第一力产生装置，所述第一力产生装置与相关的第一凸轮相互作用；和第二力产生装置，所述第二力产生装置与相关的第二凸轮相互作用，其中所述第一凸轮和第二凸轮相对于接头的枢轴偏心地固定，所述机械臂围绕所述枢轴旋转，所述第一力产生装置与相关的第一凸轮所施加的转矩相对于所述第二力产生装置与相关的第二凸轮所施加的转矩具有90度相位差，并且，所述第一力产生装置与所述第二力产生装置以及所述第一凸轮与所述第二凸轮的关系在所述机械臂的旋转期间中得以保持。
2.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置的压缩是能够调节的。
3.根据权利要求2所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置的压缩是能够这样调节的，即：使得在所述机械臂位于围绕所述接头施加其最大转矩的位置时，所述第一力产生装置与相关的第一凸轮所施加的转矩抵消所述机械臂围绕所述接头施加的转矩。
4.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第二力产生装置的压缩是能够调节的。
5.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，当所述机械臂位于围绕所述接头施加其最大转矩的位置时，所述第一力产生装置的纵轴大致垂直于在所述枢轴与所述相关的第一凸轮的中心之间延伸的线，并且所述第二力产生装置的纵轴大致平行于在所述枢轴与所述相关的第二凸轮的中心之间延伸的线。
6.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第一凸轮上。
7.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第二力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第二凸轮上。
8.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第一凸轮上，并且所述第二力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第二凸轮上。
9.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第二力产生装置基于所述接头的旋转位置，将压缩负载或拉伸负载施加到所述相关的第二凸轮上。
10.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一凸轮和所述第二凸轮中的至少一个设置在所述接头的周围内。
11.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一凸轮和所述第二凸轮中的至少一个设置在所述接头的周围的外侧。
12.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，当所述机械臂位于围绕所述接头施加其最大转矩的位置时，所述第一力产生装置至少抵消所述机械臂的有效负载的重量。
13.根据权利要求12所述的抗衡组件，其特征在于，所述第二力产生装置抵消所述第一力产生装置的力的线性变化。
14.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置分别抵靠着所述相关的第一凸轮和所述相关的第二凸轮。
15.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置分别联接到所述相关的第一凸轮和所述相关的第二凸轮上。
16.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述抗衡组件还包括第三力产生装置。
17.根据权利要求16所述的抗衡组件，其特征在于，所述第三力产生装置与所述第二凸轮相互作用。
18.根据权利要求16所述的抗衡组件，其特征在于，所述第三力产生装置与所述第一凸轮相互作用。
19.根据权利要求16所述的抗衡组件，其特征在于，所述抗衡组件还包括与所述第三力产生装置相互作用的第三凸轮。
20.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述抗衡组件还包括第四力产生装置。
21.根据权利要求1所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置为弹簧类装置。
22.根据权利要求21所述的抗衡组件，其特征在于，第一弹簧类装置的弹性系数和所述第一凸轮的中心与所述枢轴之间的距离的平方的乘积大致等于第二弹簧类装置的弹性系数和所述第二凸轮的中心与所述枢轴之间的距离的平方的乘积。
23.根据权利要求22所述的抗衡组件，其特征在于，所述第一弹簧类装置的弹性系数大致等于所述第二弹簧类装置的弹性系数。
24.根据权利要求21所述的抗衡组件，其特征在于，第一弹簧类装置和第二弹簧类装置中的至少一个是压缩弹簧。
25.根据权利要求21所述的抗衡组件，其特征在于，第一弹簧类装置和第二弹簧类装置中的至少一个是拉伸弹簧。
用于补偿所述第一力产生装置和凸轮布置来将所述臂保持在除所述基准外的位置的第二力产生装置和凸轮布置，其中，所述第一力产生装置和凸轮布置和第二力产生装置和凸轮布置所施加的转矩具有90度相位差，并且其中，所述第一力产生装置和凸轮布置和第二力产生装置和凸轮布置在所述臂旋转期间保持施加在所述枢轴上的转矩的平衡。
27.根据权利要求26所述的机械臂组件，其特征在于，所述枢轴在所述臂的一端。
28.根据权利要求27所述的机械臂组件，其特征在于，当所述臂处于水平时，所述第一力产生装置和凸轮布置施加抵消由所述臂施加在所述枢轴上的转矩的转矩。
29.根据权利要求27所述的机械臂组件，其特征在于，所述基准为水平的。
30.根据权利要求27所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置和凸轮布置包括第一力产生装置与相关的第一凸轮，并且其中，所述第二力产生装置和凸轮布置包括第二力产生装置与相关的第二凸轮，所述第一凸轮和第二凸轮相对于所述枢轴偏心地设置。
31.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，当所述臂处于水平时，所述第一力产生装置的纵轴大致垂直于在所述枢轴与所述相关的第一凸轮的中心之间延伸的线，并且所述第二力产生装置的纵轴大致平行于在所述枢轴与所述相关的第二凸轮的中心之间延伸的线。
32.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第一凸轮上。
33.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第二力产生装置将压缩负载施加到所述相关的第二凸轮上。
34.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置将拉伸负载施加到所述相关的第一凸轮上。
35.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第二力产生装置基于所述臂的旋转位置，将压缩负载或拉伸负载施加到所述相关的第二凸轮上。
36.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一凸轮和所述第二凸轮中的至少一个设置在限定出所述枢轴的接头的周围内。
37.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一凸轮和所述第二凸轮中的至少一个设置在限定出所述枢轴的接头的周围的外侧。
38.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置是能够调节的。
39.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第二力产生装置是能够调节的。
40.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置分别抵靠着所述相关的第一凸轮和所述相关的第二凸轮。
41.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置分别联接到所述相关的第一凸轮和所述相关的第二凸轮上。
42.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述机械臂组件还包括第三力产生装置。
43.根据权利要求42所述的机械臂组件，其特征在于，所述第三力产生装置与所述第二凸轮相互作用。
44.根据权利要求42所述的机械臂组件，其特征在于，所述第三力产生装置与所述第一凸轮相互作用。
45.根据权利要求42所述的机械臂组件，其特征在于，所述机械臂组件还包括与所述第三力产生装置相互作用的第三凸轮。
46.根据权利要求45所述的机械臂组件，其特征在于，所述机械臂组件还包括第四力产生装置。
47.根据权利要求30所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一力产生装置和所述第二力产生装置为弹簧类装置。
48.根据权利要求47所述的机械臂组件，其特征在于，第一弹簧类装置的弹性系数和所述第一凸轮的中心与所述枢轴之间的距离的平方的乘积大致等于第二弹簧类装置的弹性系数和所述第二凸轮的中心与所述枢轴之间的距离的平方的乘积。
49.根据权利要求48所述的机械臂组件，其特征在于，所述第一弹簧类装置的弹性系数大致等于所述第二弹簧类装置的弹性系数。
50.根据权利要求47所述的机械臂组件，其特征在于，第一弹簧类装置和第二弹簧类装置中的至少一个是压缩弹簧。
51.根据权利要求47所述的机械臂组件，其特征在于，第一弹簧类装置和第二弹簧类装置中的至少一个是拉伸弹簧。
抗衡组件
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及抗衡装置，并且更具体地涉及一种用于机械臂接头的抗衡装置。
背景技术
[0002] 包括机械臂的设备已经显示出对各种工业程序或医疗程序有很大的帮助价值，例如，操纵工具、操纵摄像头或传感器等，机械臂能够保持和引导有效负载。
[0003] 这些设备通常具有一个或多个自由度，且可进行手动驱动，其中，一个或多个自由度可通过人类用户提供的动力而配备有制动能力，或可为自动的，其中，至少一个自由度由计算机控制的促动器驱动。
[0004] 平衡机构可用于为铰链臂和/或铰接臂抵消重力。对重力影响的消除或减小容许使用较小的动力源、齿轮和/或由手动用户付出的较少劳动强度。从成本观点考虑，这是所期望的，且容许了更为紧凑的设计，这继而又容许了工作区的较大的可接近能力。
[0005] 例如，美国专利No.4,756,204、美国专利No.4,546,233或美国专利No.4,500,251之前已经公开了几种抗衡机构。
[0006] 用于铰接臂和铰链机构的平衡机构包括配重。然而，使用配重可导致增加质量和增大臂的惯性。
[0007] 拉伸弹簧或被动气动平衡器可用于在小角度内或单个象限(即，从水平到竖直向上的定向)内平衡。然而，常规拉伸弹簧通常不会充分地平衡重力负载。另外，大多数弹簧平衡方法所固有的是，仅能对一种或两种的臂和弹簧的组合构造完全平衡。当机械手沿两个可能方向中的任一个离开此构造时，就产生失衡。因此，当取消或减小致动时，机构在重力作用下就会有漂移(drifting)或下落的危险。因此，此类机构通常设有制动器来减轻潜在危险，或者是抵抗重力的失去平衡。
[0008] 作用在小力矩臂上的压缩弹簧可克服角度限制问题，且在机械手的行程的整个范围内提供良好平衡。然而，在重力作用下漂移或下降的问题也存在于压缩弹簧的情况下。
[0009] 本发明的方面的目的在于提供用于机械臂的接头的抗衡组件。
发明内容
[0010] 在一方面，提供一种用于机械臂接头的抗衡组件，其包括：
[0011] 第一力产生装置；
[0012] 第二力产生装置；
[0013] 第一力产生装置和第二力产生装置分别与至少第一凸轮和第二凸轮相互作用；
[0014] 第一凸轮和第二凸轮相对于接头的枢轴偏心地固定；
[0015] 并且，第一弹簧与第二弹簧，以及第一凸轮与第二凸轮的关系在接头的旋转期间中得以保持。
[0016] 在另一方面，提供一种机械臂组件，包括：
[0017] 围绕枢轴可旋转的臂，
[0018] 用于将臂保持在基准处的第一力产生装置，
[0019] 用于补偿第一力产生装置来将臂保持在除基准外的位置的第二力产生装置。
附图说明
[0020] 现在参照附图仅以举例的方式描述实施例，在附图中：
[0021] 图1a示意出了在机械臂接头处的双弹簧抗衡组件，其使用固定到地面上的弹簧和相对于接头枢轴偏心地设置的凸轮；
[0022] 图1b示意出了图1a中所示的抗衡组件在不同定向的弹簧和凸轮下的变型；
[0023] 图1c示意出了具有附接到有效负载臂上的弹簧的双弹簧抗衡组件；
[0024] 图1d示意出了具有被加装到图1b中所示的抗衡组件上的附加的弹簧和附加的凸轮的三弹簧抗衡组件；
[0025] 图1e示意出了图1d中所示的抗衡组件在除去了一个弹簧而导致两个弹簧与三个凸轮相互作用的情况下的简化变型；
[0026] 图1f示意出了图1d中所示的抗衡组件的机械臂；和用于机械臂的弹簧平衡机构中的弹簧/凸轮关系；
[0027] 图1g与图1f相同，只是除去了弹簧的螺栓头延伸部，以便更清楚地示出两个凸轮；
[0028] 图2a示意出了双弹簧抗衡组件的截面视图，其示出了弹簧联接到相对于接头枢轴偏心地设置的凸轮上；
[0029] 图2b为示意出图2a中所示的每个弹簧-凸轮组件之间的几何关系的示意图；
[0030] 图3示意出了包括图2中所示的弹簧平衡机构的变型的机械臂的截面视图；
[0031] 图4示意出了在机械臂旋转的多种构造中的弹簧与凸轮之间的相位关系；
[0032] 图5示意出了图3中呈现的设计的变型；以及
[0033] 图6示意出了可包括图1中所示的弹簧平衡机构的医疗引导设备的实例。
具体实施方式
[0034] 图1a至1e为弹簧抗衡组件的示意性的示意图，其示出了弹簧与凸轮的几何关系。参照图1a和1b，弹簧抗衡组件包括两个压缩弹簧101，102，各压缩弹簧均固定得到基部(或地面上的固定件)上，而另一端通过轭架(未示出)连接到偏心的圆形凸轮103，104上，使得各凸轮围绕接头的支点或枢轴120自由旋转，并且弹簧自由压缩(或伸长)。弹簧可以是能够调节的。凸轮103相对于接头的枢轴120以等于e1(110)的距离偏心设置，并且凸轮104相对于接头的枢轴120以距离e2(115)偏心设置。
[0035] 弹簧101只与凸轮103相互作用，并且弹簧102与凸轮104相互作用。两个凸轮均又销接(pin)在支承有效负载125的杠杆/臂105上。由各弹簧所施加的压缩力(或拉力)导致了一个净转矩围绕支承负载的杠杆的枢轴120施加。
[0036] 图1a和图1b示意性地示意出了抗衡组件中的弹簧和凸轮的不同定向，该抗衡组件设计成完全支承围绕铰链连接件的有效负载的重量，该铰链连接件连接到地面或稳定的固定件上。各弹簧的基部锚定到地面(或固定件)上，而销接在凸轮103，104上的杠杆/臂105围绕机械臂接头的枢轴120自由旋转。从下面提供的平衡方程中将清楚，建立转矩相对于枢轴120的平衡的能力不限于图1a和图1b中所示的特定的弹簧-凸轮定向。
[0037] 在图1a中，弹簧101和凸轮103与支承负载的杠杆/臂之间的关系定向成使得连结枢轴120和e1(110)的线与将枢轴120连结到有效负载125的重心上的线不重合，该有效负载包括杠杆/臂105的质量。在图1b中所示的替代定向的实例中，弹簧101和凸轮103与支承负载的杠杆/臂之间的关系定向成使得连结枢轴120和e1(110)的线与将枢轴120连结到有效负载125的重心上的线重合，该有效负载包括杠杆/臂105的质量。在图1a和图1b中，弹簧/凸轮关系的定向在旋转期间得以保持。因此，如果凸轮位于关于枢轴的所期望的位置，则将限定弹簧在空间中的定向。如果弹簧位于空间中的所期望的位置，则将限定凸轮关于枢轴的位置。
[0038] 在图1b中所示的构造中，凸轮与杠杆/臂的定向将弹簧101约束在竖直位置。如果如图1b中所示，偏心点位于枢轴/支点与重心之间，则当臂水平时(θ(130)＝0度)，弹簧101将在其当前构造中施加压缩力来抵消有效负载。如果枢轴/支点在偏心点与重心(未示出)之间，则弹簧101将施加拉伸力来抵消有效负载的重量。用户最初可设置弹簧101，使得其初始压缩抵消有效负载的质量，例如，当臂处于水平位置(即，当凸轮103与弹簧101的相位差有90度)时。弹簧101的预压缩通常以臂105处于水平位置的方式设定，这是因为臂所施加的转矩在该点上最大。然而，预压缩还可以以臂高于或低于水平的方式利用外推法设置。
[0039] 在图1b中，弹簧102和凸轮104与支承负载的杠杆/臂之间的关系定向成使得连结枢轴120和e1(110)的线与将枢轴120连结到有效负载125的重心上的线重合，该有效负载125包括杠杆/臂105的质量。凸轮与杠杆的定向将弹簧102约束在水平位置。如果偏心点在枢轴与重心(未示出)之间，则弹簧102将在其当前构造中施加拉伸力，用于抵消弹簧101的力的线性变化。如果如图1b中所示枢轴120位于偏心点与重心之间，则弹簧102将施加压缩力。在图1b中所示的具体实例中，弹簧102不是可调节的，且通过设计被设置成使得当臂105处于竖直定向时(相对于笛卡尔坐标系成90或270度，其中，0度对应于正的X轴)，弹簧不在凸轮104上施加负载。
[0040] 仍然参照图1b，各凸轮-弹簧对之间的关系使得各凸轮彼此的相位差为180度(枢轴120在偏心点110和115之间)。在此构造中，各弹簧受到约束而彼此的相位差为90度(垂直)。由各弹簧/凸轮对之间约束关系产生的关系是弹簧101施加的转矩领先弹簧102所施加的转矩90度。
[0041] 在替代实施例中，只要保持凸轮与相应的弹簧之间的关系，各弹簧/凸轮对就可围绕枢轴120旋转至任何位置(例如，弹簧对齐，0或180度)。
[0042] 因此，相对于枢轴120建立平衡的能力不限于图1a和图1b中所示的具体的弹簧-凸轮定向，这也将从以下段落中提供的平衡方程中显而易见。
[0043] 图1c至图1e中示出了图1a和图1b的替代方案。图1c为图1a和图1b中所示机构的替代实施例，其中，弹簧附接到臂105，凸轮附接到地面(或固定件)。图1d在图1a和图1b中所示的弹簧/凸轮关系上增加了附加的弹簧140和凸轮145，且因此消除了弹簧102施加压缩负载和拉伸负载的需要。如图1a和图1b中所示的弹簧102在由轭架联接到凸轮104时，需要施加拉伸负载和压缩负载。在图1d中的凸轮104断面部分下方示出的增加弹簧140和凸轮145容许了使用压缩弹簧102和140，压缩弹簧抵靠着它们相应的凸轮104和145，且只施加压缩负载。图1e示出了图1d中所示组件的进一步简化，其中，弹簧102与两个凸轮145和104相互作用。凸轮145示出在凸轮103断面的下方。图1d中所示的组件设计容许了使用压缩弹簧102来抵靠着凸轮，并且仅施加压缩负载，同时消除对弹簧140的需要。图1e中所示的组件甚至还可通过将弹簧102设置成与两个凸轮103和104相互作用来进一步简化，从而消除了对弹簧140和凸轮145的需要。图1f和图1g示出了在机械臂上实施时图1d中的组件设计。
[0044] 下面是平衡方程的描述，该平衡方程指导图1a至图1e中所示的弹簧/凸轮几何关系。该分析中已经省略了摩擦力，这是因为当机器处于静止时，其与平衡方程无关。摩擦可用作构造便宜的机构的优势，便宜的机构以与图1中所示情形类似的方式工作，但不完全平衡负载。机构内的每一活动部件之间的所有摩擦力的总和将防止漂移。
[0045] 参看图1a，当净转矩为零是，建立关于枢轴120的平衡，即：
[0046] Tg+Tx+Ty＝0(1)，
[0047] 其中，Tg为有效负载125造成的失衡转矩，而由弹簧101和102产生的失衡转矩分别为Tx和Ty。重量所产生的失衡转矩是由于有效负载M引起的重力和力矢量(M＝mg)与点(120)之间的最短距离的乘积：
[0048] Tg＝Mrcos(θ)(2).
[0049] 弹簧101围绕120的净转矩等于由于臂位移(130)造成的弹簧压缩和在臂水平时(130：θ＝0)的弹簧预压缩产生的转矩的总和，且由以下方程给出：
[0050] Ty＝-(Kye1sin(θ)+KyΔy)(e1cos(θ))(3)，
[0051] 其中，Ky为弹簧101的弹性系数，而Δy为臂水平时弹簧从静止的位移。弹簧102产生的净转矩由以下方程给出：
[0052]
[0053] 其中，Kx为弹簧102的弹性系数，且在臂为竖直定向(上或下)时是未压缩的。将方程(2-4)代入1中给出了以下方程：
[0054]
[0055] 方程5等于零且独立于角θ，而弹簧-凸轮定向(135：a)和(140：b)在以下条件下：
[0056] Mr＝KyΔye1(6)，
[0057]
[0058] 方程6提供了弹簧101的预压缩被设置成在所期望的旋转内的臂位置处抗衡有效负载125，在该位置上，通常在臂水平时所施加的转矩是最大的。方程7提供了指导各弹簧凸轮对的关系的物理限制。
[0059] 方程5可展开而写成以下形式：
[0060]
[0061]
[0062] 方程8等于零且独立于角θ，而弹簧-凸轮定向(a：135)和(b：140)在以下条件下：
[0063] Mr＝KyaΔyae1a+KybΔybe1b+...(9)，
[0064]
[0065] 以下示意性实例在方程9和10中更为清楚：
[0066] ·弹簧101和凸轮103可由多个弹簧和凸轮的组件替代。
[0067] ·如果 且(Kya＝Kyb＝...)，则弹簧101可由作用于凸轮103上的多个弹簧替代。
[0068] ·弹簧102和凸轮104可由多个弹簧和凸轮的组件替代。
[0069] ·如果 且(Kxa＝Kxb＝...)，则弹簧102可由作用于凸轮104上的多个弹簧替代。
[0070] ·如果使用多个弹簧代替101，则当臂水平时，各弹簧可预先加载不同量来抵消有效负载。
[0071] 现在参照图1c，示出了图1a和图1b中所示机构的替代实施例，其中，弹簧附接到臂105上，而凸轮附接到地面(或固定件)。与图1a和图1b中所示的实施例相符，在图1c中关于枢轴120的平衡也是在净转矩为零时建立的，即：
[0072] Tg+Tx+Ty＝0(1)，
[0073] 其中，Tg为有效负载125造成的失衡转矩，而由弹簧101和102产生的失衡转矩分别为Tx和Ty。重量所产生的失衡转矩是由于有效负载M引起的重力和力矢量(M＝mg)与点(120)之间的最短距离的乘积：
[0074] Tg＝Mrcos(θ)(2).
[0075] 弹簧101围绕120的净转矩等于臂位移130造成的弹簧压缩和臂水平时(130：θ＝0)的弹簧预压缩产生的转矩的总和，且给出以下方程：
[0076] Ty＝(Kye1sin(θ+π)+KyΔy)(e1cos(θ+π))(11a)，
[0077] ＝(-Kve1sin(θ)+KyΔy)(-e1cos(θ))(11b)，
[0078] 其中，Ky为弹簧101的弹性系数，而Δy为臂处于水平时弹簧从静止的位移。该弹簧力等于且反向于图1a中的弹簧的弹簧力，而凸轮与图1a中的凸轮布置的相位差为180度。
[0079] 弹簧102产生的净力矩由以下给出：
[0080]
[0081]
[0082] 其中，Kx为弹簧102的弹性系数，且在臂为竖直定向(上或下)时是未压缩的。
[0083] 将方程(2)，(11)和(12)代入(1)中给出了以下方程：
[0084]
[0085] 方程(13)等同于方程(5)。
[0086] 在图1a至图1e中，当所示的机构平衡时，由有效负载所施加的转矩就等于且反向于弹簧所施加的转矩，而与臂105的角度定向无关。如方程(7)所示，当e1的平方与Ky的乘积等于e2的平方和Kx的乘积时，就满足该条件。如果e1和e2是相等的，则两个弹簧就必须具有相同的弹性系数(Kx＝Ky)。
[0087] 如果使用拉伸弹簧来代替图1a中的压缩弹簧，则有效负载定位在枢轴的反向一侧(或凸轮旋转180度)，在净转矩为零时建立了关于枢轴120的平衡，即：
[0088] -Tg-Tx-Ty＝0(1)，
[0089] 其中，-Tg为有效负载125在图1a中所示的支点的反向一侧造成的失衡转矩，而拉伸弹簧101和102所产生的失衡转矩分别为-Tx和-Ty。重量所产生的失衡转矩是由于有效负载M引起的重力和力矢量(M)与点(120)之间的最短距离的乘积：
[0090] -Tg＝-Mrcos(θ)(2).
[0091] 弹簧101围绕120的净转矩等于臂位移130造成的弹簧拉伸和臂水平时(130：θ＝0)的弹簧预加拉力产生的转矩的总和，且给出以下方程：
[0092] Ty＝+(Kye1sin(θ)+KyΔy)(e1cos(θ))(3)，
[0093] 其中，Ky为弹簧101的弹性系数，而Δy为臂处于水平时弹簧从静止的位移。弹簧102产生的净力矩由以下方程给出：
[0094]
[0095] 其中，Kx为弹簧102的弹性系数，且在臂为竖直定向(上或下)时是未压缩的。
[0096] 将方程(2-4)代入1中给出下式：
[0097]
[0098] 由于这是方程5，故将变得明显的是，拉伸弹簧可用于代替压缩弹簧。
[0099] 现在参照图2a，示出了替代实施例，其中，两个压缩弹簧可枢转地附接在基部(或地面上的固定件)250处，而其它端通过铰链连接件(滚柱轴承255和260)固定到凸轮上。该机构将其转矩经由销钉265和270施加到支承有效负载225的臂205上。
[0100] 这一组件的截面视图示出了弹簧201和202只将压缩负载施加到凸轮上。弹簧201在附接到基部290上的调节螺钉275与衬套285之间被压缩，从而在凸轮203上引起压缩负载。弹簧202在调节螺钉280与衬套290之间以类似方式被压缩，以将压缩负载施加在凸轮204上。结果，该变型能够从其静止位置至最大±90度完全支承有效负载的重量。
臂的静止位置在水平位置(图2a中未示出)上。
[0101] 当臂位于水平位置(预加负载＝Mr)时，调节螺钉275用于设置弹簧201上的预压缩负载，以支承有效负载的重量。调节螺钉设置成使得在臂205处于竖直定向(图2a中所示)时，弹簧202不施加负载在凸轮204上。
[0102] 图2b为示出图2a中所示的各弹簧/凸轮对之间的几何关系的简图。
[0103] 现在将参照图2b来描述平衡方程。在图2b中，当净转矩为零时，建立了关于枢轴220的平衡，即：
[0104] Tg+Tu+Tv＝0(14)，
[0105] 其中，Tg为有效负载225造成的失衡转矩，而由弹簧201和202产生的失衡转矩分别为Tu和Tv。重量所产生的失衡转矩是由于有效负载M引起的重力和力矢量(M＝mg)与点(220)之间的最短距离的乘积：
[0106] Tg＝Mrcos(θ)(2).
[0107] 弹簧201围绕220的净转矩等于臂位移230造成的弹簧压缩和臂水平时(230：θ＝0)的弹簧预压缩产生的转矩的总和，且由以下方程给出：
[0108]
[0109] 其中，Ky为弹簧201的弹性系数，而Δy是在臂水平时弹簧从静止起的位移，而l1和l2为枢轴220与枢轴250之间的距离，其中，弹簧201和202分别联接到地面(或固定件)上。弹簧202产生的净力矩由以下方程给出：
[0110]
[0111] 其中，Kx为弹簧202的弹性系数。如果l1＞＞e1且l2＞＞e2，则方程(14)可简化为方程(5)或(13)，因为力矢量Fu和Fv的方向分别在l1，l2→∞.时的极限情况下变成水平或竖直的。
[0112] 图3示出了图2中呈现的设计的变型。肩部螺栓395结合到上述设计中，以容许压缩弹簧302在凸轮304上施加压缩负载和拉伸负载。这一组件设计成用于支承有效负载，从而施加27.5英寸-磅的最大转矩。该装置可从臂的水平静止位置到最大±180度支承有效负载。
[0113] 当支承凸轮304的壳体305移动离开基部300时，弹簧继而又受限于附接到基部300上的肩部螺栓(或垫圈310)的头部与垫圈315(附接到壳体305上)之间。因此，弹簧
302的压缩就转变成拉伸负载，拉伸负载继而又施加到凸轮304上。
[0114] 作为替代，如果壳体305朝向基部300位移，则压缩弹簧302现在就受限于垫圈310(现在固定到壳体305上，而非前述肩部螺栓395上)与基部300(和垫圈315)之间。
因此，压缩弹簧现在将压缩负载施加在凸轮304上。
[0115] 图4示出了图2中所示的抗衡组件的弹簧201和202之间的相位关系，其增加了肩部螺栓295。在该设计中，肩部螺栓295容许了机构将压缩负载和拉伸负载施加到凸轮204上。由于最大弹簧压缩不等于最大弹簧拉伸，故系统将通过其整个运动范围来支承97.5％的有效负载。然而，在图2中所示的实施例中，如果肩部螺栓应用于两个弹簧1和2，则大致所有负载(而非100％)将通过整个360度的旋转受到支承。在图1a或图1b中所示的实施例中，如果肩部螺栓应用于两个弹簧101和102，则大致所有负载(且直至100％)将通过整个360度的旋转受到支承。当‘l1’和‘l2’接近无限大时，则图2中所示的实施例将变成等同于图1a或图1b。
[0116] 图4示出了弹簧201和弹簧202的侧视图，其示出了用于各种臂旋转的各弹簧-凸轮对之间相位关系，而旋转位置关于笛卡尔坐标系表示出，0度对应于正的X轴。该装置设计成用于支承有效负载，从而施加200英寸-磅的最大转矩：
[0117] ·臂处于180度(左列)：在该定向中，弹簧(201：左下方)的预加负载设置成施加转矩来平衡有效负载。弹簧202在该旋转位置不施加失衡转矩。
[0118] ·臂处于270度(中列)：弹簧(201：下方中间)在此构造中不施加失衡转矩。弹簧(202：上方中间)松弛，且不将失衡转矩施加到臂上。由于有效负载直接在枢轴上，故系统为平衡的。
[0119] ·臂处于0度(右列)：在该臂旋转位置，弹簧(201：右下方)的预加负载设置成施加转矩来平衡有效负载。在该臂位置弹簧202不施加失衡转矩。
[0120] 图5示出了图3中所呈现的设计的替代变型。图3中所示的弹簧凸轮对旋转成对齐竖直定向的两个弹簧。然而，仍然保持凸轮与对应弹簧之间的关系。该设计的改进从其静止位置至最大±90度支承97.5％的负载。臂的静止位置在竖直位置。
[0121] 尽管附图示出了用于机械臂的接头的抗衡组件，其中该组件包括两个或三个弹簧，但技术人员从查阅附图中将认识到，抗衡组件不必限于弹簧平衡机构，而且将进一步认识到等同的抗衡组件。
[0122] 尽管附图中已经使用了弹簧，但应当认识到，任何力产生装置可用于本文所述的抗衡组件。力产生装置是指响应于其上引起的线性偏转来提供压缩力或拉力的阻力的任何结构或装置。更具体而言，表现出沿纵轴对线性压缩或拉伸的阻力的任何结构或装置可用作力产生装置。因此，力产生装置包括纵轴，由于机械臂的旋转运动而引起的线性力应当沿纵轴施加。力产生装置与凸轮相互作用，以便将臂的旋转运动转变成力产生装置的线性偏转。力产生装置的实例为弹簧类装置。弹簧类装置为类似于压缩弹簧或拉伸弹簧而作用成沿纵轴提供对线性压缩和/或拉伸的阻力的任何装置或结构。弹簧类装置的实例为橡胶或其它弹性材料的单元，或液压或气动加压的气缸，其中的任何一种都可以以同等方式通过沿纵轴提供线性力的阻力来用于压缩弹簧或拉伸弹簧。弹簧类装置的另一实例为弹簧，如压缩弹簧或拉伸弹簧。压缩弹簧为低成本力产生装置的实例，该装置可用于在抗衡组件内提供简化的布置。压缩弹簧包括纵轴，由于机械臂的旋转运动引起的线性压缩力可沿纵轴施加。压缩弹簧的实例包括本行业中常用的相对标准的模制弹簧。如技术人员将认识到的那样，用于本文所述的抗衡组件中的此类弹簧的准确数目和尺寸可基于所期望的抗衡转矩、涉及的机械手尺寸等变化。力产生装置可为能够调节的，从而通过力产生装置提供的阻力可增大或减小，以便容许机械臂中的变型。
[0123] 力产生装置将与本文所述的抗衡组件中的至少一个凸轮相互作用。凸轮是与旋转或往复运动以在相互作用的元件中产生规定动作的构件相关的通称，相互作用的元件通常称为从动件。在本文所述的抗衡组件中，凸轮可为相对于接头的枢轴设置的任何结构或装置，以作为接头的旋转的函数而将可变运动施加到力产生装置的相互作用的部分上。更具体而言，凸轮是指可将机械臂的旋转运动转变成平行于力产生装置纵轴的线性运动的任何结构或装置。凸轮通常相对于机械臂接头的枢轴偏心地设置。凸轮可安装在接头的周围内。作为替代，凸轮不必完全安装在接头的周围内，且可容易地设置在接头的周围外侧，在该处不需要完全旋转，或在该处不用考虑机械部件的物理碰撞或干扰，例如，这可为大型工业机械手中的情形。凸轮的一个实例为偏心轴承。凸轮的另一个实例为从接头上伸出的杠杆，该接头可与力产生装置相互作用。凸轮可为变化的形状，以便给予力产生装置所期望的线性偏转。
[0124] 本领域中已知的用于实现凸轮与其从动件的相互作用的任何技术可用在本文所述的抗衡组件中实现力产生装置和凸轮的相互作用。附图示出了与凸轮相互作用的弹簧的各种替代。例如，图1d至图1g示出了抵靠着凸轮的弹簧的各种替代。作为另一实例，图2示出了铰接到偏心轴承上的弹簧。作为又一个实例，图1a至图1c示出通过轭架联接到凸轮上的弹簧。附图中所述的各实例可用于实现力产生装置与凸轮之间的相互作用。本领域中已知的使用狭槽、栓钉或其它技术的其它联接方式也可用于实现力产生装置与凸轮之间的相互作用。如本文所使用的相互作用构思出了力产生装置抵靠或接合凸轮，并且力产生装置连结或联接到凸轮上。
[0125] 附图中已经从结构上示出了抗衡组件，其使用至少两个弹簧，各弹簧与至少一个凸轮相互作用，凸轮相对于机械臂接合件的枢轴偏心地安装。弹簧/凸轮关系可根据功能而分成第一组和第二组。各组的目的在于产生转矩。第一组和第二组一起产生的转矩容许抗衡组件在接头的所期望的旋转期间保持施加到接头上的转矩的平衡。由第一组所提供的转矩用于抵消机械臂所施加的转矩及其在通常为水平的旋转位置上的相关有效负载，在该位置，由臂所施加的转矩为最大的。第二组所提供的转矩抵消由第一组所施加的力的线性变化。例如，第一组中的弹簧线性位移造成的力的线性变化在臂高于水平时导致由机械臂所施加的转矩大于由第一组中弹簧/凸轮对所施加的转矩，导致臂漂移回到水平。相反，第一组中的弹簧线性位移造成的力的线性变化在臂低于水平时导致由机械臂所施加的转矩小于由第一组中的弹簧/凸轮对所施加的转矩，导致臂漂移回水平。当臂低于或高于水平时，由第二组所提供的转矩可保持平衡。因此，由第二组提供的转矩补偿了第一组，以便将臂保持在除水平之外的位置上。水平为静止位置或基准。
[0126] 使用图2中所示的具体实例仅用于图示，弹簧201的目的在于抵消有效负载的重量。为了解决其重量，弹簧的初始压缩利用调节螺钉(例如，图2的275)设置，使得弹簧经由凸轮施加的转矩等于有效负载重量引起的反转矩。第二弹簧的目的在于抵消第一弹簧的压缩力的线性变化。
[0127] 例如，弹簧201的预压缩负载可在臂处于通常为水平的旋转位置的情况下设置，在该位置，臂施加其最大转矩。因此，弹簧201所施加的转矩保持系统与水平位置上的臂平衡。该臂位置为基准或静止位置。当臂从其水平位置位移时，在设置弹簧201的预压缩负载时，杠杆将在不存在弹簧202的情况下回到其初始静止位置(水平)，这是由于弹簧的线性位移引起弹簧201所施加的力变化。在弹簧202处于适当位置的情况下，当臂从水平位移时，通过弹簧201所施加的力的变化就由弹簧202抵消。结果，杠杆不会回到由弹簧201限定的其初始平衡位置。在增加弹簧202的情况下，其平衡位置就不再与杠杆/臂的定向(230)相关。
[0128] 本文所述的抗衡组件可为无限制的旋转度保持转矩平衡。可为在正方向和负方向上的大于1度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度、360度以及甚至更大的臂旋转保持转矩平衡。
[0129] 本文所述的抗衡组件可用于机械臂中的一个或一个以上的接头。
[0130] 参照图1b描述的以下关系适用于所有附图中示出的抗衡组件。用以抵消机械臂的转矩的第一弹簧的预压缩为臂位置设置，在该臂位置施加其最大转矩，即，图1b中水平。当臂在该位置的情况下，枢轴120与偏心凸轮103中心之间的线大致垂直于弹簧101的纵轴。在该相同的臂位置，枢轴120与偏心凸轮104中心之间的线大致平行于弹簧102的纵轴。在某些实例中，当臂在该位置的情况下，枢轴120与偏心凸轮103中心之间的线垂直于弹簧101的纵轴，而枢轴120与偏心凸轮104中心之间的线大致平行于弹簧102的纵轴。
[0131] 本文所述的抗衡组件(例如，弹簧平衡组件)根据需要结合其它部件使用，以有助于机械臂的定向，这些部件例如(而非限于)，用于锁定铰接臂的制动器、用于测量铰链联接的旋转角度的编码器、抵消系统质量的配重和/或其它平衡件、用于自动致动铰链联接的计算机控制的促动器。技术人员将会清楚可结合到机械臂中的其它部件，且适合的可选部件的组合也将基于特定的机械臂和机械臂的特定用途变得显而易见。
[0132] 作为可选部件的实例，配重可安装到臂来抵消有效负载的质量和/或铰接臂的一个或多个元件的质量。尽管本文所述的抗衡机构可消除对配重的需要，但如果期望的话，可结合配重使用来抵消系统的质量。
[0133] 作为可选部件的又一实例，制动机构可安装在机械臂内，以便抑制或停止臂元件相对于彼此的运动。
[0134] 作为可选部件的再一实例，机械臂可配备有马达(未示出)，例如伺服电机，其由计算机控制来使各种连结元件的运动自动化。本文所述的抗衡机构减小了马达促动机械臂所需的力。
[0135] 作为可选部件的另一实例，在弹簧用于抗衡组件中的实施例中，一个或多个弹簧的压缩或拉伸是可调节的。
[0136] 另一些可选特征对技术人员将显而易见。
[0137] 弹簧平衡机构可结合许多不同类型的机械臂使用，例如，具有工业用途或医疗用途的臂。
[0138] 可使用抗衡组件的机械臂的特定示例性实例为引导设备601，其可用于医疗工具相对于且经由空间中的固定点、远程支点(图6)进行3D定向。引导设备包括两个连结元件：曲柄602和连杆604。曲柄602和连杆604可以是容许远程支点600的任何尺寸或形状。
[0139] 连结元件可被铰接来形成定位元件。在图6中，曲柄602和连杆604均具有拱形结构，该拱形结构具有大约45度的中心角。曲柄具有第一端612和第二端614。连杆也具有第一端622和第二端624。当引导设备在使用中时，曲柄的第一端612铰接到基部或稳定件上。第一端612可包括附接到构件上的全铰链联接件，该构件刚性地固定到基部或地面的臂上。作为替代，第一端612可包括铰链联接件610的一部分，而铰链联接件的其余部分由基部或稳定件提供。曲柄的第二端614与连杆的第一端622形成铰链联接件616。曲柄的第二端614包括铰链联接件616的部分618，而连杆的第一端622包括铰链联接件616的其余部分620。连杆的第二端624联接到工具架606上。工具架可以是可适用的托架形式，用于固定轴632，轴632可用于驱动医疗工具640。弹簧平衡组件650可提供用于第一端612与基部或地面上的臂之间的接头。配重652提供用于抵消有效负载的重量。然而，如果期望的话，配重652可用弹簧平衡组件替代。
[0140] 上述实施例用于作为实例，本领域的技术人员在不脱离本文所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可对其进行改变和修改。
