TWI731259B - 用於機械手臂的負載平衡裝置 - Google Patents

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TWI731259B TW107129989A TW107129989A TWI731259B TW I731259 B TWI731259 B TW I731259B TW 107129989 A TW107129989 A TW 107129989A TW 107129989 A TW107129989 A TW 107129989A TW I731259 B TWI731259 B TW I731259B
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Abstract

一種用於機械手臂的負載平衡裝置，包括一氣壓缸以及一活塞桿。氣壓缸用以儲存一氣體，氣壓缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一連接通道，其中連接通道連接第一腔室與第二腔室。活塞桿其一端連接機械手臂，另一端可滑動地設置於氣壓缸內，活塞桿根據一負載調整第一腔室與第二腔室內氣體的體積及壓力，其中第一腔室與第二腔室同軸設置於氣壓缸的軸向上。

Description

用於機械手臂的負載平衡裝置
本發明是有關於一種用於機械手臂的負載平衡裝置，且特別是有關於一種具有被動式氣壓缸的負載平衡裝置。
針對高負載機械手臂，需負載100公斤以上的物體，因此，在結構設計上，機械手臂的結構較重，且機械手臂的水平展長也較長(約3公尺)，負載造成的力矩可達10000Nm以上，然而目前用於軸關節的負載平衡裝置的馬達與減速機僅能提供約5000Nm，因而無法滿足高負載機械手臂的運轉需求。因此，有必要提出一種可滿足高負載機械手臂的運轉需求的負載平衡裝置。
本發明係有關於一種用於機械手臂的負載平衡裝置，具有雙腔體串聯式氣壓缸，其中活塞桿可根據負載的需求即時調整氣壓缸內氣體的體積與壓力，以產生與負載的力矩方向相反的力矩，以達到平衡的目的。
根據本發明之一方面，提出一種用於機械手臂的負載平衡裝置，包括一氣壓缸以及一活塞桿。氣壓缸用以儲存一氣 體，氣壓缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一連接通道，其中連接通道連接第一腔室與第二腔室。活塞桿其一端連接機械手臂，另一端可滑動地設置於氣壓缸內，活塞桿根據一負載調整第一腔室與第二腔室內氣體的體積及壓力，其中第一腔室與第二腔室同軸設置於氣壓缸的軸向上。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10:物體
110:機械手臂
111:操作端
112:第一軸關節
113:第二軸關節
114:第一支撐臂
115:第二支撐臂
116:底座
117:第一驅動裝置
118:第二驅動裝置
119:支架
120:負載平衡裝置
121:第一中空本體
122:氣壓缸
123:第二中空本體
124:活塞桿
125:活塞頭
126:固定底座
127:注氣孔
128:密封元件
129:中央凸起部
130:軸承
131:轉軸
132:旋轉座
A:軸向
C1:第一腔室
C2:第二腔室
C3:連接通道
V:垂直軸向
H:水平軸向
W:負載
Si、Sf:距離
G:氣體
Pi:初始壓力
Vi:初始體積
Pf:極限壓力
Vf:極限體積
V1i、V2i、V1f、V2f:腔室的體積
S1、S2:側壁
TS1、TS2:頂側
BS1、BS2:底側
第1圖繪示依照本發明一實施例的用於機械手臂的負載平衡裝置的示意圖，其中機械手臂位於初始位置。
第2圖繪示第1圖的負載平衡裝置的內部示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例的用於機械手臂的負載平衡裝置的示意圖，其中機械手臂位於水平展長位置。
第4圖繪示第3圖的負載平衡裝置的內部示意圖。
第5至6圖繪示另外二種不同型態的負載平衡裝置的示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
第1及3圖分別繪示機械手臂110位於初始位置與水平展長位置的示意圖。請參照第1圖，機械手臂110具有一操作 端111、一第一軸關節112以及一第二軸關節113。操作端111可裝載一物體10，第一軸關節112例如為肘關節，第二軸關節113例如為肩關節。機械手臂110的結構自重與物體10的重力的合力以負載W表示，其位於一重力軸上。當機械手臂110位於垂直狀態的初始位置時，重力軸上的負載W與第二軸關節113之間的距離(力臂)Si較短，因此相對產生的力矩W*Si也較小。請參照第3圖，當機械手臂110由垂直狀態的初始位置移動至水平狀態的水平展長位置時，重力軸上的負載W與第二軸關節113之間的距離(力臂)Sf較長，因此相對產生的力矩W*Sf也較大。根據上述內容，本實施例提出一種用於機械手臂110的負載平衡裝置120，能根據負載W產生的力矩即時調整氣壓缸122內氣體G的體積與壓力，以產生與負載W的力矩方向相反的力矩，以達到平衡的目的。
請參照第1及2圖，負載平衡裝置120包括一氣壓缸122以及一活塞桿124。氣壓缸122用以儲存一氣體G，氣壓缸122包括一第一腔室C1、一第二腔室C2以及一連接通道C3，其中連接通道C3連接第一腔室C1與第二腔室C2。活塞桿124一端連接機械手臂110(鄰近於第二軸關節113)，另一端可滑動地設置於氣壓缸122內。活塞桿124可根據一負載W調整第一腔室C1、連接通道C3與第二腔室C2內氣體G的體積及壓力。
具體而言，機械手臂110具有一第一支撐臂114、一第二支撐臂115、一底座116、一第一驅動裝置117以及一第二驅動裝置118。第一支撐臂114藉由第一軸關節112相對於第二支 撐臂115轉動，第二支撐臂115藉由第二軸關節113相對於底座116轉動，氣壓缸122之一端藉由一轉軸131與一支架119相互樞接，且支架191固定於旋轉座132上，旋轉座132設置於底座116上且可相對於底座116水平旋轉，使得負載平衡裝置120可以作旋轉及傾斜運動。第一驅動裝置117(例如馬達)設置於垂直軸向V上，用以驅動第二軸關節113於垂直軸向V上相對於底座116旋轉，第二驅動裝置118(例如馬達)設置於一水平軸向H上，用以驅動第二軸關節113於水平軸向H上相對於底座116旋轉。
此外，活塞桿124一端藉由一軸承130固定於第二支撐臂115上，並可隨著第二支撐臂115的轉動而在氣壓缸122的軸向上來回移動，以調整氣壓缸122內氣體G的體積與壓力。如第2圖所示，當機械手臂110位於初始位置時，氣壓缸122內的氣體G具有一初始壓力Pi以及一初始體積Vi，其中第一腔室C1的初始體積V1i、連接通道C3的體積(極小，可忽略不計)與第二腔室C2的體積V2i的和為氣體G的初始體積Vi，即V1i+V2i=Vi。如第4圖所示，當機械手臂110位於水平展長位置時，氣壓缸122內的氣體G受到活塞桿124擠壓而改變體積與壓力，使得氣壓缸122內的氣體G具有一極限壓力Pf以及一極限體積Vf，其中第一腔室C1的極限體積V1f、連接通道C3的體積(極小，可忽略不計)與第二腔室C2的體積V2f的和為氣體G的極限體積Vf，即V1f+V2f=Vf。
根據理想氣體方程式，在定溫下，定量氣體G的體積與壓力成反比。因此，活塞桿124擠壓前與擠壓後的氣體G體積 與壓力的乘積為定值，即PiVi=PfVf，其中Vi>Vf，Pi<Pf。由此可知，當機械手臂110由初始位置移動至水平展長位置時，負載W的力矩由W*Si增加到W*Sf，而氣壓缸122內的氣體G壓力也會同步由Vi增加到Vf，進而提供反向力矩來補償第二驅動裝置118(例如馬達)不足的力矩。
在一實施例中，氣壓缸122內的氣體G的初始壓力Pi例如為7bar(kg/cm2)，初始體積Vi例如介於23000cm3至24000cm3之間。氣壓缸122內的氣體G的極限壓力Pf例如為12bar(kg/cm2)，極限體積Vf例如介於13000cm3至14000cm3之間。當機械手臂110由初始位置移動至水平展長位置時，負載W的重力矩例如從1080Nm增加至11117Nm，此時，氣壓缸122提供的補償力矩例如從338Nm增加至8584Nm，因此第二驅動裝置118(例如馬達及減速機)只要提供742Nm至2533Nm的力矩，負載平衡裝置120即可提供反向力矩以達到平衡，滿足高負載W機械手臂110的運轉需求。
在一實施例中，氣壓缸122採用一體化設計，結合同軸配置於氣壓缸122的軸向A上的第一腔室C1與第二腔室C2，可簡化內部零件並且避免組裝不良的風險。此外，同軸配置的第一腔室C1與第二腔室C2可使氣壓缸122的體積達最小化，以減少氣壓缸122的製作成本。
請參照第2及4圖，氣壓缸122包括一第一中空本體121、一第二中空本體123、一固定底座126以及複數個密封元件 128，此些密封元件128密合於第一中空本體121、第二中空本體123、固定底座126及活塞桿124兩兩之間的連接處，可防止氣體G洩漏，使氣體G被密封於第一腔室C1與第二腔室C2中。
請參照第5及6圖，其分別繪示另外二種不同型態的負載平衡裝置120的示意圖。如第2、5至6圖所示，第一中空本體121與第二中空本體123同軸配置，且第二中空本體123至少部分包覆第一中空本體121。在第2圖中，第二中空本體123包覆第一中空本體121的底側BS1，第二中空本體123的頂側TS2與第一中空本體121的底側BS相互密合，且連接通道C3沿著側壁S1軸向貫穿至第一中空本體121的底側BS1及第二中空本體123的頂側TS2，以連通位於第二中空本體123內的第二腔室C2。在第5及6圖中，第二中空本體123完全包覆第一中空本體121的底側BS1及側壁S1，第一中空本體121的底側BS1與第二中空本體123的底側BS2相互密合，於第一中空本體121的側壁S1與第二中空本體123之側壁S2之間形成一第二腔室C2，且連接通道C3貫穿第一中空本體121的側壁S1，以連通位於第二中空本體123內的第二腔室C2。在第5及6圖中，位於第一中空本體121與第二中空本體123之間的第二腔室C2於靠近頂側TS1處還可設有一密封元件128，用以密封第二腔室C2內的氣體。在第6圖中，第二中空本體123更可包括徑向尺寸增加的中央凸起部129，以增加第二腔室C2的體積。
在上述實施例中，第一腔室C1位於第一中空本體121內，即位於第一中空本體121的頂側TS1與位於活塞桿124的頂部的活塞頭125之間的密封腔室，且第一腔室C1的體積可隨活塞桿124的移動而調整，進而改變氣壓缸122內氣體G的體積。此外，第二腔室C2位於第二中空本體123內，第二腔室C2的體積保持固定，即第二腔室C2的體積V2i與體積V2f相等。
在上述實施例中，固定底座126例如具有一注氣孔127，氣體G可經由注氣孔127進入第一中空本體121及第二中空本體123內。因此，氣壓缸122內的氣體G的初始壓力可經由注氣孔127來調整。注氣孔127在常時狀態下為封閉，調整氣體G壓力時才打開。在第6及7圖中，注氣孔127例如設置在第二中空本體123的側壁S2上或中央凸起部129的側壁S2上。
在上述實施例中，當負載W產生的力矩增加時，第一腔室C1的體積可隨活塞桿124的移動而縮小，使氣體G的體積相對縮小，氣體G的壓力則相對增加。反之，當負載W產生的力矩減少時，第一腔室C1的體積隨活塞桿124的移動而增加，使氣體G的體積相對增加，氣體G的壓力則相對減少。因此，本發明上述實施例所揭露之負載平衡裝置120，可根據負載W產生的力矩即時調整氣壓缸122內氣體G的體積與壓力，以產生與負載W的力矩方向相反的力矩，以達到平衡的目的。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者， 在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:物體
110:機械手臂
111:操作端
112:第一軸關節
113:第二軸關節
114:第一支撐臂
115:第二支撐臂
116:底座
117:第一驅動裝置
118:第二驅動裝置
119:支架
120:負載平衡裝置
122:氣壓缸
124:活塞桿
130:軸承
131:轉軸
132:旋轉座
V:垂直軸向
H:水平軸向
W:負載
Si:距離

Claims (20)

  1. 一種用於機械手臂的負載平衡裝置，包括：一氣壓缸，用以儲存一氣體，該氣壓缸包括一第一腔室、一第二腔室以及一連接通道，其中該連接通道連接該第一腔室與該第二腔室；以及一活塞桿，其一端連接機械手臂，另一端可滑動地設置於該氣壓缸內，該活塞桿根據一負載調整該第一腔室與該第二腔室內該氣體的壓力及該第一腔室的體積，該第二腔室的體積固定，其中該第二腔室一體化包覆該第一腔室的底側及側壁，該第二腔室儲存該氣體受壓時的能量，且該第二腔室使該氣壓缸的體積達最小化時可補償重力矩大於10000Nm的該負載，其中，當該機械手臂由初始位置至水平展長位置時，該氣壓缸內的該氣體的初始壓力及極限壓力介於7bar至12bar之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負載平衡裝置，其中該氣壓缸包括一第一中空本體、一第二中空本體、一固定底座以及複數個密封元件，該些密封元件密合於該第一中空本體、該第二中空本體、該固定底座及該活塞桿兩兩之間的連接處。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該活塞桿位於該第一中空本體內，該連接通道貫穿該第一中空本體，使該第一中空本體與該第二中空本體相連通。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第一中空本體與該第二中空本體同軸配置。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第二中空本體至少部分包覆該第一中空本體。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第一腔室位於該第一中空本體內，該第一腔室的體積隨該活塞桿的移動而調整。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第二腔室位於該第二中空本體內。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該負載產生的力矩增加時，該第一腔室的體積隨該活塞桿的移動而縮小，使該氣體的體積相對縮小，該氣體的壓力相對增加。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該負載產生的力矩減少時，該第一腔室的體積隨該活塞桿的移動而增加，使該氣體的體積相對增加，該氣體的壓力相對減少。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該固定底座具有一注氣孔，該氣體經由該注氣孔進入該第一中空本體及該第二中空本體內。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之負載平衡裝置，其中該機械手臂具有一軸關節以及連接該軸關節的一支撐臂，該活塞桿的一端固定於該支撐臂上且鄰近該軸關節。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之負載平衡裝置，其中該機械手臂具有一旋轉座，該氣壓缸之一端與一支架相互樞接，且該支架固定於該旋轉座上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之負載平衡裝置，其中該氣壓缸之該端藉由一轉軸與該支架相互樞接。
  14. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第二中空本體的頂側與該第一中空本體的底側相互密合。
  15. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該連接通道貫穿該第二中空本體的該頂側與該第一中空本體的該底側。
  16. 如申請專利範圍第2項所述之負載平衡裝置，其中該第二中空本體完全包覆該第一中空本體。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之負載平衡裝置，其中該第一中空本體的底側與第二中空本體的底側相互密合。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之負載平衡裝置，其中該第一中空本體的側壁與該第二中空本體之側壁之間形成該第二腔室。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之負載平衡裝置，其中該第二中空本體更包括一中央凸起部。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之負載平衡裝置，更包括一注氣孔，該注氣孔設置在該第二中空本體的側壁。
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