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TW201832815A - 弧桿組合機構 - Google Patents

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TW201832815A
TW201832815A TW105101295A TW105101295A TW201832815A TW 201832815 A TW201832815 A TW 201832815A TW 105101295 A TW105101295 A TW 105101295A TW 105101295 A TW105101295 A TW 105101295A TW 201832815 A TW201832815 A TW 201832815A
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崔文德
林淑青
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崔文德
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Abstract

本發明乃架構於前案(US8,579,714B2)，將前案設計之二組內框四面體結構與外框四面體結構，刪改為一組基框四面體結構，增換兩組終端弧桿組軸接前案設計之四組內外軌弧桿系組，以成可直接輸出力或力矩的多弧桿組合機構。

Description

弧桿組合機構
本發明是有關於機械手臂或運動載台操控的技術，可裝載各式物件在多自由度運動的弧桿組合機構。
本發明乃架構於前案(US8,579,714B2)，將前案設計之二組內框四面體結構與外框四面體結構，刪改為一組基框四面體結構，增換兩組終端弧桿組軸接前案設計之四組內外軌弧桿系組，以成可直接輸出力或力矩的多弧桿組合機構。
本發明依實施例可分為外向構型與內向構型。本發明的弧桿組合機構其包括一基框結構0c與基框轉動元件0a、包括四組由第一軌弧桿1c與第二軌弧桿2c組組成之弧桿系組、包括二組軸接四組該二軌弧桿系組之終端弧桿組，其中；
基框結構0c是由數個支架所組成該基框結構0c上具有四端角ui(i=1~4)，可定義出一基框幾何四面體，該基框幾何四面體的四端角至幾何四面體中心皆等距，基框幾何軌道的半徑標示為r0，且該四面體的四角心線共交於基框結構0c的中心ou。四個設置於基框結構0c預設位置的基框轉動元件0a，各基框轉動元 件0a之軸芯線必重合於基框四面體的一角心線，基框結構0c各角心線間夾角標示Λij。
根據前案(US8,579,714B2)揭露，基框結構0c的幾何定義若為正四面體，因其單一對稱的特性較易於參數設計與運算模擬。如此則基框結構0c的各角心線間的六夾角皆相等約109.5°，即：Λ12=Λ13=Λ14=Λ23=Λ24=Λ34≒109.5°。但需注意正四面體最易發生奇異現象。為避免奇異，故基框結構0c的幾何定義不必為正四面體。基框結構0c可設計為閉環式或開環式。閉環式設計可強化剛性避免振動或變形，開環式設計可減免運轉時可能的干涉。基框構型與幾何定義，如圖3、4、5。
第二軌弧桿2c的外端以第二軌軸芯2a與基框轉動元件0a軸接，第一軌弧桿1c的內端以第一軌軸芯1a與基框轉動元件0a軸接，第二軌弧桿2c的內端與第一軌弧桿1c的外端則以中接軸芯12軸接，以此軸接第二軌弧桿與第一軌弧桿稱為同一弧桿系組，如圖6。第二軌軸芯2a重合於基框四面體的一角心線以使第二軌弧桿2c同心運轉，軌道幾何半徑標示為r1，第一軌軸芯1a重合於基框四面體的一角心線以使第二軌弧桿2c同心運轉，軌道幾何半徑標示為r2。第二軌弧桿2c弧長定義為第二軌軸芯2a與中接軸芯12的夾角，且標示為αi。第一軌弧桿1c弧長定義為第一軌軸芯1a與中接軸芯12的夾角，且標示為βi第一軌弧桿1c與第二軌弧桿2c的各端軸必皆共心，以使基框結構0c與終端弧桿3c共心，亦即無論姿態如何變動，四組第一軌軸芯1a、第二軌軸芯2a與中接軸 芯12必皆指向基框結構與基框結構的共同中心，如圖6、7。
根據前案(US8,579,714B2)揭露，同一弧桿系組之第一軌與外向第二軌弧桿弧長角度的總和小於或等於180°，否則失去意義，即：αi+βi≦180°。為回避奇異現象：各第一軌弧桿1c弧長不必皆相等各第二軌弧桿2c弧長亦不必皆相等。
外框式，一終端弧桿(5x)與一外軌弧桿(3o)共軸裝設於外框結構(4o)之任一端角上，以向心軌道運轉於內軌弧桿(2o)與內框結構(1o)之間，終端轉動裝置(5a)可適時驅動終端承載(5e)迴避任一內軌弧桿(2o)與任一外軌弧桿(3o)之干涉，以達設定的球座標轉向角度與動量。外框結構(4o)可設計為閉環式結構以強化剛性避免振動或變形，內框結構(1o)則可設計成開環式結構，以減免球座標轉向機構運轉時，終端承載(5e)與內框結構(1o)可能之干涉。如圖7。
兩組終端弧桿組包含有：一終端弧桿3c兩端分別軸接一終端轉動元件3a，終端轉動元件3a各自以與第二軌軸軸芯2a與第二軌弧桿2c軸接，以使終端弧桿3c同心運轉，其中外向終端弧桿的弧長角度大於或等於90度且小於或等於150度，標示為δ，即90≦δ≦150°。終端弧桿之結構體上可設終端托架3b，終端托架3b上裝可終端承載3e。
基框轉動元件0a或終端轉動元件3a，可為扭力輸出器(例如馬達或油壓旋轉缸)、角度檢知器(例如光學編碼器)或軸承。同一系組之內軌與外向第二軌弧桿所軸接的基框轉動元件0a 終端轉動元件3a至少有一個是扭力輸出器。
內框式或外框式皆可裝設二組終端弧桿組合件，外框結構(4o)與內框結構(1o)可設計成精簡共構之中軸式四面體結構，以減免終端承載(5e)與內框結構(1o)或外框結構(4o)可能之干涉。雙組外框式，二終端弧桿(5x)與二外軌弧桿(3o)共軸裝設於外框結構(4o)之任二端角上，以向心軌道運轉於任一內軌弧桿(2o)與內框結構(1o)之間，外框結構(4o)可設計為閉環式結構以強化剛性避免振動或變形，內框結構(1o)與內框托架(1b)可共構設計成中軸式內框四面體結構，如圖9。
本發明可分為外向構型與內向構型，分述如下：外向構型：外向弧桿組合機構的實施，如圖1~圖2，。其中終端承載3e可裝設力臂伸縮的舉升機構，如氣壓缸、油壓缸或電動螺旋桿，可應用於機械人的肩關結或髖關結。。
內向構型：內向弧桿組合機構的實施，如圖8~圖9，是能的干涉。其中終端承載3e可裝設固持裝置，例如工具機的夾持模組，可應用于多軸複合加工中心機或多次元檢測量床。
0c‧‧‧基框結構
0a‧‧‧基框轉動元件
1c‧‧‧第一軌弧桿
1a‧‧‧第一軌軸芯
2c‧‧‧第二軌弧桿
2a‧‧‧第二軌軸芯
12‧‧‧中接軸芯
3c‧‧‧終端弧桿
3a‧‧‧終端轉動元件
3b‧‧‧終端托架
3e‧‧‧終端承載
圖1為外向弧桿組合機構的立體視圖
圖2為外向弧桿組合機構的左視圖與右視圖
圖3為基框結構構型一的幾何定義圖與立體視圖
圖4為基框結構構型二的幾何定義圖與立體視圖
圖5為基框結構構型三的幾何定義圖與立體視圖
圖6為外向弧桿組合不含基框結構的幾何定義圖與立體視圖
圖7為內向弧桿組合不含基框結構的幾何定義圖與立體視圖
圖8為內向弧桿組合機構的立體視圖
圖9為內向弧桿組合機構的左視圖與右視圖

Claims (3)

  1. 一種弧桿組合機構，包含：一基框結構組合件，所述基框結構組合件包含數個支架所界定的一基框結構、及四個設置於基框結構預設位置的基框轉動元件，每個基框轉動元件的輸出軸線界定出一基框幾何四面體，每個基框轉動元件的輸出軸線共相交於基框結構一預設的基框結構中心位置；四組第一軌與第二軌弧桿系組，第一軌弧桿組包括四根第一軌弧桿，各第一軌弧桿的內端，分別以一第一軌軸芯與基框轉動元件軸接，且第一軌軸芯常態指向基框結構中心；第二軌弧桿的外端，分別以一第二軌軸芯與基框轉動元件軸結，且外向第二軌弧桿的內端與一外向第一軌弧桿的外端分別以一中接軸芯軸接，且第二軌軸芯及中接軸芯常態指向基框中心；其中同一系組之內軌與外向第二軌弧桿的弧長角度總和小於或等於180°，其中任意兩個外向第一軌弧桿的弧長角度總和大於或等於基框結構相對應的兩角心線夾角之總和；兩組終端弧桿組包含有：一終端弧桿兩端分別軸接一終端轉動元件，終端轉動元件各自以與第二軌軸軸芯與第二軌弧桿軸 接，以使終端弧桿同心運轉，其中外向終端弧桿的弧長角度大於或等於90度且小於或等於150度。
  2. 根據權利要求1所述的弧桿組合機構，其特徵在於：終端弧桿之結構體上設有一基框托架，終端托架上設有一終端承載。
  3. 根據權利要求1所述的弧桿組合機構，其中基框轉動元件為扭力輸出器、角度檢知器、或軸承中的任意一個；而基框轉動元件為扭力輸出器、角度檢知器、或軸承中的任意一個；終端轉動元件為扭力輸出器或轉動固定器；其中同一系組之內軌與外向第二軌弧桿所軸接的基框轉動元件與基框轉動元件中至少有一個為扭力輸出器。
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