TWI413347B - 具斷電自鎖功能之磁控式機器臂關節致動器 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種機器臂關節致動器,尤指一種具斷電自鎖功能之磁控式機器臂關節致動器。
在1984年,ISO/TC184/SC2/WG1曾對機器人定義:「機器人是可程式的機械,在自動控制下實行包括操作或移動動作之課題」。一般工業用機器人均具有操作機(manipulator)及記憶裝置,而記憶裝置可為可變順序控制裝置或是固定順序控制裝置。如此,機器人便可透過記憶裝置送出訊號,以使機器人之操作機執行各種移動、旋轉、或是伸縮等相關之動作。此外,在1994年,ISO 8373「工業用機器人操作詞彙」中則說明機器人應包括操作機(manipulator)、致動器(actuator)、以及軟、硬體控制系統。
機器人核心技術之研發一直是歐、美、日等先進國家的重要發展方向。過去機器人發展主要為工業用機械手臂(industrial robot)與機器化控制系統,近年來已朝向智慧化與多樣化發展。傳統人形機器人之傳動機構大都以馬達為主,目前現行作法有三,分別為步進馬達、減速機與馬達結合及高轉矩無刷馬達。
步進馬達的種類依照結構來分可以分成三種:永久磁鐵式
(permanent magnet,PM)、可變磁阻式(variable reluctance,VR)以及複合式(hybrid)。永久磁鐵式步進馬達之轉子是以永久磁鐵製成,其特性為線圈無激磁時,由於轉子本身具有磁性,故仍能產生保持轉矩。可變磁阻式步進馬達之轉子是以高導磁材料加工製成,由於是利用定子線圈產生吸引力使轉子轉動,因此當線圈未激磁時無法保持轉矩。此外,由於轉子可以經由設計提高效率,故可變磁阻式步進馬達可以提供較大之轉矩。可變磁阻式步進馬達之步進角一般均為15度,通常運用於需要較大轉矩與精確定位之工具機上。複合式步進馬達在結構上,是在轉子外圍設置許多齒輪狀之突出電極,同時在其軸向亦裝置永久磁鐵,可視為永久磁鐵式與可變磁阻式之合體,故稱之為複合式步進馬達。複合式步進馬達同時具備了永久磁鐵式步進馬達與可變磁阻式步進馬達兩者之優點,因此具備高精確度與高轉矩的特性。複合式步進馬達之步進角較小,一般介於1.8度~3.6度之間。雖然採用步進馬達具有系統結構簡單、轉速和數位脈波頻率成正比、控制容易,無需位置回授、價格低(因無需位置感測裝置)、易與電腦或數位機器結合以及無碳刷滑環等,可靠性高,壽命主要受到軸承限制之特點,但是也具有效率低、高速或高轉矩下容易失步、特定頻率下易產生共振以及高負載下,可靠性較差之缺點。
利用減速機與馬達結合是機器人應用上最普遍的架構。一般減速機必需在很高的軸向及徑向負載下,具有極小之背隙,能將高的輸入轉速轉換為較低的輸出轉速並傳遞大的輸出扭矩。減速機需
容易安裝於馬達上,且保持精確的對位,確保產生的系統噪音及振動為最小。一般而言,此減速機與馬達結合架構具有適用於低速高扭力場合、馬達可設計在高效率區域、控制容易,可採簡易回授控制、易與電腦或數位機器結合以及可應用無刷馬達,具高可靠性,壽命主要受到軸承限制之特點,但採用此架構的缺失有系統結構不易扁薄化、定位能力受限於減速機構,且機構常需維護、系統結構複雜,減速機成本偏高以及國外大廠掌握關鍵技術。
無刷馬達採用釹鐵錋磁鐵(NdFeB),具體積小、高功率及高扭力密度特性,再加上無碳刷設計,可降低電磁干擾及系統保養等優點。但在機器人應用上,特別在高轉矩設計前提下,採用此架構的缺失有所需馬達體積過大、電流易過高衍生過熱問題以及馬達工作效率偏低等。
因此,如何設計出一種具斷電自鎖功能之磁控式機器臂關節致動器,利用永久磁鐵相吸之頓轉效應,提供所述致動器處於高頓轉扭矩狀態,產生較大之閉鎖力量,而能在斷電時,自動切換所述致動器處於高頓轉扭矩狀態,產生較大之閉鎖力量以鎖住該內層動子之轉動狀態,乃為本案發明人所欲行克服並加以解決的一大課題。
為了達成上述目的,本發明係提供一種具斷電自鎖功能之磁控式機器臂關節致動器,該致動器係包含一內層定子、一內層動子、一外層動子、一外層定子以及一固定軸。該內層定子係包含一鐵
心與繞設在該鐵心上之一繞組。該內層動子係套接於該內層定子外徑,該內層動子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成。該外層動子係套接於該內層動子外徑,該外層動子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成。該外層定子係套接於該內層動子外徑,並且與該外層動子疊接,該外層定子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成。該固定軸係穿設於該內層定子內。
該致動器更包含一外層動子上蓋、一內層動子上蓋、一內層動子下蓋以及一外層定子下蓋。該外層動子上蓋係罩合該外層動子,並且該外層動子上蓋頂面係設有一U型開孔槽。該內層動子上蓋係覆蓋於該內層動子之一側,並且該內層動子上蓋頂面係設有一凸柱。該內層動子下蓋係覆蓋於該內層動子之另一側。該外層定子下蓋係罩合該外層定子。其中,該內層動子上蓋之該凸柱係穿設該外層動子上蓋之該U型開孔槽,並透過該內層動子轉動而帶動該凸柱在該U型開孔槽內轉動,以決定所述致動器之轉動行程。此外,該內層動子上蓋係設有一第一中心開孔,該內層動子下蓋係設有一第二中心開孔。
該致動器更包含一第一軸承與一第二軸承。該第一軸承係嵌固於該第一中心開孔中,並該固定軸係穿設在該第一軸承中。該第二軸承係嵌固於該第二中心開孔中,並該固定軸係穿設在該第二軸承中。
藉此,利用該外層動子與該外層定子之該些永久磁鐵相吸之頓轉
效應,而能在斷電時,自動切換所述致動器處於高頓轉扭矩狀態,產生較大之閉鎖力量以鎖住該內層動子之轉動狀態。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效,請參見以下有關本發明之詳細說明與附圖,相信本發明之目的、特徵與特點,當可由此得一深入且具體之瞭解,然而所附圖式僅提供參考與說明用,並非用來對本發明加以限制者。
100‧‧‧磁控式機器臂關節致動器
10‧‧‧內層定子
102‧‧‧鐵心
104‧‧‧繞組
20‧‧‧內層動子
202‧‧‧內層動子上蓋
2022‧‧‧凸柱
204‧‧‧內層動子下蓋
206‧‧‧第一軸承
208‧‧‧第二軸承
30‧‧‧外層動子
302‧‧‧外層動子上蓋
3022‧‧‧U型開孔槽
40‧‧‧外層定子
402‧‧‧外層定子下蓋
50‧‧‧固定軸
θ‧‧‧旋度角度
Cv1‧‧‧第一曲線
Cv2‧‧‧第二曲線
Cv3‧‧‧第三曲線
第一圖係本發明一磁控式機器臂關節致動器之爆炸圖;第二圖係本發明該磁控式機器臂關節致動器之剖面圖;第三圖A係本發明該磁控式機器臂關節致動器之一外層動子相對於一外層定子操作於未旋轉前之組合圖;第三圖B係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該外層動子相對於該外層定子操作於旋轉角度為7.5度時之組合圖;第三圖C係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該外層動子相對於該外層定子操作於旋轉角度為15度時之組合圖;第三圖D係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該外層動子旋轉後所產生鎖住轉矩之波形圖;第四圖係本發明該磁控式機器臂關節致動器之組合圖;第五圖A係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該內層定子鐵心樣式與繞線方法之第一實施例;第五圖B係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該內層定子鐵心
樣式與繞線方法之第二實施例;及第五圖C係本發明該磁控式機器臂關節致動器之該內層定子鐵心樣式與繞線方法之第三實施例。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明,配合圖式說明如下:
請參見第一圖與第二圖係分別為本發明一磁控式機器臂關節致動器之爆炸圖與剖面圖。該磁控式機器臂關節致動器100係主要包含一內層定子10、一內層動子20、一外層動子30、一外層定子40以及一固定軸50。
該內層定子10係包含一鐵心102與繞設在該鐵心上之一繞組104。並且,該內層定子10係為多極繞組定子結構。該內層動子20係套接於該內層定子10外徑,該內層動子20係由複數個N極永久磁鐵(未標示)、複數個S極永久磁鐵(未標示)與複數個鐵金屬材料(未標示)交錯設置而成。其中,該內層動子20之交錯設置係指每一該N極永久磁鐵、每一該鐵金屬材料、每一該S極永久磁鐵與每一該鐵金屬材料依序重複排列,亦即,每一該N極永久磁鐵與每一該S極永久磁鐵係鄰接該鐵金屬材料,使該些N極永久磁鐵、該些S極永久磁鐵與該些鐵金屬材料形成圓環狀之依序重複排列。
該外層動子30係套接於該內層動子20外徑,該外層動子30係由複數個N極永久磁鐵(未標示)、複數個S極永久磁鐵(未標示)與複數個鐵金屬材料(未標示)交錯設置而成。同樣地,該外層動子30之交錯設置係指每一該N極永久磁鐵與每一該S極永久磁鐵係鄰接該
鐵金屬材料,使該些N極永久磁鐵、該些S極永久磁鐵與該些鐵金屬材料形成圓環狀之依序重複排列。該外層定子40係套接於該內層動子20外徑,並且與該外層動子30疊接,該外層定子40係由複數個N極永久磁鐵(未標示)、複數個S極永久磁鐵(未標示)與複數個鐵金屬材料(未標示)交錯設置而成。同樣地,該外層定子40之交錯設置係指每一該N極永久磁鐵與每一該S極永久磁鐵係鄰接該鐵金屬材料,使該些N極永久磁鐵、該些S極永久磁鐵與該些鐵金屬材料形成圓環狀之依序重複排列。該固定軸50係穿設於該內層定子10內。因此,由第二圖該磁控式機器臂關節致動器之剖面圖可明顯地看出,該內層定子10、該內層動子20、該外層動子30、該外層定子40係由該固定軸50同時穿設而形成同軸配置。
配合參見第四圖係本發明該磁控式機器臂關節致動器之組合圖。該磁控式機器臂關節致動器100更包含一外層動子上蓋302、一內層動子上蓋202、一內層動子下蓋204以及一外層定子下蓋402。該外層動子上蓋302係罩合該外層動子30,並且該外層動子上蓋302頂面係設有一U型開孔槽3022。該內層動子上蓋202係覆蓋於該內層動子20之一側(依本實施例而言,該內層動子上蓋202係覆蓋於該內層動子20之軸方向上半部),並且該內層動子上蓋202頂面係設有一凸柱2022。該內層動子下蓋204係覆蓋於該內層動子20之另一側(以本實施例而言,該內層動子下蓋204係覆蓋於該內層動子20之軸方向下半部)。該外層定子下蓋402係罩合該外層定子40。其中,該內層動子上蓋202之該凸柱2022係穿設該外層動子上蓋302之該U型開孔槽3022,並透過該內層動子20轉動而帶動
該凸柱2022在該U型開孔槽3022內轉動,以決定所述致動器100之轉動行程。並且,也藉由該內層動子上蓋202之該凸柱2022在該U型開孔槽3022內轉動,提供該磁控式機器臂關節致動器100實際之動力輸出。此外,該致動器100之轉動行程多寡,可依據動力輔具之需求彈性調整。並且,可透過對該固定軸50與該外層動子30間之溝槽設計,可限制該外層定子40與該外層動子30之切換角度。
此外,該內層動子上蓋202係設有一第一中心開孔(未標示),該內層動子下蓋204係設有一第二中心開孔(未標示)。
該磁控式機器臂關節致動器100更包含一第一軸承206與一第二軸承208。該第一軸承206係嵌固於該內層動子上蓋202之該第一中心開孔中,並該固定軸50係穿設在該第一軸承206中。另外,該第二軸承208係嵌固於該內層動子下蓋204之該第二中心開孔中,並該固定軸50係穿設在該第二軸承208中。
該磁控式機器臂關節致動器100更詳細之動作說明,請參見下文。透過對繞設在該內層定子10之該繞組104通電激磁,使該內層動子20交錯設置之該些N極、S極永久磁鐵所產生之磁場與該內層定子10之繞組104通電激磁所產生之磁場相互切割,使得該內層動子20轉動而帶動該凸柱2022在該U型開孔槽3022內轉動,以致該磁控式機器臂關節致動器100能以產生位移,提供動力輸出。
請參見第三圖A至第三圖C係分別為本發明該磁控式機器臂關節致動器之一外層動子相對於一外層定子操作於未旋轉前、操作於旋
轉角度為7.5度時以及操作於旋轉角度為15度時之組合圖。本發明該磁控式機器臂關節致動器之閉鎖動作原理係利用該外層動子30交錯設置之該些N極、S極永久磁鐵與該外層定子40交錯設置之該些N極、S極永久磁鐵所產生之磁場相互切割,使該外層動子30相對於靜定不動之該外層定子40產生一旋轉角度θ。依本實施例而言,第三圖C表示該外層動子30以逆時針方向旋轉15度(該旋轉角度θ=15°),第三圖B表示該外層動子30以逆時針方向旋轉7.5度(該旋轉角度θ=7.5°),而第三圖A則表示該外層動子30未旋轉(該旋轉角度θ=0°)。
此外,該外層動子上蓋302罩合該外層動子30係以數個定位栓(position pin)彼此緊固;該外層定子下蓋402罩合該外層定子40係也以數個定位栓彼此緊固。該外層動子上蓋302與該外層定子下蓋402之該些定位栓也形成標示之用,亦即當外層動子30未旋轉時,該外層動子上蓋302之該些定位栓係與該外層定子下蓋402之該些定位栓對齊;然而,當該外層動子30旋轉時,該些定位栓則形成錯位狀態。
當該外層定子40與該外層動子30之磁極位置相同時,該外層定子40與該外層動子30所產生之磁路為封閉狀態,產生較大之頓轉(cogging)效應,以致利用該特性使該磁控式機器臂關節致動器100係處於高頓轉扭矩狀態,產生較大之閉鎖力量,以鎖住該內層動子20之轉動狀態,因此可在斷電下承受高負載。當該外層定子40與該外層動子30之磁極位置偏移180度電氣角時,(亦即,對結構為24極之該外層定子40與該外層動子30而言,為15度空間角
),該外層定子40與該外層動子30所產生之磁路為半開放狀態,產生較小之頓轉效應,使該磁控式機器臂關節致動器100為低頓轉扭矩狀態,可呈現移動可控狀態。在此操作狀態下,只要對繞設在該內層定子10之該繞組104通電激磁,就能夠使該內層動子20轉動而帶動該凸柱2022在該U型開孔槽3022內轉動,以致該磁控式機器臂關節致動器100能以產生位移,提供動力輸出。
配合參見第三圖D係為本發明該磁控式機器臂關節致動器之該外層動子旋轉後所產生鎖住轉矩之波形圖。圖上橫座標係代表該內層動子20旋轉角度,而縱座標代表該外層動子所產生之鎖住轉矩大小,並且,圖上所示之三條曲線分別代表該磁控式機器臂關節致動器100操作於未旋轉前(第一曲線Cv1)、操作於旋轉角度為7.5度時(第二曲線Cv2)以及操作於旋轉角度為15度時(第三曲線Cv3)之鎖住轉矩變化圖。由第三圖D可明顯看出,當該外層定子40與該外層動子30之磁極位置相同時(即該外層動子30相對於該外層定子40操作於未旋轉前),由該第一曲線Cv1可獲知磁控式機器臂關節致動器100係處於高頓轉扭矩狀態,並且最大轉矩可達大約30牛頓-米(N-m)。相對地,當該外層定子40與該外層動子30之磁極位置偏移180度電氣角時(即該外層動子30相對於該外層定子40操作於旋轉角度為15度時),由該第三曲線Cv3可獲知磁控式機器臂關節致動器100係處於低頓轉扭矩狀態,並且最大轉矩僅達大約5牛頓-米(N-m)。此外,若當該外層定子40與該外層動子30之磁極位置偏移介於0度至180度電氣角之間時,以本例而言,係為該外層動子30相對於該外層定子40操作於旋轉角度為7.5度
時,由該第二曲線Cv2可獲知磁控式機器臂關節致動器100係處於高頓轉扭矩與低頓轉扭矩狀態之間,並且最大轉矩達大約20牛頓-米(N-m)。
請參見第五圖A至第五圖C係分別為本發明該磁控式機器臂關節致動器之該內層定子鐵心樣式與繞線方法之三種實施例。針對該磁控式機器臂關節致動器100之該內層定子10設計成不同的樣式,以提供可行之鐵心樣式與繞線方法。藉由磁路結構的改變,以彌補馬達磁路與結構上天生的缺陷,使馬達同時滿足易致動器且高鎖住轉矩(holding torque)之需求。
簡而言之,本發明所提供之該磁控式機器臂關節致動器100係與機構整合,採以模組化設計,並使該磁控式機器臂關節致動器100具有斷電自鎖功能(auto-locking)。當斷電時,透過該磁控式機器臂關節致動器100內磁鐵相吸之頓轉(cogging)效應,使機器臂關節呈現鎖住狀態(holding status),並未受負載影響產生位移,整體該磁控式機器臂關節致動器100可小型輕量化且具備高自鎖扭力的需求。
綜上所述,本發明係具有以下之優點:1、該致動器具低速超高扭力能力,可進行高/低頓轉扭矩之切換,斷電時,可因高頓轉扭矩而使該致動器呈現固定狀態,可省電節能效果;2、該致動器可薄化設計,無需任何減速機構,有效改善傳統致動器體積與成本,並且,因無減速機構,所以維護費用較低;
3、系統斷電時,因該致動器會自動切換到高鎖住扭矩模式,即自動鎖住,此可增加系統安全及可靠性高;4、可採簡易回授控制而能實現對該致動器容易控制。
以上所述,僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式,惟本發明之特徵並不侷限於此,並非用以限制本發明,本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準,凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例,皆應包含於本發明之範疇中,任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內,可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
100‧‧‧磁控式機器臂關節致動器
10‧‧‧內層定子
20‧‧‧內層動子
202‧‧‧內層動子上蓋
204‧‧‧內層動子下蓋
206‧‧‧第一軸承
208‧‧‧第二軸承
30‧‧‧外層動子
302‧‧‧外層動子上蓋
40‧‧‧外層定子
402‧‧‧外層定子下蓋
50‧‧‧固定軸
Claims (10)
- 一種具斷電自鎖功能之磁控式機器臂關節致動器係包含:一內層定子,係包含一鐵心與繞設在該鐵心上之一繞組;一內層動子,係套接於該內層定子外徑,該內層動子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成,以形成圓環狀循環配置架構;一外層動子,係套接於該內層動子外徑,該外層動子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成,以形成圓環狀循環配置架構;一外層定子,係套接於該內層動子外徑,並且與該外層動子軸向疊接,該外層定子係由複數個N極永久磁鐵、複數個S極永久磁鐵與複數個鐵金屬材料交錯設置而成,以形成圓環狀循環配置架構;及一固定軸,係穿設於該內層定子內;藉此,利用該外層動子與該外層定子之該些永久磁鐵相吸之頓轉效應,而能在斷電時,自動切換所述致動器處於高頓轉扭矩狀態,產生較大之閉鎖力量以鎖住該內層動子之轉動狀態。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中該磁控式機器臂關節致動器更包含:一外層動子上蓋,係罩合該外層動子,並且該外層動子上蓋頂面係設有一U型開孔槽;一內層動子上蓋,係覆蓋於該內層動子之一側,並且該內層動子 上蓋頂面係設有一凸柱;一內層動子下蓋,係覆蓋於該內層動子之另一側;及一外層定子下蓋,係罩合該外層定子;其中,該內層動子上蓋之該凸柱係穿設該外層動子上蓋之該U型開孔槽,並透過該內層動子轉動而帶動該凸柱在該U型開孔槽內轉動,以決定所述致動器之轉動行程。
- 如申請專利範圍第2項磁控式機器臂關節致動器,其中該內層動子上蓋係設有一第一中心開孔,並且所述磁控式機器臂關節致動器更包含一第一軸承,該第一軸承係嵌固於該第一中心開孔中,並該固定軸係穿設在該第一軸承中。
- 如申請專利範圍第2項磁控式機器臂關節致動器,其中該內層動子下蓋係設有一第二中心開孔,並且所述磁控式機器臂關節致動器更包含一第二軸承,該第二軸承係嵌固於該第二中心開孔中,並該固定軸係穿設在該第二軸承中。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中該內層定子係為多極繞組定子結構。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中該內層動子之交錯設置係為每一該N極永久磁鐵、每一該鐵金屬材料、每一該S極永久磁鐵與每一該鐵金屬材料依序重複排列。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中該外層動子之交錯設置係為每一該N極永久磁鐵、每一該鐵金屬材料、每一該S極永久磁鐵與每一該鐵金屬材料依序重複排列。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中該外層定子之交錯設置係為每一該N極永久磁鐵、每一該鐵金屬材料、每 一該S極永久磁鐵與每一該鐵金屬材料依序重複排列。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中透過對該固定軸與該外層動子間之溝槽設計,可限制該外層定子與該外層動子之切換角度。
- 如申請專利範圍第1項磁控式機器臂關節致動器,其中透過該內層動子、該外層定子與該外層動子之溝槽設計,以增加氣隙磁通密度,而提高該致動器之轉矩能力。
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