TW201707891A - 智慧型平衡懸浮手臂及控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種智慧型平衡懸浮手臂及控制方法，該懸浮手臂係一手臂機構、回轉角度感測器、一氣壓缸、一負載感測器、一工件擷取器、一負載檢出氣壓比例模組及一平衡控制模組的組合。該懸浮手臂的控制方法包含一懸浮手臂姿態改變機制、一回轉角度訊號回授機制、一負載重量訊號回授機制、一氣壓控制機制及一氣壓缸推力調整機制。當該手臂機構的姿態改變，則各該回轉角度感測器及該負載感測器均傳遞一偵測訊號至該平衡控制模組，進而該平衡控制模組輸出一控制訊號用以控制該負載檢出氣壓比例模組，且使該負載檢出氣壓比例模組控制該氣壓缸的輸入氣壓，瞬間隨時作調壓動作，以達到最佳的動態平衡效果。

Description

智慧型平衡懸浮手臂及控制方法

本發明係關於一種機械手臂或懸浮手臂的技術領域，特別是能夠不按任何按鈕或開關，自動達到平衡效果的，懸浮手臂及其控制方法。

由於懸浮手臂具有氣源使用方便、不污染環境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適於在惡劣環境下工作等特點，所以在現代化的生產過程中，為了應對大型零組件的搬運及裝配，降低操作人員的勞動負擔，提高工作效率，都會採用懸浮手臂，操作人員只需用很小的力就可以上下左右移動很重的工件。

懸浮手臂的基本原理是用恆壓控制氣路來平衡負載，然後再借助平行連桿機構來實現任意位置的平衡。傳統的懸浮手臂是由空載與負載手動調壓或手動設定壓力的方式讓手臂達平衡狀態。然而懸浮手臂的姿態會隨著負載的移動而改變，加上氣體本身具有極顯著的可壓縮性，因此恆壓控制氣路的方式並不能使氣壓與負載達到最佳的平衡效果。

關於使負載與出力平衡而形成無重力狀態的技術手段，係可利用氣動設備來達成，例如台灣第I439709、I490513號專利案、WO 05015245A2、WO 04031782A1專利案，以及美國專利第4,705,447號。

本發明的目的在於提供一種智慧型平衡懸浮手臂及控制方 法，其具有能夠自動依負載的重量及手臂的姿態達到動態平衡的功效。

為達上述的目的與功效，該懸浮手臂係包含一手臂機構、複數回轉角度感測器、一氣壓缸、一負載感測器、一工件擷取器、一負載檢出氣壓比例模組及一平衡控制模組的組合。該手臂機構的姿態改變，則各該回轉角度感測器及該負載感測器均傳遞一偵測訊號至該平衡控制模組，進而該平衡控制模組輸出一控制訊號用以控制該負載檢出氣壓比例模組，且使該負載檢出氣壓比例模組控制輸入該氣壓缸的氣壓。

又該懸浮手臂的控制方法包含一懸浮手臂姿態改變機制、一回轉角度訊號回授機制、一負載重量訊號回授機制、一氣壓控制機制及一氣壓缸推力調整機制。其中該氣壓控制機制係以一平衡控制模組搭配閉迴路演算法，將一回轉角度訊號經過微分處理，並將負載重量訊號及經過微分處理後的該回轉角度訊號，再經過比例-積-微分補償處理，進而形成一氣壓控制訊號輸出。

至於本發明的其他目的及功效，可進一步揭露於以下實施例及圖式內容。

10‧‧‧懸浮手臂

20‧‧‧手臂機構

22‧‧‧立柱

24‧‧‧連桿組

26‧‧‧連桿

28‧‧‧關節部

30‧‧‧氣壓缸

40‧‧‧回轉角度感測器

50‧‧‧負載感測器

52‧‧‧工件

60‧‧‧工件掫取器

70‧‧‧平衡控制模組

80‧‧‧負載檢出氣壓比例模組

82‧‧‧氣壓源

90‧‧‧煞車碟片

92‧‧‧煞車控制感測

94‧‧‧操作桿

96‧‧‧位移感測器模組

100‧‧‧懸浮手臂姿態改變機制

102‧‧‧回轉角度訊號回授機制

104‧‧‧負載重量訊號回授機制

106‧‧‧氣壓控制機制

108‧‧‧氣壓缸推力調整機制

110‧‧‧自動煞車停止機制

112‧‧‧輔助出力機制

第1圖係本發明的結構示意圖。

第2圖係本發明各組件的連結方塊圖。

第3圖係本發明的上揚狀態示意圖。

第4圖係本發明的位移感測器模組及操作桿的配置及動作示意圖。

第5圖係本發明的煞車控制感測器與碟車碟片的連結方塊圖。

第6圖係本發明控制方法的各機制連結方塊圖。

第7圖係本發明平衡控制模組的組成架構及各訊號回授至平衡控制模組的閉迴路示意圖。

第8圖係本發明自動煞車停止機制及作動力輔助機制的控流程圖。

請參閱第1圖，圖中揭露一懸浮手臂10係包含一手臂機構20、一氣壓缸30、複數回轉角度感測器40、一負載感測器50、一工件掫取器60及一平衡控制模組70。其中該手臂機構20係一立柱22連接一連桿組24。該連桿組24係由複數連桿26相鄰連接組成，且相鄰的二該連桿26的連接位置形成一關節部28。該氣壓缸30係配置在該手臂機構20上，更進一步，該氣壓缸30係連接該立柱22及該連桿組24。該工件掫取器60可以是吸盤、夾爪或其他類似功能的器具。此外圖示的該懸浮手臂10形態僅作為本發明的示例說明，並非以此為限。

該回轉角度感測器40係配置在該手臂機構20上。進一步，該回轉角度感測器40可連接該氣壓缸30，以及該回轉角度感測器40可配置在各關節部28。該負載感測器50係配置在該連桿組24的一端。該工件擷取器60係連接該負載感測器50。該平衡控制模組70係配置在該手臂機構20之連桿組24的一端。

上述的該平衡控制模組70係以申請人(鋒碩公司)自行開發之控制器為架構。該平衡控制模組70可將不同硬體的通訊格式，整合到該控制器中。

請參閱第2圖，該平衡控制模組70係電性連接該回轉角度感 測器40及該負載感測器50。此外一負載檢出氣壓比例模組80係電性連接該平衡控制模組70及連接一氣壓源82。又該負載檢出氣壓比例模組70係連接該氣壓缸30。

請參閱第2、3圖，該手臂機構20的姿態改變，例如該連桿組24向上揚起且該氣壓缸30的伸縮端伸出，該回轉角度感測器40及該負載感測器50均可傳遞一偵測訊號至該平衡控制模組70。該平衡控制模組70可依該回轉角度感測器40及該負載感測器50的訊號，計算出該連桿組24的姿態、該氣壓缸30的角度及工件52的重量，進而輸出一控制訊號用以控制該負載檢出氣壓比例模組80(見第2圖)，如此該氣壓源82所輸出的氣壓經過該負載檢出氣壓比例模組80的作用後獲得適當的調整。是以該負載檢出氣壓比例模組80可用以控制輸入該氣壓缸30的氣壓，藉此該氣壓缸30的出力端可改變作用力，進而使得該懸浮手臂10的姿態、氣壓缸30的作用力及工件52的重量達到動態平衡的效果。

再請參閱第1圖，本發明更包含複數煞車碟片90。該煞車碟片90係安裝在該連桿組24的該關節部28。請參閱第4圖，本發明包含一煞車控制感測器92。請參閱第5圖，該煞車控制感測器92用以控制該煞車碟片90。當該煞車控制感測器92偵測到操作者欲使用該懸浮手臂10(見第1圖)，例如操作者的手接近該煞車控制感測器92，則該各煞車碟片90解除煞車作用。當該煞車控制感測器92偵測到操作者沒有要使用該懸浮手臂10(見第1圖)，例如操作者的手遠離該煞車控制感測器92，則各該煞車碟片90立即鎖住，使該懸浮手臂10無法再動作。是以本發明可以確實使該懸浮手臂10在有操作者刻意操作的狀態下產生移動，且該煞車控制感測器92搭配該煞車 碟片90具有防止惡意誤動的功效且能形成具有到防呆效果的安全裝置。

請再配合參閱第4圖，本發明還包含一對操作桿94。該操作桿94係可活動的安裝在該連桿組24的一端，該煞車控制感測器92配置在該連桿組24一端且相近接該操作桿94。操作者的手係握持該操作桿94以進行操控該懸浮手臂，所以該煞車感測器92能夠藉由偵測該操作桿94上有無操作者的手來達到控制各該煞車碟片90的效果。

又本發明包含至少一組位移感測器模組96。圖中揭露二組位移感測器模組96分別配置在該連桿組24且相對該操作桿94。其次請參閱第2圖，該位移感測器模組96係電性連接該平衡控制模組70。當該操作桿94接觸該位移感測器模組96，則該平衡控制模組70依該連桿組(未顯示)的位移方向控制輸入該氣壓缸30的氣壓。例如該操作桿94向下接觸該位移感測模組96，表示該連桿組向下位移，如此該平衡控制模組70可控制減少輸入該氣壓缸30的氣壓，藉此防止操作者費力。反之，該操作桿94向上接觸該位移感測模組96，表示該連桿組向上位移，則該平衡控制模組70控制增加輸入該氣壓缸30的氣壓，藉此可使操作者的操作動作更加省力。

請參閱第6圖，根據上述的結構形式及操作方式，本發明對於一懸浮手臂的控制方法可包含一懸浮手臂姿態改變機制100、一回轉角度訊號回授機制102、一負載重量訊號回授機制104、一氣壓控制機制106及一氣壓缸推力調整機制108。

請參閱第6圖並配合第1、3圖所示，該懸浮手臂姿態改變機制100係指一操作者驅動該懸浮手臂10的該手臂機構20，使該手臂機構20及連接該手臂機構20的氣壓缸30產生升降或回轉。該回轉角度訊號回授機制 102係利用安裝於該懸浮手臂10的回轉角度感測器40偵測該手臂機構20及該氣壓缸30的回轉角度，並輸出一回轉角度訊號。該負載重量訊號回授機制104係利用安裝於該懸浮手臂10的負載感測器50偵測該工件52的重量，並輸出一負載重量訊號。

請參閱第6、7圖，該氣壓控制機制106係利用一平衡控制模組70接收該回轉角度訊號及該負載重量訊號，並經處理及計算後由該平衡控制模組70輸出一氣壓控制訊號至該負載檢出氣壓比例模組80。該負載檢出氣壓比例模組80接收該氣壓控制訊號後。請搭配參閱第1、3圖，該負載檢出氣壓比例模組80可依該氣壓控制訊號進一步調整輸入該氣壓缸30的氣壓，進而使得該懸浮手臂10的該手臂機構20、氣壓缸30的出力及該工件52重量達到動態平衡的狀態。

請再參閱第7圖，該平衡控制模組70係具有一閉迴路演算法。該回轉角度感測器40所輸出的該回轉角度訊號係經過一微分處理以形成角速度訊號。該負載感測器50所輸出的該負載重量訊號與經過微分處理後的該回轉角度訊號，可再經過一比例-積-微分補償處理，進而形成該氣壓控制訊號，且該氣壓控制訊號得以輸出至該負載檢出氣壓比例模組80。

是以本發明利用該回轉角度感測器40與該負載感測器50即時收集該懸浮手臂10的姿態改變狀態及該負載重量，再搭配該平衡控制模組70所具備的閉迴路演算法及該負載檢出氣壓比例模組80，可使該氣壓缸30即時輸出足量的氣壓以使該懸臂機構20與該工件50重量達到動態平衡的效果。

請參閱第1、5圖，本發明具有煞車控制感測器92用以控制安 裝在該手臂機構20的各煞車碟片90，因此請參閱第8圖，本發明更包含一自動煞車停止機制110。該自動煞車停止機制110係該煞車控制感測器用以偵測有無操作者驅動該手臂機構，若確實有操作者驅動該手臂機構，則解除各該煞車碟片；若無操作作者驅動該手臂機構或操作者的手突然離開操作位置，則該煞車控制感測器控制各該煞車碟片形成鎖住狀態，使該手臂機構不能產生動作。

又由第4圖知本發明具有位移感測模組96用以偵測該手臂機構24的位移方向。請參閱第8圖並配合參閱第2圖，本發明具有一輔助出力機制112。該輔助出力機制112係利用位移感測器模組96偵測該手臂機構24的位移方向，且該位移感測器模組96輸出一作動力輔助訊號至該平衡控制模組70，並經處理及計算後由該平衡控制模組70輸出一輔助氣壓控制訊號至該負載檢出氣壓比例模組80，進而調整輸入該氣壓缸30的氣壓，例如該手臂機構20向上位移則增加氣壓，藉此操作者可以更加省力。若該手臂機構20向下位移則減氣壓，藉此達到使操作者節省施力。

以上乃本發明之較佳實施例以及設計圖式，惟較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明技藝之權利範圍，凡以均等之技藝手段、或為下述「申請專利範圍」內容所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本發明之範疇而為申請人之權利範圍。

10‧‧‧懸浮手臂控制箱

20‧‧‧手臂機構

22‧‧‧立柱

24‧‧‧連桿組

26‧‧‧連桿

28‧‧‧關節部

30‧‧‧氣壓缸

40‧‧‧回轉角度感測器

50‧‧‧負載感測器

60‧‧‧工件掫取器

70‧‧‧平衡控制模組

90‧‧‧煞車碟片

Claims (9)

1. 一種智慧型平衡懸浮手臂的控制方法，係用以控制一懸浮手臂之手臂機構與一工件形成重量平衡狀態，其包含：一懸浮手臂姿態改變機制，係一操作者驅動該懸浮手臂的該手臂機構，使該手臂機構及連接該手臂機構的一氣壓缸產生升降或回轉；一回轉角度訊號回授機制，係利用安裝於該懸浮手臂的回轉角度感測器偵測該手臂機構及該氣壓缸的回轉角度，並輸出一回轉角度訊號；一負載重量訊號回授機制，係利用安裝於該懸浮手臂的負載感測器偵測該工件的重量，並輸出一負載重量訊號；一氣壓控制機制，係利用一平衡控制模組接收該回轉角度訊號及該負載重量訊號，並經處理及計算後由該平衡控制模組輸出一氣壓控制訊號；一氣壓缸推力調整機制，係利用一負載檢出氣壓比例模組接收該氣壓控制訊號，且該負載檢出氣壓比例模組依該氣壓控制訊號調整輸入該氣壓缸的氣壓，使得該手臂機構與該工件重量達到動態平衡狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型平衡懸浮手臂的控制方法，其中該平衡控制模組係具有一閉迴路演算法，其中該回轉角度訊號係經過微分處理，且該負載重量訊號與經過微分處理後的該回轉角度訊號，可再經過比例-積-微分補償處理，進而形成該氣壓控制訊號輸出至該負載檢出氣壓比例模組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型平衡懸浮手臂的控制方法，更包含一自動煞車停止機制，係一煞車控制感測器控制安裝在該手臂機構的各煞車碟片，且該煞車控制感測器用以偵測有無操作者驅動該手臂機構，若 確實有操作者驅動該手臂機構，則解除各該煞車碟片；若無操作作者驅動該手臂機構或操作者的手突然離開操作位置，則該煞車控制感測器控制各該煞車碟片形成鎖住狀態，使該手臂機構不能產生動作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型平衡懸浮手臂的控制方法，更包含一輔助出力機制，係利用一位移感測器模組偵測該手臂機構的位移方向，且該位移感測器模組輸出一作動力輔助訊號至該平衡控制模組，並經處理及計算後由該平衡控制模組輸出一輔助氣壓控制訊號至該負載檢出氣壓比例模組，進而調整輸入該氣壓缸的氣壓。
5. 一種智慧型平衡懸浮手臂，係用以夾持或吊掛一工件，並且移動該工件，其包含：一手臂機構，係一立柱連接一連桿組，其中該連桿組由複數連桿連接組成，且相鄰的二該連桿的連接位置形成一關節部；一氣壓缸，係配置在該手臂機構上，且該氣壓缸連接該立柱及該連桿組；複數回轉角度感測器，係配置在該手臂機構，且一該回轉角度感測器連接該氣壓缸；一負載感測器，係配置在該連桿組的一端上；一工件擷取器，係連接該負載感測器且用以擷取該工件；一負載檢出氣壓比例模組，係連接該氣壓缸，且該負載檢出氣壓比例模組用以控制該氣壓缸的輸出氣壓；一平衡控制模組，係配置在該手臂機構且電性連接該回轉角度感測器及該負載感測器；其中該手臂機構的姿態改變，各該回轉角度感測器及該負載感測器傳遞一偵測訊號至該平衡控制模組，進而該平衡控制模組輸出一控制訊號用 以控制該負載檢出氣壓比例模組，且使該負載檢出氣壓比例模組控制輸入該氣壓缸的氣壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述之智慧型平衡懸浮手臂結構，更包含複數煞車碟片，該煞車碟片係安裝在該連桿組的該關節部。
7. 如申請專利範圍第6項所述之智慧型平衡懸浮手臂結構，更包含一操作桿及一煞車控制感測器，該操作桿可活動的安裝在該連桿組一端，該煞車控制感測器配置在該連桿組一端且相近接該操作桿，該煞車控制感測器用以控制該煞車碟片。
8. 如申請專利範圍第7項所述之智慧型平衡懸浮手臂結構，更包含一位移感測器模組，該位移感測器模組係配置在該連桿組且相對該操作桿，且該位移感測器模組電性連接該平衡控制模組，該操作桿接觸該位移感測器模組，則該平衡控制模組依該連桿組的位移方向控制增加或減少輸入該氣壓缸的氣壓。
9. 如申請專利範圍第5項所述之智慧型平衡懸浮手臂結構，其中該回轉角度感測器係配置在該手臂機構的該關節部。