TWI574722B - 球座標轉向機構 - Google Patents

Description

球座標轉向機構

本發明為一種球座標轉向機構，可裝設多種酬載如扭力輸出裝置、伸縮舉昇機構、車床夾持模組、雷射切割鑽削主軸、半球投影幕或電視牆、觀測定位裝置或駕駛模擬座艙，可應用於多軸複合加工中心機或多次元檢測量床、慣量或力矩變動大之搬運機械臂，室內空間轉向遊樂器或戰機駕駛訓練機、多人戶外空間轉向遊樂機構或大型天文望遠鏡承座。

現行常用於球面經緯度運動之機構為傳統的平衡環式(Gimbals)機構。平衡環式機構允許動力承載以大角度甚至連續旋轉。但是此機構係逐環架構。動力承載須置於內環，馬達及齒輪箱鍵接於內環驅動為動力承載對緯度軸旋轉，於是外環之馬達及齒輪箱就須負荷動力承載加內環之馬達及齒輪箱的慣量，方能驅動外環對經度軸旋轉。若動力承載體積或慣量龐大則內環與外環半徑亦須擴增，致使龐大的操作空間難以類比其承載容積。而且平衡環式機構因逐環架構亦會伴生電訊傳輸、線束纏繞等問題。

為補傳統平衡環式(Gimbals)機構之不足，稍早乃發明(US8,579,714B2)，可簡述為：雙四面體結構端線共心軸接四組內、外軌弧桿之三旋轉自由度轉向機構。稍早之發明(US8,579,714B2)因將酬載艙裝設於內框四面體結構之內，可應用於室內空間轉向遊樂器或戰機多軸轉向駕駛訓練儀。本發明相較稍早之發明最大增進在於新設一組以上之終端弧桿組合件。稍早之發明因無終端弧桿組合件之牽絆，故球座標轉向運動空間較大，但本發明卻藉此終端弧桿組合件得以將扭力輸出而成球座標運動之轉向機構。

本發明包含有：一外框結構組合件(4)、四外軌弧桿組(3)、四內軌弧桿組(2)、一內框結構組合件(1)與終端弧桿組合件(5)。本發明之組合配置立體視圖如圖1，前視圖與側視圖如圖2、3。

外框結構組合件(4)：一外框四面體結構(以下簡稱外框結構)，外框結構(4o)之四端角分別軸接四組外框轉動裝置(4a)，四組內框轉動裝置可裝設於內框結構(1o)四端角之內，再分別鍵結外軌弧桿(4o)，如圖3。

外軌弧桿組(3)與內軌弧桿組(2)：外軌弧桿(3o)之外端以外接軸芯(3a)與外框轉動裝置(4a)出力軸鍵結，四組外框轉動裝置亦可裝設於外框結構(4o)四端角之外，外軌弧桿(3o)與內軌弧桿(2o)以中接軸芯(3b)軸接，內軌弧桿(2o)之內端以內接軸芯(2a)軸接於內框轉動裝置(1a)，如圖4。

內框結構組合件(1)：一內框四面體結構(以下簡稱內框結構)，內框結構(1o)之四端角內分別裝設四組內框轉動裝置(1a)以分別軸接內軌弧桿(2o)。該內框結構(1o)內，安裝一內框托架(1b)，以裝載內框酬載。如圖5。四組內框轉動裝置(1a)亦可裝設於內框結構(1o)四端角之外，四組外框轉動裝置(4a)可裝設於外框結構(4o)四端角之內，如圖6。

以上係稍早之發明(US8,579,714B2)之構型特徵，本發明與稍早之發明最大增進在於新設一組以上之終端 弧桿組合件(5)，包含有：一終端弧桿(5x)軸接一終端轉動裝置(5a)與一終端承載(5e)。終端弧桿組合件(5)之裝設可分為外框式與內框式，終端弧桿組合件(5)之數量又可分單組式與雙組式。圖1、2、3所示，為單組外框式終端承載(5e)可為工具機之夾持模組或量測定位裝置，可應用於多軸複合加工中心機或多次元檢測量床。單組內框式，終端承載(5e)可為舉昇機構，如氣壓缸、油壓缸或電動螺旋桿，可應用於機械人之肩關結或髖關結。

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。

內框式之終端弧桿(5x)與內軌弧桿(2o)共軸裝設於內框結構(1o)之任一端角上，以向心軌道運轉於外軌弧桿(3o)與外框結構(4o)之間，終端轉動裝置(5a)可適時驅動終端承載(5e)迴避內軌弧桿(2o)與外軌弧桿(3o)之干涉，以達設定的球座標轉向角度與動量。內框結構(1o)可設計為閉環式結構以強化剛性避免振動或變形，外框結構(4o)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)與外框結構(4o)可能之干涉。如圖8。

外框轉動裝置(4a)可為扭力輸出器或角度檢知器，內框轉動裝置(1a)可為扭力輸出器或角度檢知器，其中同一組內外軌弧桿組所串接之外框轉動裝置與內框轉動裝置須至少有一為扭力輸出器。扭力輸出器可為馬達或油壓旋轉缸，經由外軌弧桿(3o)與內軌弧桿(2o)以傳遞輸出扭力或轉矩，致動內框托架(1b)上之內框酬載(1e)或外框托架(4b)上之外框酬載(4e)，進行球座標轉向運動。角度檢知器如光學編碼器，以量測內軌弧桿(2o)與內框結構(1o)或外軌弧桿(3o)與外框結構(4o)之相對角度變化，以供精密校驗球座標機構之轉向角度。終端轉動裝置(5a)為一扭力輸出器或一轉動固定器，以適時驅動終端弧桿(5x)，減免終端承載(5e)與內框結構(1o)或外框結構(4o)可能之干涉。

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。

雙組內框式，二終端弧桿(5x)與二內軌弧桿(2o)共軸裝設於內框結構(1o)之任二端角上，以向心軌道運轉於任一外軌弧桿(3o)與外框結構(4o)之間，內框結構(1o)可設計為閉環式結構以強化剛性避免振動或變形，外框結構(4o)與外框托架(4b)可共構設計成中軸式外框四面體結構，如圖10。

雙組式相較單組式多一組終端弧桿組合件，球座標轉向機構運動時更易與內、外框結構干涉，故運動空間較小，但雙組式也因多一組終端弧桿組合件而有更多元的應用。以下分別介紹四種實施例：雙組外框式與雙組內框式、雙組中軸外框式與雙組中軸內框式。

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，二組終端承載(5e)可裝設為車床夾持模組，二車床夾持模組遙相對立於外框結構(4o)內，內框托架(1b)上之內框酬載(1e)可裝設雷射切割或鑽削主軸，可應用於多軸複合加工機，如圖11、12、13。

雙組內框式，二終端弧桿(5x)與二內軌弧桿(2o)共軸裝設於內框結構(1o)之任二端角上，以向心軌道運轉於任一外軌弧桿(3o)與外框結構(4o)之間，二終端承載(5e)可裝設力臂伸縮之舉昇機構，二舉昇機構遙相對立於內框結構(1o)外，相互配平以減少力矩變動，可應用於慣量大或力矩變動大之搬運機械臂，如圖14、15、16。

雙組中軸外框式，搭配中軸式內框四面體結構(1o)，中軸式內框結構(1o)可減免與終端承載(5e)干涉。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。二終端承載(5e)可裝設為半球幕架，二半球幕架遙相對立於外框結構(4o)內，半球幕架上置投影幕或電視牆。中軸式內框托架(1b)之內框酬載(1e)可裝設駕駛模擬座艙，可應用於室內空間轉向遊樂器或戰機駕駛訓練機，如圖17、18、19。

雙組中軸內框式，搭配中軸式外框四面體結構(4o)，中軸式外框結構(4o)可減免與終端承載(5e)干涉。內框結構(1o)可設計為閉環式結構以強化剛性避免振動或變形。二終端承載(5e)可裝設為半球傘架，二半球傘架遙相對立於內框結構(1o)外，半球傘架上可設置多人座共乘艙或大型望遠鏡。中軸式外框托架(4b)為設計容許超大慣量承載。可應用於多人戶外空間轉向遊樂機構或大型天文望遠鏡承座，如圖20、21、22。

(1)‧‧‧內框結構組合件

(1o)‧‧‧內框四面體結構

(1a)‧‧‧內框轉動裝置

(1b)‧‧‧內框托架

(1e)‧‧‧內框酬載

(2)‧‧‧內軌弧桿組

(2o)‧‧‧內軌弧桿

(2a)‧‧‧內接軸芯

(3)‧‧‧外軌弧桿組

(3o)‧‧‧外軌弧桿

(3a)‧‧‧外接軸芯

(3b)‧‧‧中接軸芯

(4)‧‧‧外框結構組合件

(4o)‧‧‧外框四面體結構

(4a)‧‧‧外框轉動裝置

(4b)‧‧‧外框托架

(4e)‧‧‧外框酬載

(5)‧‧‧終端弧桿組合件

(5x)‧‧‧終端弧桿

(5a)‧‧‧終端轉動裝置

(5e)‧‧‧終端承載

圖1單組外框式球座標轉向機構組件配置立體視圖

圖2單組外框式球座標轉向機構組件配置前、側視圖

圖3外框結構組合件立體視圖與幾何定義

圖4四組內、外軌弧桿組之立體視圖與幾何定義

圖5內框結構組合件立體視圖與幾何定義

圖6內框轉動裝置與外框轉動裝置之反向裝設立體視圖

圖7單組外框式之終端弧桿組合件立體視圖與幾何定義

圖8單組內框式之終端弧桿組合件立體視圖與幾何定義

圖9雙組中軸外框式之中軸內框結構與二組終端弧桿立體視圖與幾何定義

圖10雙組中軸內框式之中軸外框結構與二組終端弧桿立體視圖與幾何定義

圖11雙組外框式球座標轉向機構組件配置立體視圖

圖12雙組外框式球座標轉向機構組件配置前視圖

圖13雙組外框式球座標轉向機構組件配置側視圖

圖14雙組內框式球座標轉向機構組件配置立體視圖

圖15雙組內框式球座標轉向機構組件配置前視圖

圖16雙組內框式球座標轉向機構組件配置側視圖

圖17雙組中軸外框式球座標轉向機構組件配置立體視圖

圖18雙組中軸外框式球座標轉向機構組件配置前視圖

圖19雙組中軸外框式球座標轉向機構組件配置側視圖

圖20雙組中軸內框式球座標轉向機構組件配置立體視圖

圖21雙組中軸內框式球座標轉向機構組件配置前視圖

圖22雙組中軸內框式球座標轉向機構組件配置側視圖

以下分述本發明球座標轉向機構各組合件之幾何定義。外框結構(4o)之幾何定義為四面體，四組外框轉動裝置(4a)之軸芯線須重合於外框四面體之角心線。外框四面體體心標示為O_u，外框四面體之角心線標示為單位向量u _i，各角心線間夾角標為Λ_ij，如圖3。外框結構若恰為正四面體則其各角心線間之六夾角皆相等約109.5°，即：Λ₁₂=Λ₁₃=Λ₁₄=Λ₂₃=Λ₂₄=Λ₃₄ 109.5°。外框結構若為正四面體因其單一對稱之特性較易於參數設計與運算模擬。但須注意正四面體必然出現四軸共線之奇異現象。故外框設計謹須符合四面體幾何定義不必為正四面體。單組外框式之終端弧桿組合件與外框結構幾何定義，如圖7。中軸外框四面體結構與二組終端弧桿幾何定義，如圖10。

四組外軌弧桿組(3)與四組內軌弧桿組(2)之幾何定義：四外軌弧桿(3o)半徑皆相等，四內軌弧桿(2o)半徑皆相等。為迴避奇異現象：四組外軌弧桿(3o)弧長不必皆相等，四內軌弧桿(2o)弧長亦不必皆相等。四組內、外軌弧桿各端軸必皆共心，即：四組外接軸芯(3a)、中接軸芯(3b)中與內接軸芯(2a)可隨內框結構(1o)之姿態變動，但軸線必皆指向外框四面體之體心標示為O_v。第i外接軸芯(3a)之單位向量標示為u _i，第i中接軸芯(3b)之單位向量標示為W _i，第i內接軸芯(2a)之單位向量標示為V _i。四外軌弧桿(3o)半徑標示為r _u，四內軌弧桿(2o) 半徑標示為r _v 。第i外軌弧桿(3o)弧長標示為α _i，且定義為第i外接軸芯(3a)與第i中接軸芯(3b)之夾角。第i內軌弧桿(2o)弧長標示為β _i，且定義為第i內接軸芯(2a)與第i中接軸芯(3b)之夾角，如圖4。

內框結構(1o)之幾何定義為四面體，外框轉動裝置(4a)之軸芯線須與內框四面體之角心線重合，如圖5。內框四面體之體心標示為，內框四面體之角心線標示為單位向量，內框結構各角心線間夾角標示Ω_ij，如圖5。內框結構若恰為正四面體則其各角心線間之六夾角皆相等約109.5°，即：Ω₁₂=Ω₁₃=Ω₁₄=Ω₂₃=Ω₂₄=Ω₃₄ 109.5°。內框結構若為正四面體因其單一對稱之特性較易於參數設計與運算模擬。但須注意正四面體必然出現四軸共線之奇異現象，故內框設計謹須符合四面體幾何定義不必為正四面體。單組內框式之終端弧桿組合件與內框結構幾何定義，如圖8。中軸內框四面體結構與二組終端承載幾何定義，如圖9。

(1)‧‧‧內框結構組合件

(2)‧‧‧內軌弧桿組

(3)‧‧‧外軌弧桿組

(4)‧‧‧外框結構組合件

(5)‧‧‧終端弧桿組合件

Claims (4)

1. 一種球座標轉向機構，包含：一外框結構組合件，包含數個支架所界定的一外框結構、及四個設置於外框結構預設位置的外框轉動裝置，每個外框轉動裝置的輸出軸線界定出一外框幾何四面體，每個外框轉動裝置的輸出軸線共相交於外框結構一預設的外框結構中心位置；一內框結構組合件，包含數個支架所界定的一內框結構、及四個設置於內框結構預設位置的內框轉動裝置，每個內框轉動裝置的輸出軸線界定出一內框幾何四面體，每個內框轉動裝置的輸出軸線共相交於內框結構一預設的內框結構中心位置，且內框中心位置與外框中心位置重合；一外軌弧桿組，包括四根外軌弧桿，每個軌弧桿的外端，分別以一外接軸芯與外框轉動裝置軸接，且外軌弧桿的內端與一內軌弧桿的外端分別以一中接軸芯軸接，且外接軸芯及中接軸芯常態指向外框結構中心；一內軌弧桿組，包括四根內軌弧桿，各內軌弧桿的內端，分別以一內接軸芯與內框轉動裝置軸接，且內接軸芯常態指向內框結構中心；其中任意兩個外軌弧桿的弧長角度總和大於或等於外框結構相對應的兩角心線夾角之總和，其中任兩內軌弧桿的弧長角度 總和大於或等於內框結構相對應的兩角心線夾角之總和；至少一終端弧桿組，所述終端弧桿組具有一終端弧桿、兩端分別軸接一終端轉動裝置與一終端承載，終端弧桿與任一內軌弧桿共軸裝設於內框結構的一角心線上，使終端弧桿同心運轉於外框結構與各外軌弧桿之間，終端轉動裝置將延伸終端弧桿之軸接端並套穿內接軸芯，以使延伸終端弧桿相對內框結構之端角轉動或固定，終端承載安裝於終端弧桿懸掛端之外側，終端轉動裝置安裝於終端弧桿軸接端之外側而與終端承載徑向軸接，其中終端弧桿的弧長角度小於或等於90度。
2. 一種球座標轉向機構，包含：一外框結構組合件，包含數個支架所界定的一外框結構、及四個設置於外框結構預設位置的外框轉動裝置，每個外框轉動裝置的輸出軸線界定出一外框幾何四面體，每個外框轉動裝置的輸出軸線共相交於外框結構一預設的外框結構中心位置；一內框結構組合件，包含數個支架所界定的一內框結構、及四個設置於內框結構預設位置的內框轉動裝置，每個內框轉動裝置的輸出軸線界定出一內框幾何四面體，每個內框轉動裝置的輸出軸線共相交於內框結構一預設的內框結構中心位置，且內框中心位置與外框中心位置重合；一外軌弧桿組，包括四根外軌弧桿，各外軌弧桿的外端，分別以 一外接軸芯與外框轉動裝置軸接，且外軌弧桿的內端與一內軌弧桿的外端分別以一中接軸芯軸接，且外接軸芯及中接軸芯常態指向外框中心；一內軌弧桿組，包括四根內軌弧桿，各內軌弧桿的內端，分別以一內接軸芯與內框轉動裝置軸接，且內接軸芯常態指向內框結構中心；其中任意兩個外軌弧桿的弧長角度總和大於或等於外框結構相對應的兩角心線來角之總和，其中任意兩個內軌弧桿的弧長角度總和大於或等於內框結構相對應的兩角心線夾角之總和；至少一終端弧桿組，終端弧桿組具有一終端弧桿、兩端分別軸接一終端轉動裝置與一終端承載，終端弧桿與任一外軌弧桿共軸裝設於外框結構的一角心線上，使終端弧桿同心運轉於內框結構與各內軌弧桿之間，終端轉動裝置將延伸終端弧桿之軸接端並套穿外接軸芯，以使延伸終端弧桿相對外框結構之端角轉動或固定，終端承載安裝於終端弧桿懸掛端之內側，終端轉動裝置安裝於終端弧桿軸接端之內側而與終端承載徑向軸接，其中終端弧桿的弧長角度小於或等於90度。
3. 如請求項1或項2之球座標轉向機構，外框結構可設外框托架，外框托架上可設外框酬載；內框結構內可設內框托架，內框托架上可設內框酬載。
4. 如請求項1或項2之球座標轉向機構，內框轉動裝置可為扭力輸出器、角度檢知器；外框轉動裝置可為扭力輸出器、角度檢知器；終端轉動裝置可為扭力輸出器或轉動固定器。