重力補償裝置的製作方法
2023-05-03 18:58:26
專利名稱：重力補償裝置的製作方法
技術領域：
本發明為一重力補償裝置，尤其指一種能對一軸在第一或第二象限內旋轉時，提供相對的補償力矩，以抵消一對象在以軸為中心作旋轉時，重力對對象所產生的影響。
背景技術：
在不同類型的設備之中，若要將具有一質量的對象進行移動或旋轉，對對象進行重力補償是有利的，藉由一個能抵消全部或部份重力的補償裝置輔助下，就能較小的力來移動或旋轉該對象，這與沒有重力補償裝置的情況下，節省了許多能量。就結構的設計上， 因僅須較小的力就能驅動該對象，所需的動力裝置或連動機構相對簡單，就成本而言也能同步降低。如圖1所示，為顯示一種現有的重力補償方法。對象11具有一質量W，能以軸12 為中心作旋轉，該對象11與軸12的中心距離為L。重力補償機制是指安裝於軸12中心處的一扭轉彈簧13，該扭轉彈簧13的一固定杆131系被固定，移動杆132則與對象11同步旋轉，利用該扭轉彈簧13來彌補或抵消該對象11由0 90度旋轉時重力所造成的影響。該扭轉彈簧的彈簧扭矩常數為ΚΜ。θ為對象的旋轉角度。依據數學公式軸12 的力矩=W*L*Sin θ扭轉彈簧13的補償扭矩為=ΚΜ* θ其中該W、L為常數，Sine為非線性遞增的曲線，故隨著θ角的變化所得的力矩為一非線性遞增，而該扭轉彈簧13為一線性彈簧，所提供的補償扭矩為一線性遞增，故此類的重力補償方法無法充分滿足重力所造成的力矩變化。為解決此問題，如美國專利第6，899，308號的「Passive gravity-compensatongmechanisems"專利案，利用兩組具有一非圓形表面的旋轉機構，配合二組彈簧與前述機構的構件相連接，達到重力補償的目的。此結構在製造上，較佳的實施例是要以一對非圓形齒輪做搭配，製造的困難度及成本較高，且當產品小型化之際，在考慮材料強度(金屬齒輪)及搭配精度等因素下，前述問題更為明顯。另外如美國專利第7，677，523號的「Gravity compensation device」則是提供另一種結構。該結構缺點為無法仿真三角函數斜率逐漸降低的部份，因若滑輪半徑內縮時其可繞性線纜無法接觸該內縮部份，會被前段相對突出的部份頂住，且於轉動過程中荷重與力輸出裝置的相對距離會隨滑輪半徑變化而改變，或者如距離不變時施力角度則會改變。有鑑於此，本發明人為了解決現有一對象以一軸的中心作旋轉時，因重力所造成的影響，也設計了一種重力補償裝置。
發明內容
本發明為一種重力補償裝置，主要是用於軸的所在之處，能補償或抵消連接於軸的對象在旋轉時重力所造成的影響，而能改以較小的力就能驅動該軸旋轉。為達上述之目的，本發明重力補償裝置包括一力輸出裝置、一軸、以及一以軸為中心作旋轉的臂，主要是在旋轉的臂與力輸出裝置接觸時，使用如扭轉彈簧的力輸出裝置提供一作用力該臂的接觸位置，在臂以軸為中心在第一或二象限內轉動的過程中，該臂於該力輸出裝置上的接觸位置會持續改變，而使得力輸出裝置相對轉動的速度、作用於該臂的力臂以及臂的受力角度隨之改變，藉由適當的設計，就能使該軸依旋轉角度的遞增，所產生的力矩值呈現出一非線性且近似於正弦函數0 90度的遞增曲線。其中，該臂的作動範圍在第一及第二象限內。再者，本發明重力補償裝置另包括有一箱體，該力輸出裝置、軸、以及臂皆設置於箱體內，該軸會由箱體內延伸出來，該力輸出裝置包括有一撥動件及一扭轉彈簧，該扭轉彈簧的中心設置於撥動件上，該撥動件會牽引著該扭轉彈簧，使撥動件的旋轉角度與扭轉彈簧的扭轉角度相同，該撥動件中心位於臂的旋轉路徑內，當該臂旋轉時，該臂的一接觸件會與該撥動件相接觸並使之旋動，該扭轉彈簧則提供一作用力由撥動件施予臂的接觸件處， 隨著軸的持續旋轉，該臂的接觸件於撥動件上的接觸位置也會改變。本發明重力補償裝置中，該箱體的牆壁處另設有一調整螺絲，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該調整螺絲延伸至箱體內的一端是位於該螺旋線圈內，在該調整螺絲旋緊時，能改變該扭轉彈簧的有效線圈數。本發明重力補償裝置中，該箱體另一面牆壁處具有一位置鎖固件，該位置鎖固件能經調整改變其於牆壁處的所在位置，其中該力輸出裝置為一扭轉彈簧，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該位置鎖固件並固定著該扭轉彈簧的固定杆的位置。本發明重力補償裝置中，該力輸出裝置為一扭轉彈簧，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該固定杆的位置被固定，該臂是以接觸件是與移動杆相接觸。本發明重力補償裝置中，該力輸出裝置、軸、以及臂是設置於一機座內，該機座具有呈開放式的容置空間，該力輸出裝置及軸的位置皆被固定於機座的空間內，當臂延伸至外界並能以軸中心作旋轉，該臂的接觸件在旋轉時於力輸出裝置上的接觸位置也會改變。根據本發明之設計，該力輸出裝置可為一扭轉彈簧，另外設有一機座供該軸及扭轉彈簧設置，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由該線區所延伸出的一固定杆及一移動杆， 其中固定杆被固定於該機座內，而移動杆則與該臂的一接觸件相接觸，該接觸件於移動杆上的接觸位置會隨著該臂旋轉而改變，藉此形成一重力補償裝置，其中該臂能直接連接著欲轉動的對象處。茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本創作之其它目的與優點詳述於後。
圖1為現有重力補償裝置的示意圖；圖2為本發明實施例的示意圖；圖3為本發明數學演算的圖；圖4為本發明模擬作動狀態的力矩與角度(θ 1)的曲線圖(一)；圖5為本發明模擬作動狀態的力矩與角度(θ 1)的曲線圖(二)；
圖6為力矩與角度的分析圖；圖7為本發明運用於產品處的第一實施例的立體圖；圖8為本發明運用於產品處的第一實施例的分解圖；圖9為本發明第一實施例的作動示意圖；圖10為本發明第一實施例的另一角度的立體圖；圖11為本發明實際於產品處的第二實施例的立體圖；圖12為本發明實際於產品處的第二實施例的分解圖；圖13A為一般扭轉彈簧於運用本發明時，軸的旋轉角度示意圖；圖13B為理想扭轉彈簧裝置運用於本發明，軸的旋轉角度示意圖。主要組件符號說明11 物件12 軸13扭轉彈簧131固定杆132移動杆2A重力補償裝置23力輸出裝置24 軸23 臂231接觸件F作用力30 點31 點32 點35弧形軌跡41 曲線42 曲線50 箱體501 蓋502 容器503 軸孔504螺線孔505弧形槽51力輸出裝置511扭轉彈簧5111螺旋線區5112 固定杆5113 移動杆512撥動件
5121中心杆
5122接觸面
5123抅件
5124中心杆
52軸
53臂
531接觸件
55調整螺絲
551盲孔
56位置鎖固件
561保持件
562螺絲
563連接孔
564螺孔
9A重力補償裝置
90機座
901中心軸
902卡槽
903軸孔
91扭轉彈簧
911螺旋線區
912固定杆
913移動杆
92軸
93臂
具體實施例方式
如圖1所示，為本發明的重力補償裝置的基本模型的示意圖。該重力補償裝置2A 包括有一力輸出裝置21、一軸22、以及能以軸22為中心作旋轉的一臂23。該臂23的旋轉範圍於本範例中限制在第一象限內，於該臂23上具有一接觸件231，該接觸件231距該軸 22中心維持著固定距離。該力輸出裝置21中心位於臂23的旋轉路徑內，該臂23在旋轉時以接觸件231與力輸出裝置21接觸，隨著旋轉角度的不同，該接觸件231於力輸出裝置 21上的接觸位置將持續改變。該力輸出裝置21必須能產生一作用力F在接觸件21與之接觸之時，並隨著旋轉角度的增加，作用力F也須同步增加。因此在本實施例中該力輸出裝置21包括有一扭轉彈簧，該扭轉彈簧的中心須位於與力輸出裝置的旋轉中心，在本圖中力輸出裝置僅以簡圖示意，詳細結構及圖式將於之後再作說明。但並不以此為限，該力輸出裝置也能運用其它線性彈簧，如拉伸彈簧等。藉此當該臂23旋轉時，該臂23於該力輸出裝置 21上的接觸位置將持續改變，而使得力輸出裝置21相對轉動的速度、作用於該臂23的力臂、以及接觸件231的受力角度也隨之改變，經由本發明適當的計算及設計，就能使該軸依旋轉角度的遞增，所產生的力矩值呈現一非線性且近似於正弦函數0 90度的遞增曲線。 但並不因此為限，使用者也能視需要設計為其它不同的非線性遞增的型態。如圖3所示，為本發明的原理說明簡圖。點30為軸的中心點，點31為力輸出裝置的中心點，該臂相對於軸運動於第一象限，該臂與力輸出裝置上的接觸點以外圍的黑點表示，隨著臂旋轉角度不同，黑點所在位置也不同，該弧形曲線35即代表黑點經過的軌跡。該臂上的接觸件和軸心固定相距為R，該接觸件推動力輸出裝置使該力輸出裝置作了斜線區域的角度轉動。本發明的實現是基於以下三項因素作為設計時的依據1.該臂相對於軸轉動θ 1時力輸出裝置轉動了 θ 2，該θ 1和θ 2為非線性關係；2.該臂與力輸出裝置上的接觸點距力輸出裝置中心的距離r則隨角度不同會有長短的變化；
3.在力輸出裝置上的每一接觸點，力輸出裝置的作用力會和臂產生不同的夾角。 根據上述因素，本發明軸處的力矩輸出為
力輸出裝置於該相對位置輸出的力矩*(R/r)*Cos(力輸出裝置的作用力和臂的
夾角)根據上述的說明，本發明進一步提供相關的數學演算公式。承前所述，該點30為軸的中心點，點31為力輸出裝置的中心位置。點31相對於點30的相對位置為(d，h)。點 32、θ 』及r』是為輔助說明公式用。K為彈簧扭矩常數。
數學演算公式如下
R*Sin01 = "Sine· ~、 r' = RtSinSI
Sin θ'
R*Cos81-h =Cot0'Θ' = tan1
R*Sin01
:cos θ' = r * cos(92-tan"1^-h)
R" SinBI RiCosBI -h _ r' * cos 8' cos(82-tan'1^-h)
"sin θ' -d + tan-^d
r' * cos e'R-h Angle between R and r = (Θ2-Θ1 - tan"1^h)
torque = k*02*R/r " cos(92-81- tan"1 ^h ]因此，只要設定了 R，h，d值，依照上述公式可求出任一 θ 1值相對應的θ 2以及r 值，也可以算出本發明於該角度的輸出力矩。如圖4及圖5所示，為本發明模擬作動狀態的力矩與角度(θ 1)的曲線圖(一)及 (二)，在圖4中，該R值設定為20，d = 0，當h由0漸增至19所呈現的數條力矩(T)曲線， 由圖中可知，當h漸增時，力矩曲線會由向右下向左上偏移。在圖5中，該R值設定為20，h =0，當d由0漸增至19所呈現的數條力矩⑴曲線，由圖中可知，當d漸增時，力矩曲線就會由左下向右上偏移。在此基礎下，當獲得一個欲作重力補償的對象的實際力矩曲線時，本發明人能依重力補償裝置的大小設定出R值，之後先假設一個接近的h及d值，依公式計算後取得一假設力矩曲線後，比對與實際力矩曲線的差異，再根據圖4及圖5的邏輯，適時增減h或d值，最後就能取得最貼近實際力矩曲線的本發明重力補償裝置的R、h及d值。如圖6所示，為一對象旋轉時與本發明裝置的力矩及角度的比較表。此圖即根據前述的演算方式，取得本發明裝置相關數據的較佳值，其中R = 25mm, h = 7. 1375mm, d =3. 3125mm，並將兩者於90度時的力矩設定為1單位作比較，圖中的曲線41為對象由垂直狀態旋轉至水平狀態的力矩遞增曲線，受重力的影響力矩呈現非線性的遞增。而曲線42為根據上述公式所得的本發明重力補償裝置的力矩遞增曲線，由圖能發現兩曲線軌跡相近，故將本發明安裝於一對象的轉軸處，就能補償對象在旋轉時的重力影響，而改用一較小的驅動裝置就能帶動該物件。接著就本發明實際運用於產品處的實施例作說明，在下列實施例中，本發明主要是利用扭轉彈簧作為力輸出裝置，但扭轉彈簧的直徑會影響到其旋轉角度，本發明先就各實施例的結構作說明，再就影響情形作一討論及說明。如圖7、8所示，運用本發明的原理於產品處的第一實施例圖的立體圖及分解圖。 本發明的重力補償裝置5A其包括有一箱體50、一力輸出裝置51、一軸52、以及一臂53。該箱體50是由一蓋501及一容器502對合後所形成的中空箱，用以容置前述構件。該蓋501 上具有一軸孔503，供該軸52延伸出來。該軸52處連接著該臂53，該臂53處具有一接觸件531，該接觸件531距該軸52中心維持著一固定距離。該力輸出裝置51包括有一扭轉彈簧511及一撥動件512。該扭轉彈簧511包括有一螺旋線區5111及由此處所延伸出的一固定杆5112及一移動杆5113。該撥動件512具有一中心杆5121，該中心杆5121被固定於箱體50內，使撥動件512能依中心杆5121為中心作大角度的旋轉，該臂53處並具有一弧形的導槽532以供中心杆5121通過，並使中心杆5121不幹涉臂53的旋轉。而該撥動件512 處具有一曲面狀的接觸面5122及一抅件5123，接觸面5122及抅件5123距中心杆5121有一段距離。而該接觸面5122是供該接觸件531與之接觸，而該抅件5123用以扣於該扭轉彈簧511的移動杆5113處，而該固定臂5112的位置則是被固定於箱體50內。如圖9所示，當此軸52在旋轉時，該臂53產生同步的旋轉，該撥動件512因其扣件 5123扣於扭轉彈簧511的移動杆5113 —側，當臂53以該接觸件531與該撥動件512的接觸面5122接觸時，扭轉彈簧5111因扭轉所產生的扭力會提供給撥動件512 —作用力於該臂53的接觸件531位置，隨著軸52旋轉角度的加大，該接觸件531於接觸面5122上的接觸位置持續改變，該力輸出裝置51相對轉動的速度、作用於該臂53的力臂以及接觸件531 的受力角度也隨之改變，而使軸52的力矩呈現一非線性遞增的模式。在上述實施例為了滿足實際組裝時希望具有一微調的效果，以供使用者校正或調整軸52最後產生的力矩輸出模式。如圖8及圖10所示，於該重力補償裝置5A內另包括有一調整螺絲55及位置鎖固件56。該箱體50的容器502的牆壁處具有一螺絲孔504，該處為調整螺絲55的設置之處，該調整螺絲55具有一盲孔551，該盲孔551是供該撥動件512 相對中心杆5121位置另一根直徑較小的中心杆51M設置其中，該調整螺絲55的外徑等於或略大於該扭轉彈簧511的螺旋線區5111的內徑，當調整螺絲55鎖入螺旋線區5111時會改變該扭轉彈簧511的有效線圈數，彈簧扭矩常數也會改變，此亦能改變該軸52的力矩值。 而該位置鎖固件56包括一保持件561及一螺絲562，而該容器502的牆壁處則形成著一弧形槽505，該保持件561處具有一連接孔563，以供該扭轉彈簧511的固定杆5112插置於該連接孔563內，而保持件561具有一螺孔564，以供該螺絲562由外部經該弧形槽505而鎖固於螺孔564處，藉此能將扭轉彈簧5111的固定杆5112以不同角度被固定於容器502的內壁，由於調整螺絲55外徑略大於扭轉彈簧511的螺旋線區5111的內徑，鎖入(或釋放) 的動作會改變扭轉彈簧511張開的角度，如此能提供一調整的空間。
8
如圖11及圖12所示，為本發明運用於產品處的第二實施例圖的立體圖及分解圖。 本發明的重力補償裝置9A主要是由一機座90、一力輸出裝置、一軸92、以及一臂93所構成。該力輸出裝置為一扭轉彈簧91，該扭轉彈簧91包括有一螺旋線區911及由螺旋線區 911所延伸出的一固定杆912及一移動杆913。該機座90具有呈開放式的容置空間，前述構件則設置其中，該機座90具有一中心軸901，插置於該扭轉彈簧91的螺旋線區911中心處，以固定該扭轉彈簧91的位置，中心軸901下方於機座90內另具有一卡槽902，用以供固定杆912插置於此而固定其位置。該機座90內另具有一組呈相對設置的軸孔903，以供該軸92設置其中。該軸孔903並未與中心軸901處於同一中心線，實際上該中心軸901的中心點是於臂93旋轉的移動路徑上。該臂93處另具有一接觸件931，該接觸件931距軸52 中心具有一固定距離，該臂93在旋轉時該接觸件931是保持與移動杆913相接觸，並帶動該移動杆913旋轉。該接觸件931與移動杆913的接觸位置會依臂93旋轉的角度改變而隨之改變。圖11及圖12的實施例為一種結構較為簡單的設計，該重力補償裝置5A的軸52的力矩仍隨旋轉角度增加而呈現非線性漸增，在本實施例中，只適用於扭轉彈簧直徑夠小h，d 夠大的時候，在忽略不計扭簧直徑造成的影響下才能適用。此實施例中該臂53能直接連接於欲旋轉的對象處，而非將對象與軸52作連接。在上述二實施例中，主要是利用扭轉彈簧作為力輸出裝置的主要組件，但當應用扭轉彈簧作為出力單元的時候需考慮到扭轉彈簧的直徑，在實際上直接應用扭轉彈簧時， 其轉動中心點會移動且會影響其轉動角度，如圖13A、圖1 所示，圖13A為一扭轉彈簧，圖 13B為一理想扭轉彈簧裝置，利用本發明的結構從同一角度出發，兩個扭轉彈簧各自轉90 度的示意圖可看出輸出軸轉動的角度α及α 1明顯不同，扭轉彈簧回饋力量到臂的旋轉角度受到影響且圖13Β中的扭轉彈簧的轉動中心是隨著其圓周移動。因此本發明第一實施例中，是由一撥動件與一扭轉彈簧構成一組力輸出裝置，利用一撥動件將扭轉彈簧中心重合於其軸心並固定扭轉彈簧的一移動杆，該合併裝置可以視為一理想扭轉彈簧，撥動件的轉動中心不會改變且扭轉彈簧轉動角度和撥動件一致。綜合以上所述，本發明是利用一力輸出裝置(如扭轉彈簧)提供一作用力於與之接觸的臂處，但隨者該臂旋轉時，臂與力輸出裝置的接觸位置也持續改變，如此能讓力輸出裝置相對轉動的速度、作用於該臂的力臂以及臂的受力角度隨之改變，使連接於臂的軸能產生非線性漸增的力矩，使整體裝置能抵消實際一對象在旋轉時重力所造成的影響。以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
權利要求
1.一種重力補償裝置，其特徵在於，包括有一力輸出裝置、一軸、以及能以軸為中心作旋轉的一臂，該臂上距軸中心固定距離處具有一接觸件，該力輸出裝置中心位於臂的旋轉路徑內，在該臂旋轉時會以該接觸件與力輸出裝置接觸，該力輸出裝置於臂的接觸位置提供一作用力，並隨著軸的持續旋轉，該臂的接觸件於該力輸出裝置上的接觸位置及該接觸件的受力角度也會改變。
2.如權利要求1所述的重力補償裝置，其特徵在於，該臂的作動範圍在第一及第二象限內。
3.如權利要求1所述的重力補償裝置，其特徵在於，另包括有一箱體，該力輸出裝置、 軸、以及臂皆設置於箱體內，該軸會由箱體內延伸出來，該力輸出裝置包括有一撥動件及一扭轉彈簧，該扭轉彈簧的中心設置於撥動件上，該撥動件會牽引該扭轉彈簧，使撥動件的旋轉角度與扭轉彈簧的扭轉角度相同，該撥動件中心位於臂的旋轉路徑內，當該臂旋轉時，該臂的接觸件會與該撥動件相接觸並使之旋動，該扭轉彈簧則提供一作用力由撥動件施予臂的接觸件處，隨著軸的持續旋轉，該臂的接觸件於撥動件上的接觸位置也會改變。
4.如權利要求3所述的重力補償裝置，其特徵在於，該箱體的牆壁處另設有一調整螺絲，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該調整螺絲延伸至箱體內的一端是位於該螺旋線圈內，在該調整螺絲旋緊時，能改變該扭轉彈簧的有效線圈數。
5.如權利要求3所述的重力補償裝置，其特徵在於，該箱體另一面牆壁處具有一位置鎖固件，該位置鎖固件能經調整改變其於牆壁處的所在位置，其中該力輸出裝置為一扭轉彈簧，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該位置鎖固件並固定著該扭轉彈簧的固定杆的位置。
6.如權利要求1所述的重力補償裝置，其特徵在於，該力輸出裝置為一扭轉彈簧，該扭轉彈簧包括有一螺旋線區及由螺旋線區所延伸出的一固定杆及一移動杆，該固定杆的位置被固定，該臂是以接觸件是與移動杆相接觸。
7.如權利要求1所述的重力補償裝置，其特徵在於，該力輸出裝置、軸、以及臂是設置於一機座內，該機座具有呈開放式的容置空間，該力輸出裝置及軸的位置皆被固定於機座的空間內，當臂延伸至外界並能以軸中心作旋轉，該臂的接觸件在旋轉時於力輸出裝置上的接觸位置也會改變。
全文摘要
一重力補償裝置，包括有一力輸出裝置、一軸、以及一以軸為中心作旋轉的臂，主要是在旋轉的臂與力輸出裝置接觸時，使用如扭轉彈簧的力輸出裝置提供一作用力於該臂的接觸位置，在臂以軸為中心在第一或二象限內的轉動過程中，該臂於力輸出裝置上的接觸位置會持續改變，造成力輸出裝置與該臂的轉動呈現非線性的相對運動。根據力臂、相對轉動速度、以及受力角度三者的變化對於該軸的力矩所造成的影響，經適當的設計，該重力補償裝置就可利用線性的力輸出裝置仿真出近似於正弦函數0～90度的力矩輸出。
文檔編號F16F15/28GK102537206SQ20101058417
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者蕭柏森 申請人:蕭柏森