可於多自由度旋轉的同球心關節機構的製作方法

2023-09-13 03:14:25 2

專利名稱：可於多自由度旋轉的同球心關節機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種同球心關節機構，尤指一種可於多自由度旋轉的同 球心關節機構。
背景技術：
一般傳統具有多自由度旋轉功能的機械手臂採用多個電動馬達串接的 方式，以模擬出人類肢體的多自由度運動，然而此種多個電動馬達串接的驅 動方式會在每一個電動馬達旋轉時產生其所各自對應的旋轉軸無法指向同 一旋轉球心的情形，如此一來，不僅會產生額外的力矩，同時亦會導致馬達 之間相對位置的設計在空間配置上佔用較大空間以及在機械手臂運動時馬 達與馬達之間會相互幹涉的問題，上述問題均會在機械手臂運動過程中導致 機械手臂控制難度的上升，因此，為了達到機械手臂容易控制的目的且減少 機械手臂在空間與運動上的幹涉，業界即開始出現關於電磁式同球心多自由 度關節的研究，其為利用電磁感應所造成的磁浮現象，進而以控制磁力方向 的方式來達到機械手臂關節可多自由度運動的目的，然而由於目前尚無法解 決電磁產生裝置體積過大以及當機械手臂受力時所產生的複雜的力學計算 以及磁力方向控制的問題，因此電磁式多自由度關節尚停留在實驗階段，而 無法應用於實際操作上。
發明內容
本實用新型的目的在於，提供一種能降低機械手臂在控制上的難度的可 於多自由度旋轉的同球心關節機構。
本實用新型提供一種可於多自由度旋轉的同球心關節機構，其包含有一 框架； 一可撓性球體，設置於該框架內； 一第一摩擦輪，設置於該框架內且 抵接於該可撓性球體，用來驅動該可撓性球體於一第一方向上旋轉； 一第一 動力裝置，連接於該第一摩擦輪，用來提供動力以驅動該第一摩擦輪旋轉；以及一固定裝置，連接於該框架且抵接於該可撓性球體，用來與該第一摩擦 輪共同固定該可撓性球體於該框架內。
本實用新型的有益技術效果在於，相較於現有技術利用多馬達串接或是 電磁感應的控制方式，本實用新型所提供的同球心關節機構利用可撓性球體 與摩擦輪的配合而允許連動杆在空間中的運動具有同球心多自由度的特性， 如此一來，可避免上述使用多馬達串接的控制方式所產生的馬達幹涉問題以 及使用電磁感應的控制方式所產生的力學計算複雜與磁力方向控制的問題， 進而降低機械手臂在控制上的難度。


圖1為本實用新型同球心關節機構的分解示意圖。
圖2為圖1中的同球心關節機構的組合示意圖。
圖3為圖1中的可撓性球體、第一摩擦輪、第二摩擦輪以及固定裝置的 組裝放大示意圖。
其中，附圖標記說明如下:
IO同球心關節機構
14可撓性球體
18第二摩擦輪
22第二動力裝置
26凸點彈性結構
32滾珠軸承
36導角
12框架 16第-20第一動力裝置 24固定裝置 28、 30條狀突出部 34連動杆
具體實施方式
請參閱圖1以及圖2，圖1為本實用新型較佳實施例的一同球心關節機 構10的分解示意圖，圖2為本實用新型較佳實施例的圖1中的同球心關節 機構10的組合示意圖。由圖1可知，同球心關節機構10包含有一框架12、 一可撓性球體14、 一第一摩擦輪16、 一第二摩擦輪18、 一第一動力裝置20、 一第二動力裝置22，以及一固定裝置24。可撓性球體14可由橡膠材質所組 成，可撓性球體14設置於框架12內，可撓性球體14上形成有多個凸點彈性結構26。第一摩擦輪16設置於框架12內且抵接於可撓性球體14，第一 摩擦輪16用來驅動可撓性球體14於一第一方向(即圖1與圖2所示的X軸 方向)上旋轉，即以一第二方向(即圖1與圖2所示的Y軸方向)為旋轉軸 進行旋轉，第一摩擦輪16上形成有對應多個凸點彈性結構26的多個條狀突 出部28，多個條狀突出部28以平行於第一摩擦輪16的一旋轉軸方向(即圖 1所示的Y軸方向)的方式環繞形成於第一摩擦輪16上，並且每一條狀突 出部28的寬度可實質上等於相鄰凸點彈性結構26的間距(如圖1所示)。 第二摩擦輪18設置於框架12內且抵接於可撓性球體14，第二摩擦輪18用 來驅動可撓性球體14於第二方向上(圖1與圖2所示的Y軸方向)旋轉， 即以該第一方向(即圖1與圖2所示的X軸方向)為旋轉軸進行旋轉，該第 二方向實質上垂直於該第一方向，故可提供兩垂直方向的旋轉自由度，第二 摩擦輪18上亦同樣形成有對應多個凸點彈性結構26之多個條狀突出部30， 多個條狀突出部30以平行於第二摩擦輪18的旋轉軸方向(即圖1所示的X 軸方向)的方式環繞形成於第二摩擦輪18上，並且每一條狀突出部30的寬 度可實質上等於相鄰凸點彈性結構26的間距(如圖1所示)。第一動力裝 置20連接於第一摩擦輪16以及第二摩擦輪18，在此實施例中，第一動力裝 置20為一馬達，其用來提供動力以驅動第一摩擦輪16以及第二摩擦輪18 旋轉。第二動力裝置22連接於框架12，同理，在此實施例中，第二動力裝 置22為一馬達，其可用來驅動框架12以如圖1所示的Z軸為旋轉軸進行旋 轉。固定裝置24連接於框架12且抵接於可撓性球體14，在此實施例中，固 定裝置24包含有三個滾珠軸承32，如圖2所示，所述三個滾珠軸承32以放 射狀排列的方式抵接於可撓性球體14，以此與第一摩擦輪16以及第二摩擦 輪18共同固定可撓性球體14於框架12內，上述滾珠軸承32的數目可不限 於三個，其數量的增減視實際應用而定。此外，由圖1可知，同球心關節機 構另包含有一連動杆34，連動杆34連接於可撓性球體14上，以此使連動杆 34可在可撓性球體14旋轉時與之一同運動，進而模擬出人類肢體的運動。 在下文中，為了表述簡單，用"+"、"-"符號表示相反的旋轉方向， 以X軸為例，表述"以+X軸為旋轉軸進行旋轉"和"以-X軸為旋轉軸進行 旋轉"分別表示以X軸為旋轉軸以不同的旋轉方向(正方向或負方向)進行 旋轉。接下來針對同球心關節機構10的動作流程進行詳細的說明。簡言之， 同球心關節機構10可通過可撓性球體14上的凸點彈性結構26與第一摩擦 輪16以及第二摩擦輪18上的條狀突出部28、 30互相配合的設計來增加主 動輪施予可撓性球體14的旋轉驅動力，並同時降低從動輪與可撓性球體14 之間的摩擦阻力，如此即可改善從動輪與可撓性球體14之間的摩擦阻力部 分抵消主動輪施予可撓性球體14的旋轉驅動力，而造成主動輪對可撓性球 體14的驅動效能下降的情形。舉例來說，請同時參閱圖l、圖2，以及圖3， 圖3為圖1中的可撓性球體14、第一摩擦輪16、第二摩擦輪18以及固定裝 置24的組裝放大示意圖。由圖3可知，三個滾珠軸承32與第一摩擦輪16 以及第二摩擦輪18共同將可撓性球體14固定在如圖3所示的位置上，接下 來，若是欲驅動可撓性球體14在如圖3所示的XZ平面上以-Y軸為旋轉軸 作旋轉擺動，則可啟動如圖2所示的第一動力裝置20以驅動第一摩擦輪16 以+Y軸為旋轉軸進行旋轉(此處第一摩擦輪16可視為主動輪)，此時由於 可撓性球體14的凸點彈性結構26抵接於第一摩擦輪16上相對應的條狀突 出部28，因此第一摩擦輪16上的條狀突出部28就會隨著第一摩擦輪16以 +￥軸為旋轉軸進行旋轉，而開始推壓可撓性球體14的凸點彈性結構26，進 而通過彼此之間的摩擦力帶動可撓性球體14以-Y軸為旋轉軸進行旋轉，而 當第一摩擦輪16驅動可撓性球體14以-Y軸為旋轉軸進行旋轉時，可撓性球 體14上的接觸於第二摩擦輪18的凸點彈性結構26可同時從第二摩擦輪18 (此處第二摩擦輪18可視為被動輪)上的相鄰條狀突出部30的間隙中通過， 也就是說，在使用第一摩擦輪16驅動可撓性球體14在如圖3所示的XZ平 面上且以-Y軸為旋轉軸進行旋轉的過程中，第一摩擦輪16可通過多個條狀 突出部28與可撓性球體14上的多個凸點彈性結構26的推壓而增加與可撓 性球體14之間的摩擦力，進而增加第一摩擦輪16施予可撓性球體14的旋 轉驅動力，而在第一摩擦輪16驅動可撓性球體14以-Y軸為旋轉軸進行旋轉 的同時，第二摩擦輪18則是可利用可撓性球體14上的接觸於第二摩擦輪18 的凸點彈性結構26通過相鄰條狀突出部30的間隙的方式來降低與可撓性球 體14之間的摩擦力，進而減少第二摩擦輪18在可撓性球體14以-Y軸為旋 轉軸進行旋轉時所造成的摩擦阻力，如此即可增加第一摩擦輪16對可撓性 球體14的驅動效能，進而使同球心關節機構10可更加精準地控制可撓性球體14以-Y軸為旋轉軸的旋轉運動。反之，若是欲驅動可撓性球體14在如圖 3所示的XZ平面上以+Y軸為旋轉軸進行旋轉擺動，可啟動如圖2所示的第 一動力裝置20提供反向的動力，以此提供第一摩擦輪16以-Y軸為旋轉軸進 行旋轉的動力，之後動作流程與上述流程相似，故於此不再詳述。
同理，由上述可知，若是欲驅動可撓性球體14在如圖3所示的YZ平面 上以+X軸為旋轉軸進行擺動，則可啟動如圖2所示的第一動力裝置20以驅 動第二摩擦輪18以-X軸為旋轉軸進行旋轉(此處第二摩擦輪18可視為主動 輪)，此時由於可撓性球體14的凸點彈性結構26抵接於第二摩擦輪18上 相對應的條狀突出部30，因此第二摩擦輪18上的條狀突出部30就會隨著第 二摩擦輪18以-X軸為旋轉軸進行旋轉而開始推壓可撓性球體14的凸點彈性 結構26，進而通過彼此之間的摩擦力以帶動可撓性球體14以+X軸為旋轉軸 進行旋轉，而當第二摩擦輪18驅動可撓性球體14以+X軸為旋轉軸進行旋 轉時，可撓性球體14上的接觸於第一摩擦輪16的凸點彈性結構26可同時 從第一摩擦輪16 (此時，第一摩擦輪16可視為被動輪)上的相鄰條狀突出 部28的間隙中通過，也就是說，在使用第二摩擦輪18驅動可撓性球體14 在如圖3所示的YZ平面上且以+X軸為旋轉軸進行旋轉的過程中，第二摩擦 輪18可通過多個條狀突出部30與可撓性球體14上的多個凸點彈性結構26 的推壓而增加與可撓性球體14之間的摩擦力，進而增加第二摩擦輪18施予 可撓性球體14的旋轉驅動力，而在第二摩擦輪18驅動可撓性球體14以+X 軸為旋轉軸進行旋轉的同時，第一摩擦輪16則是可利用可撓性球體14上的 接觸於第一摩擦輪16的凸點彈性結構26通過相鄰條狀突出部28的間隙的 方式來降低與可撓性球體14之間的摩擦力，進而減少第一摩擦輪16在可撓 性球體14往+X軸方向旋轉時所造成的摩擦阻力，如此即可增加第二摩擦輪 18對可撓性球體14的驅動效能，進而使同球心關節機構10可更加精準地控 制可撓性球體14以+X軸為旋轉軸的旋轉運動。反之，若是欲驅動可撓性球 體14在如圖3所示的YZ平面上以-X軸為旋轉軸進行旋轉擺動，可啟動如 圖2所示的第一動力裝置20提供反向的動力，以此提供第二摩擦輪18以+X 軸為旋轉軸進行旋轉的動力，之後動作流程與上述流程相似，故於此不再詳 述。另外，值得注意的是，上述可撓性球體14上的凸點彈性結構以及第一 摩擦輪16與第二摩擦輪18上的條狀突出部為可省略的結構設計，也就是說，第一摩擦輪16與第二摩擦輪18亦可通過直接與可撓性球體14表面接觸的 方式來驅動可撓性球體14旋轉，以起到簡化結構設計的效果。除此之外， 上述的第一摩擦輪16以及第二摩擦輪18亦可同時驅動可撓性球體14進行 旋轉，以此控制可撓性球體14往第一摩擦輪16以及第二摩擦輪18所提供 的旋轉驅動力的合力方向上進行旋轉。
綜上所述，同球心關節機構10可通過可撓性球體14與第一摩擦輪16 以及第二摩擦輪18的配合而允許連動杆34在空間中的運動具有兩個自由 度，再加上第二動力裝置22可驅動框架12以Z軸為旋轉軸進行旋轉，如此 一來，同球心關節機構10就可允許連動杆34在空間中的運動具有三個自由 度，也就是說，同球心關節機構10己可模擬出絕大部分人類肢體所能產生 的運動。
值得一提的是，摩擦輪上的條狀突出部的結構可不限於上述的設計，亦 可利用變更相鄰條狀突出部的間距的方式來增加主動輪施予可撓性球體的 旋轉驅動力，或是變更條狀突出部在摩擦輪上的排列方式來降低被動輪對可 撓性球體的摩擦阻力，舉例來說，相鄰條狀突出部的間隙大小可從如圖l所 示的距離變更為實質上等於每一凸點彈性結構的寬度，以此增加條狀突出部 對每一凸點彈性結構的推力，從而增加主動輪施予可撓性球體的旋轉驅動 力；抑或是上述實施例中的條狀突出部可改以與摩擦輪的旋轉軸方向夾一特 定角度的方式環繞形成於摩擦輪上，即類似一般常見的斜齒輪上的斜齒排列 方式，如此即可降低被動輪與可撓性球體之間的摩擦阻力。
此外，如圖3所示，第一摩擦輪16上的每一條狀突出部28以及第二摩 擦輪18上的每一條狀突出部30的外緣分別形成有一導角36，導角36的作 用以下面的例子來說明。以第一摩擦輪16為主動輪為例，若是在第一摩擦 輪16驅動可撓性球體14旋轉的運動過程中，可撓性球體14上的凸點彈性 結構26無法剛好從第二摩擦輪18上相鄰條狀突出部30的間隙中通過，則 同球心關節機構10即可利用位於條狀突出部30外緣的導角36的平滑結構 設計來降低條狀突出部30對凸點彈性結構26的阻力，以使可撓性球體14 上的凸點彈性結構26仍然可以從條狀突出部30上經過而不被卡住，如此即 可將條狀突出部30與凸點彈性結構26之間的摩擦阻力降至最低。
相較於現有技術利用多馬達串接或是電磁感應的控制方式，本實用新型
10所提供的同球心關節機構利用可撓性球體與摩擦輪的配合而允許連動杆在 空間中的運動具有同球心多自由度的特性，如此一來，不僅可避免上述使用 多馬達串接的控制方式所產生的馬達幹涉問題以及使用電磁感應的控制方 式所產生的力學計算複雜與磁力方向控制的問題，進而降低機械手臂在控制 上的難度，除此之外，本實用新型所提供的同球心關節機構亦可在可撓性球 體以及摩擦輪上分別增設凸點彈性結構以及條狀突出部，進而增加主動輪施 予可撓性球體的旋轉驅動力並同時降低從動輪與可撓性球體之間的摩擦阻 力，如此即可增加摩擦輪對可撓性球體的驅動效能，進而使同球心關節機構 可更加精準地控制可撓性球體的旋轉運動。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型的保護範圍所 做的均等變化與修飾，皆應屬本實用新型的權利要求書所涵蓋的範圍內。
權利要求1. 一種可於多自由度旋轉的同球心關節機構，其特徵在於，包含有一框架；一可撓性球體，設置於該框架內；一第一摩擦輪，設置於該框架內且抵接於該可撓性球體，以驅動該可撓性球體於一第一方向上旋轉；一第一動力裝置，連接於該第一摩擦輪，用來提供動力以驅動該第一摩擦輪旋轉；以及一固定裝置，連接於該框架且抵接於該可撓性球體，以與該第一摩擦輪共同固定該可撓性球體於該框架內。
2. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該可撓性球體上 形成有多個凸點彈性結構。
3. 如權利要求2所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第一摩擦輪上 形成有對應所述多個凸點彈性結構的多個條狀突出部，每一條狀突出部的寬 度實質上等於相鄰凸點彈性結構的間距。
4. 如權利要求3所述的同球心關節機構，其特徵在於，相鄰條狀突出部 的間距實質上等於每一凸點彈性結構的寬度。
5. 如權利要求3所述的同球心關節機構，其特徵在於，所述多個條狀突 出部以平行於該第一摩擦輪的一旋轉軸方向的方式環繞形成於該第一摩擦 輪上。
6. 如權利要求3所述的同球心關節機構，其特徵在於，所述多個條狀突 出部以與該第一摩擦輪的一旋轉軸方向夾一特定角度的方式環繞形成於該 第一摩擦輪上。
7. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該同球心關節機 構還包含有一第二摩擦輪，該第二摩擦輪連接於該第一動力裝置且抵接於該 可撓性球體，以驅動該可撓性球體於一第二方向上旋轉，其中該第一動力裝 置能提供動力以驅動該第二摩擦輪旋轉。
8. 如權利要求7所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第一方向實質 上垂直於該第二方向。
9. 如權利要求7所述的同球心關節機構，其特徵在於，該可撓性球體上 形成有多個凸點彈性結構。
10. 如權利要求9所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第一摩擦輪上 形成有用來推壓所述多個凸點彈性結構以增加該第一摩擦輪對該可撓性球 體的摩擦力的多個條狀突出部，每一條狀突出部的寬度實質上等於相鄰凸點 彈性結構的間距。
11. 如權利要求IO所述的同球心關節機構，其特徵在於，相鄰條狀突出 部的間距實質上等於每一 凸點彈性結構的寬度。
12. 如權利要求IO所述的同球心關節機構，其特徵在於，所述多個條狀 突出部以平行於該第一摩擦輪的一旋轉軸方向的方式環繞形成於該第一摩 擦輪上。
13. 如權利要求IO所述的同球心關節機構，其特徵在於，所述多個條狀 突出部以與該第一摩擦輪的一旋轉軸方向夾一特定角度的方式環繞形成於 該第一摩擦輪上。
14. 如權利要求IO所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二摩擦輪 上形成有多個條狀突出部，當該第一摩擦輪驅動該可撓性球體於該第一方向 上旋轉時，該可撓性球體上的接觸於該第二摩擦輪的凸點彈性結構能自該第 二摩擦輪上的相鄰條狀突出部的間隙中通過。
15. 如權利要求14所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二摩擦輪 的每一條狀突出部的寬度實質上等於相鄰凸點彈性結構的間距。
16. 如權利要求14所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二摩擦輪 的相鄰條狀突出部的間距實質上等於每一凸點彈性結構的寬度。
17. 如權利要求14所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二摩擦輪 的多個條狀突出部以平行於該第二摩擦輪的一旋轉軸方向的方式環繞形成 於該第二摩擦輪上。
18. 如權利要求14所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二摩擦輪 的多個條狀突出部以與該第二摩擦輪的一旋轉軸方向夾一特定角度的方式 環繞形成於該第二摩擦輪上。
19. 如權利要求14所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第一摩擦輪 上的每一條狀突出部以及該第二摩擦輪上的每一條狀突出部的外緣分別形成有一導角。
20. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該同球心關節機 構還包含有一第二動力裝置，該第二動力裝置連接於該框架，以驅動該框架 於一第三方向上旋轉。
21. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該同球心關節機構還包含有一連動杆，該連動杆連接於該可撓性球體上。
22. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該可撓性球體為 橡膠材質的可撓性球體。
23. 如權利要求l所述的同球心關節機構，其特徵在於，該固定裝置包含 多個滾珠軸承，所述多個滾珠軸承以放射狀排列的方式抵接於該可撓性球 體。
24. 如權利要求1所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第一動力裝置 為一馬達。
25. 如權利要求20所述的同球心關節機構，其特徵在於，該第二動力裝 置為一馬達。
專利摘要一種可於多自由度旋轉的同球心關節機構，包含有一框架、一可撓性球體、一第一摩擦輪、一第一動力裝置，以及一固定裝置。該可撓性球體設置於該框架內。該第一摩擦輪設置於該框架內且抵接於該可撓性球體，用來驅動該可撓性球體於一第一方向上旋轉。該第一動力裝置連接於該第一摩擦輪，用來提供動力以驅動該第一摩擦輪旋轉。該固定裝置連接於該框架且抵接於該可撓性球體，用來與該第一摩擦輪共同固定該可撓性球體於該框架內。本實用新型的同球心關節機構可避免使用現有多馬達串接的控制方式所產生的馬達幹涉問題以及使用電磁感應的控制方式所產生的力學計算複雜與磁力方向控制的問題，進而降低機械手臂在控制上的難度。
文檔編號B25J17/00GK201249447SQ20082013085
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月28日 優先權日2008年7月28日
發明者榮必彰 申請人:微星科技股份有限公司