專利名稱：重力提供動力的平衡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配置為用于讓負(fù)載物沿垂直方向運動的平衡輔助系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高架橋式起重機(jī)廣泛地用于提升大的負(fù)載物和使其重新定位。通常，拾取和放置操作中的移位涉及三個平移自由度和沿垂直軸線的旋轉(zhuǎn)自由度。這種運動設(shè)定被稱為選擇性順應(yīng)組裝機(jī)器人手臂(“SCARA”)動作或“Sch_ff1.e”動作，其被廣泛地用在工業(yè)中。橋式起重機(jī)允許沿兩個水平軸線的運動。通過適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)，可以增加垂直的平移軸線和垂直的旋轉(zhuǎn)軸線。沿水平軸線的第一運動通過讓橋架在固定軌道上運動而獲得，而沿第二水平軸線的運動通過讓臺車垂直于固定軌道的方向且沿橋架運動而獲得。沿垂直軸線的平移通過使用垂直滑動關(guān)節(jié)或通過使用傳動帶而獲得。沿垂直軸線的旋轉(zhuǎn)通過使用繞垂直軸線的旋轉(zhuǎn)樞轉(zhuǎn)而獲得。存在至少部分地機(jī)動化的高架橋式起重機(jī)，其通過操作者沿水平軸線手動地移位且沿垂直軸線手動地旋轉(zhuǎn)，但是其包括機(jī)動化的提升機(jī)，以便應(yīng)對沿垂直方向的重力。還有，一些橋式起重機(jī)可手動地沿所有軸線移位，但是通過平衡裝置對負(fù)載物的重量進(jìn)行補(bǔ)償，以便減輕操作者的負(fù)擔(dān)。這種橋式起重機(jī)有時被稱為輔助裝置。平衡通常通過加壓空氣系統(tǒng)獲得。這些系統(tǒng)需要加壓空氣，以便維持壓力或真空——取決于使用的原理——這需要很大的功率。還有，因為加壓空氣汽缸中的摩擦，移位非常不平滑且甚至?xí)椞Ｆ胶饪墒褂闷胶馀渲孬@得，這會對系統(tǒng)增加很大的慣量。雖然對于垂直運動是有益的且甚至是必要的，但是這樣的附接到橋式起重機(jī)的臺車的系統(tǒng)由于讓這些系統(tǒng)的質(zhì)量體運動而增加與水平運動的有關(guān)的很大的慣量。在基于平衡配重的平衡系統(tǒng)的情況下，增加的質(zhì)量會非常大，甚至大于負(fù)載物本身。如果水平行進(jìn)速度很重要，則增加到系統(tǒng)的慣量會是主要的缺陷。還存在完全地機(jī)動化的這種橋式起重機(jī)，其要求強(qiáng)有力的促動器，尤其對于支撐負(fù)載物重量的垂直運動軸來說。這些促動器通常附接到臺車或橋架其隨后進(jìn)入運動。垂直平移促動器有時通過類似于塔式起重機(jī)中的系統(tǒng)附接到橋架且連接到臺車。

發(fā)明內(nèi)容
一種平衡輔助系統(tǒng)包括支撐結(jié)構(gòu)、輔助裝置、可變平衡系統(tǒng)和平衡線纜。輔助裝置被支撐結(jié)構(gòu)可動地支撐。輔助裝置配置為用于沿X軸線和Y軸線中的至少一個相對于支撐結(jié)構(gòu)運動。質(zhì)量體被輔助裝置垂直地支撐?？勺兤胶庀到y(tǒng)配置為用于讓質(zhì)量體沿Z軸線在垂直方向上運動。可變平衡系統(tǒng)包括平衡平臺、桿和可移動平衡配重。桿在固定樞轉(zhuǎn)點樞轉(zhuǎn)地附接到平衡平臺，從而桿在固定樞轉(zhuǎn)點繞平衡軸線可樞轉(zhuǎn)?？梢苿悠胶馀渲叵鄬τ诠潭ㄆ胶廨S線設(shè)置在桿上且在最小位置和最大位置之間可動。平衡線纜操作性地連接支撐結(jié)構(gòu)、桿和質(zhì)量體，從而質(zhì)量體經(jīng)由平衡線纜通過支撐結(jié)構(gòu)被垂直地支撐。最小位置對應(yīng)于具有最小重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。同樣，最大位置對應(yīng)于具有最大重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。可變平衡系統(tǒng)配置為用于讓質(zhì)量體沿Z軸線在垂直方向上運動?？勺兤胶庀到y(tǒng)包括平衡平臺、桿和可移動平衡配重。桿在固定樞轉(zhuǎn)點樞轉(zhuǎn)地附接到平衡平臺，從而桿在固定樞轉(zhuǎn)點繞平衡軸線可樞轉(zhuǎn)?？梢苿悠胶馀渲叵鄬τ诠潭ㄆ胶廨S線可運動地設(shè)置在桿上且在最小位置和最大位置之間可動。最小位置對應(yīng)于具有最小重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。同樣，最大位置對應(yīng)于具有最大重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。—種讓可變平衡系統(tǒng)平衡的方法，包括通過桿沿Z軸線垂直地支撐質(zhì)量體，所述桿在樞轉(zhuǎn)點被可樞轉(zhuǎn)地支撐。平衡配重沿桿運動以改變桿的重心。一旦桿的重心與質(zhì)量體重合則平衡配重沿桿的運動被停止，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。在下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對實施本發(fā)明的較佳模式(一個或多個)和實施例(一個或多個)做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點以及其他的特征和優(yōu)點。


圖1是平衡輔助系統(tǒng)的示意性透視圖，其包括操作性地連接到支撐結(jié)構(gòu)的可變平衡系統(tǒng)；圖2是圖1的可變平衡系統(tǒng)的示意性透視圖；圖3A-3J是可變平衡系統(tǒng)的被動平衡裝置的十個操作順序的示意性圖，其中制動器在固定樞轉(zhuǎn)點處；圖4A-4J是可變平衡系統(tǒng)的被動平衡裝置的十個操作順序的示意性圖，其中沒有在固定樞轉(zhuǎn)點處的制動器；圖5A-5C是機(jī)械秤系統(tǒng)的三個操作順序的示意性圖，用于進(jìn)行重力提供動力的自調(diào)整平衡；圖6A-6D是機(jī)械秤系統(tǒng)的四個操作順序的示意性圖，用于使用提起動作進(jìn)行重力提供動力的自調(diào)整平衡；圖7是圖5和6的機(jī)械秤系統(tǒng)的參數(shù)的示意性圖；圖8A和SB是通過線纜線路而附接到負(fù)載物的圖1的平衡系統(tǒng)的示意性圖；和圖9A和9B是可變平衡系統(tǒng)的平衡裝置的兩個操作順序的示意性圖，其除了平衡配重之外還使用小的平衡配重。
具體實施例方式參見附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，在圖1中平衡輔助系統(tǒng)在10處顯示。平衡輔助系統(tǒng)10包括靜止支撐結(jié)構(gòu)12、可變平衡系統(tǒng)14、輔助裝置16和質(zhì)量體18?？勺兤胶庀到y(tǒng)14配置為用于讓質(zhì)量體18沿Z軸線22沿垂直方向20相對于地面24運動，如圖1所示。質(zhì)量體18可以包括末端執(zhí)行器26，其中末端執(zhí)行器26通過輔助裝置16支撐。末端執(zhí)行器26可以選擇性地支撐負(fù)載物28。在重的負(fù)載物28通過操作者30手動地移動時，希望對重量進(jìn)行補(bǔ)償。這可以通過使用基于平衡配重的平衡輔助系統(tǒng)10實現(xiàn)。如果質(zhì)量體安裝在桿34上，所述桿可繞固定樞轉(zhuǎn)點36旋轉(zhuǎn)，則全局系統(tǒng)在運動質(zhì)量體的質(zhì)量中心與固定樞轉(zhuǎn)點36重合時靜態(tài)地平衡。這種原理可通過其他機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)實施，例如線纜、氣動部件或它們的組合。實際上，其中一個運動質(zhì)量體通常是負(fù)載物28而其他的是被選擇為對負(fù)載物28進(jìn)行平衡的平衡配重。在機(jī)械系統(tǒng)被平衡時,負(fù)載物28可通過非常小的力而垂直地向上和向下運動，因為重力總是被補(bǔ)償。在負(fù)載物28可變化的應(yīng)用中，平衡配重可沿桿34 (或其他機(jī)械系統(tǒng))移位，以便適應(yīng)變化的負(fù)載物28。希望使用用重力提供動力的機(jī)械系統(tǒng)以沿垂直方向20平衡負(fù)載物，即不要求使用外部動力的機(jī)械系統(tǒng)。支撐結(jié)構(gòu)12包括但不限于一對平行的軌道38或跑道。通常，輔助裝置16通過支撐結(jié)構(gòu)12的平行軌道38支撐。輔助裝置16可以包括橋式起重機(jī)40和臺車42。橋式起重機(jī)40是包括至少一個梁44的結(jié)構(gòu)，所述至少一個梁跨過該一對平行軌道38。橋式起重機(jī)40適于相對于地面24沿Y軸線48水平地承載負(fù)載物28。臺車42可動地附接到橋式起重機(jī)40的大梁44，從而臺車42適于相對于地面24沿X軸線46水平地承載負(fù)載物28。Z軸線22相對于地面24沿大致垂直的方向20延伸。另外，末端執(zhí)行器26可動地從臺車42延伸，從而末端執(zhí)行器26適于沿Z軸線22沿大致垂直方向20承載或支撐負(fù)載物28。參見圖1，沿Z軸線22的運動與輔助裝置16的沿X和Y軸線46、48的水平運動脫開關(guān)聯(lián)。該意味著輔助裝置16的垂直運動與沿X和Y軸線46、48的任何相關(guān)的負(fù)載物28和末端執(zhí)行器26的水平運動脫開關(guān)聯(lián)?？勺兤胶庀到y(tǒng)14可以設(shè)置在地面24上?？勺兤胶庀到y(tǒng)14配置為對質(zhì)量體18(SP末端執(zhí)行器26和任何相關(guān)的負(fù)載物28)提供平衡，從而末端執(zhí)行器26和任何相關(guān)的負(fù)載物28沿Z軸線22靜態(tài)地平衡。靜態(tài)平衡意味著質(zhì)量體18可以選擇性地響應(yīng)于對質(zhì)量體18施加的垂直力50而沿Z軸線22運動。然而，在停止施加垂直力50時，末端執(zhí)行器26和任何相關(guān)的負(fù)載物28通常被保持在沿Z軸線22的相同垂直位置，如它們被“靜態(tài)平衡”的那樣。至少一個平衡線纜52操作性地將末端執(zhí)行器26、可變平衡系統(tǒng)14和支撐結(jié)構(gòu)12互連。更具體地，在一個端部，平衡線纜52操作性地連接到支撐結(jié)構(gòu)12。平衡線纜52可以是線纜、帶、鏈或任何其他物體或裝置，其配置為將支撐結(jié)構(gòu)12、可變平衡系統(tǒng)14和末端執(zhí)行器26互相連接。另外，參考圖8A和SB，平衡線纜52的兩端部附接到結(jié)構(gòu)12，且滑輪53操作性地設(shè)置在平衡線纜52和末端執(zhí)行器26之間。如圖1和2所示，可變平衡系統(tǒng)14包括平衡平臺54和桿34，所述桿在固定樞轉(zhuǎn)點36樞轉(zhuǎn)地附接到平衡平臺54，從而桿34在固定樞轉(zhuǎn)點36繞平衡軸線56樞轉(zhuǎn)。負(fù)載物28的靜態(tài)平衡使用可移動的平衡配重32執(zhí)行，所述平衡配重32沿桿34定位以使得運動系統(tǒng)(即末端執(zhí)行器26和負(fù)載物28)的質(zhì)量中心與固定樞轉(zhuǎn)點36重合。桿34具有相對端部58。平衡線纜52在一個端部58附近操作性地附接到支撐結(jié)構(gòu)12。第一滑輪64可以設(shè)置為遠(yuǎn)離可變平衡系統(tǒng)14，例如設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)12上。第二滑輪60可以設(shè)置在第一滑輪64和桿34的其中一個端部58之間。桿58在一個端部58附近操作性地附接到第二滑輪60，如圖2所示。平衡線纜52可以在附接點62處固定到支撐結(jié)構(gòu)12，在所述附接點62處平衡線纜52隨后繞第二滑輪60延伸，所述第二滑輪60操作性地附接到桿58。隨后，平衡線纜52從第二滑輪60延伸且繞第一滑輪64延伸，所述第一滑輪64操作性地附接到支撐結(jié)構(gòu)12。至少一個可移動的平衡配重32操作性地附接到桿34。可移動的平衡配重32配置為沿桿34在最小位直68和最大位直70之間運動一距尚66,以平衡與質(zhì)量體18相關(guān)的重量且讓質(zhì)量體18靜態(tài)平衡。在可移動的平衡配重32處在最小位置68時，可移動的平衡配重32沿桿34運動從而可移動的平衡配重32比當(dāng)可移動的平衡配重32處在最大位置70時更靠近平衡軸線56?？梢苿拥钠胶馀渲?2在最小位置68、最大位置70或在最小和最大位置68、70之間的任何其他位置的位置被配置為讓末端執(zhí)行器26和任何相關(guān)的負(fù)載物28沿Z軸線22靜態(tài)平衡。因此，在可移動的平衡配重32處在最小位置68時，末端執(zhí)行器26可以不在支撐負(fù)載物28，或可以支撐最小負(fù)載物28，即具有針對可變平衡系統(tǒng)14設(shè)計的最小重量的負(fù)載物28，同時保持沿Z軸線22的靜態(tài)平衡。同樣，在可移動的平衡配重32處在最大位置70時，末端執(zhí)行器26支撐最大負(fù)載物28，即針對可變平衡系統(tǒng)14的設(shè)計的具有最大重量的負(fù)載物28，同時保持沿Z軸線22的靜態(tài)平衡。然而，可移動的平衡配重32也可以在最小位置68和最大位置70之間被定位在沿桿34的任何地方，其被配置為讓末端執(zhí)行器26垂直地平衡,所述末端執(zhí)行器26支撐小于最大負(fù)載物28但大于最小負(fù)載物28的負(fù)載物28。在可移動的平衡配重32處在沿桿34的平衡位置時，質(zhì)量體18可以以通過操作者30施加的非常小的力而沿Z軸線22垂直地運動。響應(yīng)于沿Z軸線22的運動，桿34可以繞平衡軸線56相對樞轉(zhuǎn)，而平衡配重32提供對垂直運動的輔助，同時保持質(zhì)量體18沿垂直方向靜態(tài)平衡。參考圖1和2，在桿34繞平衡軸線56樞轉(zhuǎn)時，第二滑輪60沿垂直方向運動，從而第二滑輪60沿平衡線纜52相對于相應(yīng)的附接點62而運動。同樣，在第二滑輪60沿平衡線纜62運動時，平衡線纜62還相對于第一滑輪60運動。在操作期間，負(fù)載物28需要被抓持和釋放，且因此需要至少兩個平衡狀態(tài)?？赏ㄟ^讓可移動的平衡配重32沿桿34運動而在這兩個狀態(tài)中獲得理想的平衡。為了避免使用強(qiáng)力的促動器，重力用于讓可移動的平衡配重32沿桿34移位。具體參見圖3A-3J，制動器74被使用以便建立一系列平衡狀態(tài)。該系列在下文描述。所提出的被動平衡在某些條件下可行的。主要來說，負(fù)載物28必須沿Z方向在比釋放位置更高的位置處拾取，這允許使用負(fù)載物28的重力勢能來為可變平衡系統(tǒng)14賦能。平衡系統(tǒng)可以被調(diào)節(jié)到負(fù)載物28的重量。這可通過使用包括彈簧96在內(nèi)的機(jī)械秤而對負(fù)載物28稱重來實現(xiàn)。使用機(jī)械秤，可移動的平衡配重32沿桿34運動的距離與負(fù)載物28的重量成比例，以便獲得平衡系統(tǒng)。如在以前的實施例中那樣，制動器74被使用以便獲得允許平衡的一系列狀態(tài)。允許適當(dāng)?shù)钠胶獾臈l件在下文描述且給出了必須滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系。參見圖3A-3J，被動平衡裝置(制動器74處在固定樞轉(zhuǎn)點36處)的操作順序被示出。為了參考，叉“X”代表被鎖定的關(guān)節(jié)76。在某些條件下，可以在不使用很大的外部動力的情況下在未加載狀態(tài)和加載狀態(tài)之間調(diào)整輔助裝置16的平衡。更具體地，使用重力來為運動提供動力，可移動的平衡配重32沿桿34在兩個位置之間運動。下列的順序說明了操作原理。圖3A-3J中相應(yīng)的步驟表示從圖3A開始的以順序的次序到達(dá)圖3J的順序。具體參見圖3A，在未加載狀態(tài)中，可移動的平衡配重32的位置被鎖定在樞軸附近且桿34自由運動或樞轉(zhuǎn)。參見圖3B，末端執(zhí)行器26被置于負(fù)載物28附近，所述負(fù)載物28定位得足夠高，從而桿34的可移動平衡配重32側(cè)朝向地面24向下。隨后，桿34被鎖定在固定樞轉(zhuǎn)點36。在桿34鎖定在固定樞轉(zhuǎn)點36的情況下，圖3C顯示了負(fù)載物28被抓起。圖3D顯示了，為了平衡已加載的末端執(zhí)行器26，可移動的平衡配重32被解鎖且沿桿34 (受重力輔助)下落，直到(經(jīng)由機(jī)械止動件75)到達(dá)經(jīng)調(diào)整的位置，所述調(diào)整位置將已加載的末端執(zhí)行器26平衡。參見圖3E，可移動的平衡配重32鎖定到桿34。參見圖3F，桿34在固定樞轉(zhuǎn)點36處解鎖，允許已加載的末端執(zhí)行器26沿Z方向移位，同時被靜態(tài)地平衡。參見圖3G，負(fù)載物28被置于其新位置，所述新位置沿Z方向足夠低，從而桿34的可移動平衡配重32側(cè)相對于地面24向上且桿34被鎖定在固定樞轉(zhuǎn)點36處。參見圖3H，負(fù)載物28被從末端執(zhí)行器26釋放?，F(xiàn)在參見圖31，為了讓未加載的末端執(zhí)行器26平衡，可移動平衡配重32解鎖且沿桿34下落(受重力輔助)，直到(經(jīng)由機(jī)械止動件77)到達(dá)經(jīng)調(diào)整的位置，所述調(diào)整位置將未加載的末端執(zhí)行器26平衡。圖3J顯示了可移動平衡配重32被鎖定在桿34上。在圖3J的構(gòu)造的固定樞轉(zhuǎn)點36被解鎖時，平衡裝置返回到圖3A所示的構(gòu)造。應(yīng)理解如上所述的系統(tǒng)僅可在負(fù)載物28和末端執(zhí)行器26的重量事先已知時エ作。該條件是必要的，以便適當(dāng)?shù)卦O(shè)定機(jī)械止動部75、77的與平衡狀態(tài)相關(guān)的位置。得知新的負(fù)載物28的質(zhì)量，機(jī)械止動部75、77可因而被實時地調(diào)整。另外，負(fù)載物28被抓持的垂直高度必須比參考高度更高，且負(fù)載物28被釋放的高度必須比參考高度低，(桿34在參考高度下是水平的)，允許可移動平衡配重32沿適當(dāng)?shù)姆较蜻\動以用于平衡。還有，在該條件下，讓可移動平衡配重32移位所需的能量通過在負(fù)載物28的抓住和釋放狀態(tài)之間的負(fù)載物28失去的重力勢能提供。另外，必須包括兩個鎖定系統(tǒng)78: —個用于固定樞轉(zhuǎn)點36而ー個用于可移動平衡配重32。這兩個系統(tǒng)允許操作者30控制輔助裝置16的平衡狀態(tài)。這些系統(tǒng)不應(yīng)該需要很大的動力?？梢苿悠胶馀渲?2的減速可通過行程結(jié)束處的能量吸收器而被最小化。而且，可移動平衡配重32在其沿桿34的運動開始時的加速度可通過彈簧增加，所述彈簧將輸送在之前的減速期間存儲的能量。如果要操作具有不同已知重量的不同負(fù)載物28，則平衡設(shè)定可在抓持之前被操作者30或系統(tǒng)改變。在如上所述的順序中，假定負(fù)載物28在拾取位置處被置于末端執(zhí)行器26上且在釋放位置處從輔助裝置16掉落。然而，在大多數(shù)情況下，負(fù)載物28事實上從支撐結(jié)構(gòu)上被拾取和被釋放在固定結(jié)構(gòu)或其他固定表面上。在這些條件下，負(fù)載物28從其上被拾取或釋放的支撐結(jié)構(gòu)可被用于穩(wěn)定化，且固定樞轉(zhuǎn)點36處的制動器74不再是必要的，如圖4A-4J示出的。下列的順序描述了在固定樞轉(zhuǎn)點36處沒有制動器74的情況下平衡裝置的操作原理。圖4A-4J中相應(yīng)的步驟以在圖4A開始的以順序的次序到達(dá)圖4J的順序表示。具體參見圖4A，在未加載狀態(tài)中，可移動的平衡配重32的位置被鎖定在固定樞轉(zhuǎn)點36附接且桿34可自由運動或繞固定樞轉(zhuǎn)點36樞轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在參見圖4B，末端執(zhí)行器26被置于負(fù)載物28附近，所述負(fù)載物28垂直地定位得足夠高，從而桿34的可移動平衡配重32側(cè)相對于向地面24向下?，F(xiàn)在參見圖4C，負(fù)載物28被抓持。因為負(fù)載物28被擱置在支撐結(jié)構(gòu)上，桿34的任何運動被防止。參見圖4D，為了讓已加載的輔助裝置16平衡，可移動平衡配重32被解鎖且沿桿34 (受重力輔助)下落，直到止動件到達(dá)經(jīng)調(diào)整的位置，所述調(diào)整位置將已加載的末端執(zhí)行器26平衡。參見圖4E，可移動的平衡配重32被鎖定。參見圖4F，隨后可以讓已加載的末端執(zhí)行器26移位且同時被靜態(tài)平衡。圖4G顯示負(fù)載物28被置于其新位置，所述新位置沿Z方向垂直地足夠低，從而桿34的可移動平衡配重32側(cè)相對于地面24向上。因為負(fù)載物28被擱置在支撐結(jié)構(gòu)上，桿34的任何運動被防止。圖4H示出了，為了讓未加載的末端執(zhí)行器26平衡，可移動平衡配重32被解鎖且沿桿34 (受重力輔助)下落，直到止動件到達(dá)經(jīng)調(diào)整的位置，所述調(diào)整位置將未加載的末端執(zhí)行器26平衡。參見圖41，可移動的平衡配重32鎖定到桿34。圖4J顯示了負(fù)載物28被從末端執(zhí)行器26釋放，這使得末端執(zhí)行器26到達(dá)其初始狀態(tài)(圖4A)。如果使用自動順序，則操作者30僅需要讓輔助裝置16運動，操作末端執(zhí)行器26以抓住負(fù)載物28,和操作末端執(zhí)行器26以釋放負(fù)載物28。在負(fù)載物28被抓持時,可移動平衡配重32隨后被釋放且沿桿34下落到新的位置。為了在可移動平衡配重32沿桿34運動時防止末端執(zhí)行器26拾取負(fù)載物28或釋放負(fù)載物28，通過末端執(zhí)行器26造成的抓持和/或釋放可以在可移動平衡配重32沿桿34運動時被停止。通過非限制性的例子，限位開關(guān)可以操作性地附接到桿34，以感測可移動平衡配重32的位置。為了增加負(fù)載物28可被釋放的運動，假設(shè)抓持運動范圍可更小，則參考高度可移動。這可通過沿可移動平衡配重32的運動軸線而在可移動平衡配重32上施加恒定カ來執(zhí)行。施加該カ的ー種方式是通過平衡線纜52將質(zhì)量體附接到主可移動平衡配重32和通過滑輪將質(zhì)量體懸起，以便連續(xù)地將質(zhì)量體定位在樞軸點下方。這允許獲得可移動平衡配重32的平衡構(gòu)造，其與桿34是水平的那個構(gòu)造是不同的。參考圖9A和9B，如果預(yù)定止動件75被去除，則可移動平衡配重32將保持沿桿34向下滑動。在這種情況下，如果負(fù)載物28被簡單地支撐且可移動平衡配重32稍微向下滑動比桿34上的平衡位置更遠(yuǎn)，則桿34將略微失去平衡(從可移動平衡配重32到樞軸的扭矩比來自負(fù)載物28的扭矩更大)且可移動平衡配重32將提起負(fù)載物28。這種失去平衡可用于檢測可移動平衡配重32適當(dāng)?shù)囟ㄎ挥糜谄胶夂瓦m應(yīng)不同的負(fù)載物28。代替針對每一個負(fù)載物28讓可移動平衡配重32具有預(yù)定停止位置，可移動平衡配重32停止在該位置，所述位置允許負(fù)載物28的略微垂直提起，這接近平衡構(gòu)造。略微不平衡可被去除以返回到理想的平衡。這可通過在平衡過程期間小的平衡配重33的移位或通過在桿34上施加小的提起力而實現(xiàn)，如此提起略快地發(fā)生。一旦檢測到提起，則小的平衡配重33被設(shè)定回到其最初位置或小的提起力被去除，允許理想的平衡。這種操作僅使用小量的額外的動力。在該實施方式中，可移動平衡配重32沿桿34下落時的速度必須被限制，例如通過可移動平衡配重32和桿34之間的粘性摩擦，以便使得可移動平衡配重32停止時造成的減速最小化。在ー些條件下在沒有控制器和促動器的情況下，平衡系統(tǒng)配置為將其本身調(diào)整到負(fù)載物28。這可在機(jī)械秤系統(tǒng)80的幫助下實現(xiàn)，包括彈簧秤82。更具體地，參見圖5A-5C，可移動平衡配重32沿桿34運動，沿桿34離開固定樞轉(zhuǎn)點36 (即旋轉(zhuǎn)軸線)且離開的距離與負(fù)載物28的重量成比例，而桿34的運動被鎖定到給定位置，如圖5A和5B所示。一旦處在平衡中，則可移動平衡配重32的位置被鎖定且桿34被解鎖。為了適當(dāng)?shù)貙ο到y(tǒng)進(jìn)行平衡，引入具有適當(dāng)?shù)膭偠鹊膹椈?6。換句話說，彈簧秤82測量負(fù)載物28的重量。代替讓指示器運動(該指示器隨后將相應(yīng)地移動平衡配重32)，彈簧秤82直接地讓可移動平衡配重32移位。為了更清楚，繼續(xù)參考圖5B和5C，負(fù)載物28懸在第一線纜84上，所述第一線纜附接到第三滑輪86。第三滑輪86剛性連接到第四滑輪88(具有同一中心90)，第二線纜92附接到第四滑輪88。第二線纜92繞第五滑輪94纏繞，該第五滑輪94安裝到桿34的相對端部且最后附接到可移動平衡配重32。可移動平衡配重32又附接到彈簧96的端部。操作順序類似于上述的重力提供動カ的平衡系統(tǒng)。
系統(tǒng)僅可在下列的條件下工作。更具體地，負(fù)載物28被末端執(zhí)行器26抓持時的垂直高度必須高于或等于負(fù)載物28被末端執(zhí)行器26釋放時的高度。如在前述實施方式中所述的，該垂直高度差異是必要的，因為期望避免使用大的能量來讓可移動平衡配重32移位。在抓持負(fù)載物28時負(fù)載物28的稱重總是必須在同一垂直高度下完成的。用于抓持負(fù)載物28的該高度不必是桿34水平所處的高度。如果負(fù)載物總是在同一位置被抓持則這不是問題。也就是說，如果稱重過程在不同垂直高度完成，則桿34將在該稱重過程期間處在不同角度，且彈簧96必須克服來自可移動平衡配重32的重力的不同量的力。為了在不同垂直高度釋放負(fù)載物28，必須提前得知沒有負(fù)載物28的平衡條件，這允許機(jī)械止動部77的位置相應(yīng)地沿桿34被設(shè)定。或者，可移動平衡配重32將取決于釋放角度處在不同的位置，這將導(dǎo)致不正確的無載荷平衡。應(yīng)該指出的是，由于負(fù)載物28的釋放在垂直方向上比抓持低，如果在之前沒有確定止動部位置的話，可移動平衡配重32將總是在釋放時太接近固定樞轉(zhuǎn)點36。然而，因為可移動平衡配重32總是停止在針對無載荷28平衡的設(shè)定的位置，確保了無載荷的平衡。負(fù)載物28必須自由地垂直向下運動，以便讓可移動平衡配重32移位和被機(jī)械地稱重。如果在負(fù)載物28的運動和可移動平衡配重32和彈簧96的運動之間有足夠大的傳動比，則所需位移可被最小化。桿34的負(fù)載物28側(cè)上兩個剛性地附接的第三和第四滑輪86、88的半徑的比提供了這種傳動比。彈簧96必須被包括在機(jī)械秤系統(tǒng)80中。如果在負(fù)載物28的運動和可移動平衡配重32和彈簧96的運動之間有足夠大的傳動比，則彈簧96的尺寸和剛度可被最小化。兩個鎖定系統(tǒng)78必須被包括，用于固定樞轉(zhuǎn)點36的第一鎖定系統(tǒng)和用于可移動平衡配重32的第二鎖定系統(tǒng)。鎖定系統(tǒng)78允許操作者30控制末端執(zhí)行器26的平衡狀態(tài)。這些鎖定系統(tǒng)78不應(yīng)該要求很大的動力?，F(xiàn)在參見圖6A，被支撐的負(fù)載物28通過可移動平衡配重32被提起且固定樞轉(zhuǎn)點36被解鎖。應(yīng)注意所需的提起カ是最小化的，因為重力提供動カ的系統(tǒng)總是被靜態(tài)地平衡。因為負(fù)載物28被支撐，所以桿34的略微提起在線纜上產(chǎn)生拉力。可移動平衡配重32因此隨后沿桿34運動，以便維持平衡，如圖6B所示。該運動在圖6C中繼續(xù)直到負(fù)載物28提起，如圖6D所示，這使得可移動平衡配重32位于平衡位置。只要負(fù)載物28的提起被檢測到則可移動平衡配重32被鎖定在后一位置。檢測可通過自動系統(tǒng)做出或被操作者30檢測，所述自動系統(tǒng)監(jiān)測負(fù)載物28的運動。在不同負(fù)載物28被提起離開支撐結(jié)構(gòu)時，桿34將處在不同角度，取決于每ー個負(fù)載物28的重量。如果在負(fù)載物28提起期間桿34的角度的變化很小(通過使用大的傳動比)，則負(fù)載物28的變化將導(dǎo)致稱重過程之后最終角度的線性變化。同時補(bǔ)償可移動平衡配重32的重力的必要彈簧カ線性地改變。易于通過選擇更剛性的線性彈簧96來補(bǔ)償カ的該線性變化。應(yīng)注意該實施方式會導(dǎo)致與負(fù)載物28的質(zhì)量有關(guān)的線性稱重角度，而不是質(zhì)量的任意稱重角度。平衡的負(fù)載物28可隨后被操作者30操作，直到達(dá)到期望的釋放位置。因為桿34在操作的稱重階段運動，所以通過可移動平衡配重32在彈簧96上施加的力的方向相對于重力改變，施加力的大小也是如此?？稍谝韵碌臄?shù)學(xué)推導(dǎo)中示出這種影響可通過彈簧96的適當(dāng)剛度選擇而得到補(bǔ)償。通過該策略，不需要讓負(fù)載物28下落。還有，不需要讓鎖定系統(tǒng)設(shè)置在固定樞轉(zhuǎn)點36。應(yīng)注意提起操作可以通過讓系統(tǒng)略微不平衡而自動進(jìn)行。這種臨時的不平衡可通過小的平衡配重的移位或通過在桿34上施加小的提起カ而獲得，所述桿34可在負(fù)載物28被抓持時通過操作者30啟動和在檢測到負(fù)載物28從其支撐結(jié)構(gòu)被提起時停止。系統(tǒng)僅可在下列的條件下工作。負(fù)載物28抓持時的高度必須高于或等于負(fù)載物28被釋放時的高度。如在前述實施方式中所述的，這是必要的，因為期望避免在系統(tǒng)中引入大量的能量。抓持時的稱重操作必須總是在相同高度上進(jìn)行。稱重高度不必定是桿34水平時的高度。如果負(fù)載物28總是在同一位置被抓持則這不是問題。為了在不同高度釋放物體，必須提前得知沒有負(fù)載物28的平衡條件，這允許操作者30相應(yīng)地設(shè)定機(jī)械止動部的位置?；蛘?，可移動平衡配重32將取決于釋放角度處在不同，這將導(dǎo)致不正確的無載荷平衡。應(yīng)該指出的是，因為釋放比抓持低，所以如果沒有預(yù)先確定止動部位置的話，則可移動平衡配重32將總是在釋放時太接近固定樞轉(zhuǎn)點36。然而，因為可移動平衡配重32總是停止在針對無載荷的設(shè)定的位置，確保了無載荷的平衡。彈簧96必須被包括在系統(tǒng)中。如果在負(fù)載物28的運動和可移動平衡配重32和彈簧96的運動之間有足夠大的傳動比(由負(fù)載物28側(cè)上兩個剛性連接的滑輪的半徑比給出)，則彈簧96的尺寸和剛度可被最小化。必須包括一個鎖定系統(tǒng)，以用于可移動平衡配重32。這允許操作者30控制輔助裝置16的平衡狀態(tài)。該系統(tǒng)不應(yīng)該要求很大的動力。必須滿足以便獲得正確平衡系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系在這里給出。在圖7中限定參數(shù)。角度a代表桿34相對于水平線的取 向。該角度采用稱重操作開始時的值Ci1和稱重操作完成時的值a 2。在負(fù)載物28被放下的情況下，角度Ci1和％是相同的(Ci1=Ci2X然而，兩個角度在使用提起動作時是不同的。圖7中示出的機(jī)械系統(tǒng)的變量是負(fù)載物28的質(zhì)量M和彈簧96的伸長量X。固定質(zhì)量B、可移動質(zhì)量C、長度I1和I2和滑輪比r假定是已知的。隨后，可顯示出，為了正確地平衡圖5A-5C示出的系統(tǒng)(負(fù)載物28放下)，彈簧96的剛度必須被設(shè)定為
CwI=Ts■(等式 1)
I1I*還有，可顯示出，為了正確地平衡圖6示出的系統(tǒng)(負(fù)載物28提起)，彈簧96的剛度必須被設(shè)定為
2 Ork =—一.(等式 2)
り-在這兩種情況下，カ為零時彈簧96的位置通過以下給出......BI! Cgsinal //r^^
L0047」 X0:、 式 6)
(.K 還有，對負(fù)載物28M稱重所需要的負(fù)載物28和桿34之間的垂直位移5通過以下給出
g I
I 0049 I immmmmi ニ.................(^ -|*l * 、
M Cr '其對應(yīng)于圖5A-5C示出的負(fù)載物28的放下或圖6A-6D示出的桿34的附接點62
的垂直運動。應(yīng)注意圖3A-3J的實施方式的情況下，對已加載的輔助裝置16進(jìn)行平衡的可移動平衡配重32位置的確定可通過用類似于圖5A-5C的彈簧秤82對負(fù)載物28稱重而執(zhí)行。這可通過使用類似于圖5A-5C的稱重過程定位機(jī)械止動部來實現(xiàn)。在負(fù)載物28放下時，機(jī)械止動部沿桿34脫離位置且彈簧96因此伸長。一旦機(jī)械止動部處在彈簧カ等于負(fù)載物28重力的稱重位置，則其被鎖定。應(yīng)注意樞軸應(yīng)該在該過程期間被鎖定，因為這會造成極大地不平衡的結(jié)構(gòu)。僅在這時，可移動平衡配重32將下落，直到其抵靠止動部，所述止動部位于稱重位置。因為在稱重階段可移動平衡配重32C未沿桿34運動且因為假定機(jī)械止動部具有可以忽略的質(zhì)量，所以稱重獨立于角度a。因此，使用的條件將是圖3和5的實施方式的組合。所得到的數(shù)學(xué)關(guān)系與在之前的部分中給出的那些相同，除了在カ為零時彈簧96的位置以外，其通過以下等式給出:
權(quán)利要求
1.種平衡輔助系統(tǒng)，包括: 支撐結(jié)構(gòu)； 輔助裝置，其被支撐結(jié)構(gòu)可動地支撐，輔助裝置配置為用于沿X軸線和Y軸線中的至少一個相對于支撐結(jié)構(gòu)運動； 質(zhì)量體，被輔助裝置垂直地支撐； 可變平衡系統(tǒng)，配置為用于沿Z軸線沿垂直方向讓質(zhì)量體運動，可變平衡系統(tǒng)包括: 平衡平臺； 桿，在固定樞轉(zhuǎn)點樞轉(zhuǎn)地附接到平衡平臺，從而桿在固定樞轉(zhuǎn)點繞平衡軸線能樞轉(zhuǎn)； 可移動平衡配重，相對于固定平衡軸線在最小位置和最大位置之間可動地設(shè)置在桿上；和 平衡線纜，操作性地連接支撐結(jié)構(gòu)、桿和質(zhì)量體，從而所述質(zhì)量體經(jīng)由平衡線纜通過支撐結(jié)構(gòu)被垂直地支撐； 其中最小位置對應(yīng)于具有最小重量的質(zhì)量體，從而所述質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡；和 其中最大位置對應(yīng)于具有最大重量的質(zhì)量體，從而所述質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。
2.權(quán)利要求1所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述可移動平衡配重在最小位置比當(dāng)該可移動平衡配重處于最大位置時更靠近所述平衡軸線。
3.權(quán)利要求2所述的平衡 輔助系統(tǒng)，進(jìn)一步包括操作性地附接到所述支撐結(jié)構(gòu)的第一滑輪； 其中所述平衡線纜繞第一滑輪延伸且所述平衡線纜操作性地連接所述質(zhì)量體和所述桿，從而所述質(zhì)量體沿Z軸線的運動與所述質(zhì)量體沿X軸線和Y軸線每一個的運動脫開關(guān)聯(lián)；和 其中所述質(zhì)量體沿Z軸線的垂直運動使得所述桿繞所述平衡軸線樞轉(zhuǎn)。
4.權(quán)利要求3所述的平衡輔助系統(tǒng)，進(jìn)一步包括操作性地設(shè)置在第一滑輪和桿之間的第二滑輪； 其中所述平衡線纜進(jìn)一步限定為繞第一滑輪和第二滑輪延伸；和其中第二滑輪操作性地連接到所述桿的端部從而所述桿繞所述平衡軸線的樞轉(zhuǎn)使得第二滑輪與所述桿的所述端部的運動一致地運動。
5.權(quán)利要求3所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述可移動平衡配重配置為響應(yīng)于所述桿繞所述固定樞轉(zhuǎn)點的樞轉(zhuǎn)而沿所述桿在最小位置和最大位置之間運動。
6.權(quán)利要求4所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述可移動平衡配重進(jìn)一步限定為被配置為響應(yīng)于重力而沿所述桿運動。
7.權(quán)利要求5所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述可變平衡系統(tǒng)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述固定樞轉(zhuǎn)點處的制動器； 其中所述制動器配置為被選擇性地啟動以阻止所述桿在所述固定樞轉(zhuǎn)點處繞所述平衡軸線樞轉(zhuǎn)。
8.權(quán)利要求6所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述可移動平衡配重配置為被選擇性地相對于所述桿鎖定，從而防止所述可移動平衡配重沿所述桿運動。
9.權(quán)利要求1所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述質(zhì)量體包括末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器配置為用于沿垂直方向選擇性地支撐負(fù)載物。
10.權(quán)利要求8所述的平衡輔助系統(tǒng)，其中所述輔助裝置包括:橋式起重機(jī)，可動地附接到軌道且配置為用于沿Y軸線相對于所述軌道運動；臺車，可動地附 接到橋式起重機(jī)且配置為用于沿X軸線相對于所述橋式起重機(jī)運動；其中末端執(zhí)行器操作性地從臺車延伸出。
全文摘要
一種平衡輔助系統(tǒng)包括支撐結(jié)構(gòu)、輔助裝置、可變平衡系統(tǒng)和平衡線纜?？勺兤胶庀到y(tǒng)配置為用于讓質(zhì)量體沿Z軸線在垂直方向上運動?？勺兤胶庀到y(tǒng)包括平衡平臺、桿和可移動平衡配重。桿在固定樞轉(zhuǎn)點樞轉(zhuǎn)地附接到平衡平臺，從而桿在固定樞轉(zhuǎn)點繞平衡軸線可樞轉(zhuǎn)。可移動平衡配重相對于固定平衡軸線設(shè)置在桿上且在最小位置和最大位置之間可動。最小位置對應(yīng)于具有最小重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。同樣，最大位置對應(yīng)于具有最大重量的質(zhì)量體，從而質(zhì)量體沿Z軸線靜態(tài)平衡。
文檔編號B66C13/00GK103086268SQ20121043735
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者T.拉里伯特, C.戈塞林, D.高, R.J.梅納薩 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司, 拉瓦爾大學(xué)