TWI357471B - Force-controllable adaptive coupled elastic actuat - Google Patents

Description

1357471 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種致動裝置’一種可根據負载與輸入之關係 自動調整機械剛性與量測外力’並具備定位及傳遞能量功能之可 力量控制致動機構。 【先前技術】 々日平乂於1寻虮贼迷機等具高剛性與高力量輪出之機械致動裝置 在放大輸入力量之時，僅能執行定位控制，無法在缺乏外部力量 感測器之下達到敎力量控制之需求’具紐之機械致動裝置具 有可力$控制、降低能量輸人驅動狀損壞可紐及賴操作環 境等優點。因此現今已有少部分具撓性之機械致動裝置已被應用 於機器人系統、機械傳動裝置等上。 無論是用於研究或缝用途，具力量控歡機械祕之阻抗 ^響應可程式_或機構輯的方式達成，執行與環境互動、 境中物體任務。然而’當控制系統在無法即時預測環 持系統之安全行為Γ系統失效時’唯有機械式之撓性設計可以维 帆讓職固定， 無法同時滿足操作效能互動化之設計等因素’導致 特定任務之機器系統之上之需求，也無法廣泛利用於非 有高安全紅蛛錢作，尤其是需要具 于元導致實際應用上的困難。 【發明内容】 口。，树明之目的為提供—種體積小且模組化之可力量控制致動 :二=需外加額外驅動器與力量感測元件即可根據負载與輸 & 動^周整機械剛性與量測力量，並具備定位及傳遞能量 功能之可力量控制致動機構。 本电明係為—種不f外加額外驅動即可根據負載與輸入 係自動調整機械剛性與量測外力，並具備定位及傳遞力量功能之 可力里控娜_合致動機構。其主要係由—舰馬達，一輸入 傳動機構—適應性機械剛性調整機構，-鋼索輸出傳動機構盘 其他機械树所組成。輸人傳動機構主要係由—渦桿、渦輪對與 :可允許線性移動與旋轉運動之滾珠花鍵對組合而成。中空之渦 杯内相鍵與;袞珠化她承結合，涡桿兩端以鍵與移動齒輪結合， 使渦桿及移動錄對可同時隨輸人力錢轉獅，隨外力作用於 尚輪之反作用力做線性運動，配合適應性機械剛性調整機構可提 供扭力放大、運動傳輸及自鎖煞車之功能。 適應性機械_聰機構主要係由數個不_性之魏 可移動式彈簧座、齒輪對 '滑台、線性導桿與螺桿所組成。四個 具預力並聯之低概壓畴簧，根據麟台_之鑛彈箸座與 固定基座間壓縮量’兩個—組沿對應之導桿運動，提供滑台抵抗 渴桿線性雜所需之抗力；雙邊兩段麵觸桿兩末端分別安裝 固定位置之齡’可P4齒輪轉動關步旋轉；當雙邊兩段型梯型 螺桿末端其-齒輪旋轉 孔之Γ個输_物#^^== 彻獅 線性運動，同步峨籍也娜沿螺桿前後 移動彈菁座接觸時，則或遠離。當高剛錄縮彈勞與 之總塵縮位能，即為系M w生將增加，而所有壓縮彈簧 力。此時系統之高剛性特:：量’同時提供象輸出扭 需之效能航應頻寬；反之錄或高鮮作動所 時’則系統蝴讀嫌w。在提供= f或與環境互動作動所紐能鼓應雜同時，可以保默機 接觸時之女全性。而齒輪對作用之時間點，將根據外力之大小及 輸入端是否提供旋轉之能量而定，即當系統之輸出外力增加至使 滑台移動，進而帶動移動齒輪對沿輸入花鍵軸移動，超過移動齒 輪與固定齒輪對之啟動位置，即移動齒輪對最初接觸相對應固定 齒輪對之位置’此時如同時伴隨輸入端旋轉，移動齒輪對將同步 疋轉進V帶動固疋齒輪對旋轉，並以前述之機制使高剛性彈 簧線陡移動旋轉方向與輪出外力方向配合使高剛性彈簧向移 動彈簧座逼近時，齡統之剛性與彈性錄上升，將使移動彈菁 座向平衡位置移動m賊存於移域輪與固定齒輪對啟動 位置之彈性位能大於等於輸出外力時，則迫使移動錄對與固定 齒輪對分離，高剛性壓縮彈簧座則不再移動，新的系統剛性、壓 縮位置與外力之雜即鑛絲；反之，錢轉方向與輸出外力 方向配合使高曝彈簧向飾_座_時，K狀囉轉 性位能π ’此時如降低輸料力使祕贿對翻定齒輪對分 離，或停止提供輸入旋轉運動，高剛性壓縮彈簧座則不再移動， 新的系統剛性、壓齡置與外力之特性即觸定m述之驅 動機制’根據系統所受負載與輸人之間的力量大小與輸入驅動方 向之間的關係，本發明將在不需要額外致動器的情況下，即可調 整系統在不同受力範圍之系統剛性，以因應不同的系統操作需求， 達到隨負載外力與控制輸入自行調整改變機械剛性之功能。此外， 根據線性電位ϋ所量測之鷄彈簧座移動量錢端所量測之輸 角度關係’利用虎奴律將可從彈簧之總壓縮量反推 :系、献輸出外力’達到力量量測效果。外力量測之方式可改用 八他類型之顧式或電子核·，域 者，因輸出運動方向與受力方向锦你、料再 輸出外力之反作動將透過彈簧傳遞鍵解耗，使得 輸入致動哭甘士 ⑹寻遞於固疋基座上，可完全保護 /、中’適應性機械剛性調整機構可不包含於整體機 編输雜_整改變機 輸出傳動機構主要係由一滑輪 構所组成，輸人滑輪利_讀=動=索與·調整失持機 分別位於輪續人滑輪對上_^動輸4滑輪，而鋼索將透過 月輪對上的鋼索夹持純定，而位於輸入滑輪 1357471 上之張力調整器，將可以提供鋼索所需要張力，同時因非使用摩 擦力傳輸，將可提供零機械背隙傳輸之功能。 本發明可應用於不同種類的旋轉驅動源上，如步進馬達+ 轉氣動馬達、超音波馬達等，邱具備—種以上之機械剛性，= 分別滿足安全與魏，取代傳賊城設計，絲於各類 統，應聽不同環境中，制具有絲作魏仍可與人類環^進 行安全的互動行為。 【實施方式】 茲配合圖式將本發明作較佳實施例詳細說明如下。 參閱第-圖，本發明之適應轉_合致動器之立體圖，及 圖二、圖三，本發明之適應性彈_合致動器實施例之前視圖與 下視圖，與圖四之系統特性示意圖。其中包含： -可承接輸人旋轉健馬達M1之固絲細2A，配合固定基 座102B，以螺絲之方式夾持導桿職、細與渦輪支持細， 作為固絲座；-皮帶輪崎接旋轉値馬細之輸出端，經 由皮帶帶動皮帶輪觀，該伺服馬達可以是其他類型之驅動源，如 步進馬達、旋轉氣動馬達、超音波馬達等；-連接於皮帶輪權且 經固定基座102A與聰以軸承夾緊之可旋轉輸入花鍵轴1〇 ;透過 皮帶輪108，則操縱旋轉飼服馬達奶可使輸入花鍵轴軸基座 102A、102B之間產生旋轉之相對運動，同時透過容許輸入花鍵轴 應疋轉與線f生移動之;^鍵轴承套1〇卜可帶動以鍵結合於花鍵轴承 1357471 套101上之渴桿103同步旋轉’並進而帶動以鍵分別固定於花鍵轴 承套101兩端之移動齒輪301A、3〇1B同步旋轉；以上之輸入傳驅 動裝置之設計，可為非皮帶輪組之設計，如鍊輪、齒輪組或煞車 線等間接或直接驅動之震置者；一移動滑台測板2〇1A、2〇1B與滑 台基座202A、202B以螺絲組成之移動滑台，而利用兩個分別内嵌 於滑台基座202A、202B内側之對應軸承内圈來夾持渦桿1〇3之末 兩端，則透過内嵌於滑台基座202A、2〇2Br側之對應軸承内圈， 可驅動移動滑台沿輸入花鍵軸1〇線性移動’同時允許被移動滑台 内嵌的渦桿103與移動齒輪對301A、3〇1B隨花鍵軸承套1〇1相對於 移動滑台旋轉，一移動彈簧座2〇與滑台側板2〇ib以螺絲結合，隨 移動滑台受作用於渦桿103上之軸向反作用力與渦桿1〇3、移動齒 輪301A、301B分別沿導桿203A、203B與輸入花鍵軸1〇線性移動； 四個位於固定基座102A或固定基座102B與移動彈簧座2〇之間具 預力並聯之低剛性壓縮彈簧204A、204B、204C、204D，根據與移 動滑台同動之移動彈簧座20與固定基座l〇2A、102B間之相對運動

方向’低剛性彈簧204A、204B沿導桿203A ’低剛性彈簣2〇4C、204D /α導;f干203B，提供滑台抵抗渴桿1〇3線性移動所需之初步彈性位能， 即系統初步提供之輸出能量。則伺服馬達Ml所施予輸入花鍵軸1〇 之輸出力量將透過花鍵軸承套101，帶動渦桿1〇3與移動齒輪3〇1A、 301B同步旋轉與線性運動；而渦桿1〇3之旋轉與線性移動所造成之 總進給量將帶動以軸40卜軸承409固定於渦輪支持座1〇5上之渦輪 1357471 i〇4轉動；同時崎個獅固定於渦獅4上之滑輪搬，將隨渦輪 104經轴承409相對軸4轉動。其中’可容許線性移動與旋轉運動 之花鍵軸與花鍵軸承套可改為其他等狀频元件，且線性移動 與旋轉運動可獨立設計來完朗等之效果，如使用兩組不同運動 方向之軸承對、凸輪對、滑麟、四連桿等。而作為傳動的渦輪 與渦桿可赠祕他她之賴元件達朗等效果，如滾珠螺桿 等。一雙邊兩段型梯型螺桿30以嵌於固定基座1〇2八與1〇26内側之 軸承内圈錄，僅允許此—雙邊碰娜侧桿3_賴定基座 102A與102B轉動’且其兩末端分別安裝固定齒輪3〇2a、3〇2b ;以 上軸承之配置方式可設為單邊或改用墊片；雙邊兩段型梯型螺桿 30將隨齒卿2A或齒輪3G2B轉動關步旋轉，同時雙邊兩段型梯 型螺桿30將致動分別具左、右職對稱_孔之兩個高剛性彈菁 座3〇3 A、3〇犯同步沿以螺絲固定於固定基座i 〇2續】㈣間之導桿 305與雙邊碰型梯魏#3G線性運動；而分別固定糾個高剛性 彈簧座303A、303B上之高剛性壓縮彈簧3〇4A、3〇4B將隨其沿導桿 305與雙邊兩段型梯型螺桿30同步線性運動，向移動彈簧座2〇同時 逼近或同時遠離·’當高剛性壓縮彈簧3G4A或(與)3刚與移動彈菁 座20接觸時，則系統之輸出暖將增加，此咖高剛性壓縮彈著 304A或(與)304B與低剛性壓縮彈簧2〇4A、2〇4B、2〇4C·、2〇4〇之總 壓縮位能’提供膽1G4之總輸出扭力。此_、統之高剛性特性， 可提供系統高負載或高鮮作動所需之效能與反應頻寬；反之， 12 1357471 當高剛性彈簧3G4A、3G4B遠離雜彈簧座2〇時，_統在輸出等 效力量時之輸出職將減少’在提供纽低貞載或與環境互動作 賴需效能與反細寬fgj時，可贿證與觀時之安全性。 而移動齒輪301A或301B與固定齒輪302A或302B作用之時間 點，將根據外力作用於渦輪104之反作用力及旋轉飼服馬達⑷是 否提供旋轉之能量而定，即當系統輸出作用於渦輪1〇4之軸向反作 用力增加至使移崎台鷄，視外力方向蚊帶動機齒輪3〇ia 與301B移動超過啟動位置A或啟動位置B，即移動齒輪對或 301B最初接觸分別相對應之固定齒輪3〇2八或3〇23之致動位置時， 同時如伴隨旋轉伺服馬達M1輸入端旋轉，將同時帶動移動齒輪 301A與301B旋轉’進一步帶動固定齒輪302A或302B旋轉，並以前 述之機制使高剛性壓縮彈簧3〇4A、3〇4B線性移動；當伺服馬達M1 旋轉方向與輸出外力方向配合使高剛性彈簧3〇4A、3〇4B向移動彈 簀座20逼近’至高剛性彈簧3〇4八或3〇43接觸移動彈簧座2〇時，則 系統之剛性與彈性位能上升，將使移動彈簧座2〇向其未受外力所 在之平衡位置移動’則當系統儲存於移動齒輪3〇1A與固定齒輪 302A或移動齒輪301B與固定齒輪3〇2B對應之啟動位置a或啟動位 置B之彈性位能大於等於渦輪1〇4輸出外力時，則移動齒輪3〇1八與 固定齒輪302A或移動齒輪3〇1B與固定齒輪3〇2B將分離，高剛性壓 縮彈簧座303A、303B則不再移動，新的系統剛性、壓縮位置與外 力之特性即重新定義；反之，當伺服馬達Mi輸入方向與渦輪1〇4 13 1357471 輸出外力方向配合使高剛性彈簧304A ' 304B向移動彈簧座2〇遠離 時’則系統之剛性與彈性位能下降，此時降低渦輪刚輸出外力使 移動齒輪301A與固定齒輪3〇2A或移動齒輪3〇1B與固定齒輪3〇2b 分離，或伺服馬達Ml停止提供輸入旋轉運動時，高剛性壓縮彈簧 座303A、3G3B則不再移動’新的系統!^性、壓縮位置與外力之特 性即重新定義。系統之輸出特性將如圖四所示。 一線性移動電位器S1固定於電位計固定座2〇5上，線性移動電 位器si輸入端則以螺帽固定於固定基座1〇2A上，電位計固定座2〇5 則固定於機彈簧座20上；線性雜電位㈣所制之移動彈菁 座20之移動量’利用虎克定律將可從彈簧之總壓縮量可反推出系 統於渦輪1G4之輸出外力，_力量制之效果。雜移動電位計 可設為光學形式、非光學形式之位置感·者，如光學尺、紅外 線、可變電阻等，或簡化不使用。因伺服馬達⑷輸出運動方向與 渦輪H)4受力方向賴_4、轉⑽錄人花賴、花鍵轴承套 1〇1_，使得渦輪104輸出外力之反作用力將透過低剛性壓縮彈 貫204A、204B、204C、204D及高剛性壓縮彈簧304A、3_分別 傳遞於固疋基座l〇2A、102B與高剛性廢縮彈箐座3〇3a、3()3b上， 可達成完全保護輸人鑛馬達M1之效果。其t壓縮彈簧可改用等 效彈簧，如轉、鑛等，且各個㈣鐘之雜係數可為線性 或非線贱化’並且可任意搭配，任意改變使用數量，以達到不 同剛性特性之效果。 1357471 /月輪4〇4以鍵固疋於輸出軸4〇3末端，一鋼索夾持器4_以 螺絲定固定於滑輪綱上；末端加裝光學編碼器82之輸出轴彻則 以嵌入固定基座102B之轴承與C型扣環固定，僅允許軸向旋轉之運 動；-中空螺絲4〇5旋入固定於滑輪4〇2上之螺絲座4〇6與鋼索夾持 器（ΠΑ 407丑組5而成鋼索張力調節器，鋼索一端將按順序分別 穿過鋼索夾持器407A、-中空螺絲405、鋼索夾持器407B ;鋼索 中段以鋼索夾持器侧固定於滑輪撕上，繞滑輪撕數圈，一端 繞滑輪搬數圈後，分別穿過鋼索夾持H4G7A —中空螺⑽5、 鋼索夾持器_所組成之張力調整器，以鋼索夾持器舰、麵 ^螺絲夾緊固定；鋼索另—端反向繞滑輪搬數圈後，以鋼索夾持 裔4〇8A固疋於滑輪術上·當鋼索夾持器舰放鬆，鋼索夹持器 侧夾緊鋼索時’旋出位於螺絲座鄕中空螺絲4〇5，鋼索爽持器 侧將帶射向外移動，齡_增加至—定值後，將鋼索夹持 讀A重新以螺絲拾緊’即可將中空螺細重新旋入螺絲座槪 變鋼索之現有張力。重複上述之行為，義索張力可任意 调正相對增加，達到鋼索張力調整之魏；當張賴高時，則滑 輪4〇2可透過鋼索之張力帶崎輪彻同方向無㈣旋轉運動。透 與光學編碼器S2之輸_角度，也可估計系 縮量，透過虎克定律可反推出系統於渦細之輸 可整器可改為其他形式，如雙層滑輪設計， 疋刀另j固疋於單一滑輪兩端之鋼索達到張力調整之功 效。 根據選擇控制光學編碼器S2或線性移動電位器S i之迴授訊號， 可決定系統之控制模式，即位置控制或力量控制模式。其中，輸 出傳驅動裝置之設計，可為鋼索驅動之設計，如皮帶輪、鍊輪、 齒輪組或煞車線等間接或直接驅動之裝置者，或簡化不使用，直 接以渦輪輸出。 應用本創作於不同種類的旋轉驅動源上，因具備一種以上之 機械剛性，及可調整之適應性特性之模組化設計，根據系統所控 制之模式，可分別滿足安全與效能，取代傳統致動器設計，已具 備高度產業利用價值。 惟以上述之具體實例說明，係以例闡釋本創作之特點及功效， 而非用以限定本創作之可實施範疇，因此在為脫離本創作之精神 與技術範疇下，皆應仍屬下述之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明適應性彈性耦合致動器之立體圖。 第二圖係本發明適應性彈性耦合致動器之前視圖。 第三圖係本發明適應性彈性耦合致動器之下視圖。 第四圖係本發明適應性彈性耦合致動器之系統特性示意圖。 【圖式中之參照號數】 1357471 10-輸入花鍵軸 101--花鍵軸承套 102A--固定基座 103-渦桿 105-渦輪支持座 107--皮帶輪 20-移動彈簧座 201A--滑台側板 202A—滑台基座 203A--導桿 204A--低剛性彈簧 204C--低剛性彈簧 205-電位計固定座 30-雙邊兩段型梯型螺桿 301A--移動齒輪 302A--固定齒輪 303A--高剛性彈簧座 304A-高剛性彈簧 305-導桿 S2--光學編碼器 401-軸 M1--伺服馬達 102B--固定基座 104一满輪 108-皮帶輪 S1 --線性移動電位計 201B--滑台側板 202B--滑台基座 203B--導桿 204B--低剛性彈簧 204D—低剛性彈簧 301B--移動齒輪 302B--固定齒輪 303B-高剛性彈簧座 304B--高剛性彈簧 402—滑輪 17 1357471 403-輸出軸 405—中空螺絲 407A--鋼索夾持器 408A—鋼索爽持裔 409-軸承 404-滑輪 406-螺絲座 407B--鋼索夾持器 408B_鋼索爽持裔 18

Claims (1)

1357471 十、申請專利範圍： 1. 一種具彈彳生.耦舍之致動機構，包含： -輸入傳動機構…適應性機械剛性調整機構，—鋼索輸出傳 動機構；輸入傳動機構主要係由一渴桿、渦輪對與一可允許線 性移動與越運動之滾珠花綱恤合耐，其可提供扭力放大、 運動傳輸及自鎖煞車之功能；適應性機械剛性調整機構主要係 由數個不同剛性之壓縮彈簧、可移動式彈簧座、齒輪對、滑台、 線性導桿與螺桿顺成，其可提供保護輸人致娜，力量感測， 並且隨負載外力與控制輸入自行調整改變機械剛性之功能；輸 出傳動機構麵主要係由-滑輪對、一鋼索與剛性調整失持機 構所組成’輸入滑輪利用鋼索傳動帶動輸出滑輪，配合内含之 鋼索張力調整器將可輕易的達到調整鋼索剛性，提供零機械背 隙運動傳輸之功能。 2. 如申請專概㈣丨項所述之具雜搞合之絲機構，其中，該 伺服馬達可以是其他類型之驅動源，如步進馬達、旋轉氣動馬 達、超音波馬達等。 3·如申凊專利範圍第1項所述之具彈性搞合之致動機構，其中，該 基座可改_狀，安裝於結射為任意形狀之減底座者。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之具彈性耦合之致動機構，其中，作 為傳動的渴輪與渦桿可以改用其他相似之機械元件達成同等效 果，如滾珠渦輪與渦桿等。 5, 如申請專利範圍第1項所述之具彈性耦合之致動機構，其中，適 19 應性^械剛性調整機構可不包含於整體機構中，則系統之剛性 不具Ik負载外力與控制輸入自行調整改變機械剛性之功能。 6.如申請專利範圍第！項所述之具彈_合之致動機構，其中可容 許線性卿與旋轉之花_與花鍵躲套可改為其他等效 之機械元件，且線性移動與旋轉運動可獨立設計來完成同等之 效果’如使用兩組不同運動方向之軸承對、凸輪對、滑塊對、 四連桿等。 7. 如:請專利細第丨項所述之具彈性給之致動機構，其中，外 力量測之方式可改用其他類型之機械式或電子式感測器，如應 變規、可變電阻等。 8. 如申請專利範圍第1項所述之具彈_合之騎機構，其中，輸 入傳驅動裝置之設計，可為非錄胁之設計，如雜、齒輪 組或煞車料間接或直接购之裝置者。 如申明專利範圍第i項所述之具彈性搞合之致動機構，其中，輸 出傳驅動裝置之設計’可為鋼索驅動之設計，如皮帶輪、鍊輪、 齒輪組或煞車線等間接或直接驅動之裝置者，或簡化不使用， 直接以渦輪輸出。 1〇·如申請專利範圍第1項所述之具彈性编合之致動機構，其中， 。亥軸承之配置方式可^為單邊或改用塾片。 t月專所述之具彈絲合之致動機構，其中， 、姐移動電位4可鶴絲形式、非光學形式之魅感測器者， 如光學尺、紅外線、可變電阻等，或簡化不使用。 1 =申明專利範圍第丨項所述之具雜福合之致動機構，其中， 量測，可設為光學形式、非光學形式之角度量 “’态者，如電位器等，或簡化不使用。 13. 如申請專利範圍第1項所述之具彈性麵合之致動機構，1中， 其中壓縮彈簧可改用等效彈簧，如橡膠、鋼板等’且各個不同 2體之彈性係數可為線性或雜性變化，並且可任意搭配，任 思改變使用數量，以達到不同剛性特性之效果。 14. 如申請專利範圍第丨項所述之具彈_合之致動機構，其中， 鋼索張力調整器可改為其他形式，如雙層滑輪設計，可利用旋 轉刀別固定於單-滑輪兩端之鋼索達到張力調整之功效。 15. 如申請補綱第1項所叙鄕_合讀動機構，本發明 可應用於不同種類的驅動源上，且因具備一種以上之機械剛性， 可分別滿足安全與效能，取代傳統致動器設計，安裝於各類機 械系統’應用於不同環境中，達到具有高操作效能仍可與人類 環境進行安全的互動行為。 21