隔排列，且所述U形彎曲段朝向該外環方向凸伸，兩所述扭轉彈性體的外環連接端部各形成一U形彎折區段，兩所述U形彎折區段互朝相異方向凸伸。
  8. 如請求項7所述之平面彈簧，其中，所述扭轉彈性體於相鄰的兩所述U形彎曲段中之任一所述U形彎曲段面向另一所述U形彎曲段之側面上形成一延伸凸部。
  9. 一種旋轉式串聯彈性致動器，其包括： 一馬達式驅動機組，其包括一驅動軸； 一負載輸出軸，係與該驅動軸平行設置； 一如請求項1至8中任一項所述的平面彈簧，所述平面彈簧的內環連接該驅動軸，所述平面彈簧的外環連接該負載輸出軸； 一第一角度感測元件，係設於該驅動軸的側邊，且能量測該驅動軸的旋轉角度；以及 一第二角度感測元件，係設於該負載輸出軸的側邊，且能量測該負載輸出軸的旋轉角度；藉以依據該第一角度感測元件量測該驅動軸的旋轉角度與該第二角度感測元件量測該負載輸出軸的旋轉角度計算出差值，測得所述平面彈簧的變形量。
  10. 如請求項9所述之旋轉式串聯彈性致動器，其中，該馬達式驅動機組包括一馬達以及一減速齒輪組，該馬達包括所述驅動軸，所述驅動軸經由所述減速齒輪組連接所述平面彈簧的內環。
  11. 如請求項9所述之旋轉式串聯彈性致動器，其中，該馬達式驅動機組包括一馬達以及一減速齒輪組，所述馬達連接所述減速齒輪組，該減速齒輪組包括所述驅動軸。
  12. 如請求項9至11中任一項所述之旋轉式串聯彈性致動器，其中，所述第一角度感測元件與所述第二角度感測元件分別為一編碼器。
  13. 如請求項9至11中任一項所述之旋轉式串聯彈性致動器，其中，該旋轉式串聯彈性致動器包括一固定座，該馬達式驅動機組與該負載輸出軸分別組設於該固定座上。
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