TWI623345B - 弧桿組合機構 - Google Patents

Abstract

本發明案是一種弧桿組合機構，本案承襲前案所定義之二組幾何四面體結構之其中一組，拆分為各自獨立的二幾何弧形所各自構建成的二端框結構，另一組幾何四面體結構，本案保留原幾何定義。相較原單一幾何四面體，各自獨立的二幾何弧形減少約束牽絆，可擴大機構運動空間。

Description

弧桿組合機構

本發明是一種弧桿組合機構由十二軸幾何構建且可依循球座標運動操控，可應用於多軸複合加工中心機或多次元檢測量床，亦可應於機械人的肩關結或髖關結。

本案乃參考本案申請人的前案，已領取USPTO所核發的發明專利證書，證書號US8579714B2/公開號US20120083347A1。本案新增特徵乃將前案所定義，二組幾何四面體結構之其中一組，拆分為各自獨立的二幾何弧形所各自構建成的二終端結構，另一組幾何四面體結構，本案保留原幾何定義。相較原單一幾何四面體，各自獨立的二幾何弧形減少約束牽絆，可擴大機構運動空間，亦可增加機構酬載量，使此新增特徵將可更大幅擴增弧桿組合機構之應用領域。

本案為一種弧桿組合機構，包含：一組基框組、二組終端組及四組弧桿組。

一組基框組，每組基框組包含由數個弧框組成之一基框結構0c及安裝於該基框結構0c之四組基框轉動元件0a，該基框 結構0c上具有四端角可定義一基框幾何四面體，界定該四組基框轉動元件0a的輸出軸線，標示為單位向量 U _i ，其中 i=1~4 ，分別與該基框幾何四面體的四角心線重合，且此四角心線向心交會於基框結構0c中心。基框結構0c固裝四組基框轉動元件0a，每件基框轉動元件0a包含軸芯。基框結構0c之幾何軌道半徑標示為 r ₀ ，任二基框幾何四面體的角心線間的夾角，幾何標示為 Λ _ij =ArcCos(U _i ˙U _j ) ，其中 i≠j 。任二基框幾何四面體的角心線間之夾角皆大於75度且小於150度，即： 75°<Λ _ij <150° 。

根據前案揭露，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： Λ ₁₂ =Λ ₁₃ =Λ ₁₄ =Λ ₂₃ =Λ ₂₄ =Λ ₃₄ ≒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。

二組終端組，每組終端組包含一終端結構3c及安裝於該終端弧桿之二終端轉動元件3a，該終端弧桿上具有二端角可定義一終端幾何弧形，界定該二終端轉動元件3a的輸出軸線分別與該終端幾何弧形的二角心線角心線重合，且此二角心線向心交會於基框結構0c中心，以使該終端組環軌同心繞轉，終端結構3c之幾何軌道半徑標示為 r ₃ 。

第一終端幾何弧形的二角心線，分別標示為單位向量 V ₁ 及 V ₂ ，第一終端幾何弧形的二角心線間之夾角，幾何標示為 δ _h =ArcCos(V ₁ ˙V ₂ ) 。第二終端幾何弧形的二角心線，分別標示為單位向量V ₃ 及V ₄ ，第二終端幾何弧形的二角心線間之夾角，幾何標示為 δ _g =ArcCos(V ₃ ˙V ₄ ) 。

每組終端幾何弧形的二角心線間之夾角皆大於75度且小於150度，即： 75°<δ _h <150° 及 75°<δ _g <150° 。終端結構3c幾何定義如圖6、圖7。任二終端幾何弧形的角心線間之夾角皆大於75度且小於150度。終端結構3c上可設終端托架3b或終端承載3e。

四組弧桿組，每組弧桿組包括一件第一軌弧桿1c、一件第二軌弧桿2c及一件中接轉動元件12，每件中接轉動元件12包含軸芯，該第一軌弧桿1c之一端與該第二軌弧桿2c之一端以該中接轉動元件12軸接，該第一軌弧桿1c之另一端與一基框轉動元件0a軸接，該第二軌弧桿2c之另一端與一終端轉動元件3a軸結。中接轉動元件12的輸出軸線，標示為單位向量 W _i ，其中 i=1~4 ，常態指向該基框中心，以使該弧桿組環軌同心繞轉於該基框結構0c與二組終端結構3c之間。第一軌弧桿1c之幾何軌道半徑標示為 r ₁ ，第二軌弧桿2c之幾何軌道半徑標示為 r ₂ 。第一軌弧桿1c弧長定義為基框轉動元件0a的輸出軸線與中接轉動元件12的輸出軸線之夾角，幾何標示為 α _i =ArcCos(U _i ˙W _i ) 。第二軌弧桿2c弧長定義為終端轉動元件3a的輸出軸線與中接轉動元件12的輸出軸線之夾角，幾何標示為 β _i =ArcCos(V _i ˙W _i ) 。

四組弧桿組共有十二軸，分別經由四組基框轉動元件0a、四中接轉動元件12及四終端轉動元件3a，使此十二軸扭力得以並聯且串聯整合輸出。參考前案所提示的各種奇異現象與其因應的幾何限制。任二基框幾何四面體的角心線間之夾角小於或等於相對應之二件第一軌弧桿1c弧長之和，即： Λ _ij α _i +α _j ，其中 i≠j 。任一終端幾何弧形的二角心線間之夾角小於或等於相對應之二件第二軌弧桿2c弧長之和，即： δ _h β ₁ +β ₂ 或 δ _g β ₃ +β ₄ ，如圖6、7。

根據前案揭露，曾經詳細解析弧桿組之幾何意義：「同一弧桿組之第一軌與第二軌弧桿的弧長角度和小於或等於180°，否 則失去幾何意義，即： α _i +β _i 180°」。然而此解析說明可能致使惡意侵權者規避，刻意將同一弧桿組之二弧桿間的弧長角度和稍略大於180度，且由於180°之臨界正負公差難以精密量測，易使侵權者利用些微的角度差惡意規避。故本案未再將前按此善意解析之幾何意義納入弧桿組之權利要求範圍。

基框結構0c之設計可分為閉環式或開環式。閉環式設計以強化剛性避免振動或變形。開環式設計以避免四組弧杆組可能的運轉干涉。因此基框結構0c可區分為三種設計樣態，設計樣態一如圖3、設計樣態二如圖4及設計樣態三如圖5。

本案之各式轉動元件，基框轉動元件0a可由扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一。中接轉動元件12可由扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一。終端轉動元件3a可由扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一。上述的扭力輸出器可為馬達或油壓旋轉缸等。

本案新增特徵乃將前案所定義，二組幾何四面體結構之其中一組，拆分為各自獨立的二幾何弧形所各自構建成的二終端結構3c，另一組幾何四面體結構，本案保留原幾何定義。相較原單一幾何四面體，各自獨立的二幾何弧形減少約束牽絆，可擴大機構運動空間，亦可增加機構酬載量，使此新增特徵將可更大幅擴增弧桿組合機構之應用領域。

本發明之實施例可分為內向構型與外向構型，分述如下：

內向構型：基框結構0c之軌道半徑「大於」終端結構3c之軌道半徑，即： r ₀ >r ₃ ，且各第一軌弧桿1c之軌道半徑「大於」各第二軌弧桿2c之軌道半徑，即： r ₁ >r ₂ 。終端承載3e可裝設固持裝置，例如工具機的夾持模組，可應用於多軸複合加工中心機或多次元檢測量床。內向弧桿組合機構的實施例，如圖8~圖9。

外向構型：基框結構0c之軌道半徑「小於」終端結構3c之軌道半徑，即： r ₀ <r ₃ ，且各第一軌弧桿1c之軌道半徑「小於」各第二軌弧桿2c之軌道半徑，即： r ₁ <r ₂ 。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。外向弧桿組合機構的實施例，如圖1~圖2。

0c‧‧‧基框結構

0a‧‧‧基框轉動元件

1c‧‧‧第一軌弧桿

2c‧‧‧第二軌弧桿

12‧‧‧中接轉動元件

3c‧‧‧終端結構

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 (4)

1. 一種弧桿組合機構，包含：一組基框組，該基框組包含由數個弧框組成之一基框結構及安裝於該基框結構之四件基框轉動元件，該基框結構上具有四端角可定義一基框幾何四面體，界定該四件基框轉動元件的輸出軸線分別與該基框幾何四面體的四角心線重合，且此四角心線向心交會於基框結構中心，其中基框幾何四面體的任二角心線間之夾角皆大於75度且小於150度；二組終端組，每組終端組包含一終端結構及安裝於該終端結構之二終端轉動元件，該終端結構上具有二端角可定義一終端幾何弧形，界定該二終端轉動元件的輸出軸線分別與該終端幾何弧形的二角心線重合，且此二角心線向心交會於基框結構中心，以使該終端組環軌同心繞轉，其中任二終端幾何弧形的角心線間之夾角皆大於75度且小於150度；及四組弧桿組，每組弧桿組包括一件第一軌弧桿、一件第二軌弧桿及一中接轉動元件，該第一軌弧桿之一端與該第二軌弧桿之一端以該中接轉動元件軸接，該第一軌弧桿之另一端與一基框轉動元件軸接，該第二軌弧桿之另一端與一終端轉動元件軸結，且中接轉動元件的輸出軸線常態指向該基框結構中心，以使該弧桿組環軌同心繞轉於該基框結構與該二終端結構之間，其中基框幾何四面體的任二角心線間之夾角小於或等於相對應之二件第一軌弧桿弧長之和，其中任一終端之二終端幾何弧形的角心線間之夾角小於或等於相對應之二件第二軌弧桿弧長之和。
2. 如請求項1所述的機構，其中每組終端組於該終端結構的 相對第二軌弧桿之反向端側可加安置終端托架或裝設終端承載。
3. 如請求項1所述的機構，其中該基框轉動元件為扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一，該終端轉動元件為扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一，該中接轉動元件為扭力輸出器、角度檢知器、軸芯與軸承所組合或三者之一。
4. 如請求項1所述的機構，其中該基框組之基框結構可為閉環式設計以強化剛性避免振動或變形，或開環式設計以避免可能的轉動干涉。