CN102672726A - 顺应性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顺应性关节包含固定座体、转轴、第一壳体、簧片组、第二壳体、随动件及驱动器。其中，转轴枢设于固定座体，第一壳体连接于转轴，并随转轴旋转。簧片组位于第一壳体，并随转轴旋转。第二壳体枢设于转轴。随动件设置于第二壳体，随动件并抵靠于簧片。此外，转轴受驱动而旋转，并连动簧片旋转，使簧片推抵随动件以连动第二壳体旋转。藉此，簧片可提供第二壳体旋转时的缓冲效果。

Description

顺应性关节

技术领域

本发明是关于一种顺应性关节，特别是一种用于机械手臂的机械关节。

背景技术

由于高龄化、少子化社会的来临，造成劳动人口大幅减少，进而影响整体国家及社会的进步。为了解决此问题，机器人也渐渐地从工厂走入人类的日常生活中，协助人类处理危险工作或生活琐事。在机器人与人类接触越来越频繁之际，如何安全地使机器人与使用者间互动及提供服务，已成为机器人研究现阶段最重要的议题。

一般安全机械手臂的设计，可分为主动式关节设计及被动式关节设计。主动式关节大多是在机械手臂表面配置大量的压力传感器或是关节处配置扭力传感器。当传感器接收到信号且判断机械手臂受到碰撞时，机械手臂的关节上的一煞车装置便立即执行，以使机械手臂停止运作。但主动式关节设计的信号识别技术较为复杂，相对也造成较高的成本。

相较于主动式关节，被动式关节则利用弹性组件作为缓冲碰撞的冲击力，所以无须使用信号识别技术。藉此，被动式关节设计也相对较主动式关节设计简单，且成本也相对便宜。

现有的一关节设计，是利用一片状弹簧结合一滑块螺杆系统，并通过一马达以控制滑块位置，藉此调整关节的刚性。此外，关节设计更可搭配一弹簧形变传感器及一位置传感器，以达到力量顺应控制的效果。

现有的另一关节设计，是利用一弹簧结构与一凸轮结构搭配，以达被动式安全关节机构。当机械手臂碰撞物体时，关节扭力的负荷量会使弹簧压缩而使凸轮脱离一凹槽限制，以使转轴处于空转的状态，以达到安全设计的效果。然而，此种关节设计会有刚性不足的问题，且其安全机制并无法于碰撞当下及时的启动。

因此，如何设计出结构简单、成本低廉以及能够及时启动安全机制的关节设计，已是研发人员所要追求的重要目标。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种顺应性关节，藉以解决现有具安全机制的机械关节的设计较为复杂，造成开发成本较高的问题。

本发明所揭露的顺应性关节，其包含一固定座体、一转轴、一第一壳体、至少一簧片组、一第二壳体及至少一随动件。其中，转轴枢设于固定座体，第一壳体连接于转轴，并随转轴旋转。簧片组包含至少一簧片，并随转轴旋转。第二壳体枢设于转轴。随动件设置于第二壳体，随动件抵靠于簧片。此外，转轴被驱动而旋转，簧片受转轴连动而旋转，且簧片推压随动件而产生变形。簧片因变形而产生一弹性力以推动随动件，以带动第二壳体相对固定座体旋转。

根据上述本案所揭露的顺应性关节，是藉由簧片组与随动件的搭配，以提供顺应性关节的缓冲效果。由于簧片组可吸收外界的冲击量，除了可保护使用者的安全外，并也可保护机械手臂本身。并且，工程人员可通过更换簧片数量以及簧片规格，以调整簧片组的等效弹性系数，或者于第一壳体与第二壳体之间添加不同黏滞系数的阻尼油，以调整顺应性关的阻尼系数。藉此，可令顺应性关节适用于各种不同的使用场合。是以这样的顺应性关节具有简单的簧片-阻尼结构设计，因此可降低制作成本。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合附图作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1A为根据本发明一实施例之顺应性关节的结构示意图；

图1B为根据本发明一实施例之顺应性关节的结构分解示意图；

图1C为根据本发明一实施例之顺应性关节的部分结构分解示意图；

图2A为根据本发明一实施例之顺应性关节的结构剖示图；

图2B为根据本发明一实施例之顺应性关节的随动件与簧片作动示意图；

图3为根据本发明另一实施例之顺应性关节的结构剖示图；

图4为根据本发明另一实施例之顺应性关节的结构剖示图。

图5为根据本发明另一实施例的双轴向的顺应性关节的结构示意图。

【主要组件符号说明】

10、10′    顺应性关节

15          驱动杆

20          阻尼油

100、100′  固定座体

101         螺丝

110         第一容置槽

120         固定盖

121         螺丝

130         轴承

140         轴承

200         转轴

201         插销

300         第一壳体

301         螺丝

302         环型外壁面

310         环形内齿

400         簧片组

401         螺丝

410         挡板

500         第二壳体

502         环型内壁面

600         随动件

610         螺帽

700         驱动器

710         传动轴

800、800′  固定块

801         螺丝

810         第二容置槽

820         轴承

830         轴承

840         限位件

900         传感器

901         螺丝

910         齿轮

911         插销

920         固定片

930         螺帽

具体实施方式

请参照图1A至图1C，图1A为根据本发明一实施例的顺应性关节的结构示意图，图1B为根据本发明一实施例的顺应性关节的结构分解示意图，图1C为根据本发明一实施例的顺应性关节的部分结构分解示意图。

本实施例的顺应性关节10可用于机械手臂，且顺应性关节10内部具簧片-阻尼结构以吸收突发的碰撞及冲击，以达安全的功效。顺应性关节10包含有一固定座体100、一转轴200、一第一壳体300、两簧片组400、一第二壳体500以及两随动件600。此外，顺应性关节10更可以包含一驱动器700。

其中，固定座体100更具有一第一容置槽110，第一容置槽110内设置有两轴承130、140。转轴200藉由穿设轴承130、140而枢设于固定座体100。此外，顺应性关节10更包含一环型固定盖120，固定盖120可藉由多个螺丝121的穿锁而固定于固定座体100的一侧，以将轴承130、140以及转轴200的部分体积固定于第一容置槽110内。

本实施例的驱动器700可以是但不局限于马达，驱动器700可藉由螺丝101的锁附而固定于固定座体100相对固定盖120的一侧。并且，驱动器700具有一传动轴710，传动轴710藉由一插销201而连接转轴200，使得驱动器700可带动转轴200相对固定座体100进行旋转。

本实施例的第一壳体300为一杯形体，且具有一环绕其杯形体内缘一圈的环型内齿310。第一壳体300可藉由螺丝301的锁附而固定于转轴200，第一壳体300随着转轴200而一并旋转。

请继续参照图1B，簧片组400包含至少一簧片。簧片为弹性体，例如是板形弹簧。使用者可依据实际需求而调整簧片组400所包含的簧片数量，以调整出簧片组400整体的等效弹性系数。更进一步来说，在使用相同规格的簧片的条件下，越多数量的簧片所构成的簧片组400能够有较大的等效弹性系数，以承受较大的负荷或外力冲击。本实施例的两簧片组400是分别藉由螺丝401而被锁附于转轴200的相对两侧，簧片组400可随着转轴200而旋转。并且，两簧片组400是位于第一壳体300的杯形体内，并被环型内齿310所环绕。

此外，顺应性关节10更可包含两挡板410，挡板410用以限制簧片组400的变形量。在本实施例当中，挡板410具有一圆弧表面，圆弧表面面对簧片组400，簧片组400是沿着圆弧表面而变形。更进一步来说，圆弧表面限制了簧片组400的变形量，以避免簧片组400因变形量过大而造成损坏。并且，挡板410与簧片组400是共同藉由螺丝401而锁附于转轴200上，并且随着转轴200而一并旋转，且簧片组400介于挡板410与转轴200之间。

需注意的是，在本实施例当中，簧片组400与挡板410藉由螺丝401而直接固定于转轴200上，然而此特征非用以限定本发明。举例来说，簧片组400与挡板410也可以皆固定在第一壳体300，或者是簧片组400固定于转轴200上，而挡板410固定在第一壳体300上。

请参照图2A并同时搭配图1B以及图1C，图2A为根据本发明一实施例的顺应性关节的结构剖示图。

本实施例的第二壳体500为一杯形体，第二壳体500枢设于转轴200，且第二壳体500并可同时套设于第一壳体300。两随动件600可分别藉由两螺帽610而固定或枢设于第二壳体500，且被夹设于两簧片组400之间。更进一步来说，随动件600、挡板410及簧片组400是被第一壳体300及第二壳体500所共同包覆。当驱动器700带动转轴200旋转而连动第一壳体300、簧片组400及挡板410一并旋转时，簧片组400推动两随动件600而迫使第二壳体500也一并旋转。

此外，本实施例的顺应性关节10更可包含一固定块800，固定块800藉由螺丝801而固置于第二壳体500相对于第一壳体300的一侧。换句话说，第二壳体500介于固定块800与第一壳体300之间。固定块800可包含一第二容置槽810，第二容置槽810内容设有两轴承820、830。转轴200的一端穿过第二壳体500并枢设于两轴承820、830内。其中，固定块800可用来连接一机械手臂。并且，本实施例的顺应性关节10还可包含一限位件840，限位件840套设并固定于转轴200的末端。限位件840用以限制第二壳体500的旋转轴向位移，以避免第二壳体500由转轴200的一端脱出而与第一壳体300分离。更进一步来说，第二壳体500与固定块800被夹设于限位件840与第一壳体300之间。

此外，本实施例的第一壳体300与第二壳体500之间，更可添加有一阻尼油20。更进一步来说，阻尼油20位于第一壳体300的杯形体的一环型外壁面302与第二壳体500的杯形体的一环型内壁面502之间。藉由阻尼油20的设置，使得第二壳体500相对第一壳体300枢转时，其两者间具有阻尼的效果。并且，顺应性关节10可藉由添加不同黏滞系数的阻尼油20于第一壳体300与第二壳体500之间，以调整顺应性关节10的系统的阻尼系数，使顺应性关节10适用于各种不同的使用条件。

本实施例的顺应性关节10更可包含一传感器900，传感器900为一角位移传感器，但不以此为限。举例来说，传感器900也可以是光学传感器等，传感器900只需能够量测第一壳体300与第二壳体500之间的角位移量即可。传感器900藉由螺帽930而固定于一固定片920上，固定片920再藉由螺丝901而锁附于第二壳体500上，并使传感器900与固定块800位于第二壳体500的相同侧。

本实施例的顺应性关节10更可包含一齿轮910，齿轮910藉由插销911而与传感器900相连接。齿轮910被第一壳体300与第二壳体500包覆，且齿轮910啮合于环形内齿310。藉由齿轮910相对环形内齿310的旋转量，可令传感器900计算出第二壳体500相对于第一壳体300的角位移量。

请同时搭配图1C、图2A及图2B，图2B为根据本发明一实施例的顺应性关节的随动件与簧片作动示意图。

于常态不受外力的状态下，顺应性关节10的两随动件600是被夹设于两簧片组400之间，且随动件600与转轴200之间保持有一距离L，如图2A所示。当驱动器700驱动转轴200相对固定座体100旋转时，固定于转轴200上的第一壳体300、两簧片组400以及两挡板410也相对于固定座体100旋转。此时，两簧片组400因推压随动件600而连动第二壳体500相对固定座体100旋转。若此时连接第二壳体500的机械手臂受到一外力冲击或者是一额外负重，簧片组400便沿着挡板410的表面产生弹性变形，如图2B所示。若机械手臂受到的是外力冲击，簧片组400便可因弹性变形而吸收此冲击量。若机械手臂受到的是额外负重，则簧片组400因此弹性变形而产生一弹性力，此弹性力的大小正比于弹性变形量与簧片组400的等效弹性系数。当簧片组400持续变形而使得弹性力超过机械手臂所成受的额外负重时，第二壳体500便可继续相对固定座体100旋转。

其中，传感器900可藉由齿轮910相对于环形内齿310的旋转量而计算出第二壳体500与第一壳体300之间的角位移量。其目的用以使操作者获得转轴200的旋转量与第二壳体500的实际旋转量，已用来进行补正及校正的依据。举例来说，当驱动器700驱动转轴200相对固定座体100旋转90度角，第一壳体300因固定于转轴200而同样相对固定座体100旋转90度角。此时，簧片组400因连接第二壳体500的机械手臂因具有一负重而产生弹性变形，因此第二壳体500的实际转量可能只有达70度角。此时，传感器900所测得第二壳体500与第一壳体300间的角位移量便为20度角。

因此，操作者可利用传感器900而获得每一转轴200的旋转角度与第二壳体500的实际旋转角度的差值，并依据这信息来精准的控制机械手臂。举例来说，当操作者期望机械手臂实际旋转90度角，则需令转轴200旋转115度角以达成使机械手臂旋转90度角。

由于本实施例的顺应性关节10是具有簧片组400搭配随动件600所构成的簧片-阻尼结构，因此转轴200驱动第二壳体500的旋转过程中，若连接于第二壳体500的机械手臂与使用着的互动中受到瞬间的碰撞或冲击，簧片组400可立即的吸收此冲击量。藉此，可保护使用着的安全，以达安全关节的功效。并且，藉由本实施例的顺应性关节10的双簧片组400与两随动件600的搭配，可具有正、反转的双向的缓冲效果。

此外，簧片组400的等效弹性系数可藉由不同规格或数量的簧片以搭配出各种不同弹性系数。因此，工程人员只需更换簧片组400的规格，譬如增加或减少簧片组400的簧片数量，即可调整簧片组400的等效弹性系数，或于第一壳体300与第二壳体500之间添加不同黏滞系数的阻尼油20，以调整第一壳体300与第二壳体500之间的阻尼系数。藉此，使顺应性关节10适用于各种不同的使用场合。

并且，在图2A实施例当中，随动件600与转轴200间具有一距离L，然而此距离L的大小也同样影响顺应性关节10的等效弹性系数大小。举例而言，距离L越小，则顺应性关节10的等效弹性系数越大。在本发明另一实施例当中，随动件600与转轴200之间的距离是可调整，其方法可藉由滑块来移动随动件600的位置，或者于第二壳体500上设置不同的组配孔以搭配调整随动件600与转轴200间的位置。藉由适当地调整随动件600与转轴200间的距离L以控制顺应性关节10的等效弹性系数大小，使顺应性关节10适用于各种不同的使用场合。

接着请参照图3，图3为根据本发明另一实施例的顺应性关节的结构剖示图。本发明另一实施例的顺应性关节10的结构与图2A的实施例相似，因此针对相同之处便不再详细赘述。

本发明另一实施例的顺应性关节10具有一簧片组400，簧片组400设置于转轴200的同一侧。两随动件600位于簧片组400的同一侧，且随动件600分别位于簧片组400的相对两端。顺应性关节10藉由一簧片组400与两随动件600的搭配也可具有双向的缓冲效果。

接着请参照图4，图4为根据本发明另一实施例的顺应性关节的结构剖示图。本发明另一实施例的顺应性关节10的结构与图2A的实施例相似，因此针对相同之处便不再详细赘述。

本发明另一实施例的顺应性关节10具有两簧片组400，两簧片组400设置于转轴200的相对两侧，一随动件600夹设于两簧片组400之间。顺应性关节10藉由两簧片组400与一随动件600的搭配也可具有双向的缓冲效果。

此外，前述实施例的顺应性关节10只具有单轴向的旋转功能，若将两顺应性关节10适当的搭配，则可组合成具双轴向旋转功能的机械关节。

接着请参照图5，图5为根据本发明另一实施例的双轴向的顺应性关节的结构示意图。

其中一顺应性关节10的固定块800是与另一顺应性关节10′的固定座体100′相结，顺应性关节10′的固定块800′另连接一驱动杆20。藉由上述的两顺应性关节10、10′的搭配设置，可令驱动杆20具有双轴向的旋转功能。

根据上述实施例的顺应性关节，藉由簧片组与随动件的搭配，即可提供顺应性关节的缓冲效果。由于簧片组可吸收外界的冲击量，除了可保护使用者的安全外，并也可保护机械手臂本身。并且，工程人员可通过更换簧片数量以及簧片规格，以调整簧片组的等效弹性系数。或者，可于第一壳体与第二壳体之间添加不同黏滞系数的阻尼油，以调整顺应性关节的阻尼系数。藉此，可令顺应性关节适用于各种不同的使用场合。是以这样的顺应性关节具有简单的簧片-阻尼结构设计，因此可降低制作成本。

此外，本发明的顺应性关节更可搭配传感器，以获取第一壳体与第二壳体间的角位移量。工程人员可根据此位移信息以进行控制手段的补正及校正依据，而令顺应性关节具有良好的运转精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种顺应性关节，其特征在于，包含：

一固定座体；

一转轴，枢设于该固定座体；

一第一壳体，连接于该转轴，并随该转轴旋转；

一簧片组，包含至少一簧片，并随该转轴旋转；

一第二壳体，枢设于该转轴；以及

至少一随动件，设置于该第二壳体，该随动件抵靠于该簧片组；

其中，该转轴被驱动而旋转，该簧片组受该转轴连动而旋转，该簧片组推压该随动件而产生变形，该簧片组因变形而产生一弹性力以推动该随动件，以带动该第二壳体相对该固定座体旋转。

2.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一螺丝，该簧片组藉由该螺丝而锁附于该转轴上。

3.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一挡板，设置于该第一壳体，该挡板对应该簧片组，以限制该簧片组的变形量。

4.如权利要求3所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一螺丝，该簧片组及该挡板藉由该螺丝而锁附于该转轴上。

5.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，包含两该簧片组，该两簧片组分别位于该转轴的相对两侧。

6.如权利要求5所述的顺应性关节，其特征在于，该随动件夹设于该两簧片组之间。

7.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一传感器，该传感器设置于该第二壳体，该传感器量测该第一壳体与该第二壳体之间的一角位移量。

8.如权利要求7所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一齿轮，该第一壳体具有一环型内齿，该齿轮连接该传感器，并啮合于该环型内齿。

9.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，该随动件与该第二壳体的一旋转轴心之间具有一距离，且该距离可调整。

10.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一限位件，套设于该转轴的一端，该第一壳体介于该第一壳体与该限位件之间。

11.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一固定块，该固定块设置于该第一壳体相对于该第一壳体的一侧，该固定块内容设有一轴承，该转轴的一端位于该轴承内。

12.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，该固定座体内具有一轴承，该转轴位于该轴承内。

13.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，包含两个该随动件，该两个随动件位于该簧片组的同一侧，且分别位于该簧片组的相对两端。

14.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，该第二壳体套设于该第一壳体。

15.如权利要求14所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一阻尼油，该阻尼油介于该第一壳体与该第二壳体之间。

16.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，更包含一驱动器，该驱动器连接并驱动该转轴。

17.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，该簧片组固定于该第一壳体。

18.如权利要求1所述的顺应性关节，其特征在于，该簧片组包含多个簧片。

Images