NL1009886C2

NL1009886C2 - Balanceermechanisme. Balanceermechanisme.

Info

Publication number: NL1009886C2
Application number: NL1009886A
Authority: NL
Inventors: Justus Laurens Herder J Herder; Gabrielle Josephine M Tuijthof
Original assignee: Tech Universiteit Delft Tech U
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2000-02-21

Description

Balanceermechanisme

De uitvinding heeft betrekking op een balanceermechanisme voor een in een verticaal vlak beweegbaar orgaan, omvattend een om een draaipunt roteerbare arm, waarbij met de arm tenminste twee veerorganen zijn gekoppeld die aan weers-5 zijden van het draaipunt met de arm zijn verbonden en samenwerken voor het aan de arm verschaffen van een de arm balancerend koppel.

Een dergelijk balanceermechanisme is getoond in bijvoorbeeld fig. 3 van het artikel "Design of Spring Force Com-10 pensation Systems", gepubliceerd in Mechanism and Machine Theory, deel 33, nr. 1-2, januari 1998-februari 1998, blz.

151-161. Een nadeel van dit bekende balanceermechanisme is dat het draaipunt zwaar belast wordt ten gevolge waarvan het lager dat in het draaipunt wordt toegepast aan aanmerkelijke 15 slijtage onderhevig is. De wrijving en slijtage die in het lager van het draaipunt optreedt heeft bovendien als gevolg dat de werkingsnauwkeurigheid vermindert.

Met de uitvinding is beoogd dit bekende balanceermechanisme te verbeteren.

20 Het balanceermechanisme volgens de uitvinding is er daartoe door gekenmerkt, dat de veerorganen in hoofdzaak boven elkaar in het verticale vlak zijn opgesteld. Op deze wijze is het balanceermechanisme zodanig uitvoerbaar dat de veerkrachten in alle mogelijke standen van het balanceerme- = 25 chanisme de lagerbelasting in het draaipunt compenseren zodat dit lager onbelast is voor statische krachten. Hierdoor is ' het balanceermechanisme volgens de uitvinding lichter uit te voeren met een aandrijving die minder vermogen vraagt. De werkingsnauwkeurigheid van het balanceermechanisme volgens de Ü 30 uitvinding is zodoende tevens verbeterd.

Met voordeel laat het balanceermechanisme zich vol- I

gens de uitvinding zodanig realiseren dat het draaipunt vir- 1 tueel is uitgevoerd. Op deze wijze is zeker gesteld dat van ^

wrijvingsverlies opleverende krachten in het draaipunt van B

35 het balanceermechanisme geen sprake kan zijn. Bovendien le- I

2 vert dit een extra graad van bewegingsvrijheid op voor de arm; deze kan dan immers ongehinderd rond de verticaal roteren.

In een verdere geschikte uitvoeringsvariant van het , 5 balanceermechanisme volgens de uitvinding is deze zo uitge voerd dat de arm een bovenarm en een scharnierend met de bovenarm gekoppelde onderarm omvat, waarbij evenwijdig aan de bovenarm een eerste hulpstaaf is aangebracht die aan een uiteinde scharnierend is gekoppeld met de onderarm en aan het 10 andere uiteinde scharnierend is gekoppeld met een tweede hulpstaaf, welke tweede hulpstaaf tevens scharnierend is gekoppeld met de bovenarm zodanig dat de bovenarm, de eerste hulpstaaf, de tweede hulpstaaf, en althans gedeeltelijk de onderarm een parallellogram vormen, en dat met het van de on-15 derarm verwijderde uiteinde van de eerste hulpstaaf een derde veerorgaan is gekoppeld. Op deze wijze zijn zeer natuurlijk ogende bewegingen van het balanceermechanisme mogelijk, hetgeen dit mechanisme zeer geschikt maakt voor robottoepassin-gen of in orthesetoepassingen.

20 Ook deze uitvoeringsvariant laat zich geschikt zwe vend uitvoeren, namelijk in een uitvoeringsvorm die erdoor gekenmerkt is dat de tweede hulpstaaf verlengd is uitgevoerd tot voorbij het draaipunt en dat met het van de eerste hulpstaaf afgekeerde uiteinde van de tweede hulpstaaf een vierde 25 veerorgaan is gekoppeld.

Het is verder voordelig dat het draaipunt in hoogte instelbaar is. Bij voorkeur is dit gerealiseerd doordat het eerste en tweede veerorgaan in hoogte instelbaar met de vaste wal zijn gekoppeld. Hiermee kan bijvoorbeeld de balancering 30 van de inrichting aangepast worden aan wijzigingen van de belasting van de arm. Dit is met name wenselijk in robottoepas-singen in welke door de arm een last wordt opgepakt.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening welke 35 in fig. la het balanceermechanisme volgens de stand van de techniek toont, in fig. lb en lc het balanceermechanisme volgens de uitvinding met een vast resp. een virtueel draaipunt toont, 1009886 i 3 en in fig. 2a tot en met 2c een uitvoeringsvorm van het balanceermechanisme volgens de uitvinding met een gelede arm toont,

In de figuren gebruikte gelijke verwijzingscijfers 5 verwijzen naar dezelfde onderdelen.

Verwijzend nu eerst naar fig. la wordt het balanceermechanisme 1 volgens de stand van de techniek getoond.

Dit balanceermechanisme l omvat een om een draaipunt 3 roteerbare arm 4 en een met de arm 4 gekoppeld eerste veeror-10 gaan 5. Zoals in de figuur duidelijk getoond, is het van het aangrijpingspunt op de arm 4 afgekeerde uiteinde van het veerorgaan 5 gekoppeld met een vast punt recht boven het draaipunt 3. Er zijn twee voorwaarden voor een exacte balancering. De eerste voorwaarde is dat geldt: 15

Rka=mgL

waarin R de afstand is tussen het draaipunt en de aanhechting van de veer aan het te balanceren lichaam (ofwel het 'vrije 20 uiteinde' van de veer), k de veerstijfheid, a de afstand tussen het draaipunt 3 en het aanhechtingspunt van de veer aan aarde (ofwel het 'vaste uiteinde'), m de massa van het draaibare lichaam 2, gr de versnelling van de zwaartekracht, en L de afstand tussen het draaipunt 3 en het massamiddelpunt van : 25 het draaibare lichaam. De tweede voorwaarde is dat de veerka- 1

rakteristiek zodanig is dat de door de veer geleverde kracht evenredig is met de afstand tussen diens uiteinden. Deze eis I

is strenger dan de eis van constante stijfheid alleen. Veren met de genoemde karakteristiek kunnen gemaakt worden door ze 30 te voorzien van een hogere voorspanning dan normaal is. De voorspanning is gelijk aan het product van stijfheid en onge- ^ spannen lengte volgens: F(3= k. 10 35 waarin F0 de voorspanning is, k de stijfheid en 10 de onge-spannen lengte.

1009888 4

In fig. lb wordt het principe van de uitvinding getoond. Het balanceerraechanisme 1 dat dient voor het balanceren van een in een verticaal vlak beweegbaar orgaan 2 omvat de om het draaipunt 3 roteerbare arm 4 waarmee het veerorgaan 5 5 is gekoppeld. Voorts is met de arm 4 een tweede veerorgaan 6 gekoppeld op een punt dat ten opzichte van het eerste veerorgaan 5 aan de andere zijde van het draaipunt 3 ligt. Op deze wijze kunnen de veerorganen 5 en 6 samenwerken voor het aan de arm 4 verschaffen van een de ann 4 balancerend koppel, 10 zodat het orgaan 2 gebalanceerd wordt.

Een eenvoudige uitvoeringsvariant is er door gekenmerkt dat de veerconstanten van de veerorganen 5 en 6 zoals toegepast in fig. lb tezamen de veerconstante van het enkele veerorgaan 5 volgens fig. la oplevert. Voor de uitvinding is 15 dit echter niet noodzakelijk en kunnen ook andere combinaties van veerconstanten voor de veerorganen 5 en 6 worden toegepast .

In fig. lc is de uitvoeringsvariant getoond waarbij het draaipunt 3 virtueel is uitgevoerd. Ten opzichte van de 20 uitvoeringsvorm volgens fig. lb is daartoe het draaipunt 3 mg over een afstand z verlaagd waarvoor geldt: z = ^ , waarbij m de massa van het orgaan 2 en de dragende arm 4 voorstelt, g de zwaartekrachtversnelling voorstelt, en k staat voor de veerconstante van de veerorganen 5 en 6.

25 Opgemerkt wordt dat de positie van het draaipunt 3 instelbaar is door het verstellen van de afstand waarmee de veerorganen 5 en 6 aan de vaste wal zijn gekoppeld. Dit kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd met een schroefspindel die de afstand tussen deze koppelpunten van de veerorganen 5 en 6 30 met de vaste wal instelt. Dit is voor de vakman verder duidelijk zodat dit in de figuren niet nader getoond is. Een dergelijke instelling is bijvoorbeeld nuttig in de situatie dat de belasting van de arm verandert. In geval van een robottoe-passing zal bij oppakken van een last de massaverdeling wij-. 35 zigen en dient de opstelling aangepast te worden voor het be houd van de balans.

.i I Verwijzend nu naar de fig. 2a tot en met 2c wordt 1 eerst in fig. 2a een uitvoeringsvorm van het balanceermecha- 1009886 5 nisme 1 volgens de uitvinding getoond waarbij de arm 4 is verdeeld in een bovenarm 7 en een scharnierend met de bovenarm 7 gekoppelde onderarm 8. Evenwijdig aan de bovenarm 7 is bovendien een eerste hulpstaaf 9 aangebracht die aan een uit-5 einde 10 scharnierend is gekoppeld met de onderarm 8 en aan het andere uiteinde 11 scharnierend is gekoppeld met een tweede hulpstaaf 12. De tweede hulpstaaf 12 is op haar beurt scharnierend gekoppeld met de bovenarm 7 in het draaipunt 3 zodanig dat de bovenarm 7, de eerste hulpstaaf 9, de tweede 10 hulpstaaf 12 en althans gedeeltelijk de onderarm 8 een parallellogram vormen waarbij met het van de onderarm 8 verwijder- i de uiteinde 11 van de eerste hulpstaaf 9 een derde veerorgaan 14 is gekoppeld.

In fig. 2a is een uitvoeringsvorm getoond onder weg-15 lating van het tweede veerorgaan volgens fig. lb en fig. lc en wordt met de in deze uitvoeringsvorm toegepaste twee veer-organen 5 en 14 een balanceermechanisme verschaft met vier graden van bewegingsvrijheid. Een eerste rotatiemogelijkheid beweegt de arm 4 als geheel in een verticaal vlak, een tweede 20 rotatiemogelijkheid doet de arm 4 buigen in het elleboog-scharnier 10, een derde rotatiemogelijkheid laat de gehele constructie draaien om de verticale as 13, en een vierde rotatiemogelijkheid staat rotatie van het balanceermechanisme 1 inclusief de onderarm 8 rond de hartlijn van de bovenarm 7 25 toe. Dit laatste vergt uiteraard dat in het draaipunt 3 een geschikt bolscharnier wordt toegepast of een kardan-achtige ophanging welke is voorzien van een axiale rotatiemogelijkheid.

In fig. 2b en 2c is ten opzichte van fig. 2a onder 30 meer het tweede veerorgaan 6 toegevoegd teneinde de belasting van het lager in het draaipunt 3 tegen te gaan.

In fig. 2c ten slotte is een volledig zwevende ophanging van het balanceermechanisme 1 getoond waarbij, te dien einde de tweede hulpstaaf 12 verlengd is uitgevoerd tot 35 voorbij het draaipunt 3 en waarbij met het van de eerste I

hulpstaaf 9 afgekeerde uiteinde 15 van de tweede hulpstaaf 12 een vierde veerorgaan 16 is gekoppeld. Met deze voorzieningen die tevens getoond zijn in fig. 2b, kan deze laatste uitvoe- >009883 · 6 ringsvorm zonder lagervoorziening in het draaipunt 3 zijn uitgevoerd, hetgeen de praktische realisatie aanzienlijk vereenvoudigt .

Naast de eerder genoemde toepassingen van de uitvin-5 ding op het gebied van de robotica en in het ontwerp van or-thesen is de uitvinding ook goed toepasbaar voor de realisatie van mechanische poppen in pretparken of als armatuur voor bijvoorbeeld verstelbare bureau- of schemerlampen.

Een ander voordeel van het balanceermechanisme vol-10 gens de uitvinding is dat deze niet behept is met een eigen frequentie. De volledig zwevende ophanging vermijdt bovendien alle directe contact met de omgeving, zodat het onderhavige balanceermechanisme zich ook geschikt laat toepassen voor de I trillingsvrije opstelling van meetapparatuur, luidsprekers of I 15 microfoons.

:Ü Λ 1009886

Claims

1. Balanceermechanisme (1) voor een in een verticaal vlak beweegbaar orgaan (2), omvattend een om een draaipunt roteerbare arm (4), waarbij met de arm (4) tenminste twee veerorganen (5,6) zijn gekoppeld die aan weerszijden van het 5 draaipunt (3) met de arm (4) zijn verbonden en samenwerken voor het aan de arm (4) verschaffen van een de arm (4) balancerend koppel, met het kenmerk, dat de veerorganen (5,6) in hoofdzaak boven elkaar in het verticale vlak zijn opgesteld.

2. Balanceermechanisme volgens conclusie 1, met het 10 kenmerk, dat het draaipunt (3) virtueel is uitgevoerd (fig. lc, 2c).

3. Balanceermechanisme volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de arm (4) een bovenarm (7) en een scharnierend met de bovenarm (7) gekoppelde onderarm (8) omvat, waar- 15 bij evenwijdig aan de bovenarm (7) een eerste hulpstaaf (9) is aangebracht die aan een uiteinde (10) scharnierend is ge- \ koppeld met de onderarm (8) en aan het andere uiteinde (11) ~ scharnierend is gekoppeld met een tweede hulpstaaf (12), wel- I ke tweede hulpstaaf (12)tevens scharnierend is gekoppeld met ' 20 de bovenarm (7) zodanig dat de bovenarm (7), de eerste hulp- ï staaf (9), de tweede hulpstaaf (12), en althans gedeeltelijk ~ de onderarm (8) een parallellogram vormen, en dat met het van de onderarm (8) verwijderde uiteinde (11) van de eerste hulp- 2 staaf (9) een derde veerorgaan (14) is gekoppeld.

4. Balanceermechanisme volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tweede hulpstaaf (12) verlengd is uitgevoerd tot voorbij het draaipunt (3) en dat met het van de eerste hulpstaaf (9) afgekeerde uiteinde (15) van de tweede hulp- Ξ staaf (12) een vierde veerorgaan (16) is gekoppeld. j,

5. Balanceermechanisme volgens een der conclusies 1- I 4, met het kenmerk, dat het draaipunt (3) in hoogte instel- I baar is. -

6. Balanceermechanisme volgens een der conclusies 2-4 en conclusie 5, met het kenmerk, dat het eerste en tweede 35 veerorgaan (5,6) in hoogte instelbaar met de vaste wal zijn gekoppeld. 1009886