球坐标转向机构的制作方法

1.本发明是一种机构由十二轴几何构建且可依循球坐标运动操控，可应用于多轴复合加工中心机或多次元检测量床或极限运动仿真器之运转平台，亦可应于机械人的肩关结或髋关结。


背景技术：

2.本案乃参考本案申请人之三件前案，第一前案(us8579714b2)、第二前案(us9579786b2,ep2863102,cn104511904a,特愿jp2014-196071)证及第三前案(us9851045b2,ep3196532,cn107030682b,特愿jp2017-005465)
3.本案承袭三件前案之十二轴几何构型，使此十二轴扭力得以经由四组弧杆组并联且串联整合输出，第一前案提示各种奇异现象与其因应的几何限制。第二前案二型基本环轨设定。第三前案新增特征：将二组几何四面体结构之其中一组，拆分为各自独立的二几何弧形所各自构建成的二端框结构，另一组几何四面体结构，保留原几何定义。
4.本案承袭三件前案新增特征：四组弧杆组通过新增时规皮带及齿轮等传动组件，以使基接驱动模块1m能同步转动基接弧杆1c，并使端接驱动模块2m能同步转动端接弧杆2c。原则上，本案图页说明及组件序号皆延用第三前案，以便简易剖析对比差异。但是相较第三前案之明显差异，本案又特别新增图3c、图4c、图5c及图6c。


技术实现要素：

5.本发明提供一种十二轴机构，包含：一组基框组、二组端框组、四组弧杆组、至少一组基接驱动组、至少一组端接驱动组及至多二组曲柄组。上述十二轴机构之至多二组曲柄组，至多二组指可为二组、一组或不含曲柄组。本发明将至多二组之实施例列举为独立权利要求1。但为使明确周延，本发明遂将不含曲柄组之实施例，增列独立权利要求8，权利要求8仍包含一组基框组、二组端框组、四组弧杆组、至少一组基接驱动组及至少一组端接驱动组。
6.为让本发明之目的、特征和优点更能明显易懂，下文将详述各组合件之几何定义及设计规范与参数限制，最后提供实施例并配合所附图式，作详细说明如下。需注意的是，所附图式中的各模块仅是示意，并未按照各模块的实际比例进行绘示。
附图说明
7.图1a～图1b为基框结构之设计样态一的几何定义图与立体视图。
8.图2a～图2b为基框结构之设计样态二的几何定义图与立体视图。
9.图3a～图3c为基框结构之设计样态一的几何定义图与立体视图。
10.图4a～图4c为基框结构之设计样态二的几何定义图与立体视图。
11.图5a～图5c为弧杆组之环轨设定一的几何定义图与立体视图。
12.图6a～图6c为弧杆组之环轨设定二的几何定义图与立体视图。
13.图7a～图7b为弧杆组之环轨设定一的几何定义图与立体视图。
14.图8a～图8b为弧杆组之环轨设定二的几何定义图与立体视图。
15.图9a～图9b为曲柄组之样态一的几何定义图与立体视图。
16.图10a～图10b为曲柄组之样态二的几何定义图与立体视图。
17.图11a～图11c为第一实施例之三视图由弧杆组之环轨设定一配装单曲柄组。
18.图12a～图12c为第二实施例之三视图由弧杆组之环轨设定二配装单曲柄组。
19.图13a～图13c为第三实施例之三视图由弧杆组之环轨设定一配装双曲柄组。
20.图14a～图14c为第四实施例之三视图由弧杆组之环轨设定二配装双曲柄组。
21.图15a～图15c为第五实施例之三视图由弧杆组之环轨设定一无配装曲柄组。
22.图16a～图16c为第六实施例之三视图由弧杆组之环轨设定二无配装曲柄组。
23.附图序号说明：
24.基框转动模块0a、基框转动模块0a之外管轴0a1、基框转动模块0a之内管轴0a2、基框结构0c、基接弧杆1c、基接驱动齿轮1g、基接从动齿轮1h、基接驱动模块1m、弧杆转动模块2a、时规皮带2b、端接弧杆2c、端接驱动齿轮2g、端接从动齿轮2h、端接驱动模块2m、基接皮带轮2p、端接皮带轮2q、同步惰轮2z、曲柄转动模块3a、弧形曲柄3c、曲柄承载3s、端框转动模块4a、端框结构4c及端框酬载4s。
具体实施方式
25.本案为一种机构由十二轴几何构建且可依循球坐标运动操控，包含：一组基框组、二组端框组、四组弧杆组、至少一组基接驱动组、至少一组端接驱动组及至多二组曲柄组。
26.基框组包含由数个弧框组成之一基框结构0c及安装于该基框结构0c之四基框转动模块0a，每一基框转动模块0a包含：外管轴0a1与内管轴0a2，使该基框转动模块0a之外管轴0a1与内管轴0a2同轴转动，外管轴0a1区分为驱动端及从动端，内管轴0a2区分为驱动端及从动端；该基框结构0c上具有四端角可定义一基框几何四面体，界定该四基框转动模块0a的输出轴线，标示为单位向量ui，其中i＝1～4，分别与该基框几何四面体的四角心线重合，且此四角心线向心交会于基框结构0a中心点。基框结构0c固装四基框转动模块0a，任二基框转动模块0a的输出轴线间的夹角，几何标示为λ
ij
＝arccos(ui·
uj)，其中i≠j。任二基框转动模块0a输出轴线间之夹角皆大于75度且小于150度，即：75
°
《λ
ij
《150
°
。基框结构几何定义如图1a、图2a、图3a及图4a。
27.根据第一前案揭露，基框结构0c的几何定义若为正四面体，因其单一对称的特性较易于参数设计与运算模拟。如此则基框结构0c的各角心线间的六夹角皆相等约109.5
°
，即：λ
12
＝λ
13
＝λ
14
＝λ
23
＝λ
24
＝λ
34
≒109.5
°
。第一前案已经明确提示且具体分析需注意正四面体最易发生奇异现象，故为避免奇异，基框结构0c的几何定义不必为正四面体。
28.二组端框组，每组端框组包含一端框结构4c及安装于该端框结构4c之二端框转动模块4a，该端框结构4c上具有二端角可定义一端框几何弧形，界定该二端框转动模块4a的输出轴线分别与该端框几何弧形的二角心线角心线重合，且此二角心线向心交会于基框结构中心点，以使该端框组环轨同中心点绕转。基框结构0c之几何轨道半径标示为r0，如图1a及图2a。端框结构4c之几何轨道半径标示为r4，如图7a及图8a。
29.第一组端框结构上二端框转动模块4a之输出轴线，标示为单位向量v1及v2，该二端
框转动模块4a之二输出轴线间夹角，几何标示为λ
12
＝arccos(v1·v2
)。第二组端框结构上二端框转动模块0a之输出轴线，标示为单位向量v3及v4，该二端框转动模块0a之二输出轴线间夹角，几何标示为λ
34
＝arccos(v3·v4
)。
30.每组端框组之端框转动模块4a的二输出轴线间夹角皆大于75度且小于150度，即：75
°
《λ
12
《150
°
及75
°
《λ
34
《150
°
。端框结构几何定义如图5a、图6a、图7a及图8a。
31.二组端框组，每组端框组可加安置一端框承载座4s于该端框结构2c之端接弧杆2c反向端侧，以装设酬载物。其中端框承载座4s可是力臂伸缩的举升机构，如气压缸、油压缸或电动螺旋杆，可应用于机械人的肩关结或髋关结。
32.四组弧杆组，每组弧杆组包含一基接弧杆1c、一端接弧杆2c、一弧杆转动模块2a、一基接皮带轮2p、一端接皮带轮2q、一时规皮带2b、及至少一对同步惰轮2z；该基接弧杆可区分为基接端与端接端，该端接弧杆可区分为基接端与端接端，该基接弧杆1c之端接端与该端接弧杆2c之基接端经由该弧杆转动模块2a共轴转动，使该基接弧杆1c基接端同轴锁固于该基框转动模块0a之内管轴0a1驱动端。该端接弧杆2c之端接端与一端框转动模块4a共轴转动。
33.弧杆转动模块2a的输出轴线，标示为单位向量wi，其中i＝1～4，常态指向该基框中心点，以使该弧杆组环轨同中心点绕转于该基框结构0c与二组端框结构4c之间。基接弧杆1c之几何轨道半径标示为r1，端接弧杆2c之几何轨道半径标示为r2。
34.四组弧杆组共有十二轴，分别经由四基框转动模块0a、四弧杆转动模块2a及四端框转动模块4a，使此十二轴扭力得以并联且串联整合输出。
35.基接弧杆1c弧长定义为基框转动模块0a与弧杆转动模块2a的夹角，几何标示为αi＝arccos(ui·
wi)。端接弧杆2c弧长定义为端框转动模块4a与弧杆转动模块2a的夹角，几何标示为βi＝arccos(vi·
wi)。
36.参考第一前案所提示的各种奇异现象与其因应的几何限制。任二基框转动模块0a输出轴线间之夹角小于或等于相对应之二基接弧杆1c弧长之和，即：λ
ij
≤αi αj，其中i≠j。任一端框之二端框转动模块4a输出轴线夹角小于或等于相对应之二端接弧杆2c弧长之和，即：λ
12
≤β1 β2或λ
34
≤β3 β4。
37.本案仍承袭二件前案之十二轴几何构型，如何避免十二轴机构互相干涉与奇异现象是一重要课题，本案参考第一前案所提示的各种奇异现象与其因应的几何限制。
38.综合前述之弧杆组环轨同中心点绕转于该基框结构0c与二组端框结构4c之间，及上述之使同一弧杆组之基接弧杆1c与端接弧杆2c同中心点绕转于同一几何轨道，本案区分为二型环轨设定。环轨设定一型：基框结构0c之轨道半径「大于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「大于」各端接弧杆2c之轨道半径，即：r0》r1》r2》r4，如图7a～图7b。环轨设定二型：基框结构0c之轨道半径「小于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「小于」各端接弧杆2c之轨道半径，即：r0《r1《r2《r4，如图8a～图8b。
39.使该基接皮带轮2p同轴锁固于基框转动模块0a之内管轴0a2驱动端；使该端接皮带轮2q同轴锁固于该端接弧杆2c之基接端，且使该端接皮带轮2q同轴连接于弧杆转动模块2a；使该至少一对同步惰轮2z分别轴承于该基接弧杆1c之杆侧两面，并使该至少一对同步惰轮2z之轮沿不超出该基接弧杆1c之杆弧外沿；使该时规皮带2b之一端与该基接皮带轮2p啮合转动，且使该时规皮带2b之另一端与该端接皮带轮2q啮合转动，并通过该至少一对同
步惰轮2z调整该时规皮带2b之方向及张紧度；以使该基接皮带轮2p通过该时规皮带2b驱动该端接皮带轮2q，同步转动该端接弧杆2c；如图3c、图4c、图5c及图6c。
40.至少一组基接驱动组包含一基接驱动模块1m、一基接驱动齿轮1g及一基接从动齿轮1h。依据预设之齿轮减速比，选配基接驱动齿轮1g与基接从动齿轮1h；使该基接驱动齿轮1g锁固于该基接驱动模块1m之出力轴端；使该基接从动齿轮1h同轴锁固于该基框转动模块0a之外管轴0a1之从动端；使该基接驱动齿轮1g与该基接从动齿轮1h之轴心距为该二齿轮基准半径和，使该基接驱动齿轮1g与该基接从动齿轮1h对齿啮合，以使该基接驱动模块1m通过该基接驱动齿轮1g同步转动该基接从动齿轮1h；如图3b及图4b。
41.基接驱动齿轮1g与基接从动齿轮1h之轴心距可以为零，亦即基接驱动齿轮1g与基接从动齿轮1h可以省略不计，以使基接驱动模块1m同轴锁固于基框转动模块0a之外管轴0a1从动端。
42.至少一组端接驱动组包含一端接驱动模块2m、一端接驱动齿轮2g及一端接从动齿轮2h。依据预设之齿轮减速比，选配端接驱动齿轮2g与端接从动齿轮2h；使该端接驱动齿轮2g锁固于该端接驱动模块2m之出力轴端，使该端接从动齿轮2h同轴锁固于该基框转动模块0a之内管轴0a2从动端；使该端接驱动齿轮2g与该端接从动齿轮2h之轴心距为该二齿轮基准半径和，使该端接驱动齿轮2g与该端接从动齿轮2h对齿啮合，以使该端接驱动模块2m通过该端接驱动齿轮2g同步转动该端接从动齿轮2h；如图5b及图6b。
43.端接驱动齿轮2g与端接从动齿轮2h之轴心距可以为零，亦即端接驱动齿轮2g与端接从动齿轮2h可以省略不计，以使该端接驱动模块2m同轴锁固于该基框转动模块0a之内管轴0a2从动端。
44.至多二组曲柄组，每组曲柄组包含一弧形曲柄3c及一曲柄转动模块3a，该弧形曲柄3c之一端固装一延伸杆相对于基框结构0c之反侧向心延伸，该延伸杆之延伸线，标示为单位向量ni，其中i＝1～2。该弧形曲柄3c之另一端与基接弧杆1c之一端共轴套装于一基框转动模块1a，以使该弧形曲柄3c可环轨同中心点绕转。该曲柄转动模块3a与该基框转动模块0a共轴转动，该曲柄转动模块3a可适时驱动该弧形曲柄3c以回避基框结构0c与任一基接弧杆1c可能干涉。弧形曲柄3c弧长定义为基框转动模块0a与弧形曲柄3c之输出轴线的夹角，几何标示为δi＝arccos(ui·
ni)，其中i＝1～2。该弧形曲柄3c弧长小于或等于90度，即：δi≤90
°
，其中i＝1～2。转动模块曲柄组之几何定义如图9a及图10a。
45.每组曲柄组可加安置一曲柄承载座3s于该弧形曲柄3c之延伸杆相对于基框结构0c之反侧，以装设酬载物。其中承载座3s可是固持装置，例如工具机的夹持模块，可应于多轴复合加工中心机或多次元检测量床。
46.经由模拟验证，两组以上之曲柄组极易与基框结构或弧杆组干涉，运动空间受限致使应用效益大减。两组曲柄组之工作空间略有受限但可接受，因为可共同稳定夹持酬载物，单组曲柄组之工作空间又较加大，但单悬挂夹持易引振动。
47.完全不设曲柄组，则运动空间相对不受限则，此时机构内虽无曲柄承载座3s但仍可由端框承载座4s装设酬载物。所以二组以下曲柄组之配置各有适用领域，故本案「至多二组」曲柄组，区分二样态，以使至多二组曲柄组共轴转动基框组，如图9a～图9b及图10a～图10b。
48.关于本案之基框结构0c之设计可分为封闭式或开环式。封闭式设计以强化刚性避
免振动或变形。开环式设计以避免可能干涉弧杆组或曲柄组的运转。
49.关于本案之各式转动模块，基框转动模块0a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。弧杆转动模块2a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。端框转动模块4a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。曲柄转动模块3a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。该基框转动模块1a扭力输出器之受驱物可为基接弧杆1c，该弧杆转动模块2a扭力输出器之受驱物可为基接弧杆1c或端接弧杆2c，端框转动模块4a之受驱物可为端接弧杆4c，该曲柄转动模块3a扭力输出器之受驱物可为弧形曲柄3c。
50.本案可以六实施例示范，第一实施例由弧杆组之环轨设定一配装单曲柄组，如图11a～图11c。第二实施例由弧杆组之环轨设定二配装单曲柄组，如图12a～图12c。第三实施例由弧杆组之环轨设定一配装双曲柄组，如图13a～图13c。第四实施例由弧杆组之环轨设定二配装双曲柄组，如图14a～图14c。第五实施例由弧杆组之环轨设定一无配装曲柄组，如图15a～图15c。第六实施例由弧杆组之环轨设定二无配装曲柄组，如图16a～图16c。
51.上述实施例仅是为了方便说明而举例，虽遭所属技术领域的技术人员任意进行修改，均不会脱离如权利要求书中所欲保护的范围。