TWI361747B - Concentric joint mechanism capable of rotating in multiple degrees of freedom - Google Patents

Description

1361747 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】

本發明係關於-種_心關節機構，尤指—種可於多自由度旋 轉之同球心關節機構。 X 【先前技術】 一般傳統具有多自由度旋轉功能的機械手臂係採用多顆電動 馬達串接的方式，藉賴擬出人類肢體的多自 ^多顆電動馬達串接之驅動方式會在每-顆電動馬達_時2 =所各自對應之旋轉軸係無法指向同—旋轉球心的情形，如此一 會產生額外的力矩’騎亦會導致馬叙_對位置的 ϋ門γΓ置上佔用較大空間以及在機械手臂運動時馬達與馬 達之間會相互干涉的問題，上述之問題均 中導致機械手臂控制難度的上升，因此，;、幸^ ， 控制之目_少顧手臂在空_動上的干涉 =====自她象狀，其輸_= ，‘厅以成的磁祕象’進而以控伽力 臂關節可多自由度運動的目的，絲由於目前私法械手 ==之問題，_式多自由度關節二 驗p白段，而無法應用於實際操作上。 ^在貫 1361747 【發明内容】 本發明係提供一種可於多自由度旋轉之同球心關節機構，其包 含有一框架；一可撓性球體，設置於該框架内；一第一摩擦輪， 設置於該框架内且域魏可撓絲體，絲驅動該可撓性球體 於-第-方向上旋轉；―第—動力裝置，連接於該第—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 於該框架聰接於該可撓性球體，用來與該第—摩擦輪共同固定 該可撓性球體於該框架内。 【實施方式】 請參閱第1圖以及第2圖，第i圖為本發明較佳實施例一阳 關玲機構10之爆炸示意圖，第2圖為本發明較佳實施例第1 ^ 之同球心關節機構10之組合示意圖。由第i圖可知，同球心戰 機構1〇包含有—框架12、一可撓性球體14、-第-摩擦輪16、 :第=摩擦輪18、-第—動力裝置2〇、—第二動力震置&以石 一固定裝置24。可撓性賴14係可由娜材飾組成， 體14係設置於框架12内，可撓性球體14上係形成有複數個凸黑 彈性結構26。第-雜輪16狀細_ 12内絲接於可触 球體14，第-雜輪16伽來驅動可撓性球體㈣ (即第i _第2圖所示之χ軸方向）上旋轉，意即以^ 向麼(即第1_2_示之γ軸方向）為旋難進行旋轉:t 摩擦輪16上係形成有對應複數個凸點彈性結構％之 狀突出部28，複數個條狀突出部28係以平行於第一摩擦輪16 : 6 1361747 一旋轉軸方向（即第丨圖所示之¥ -摩擦輪16上並且每一條狀突出部：==於第 ^(^.1 動4肺㈣_接於可概物14，帛二摩擦輪Μ係用來驅 動可撓性球體14於該第二方向上（ 乎用德

方向）旋轉，意即以該第-方向（即第i 騎示之W 方向）為旋轉軸進行_ I第2圖所示之x轴 神斯T娜料—方向係實質上垂直於該第 向=可提供兩垂鳩之旋轉自由度，第二摩擦輪π m搶複數個凸點彈性結構26之複數個條狀突出部30，複數 個條狀突出㈣伽平行於第二雜輪18之雜财向1 圖所示之X轴方向）之方式環繞形成於第二摩檫輪18上並且每— 條狀突出部3〇之寬度射實f上等於_凸點雜結構26之間 距,(如第1圖所示）令動域置2G係連接於第—摩擦輪16以 及第二摩擦輪18，在此實施财，第—動力裝置㈣為一馬達， 其係二來提供動力以驅動第一摩擦輪16以及第二摩擦輪Μ旋 轉。第二動力裝置22係連接於框帛12，同理，在此實施例中，第 -動力裝置22係為一馬達，其係可用來驅動框架12以如第^圖 所不之Z軸為旋轉轴進行旋轉。固定裝i 24係連接於框架12且 抵接於可紐球體Μ ’在此實關巾，蚊裝置％包含有三個滚 珠軸承32 ’如第2圖所示，此三個滾珠轴承32係以放射狀排列之 方式抵接於可撓性球體14，藉以與第一摩擦輪16以及第二摩檫輪 18共同固定可撓性球體14於框架12内，上述滾珠軸承％之數目" 係可不限於二個’其數量之增減端視實際應用而定。此外，由第1 1361747 、®可知，同球心關節機構另包含有_連動捍3 於可換性球體Μ上，藉以使連動桿34可=動杯34係連接 與之一同運動，進而模擬出人類肢體的運動/球體14旋轉時 接^來係針對同球心關節機構1〇.之作動 ^1；" ? 10 ^生構26與第—摩擦輪16以及第二摩擦輪Μ上之條狀突出 口、〇互相配合之設計來増加主動輪施 ^ 轉驅動力並同時降低被動輪射撓性球體14之門=^ 14之旋 此即可改善被動輪與可撓性球體14 曰的摩擦阻力，如 輪施予可撓性球體！4之旋轉驅動力，而、止部分抵鐵主動 Η之驅峨T_情形。 ^ =可繞性球體 圖’_圖，第 第二摩擦輪心繼24之嫩m、 :广珠_與第-摩_以及第二摩二： 固定可撓性球體14在如第3圖所 厚擦輪18共问 動可撓性球體Μ在如第3圖所示之 下 為旋雜進行 ： 第—摩擦輪16上相對廡之餘〜 冉η抵接於 之條狀突出”狀^部2S，因此第—摩擦輪16上 條狀4视錄縣帛—麵輪16糾 轉，而開始推射撓性球體〗4之凸點彈性結構26，進3由進= 1J01/47 Z的摩擦力,χ帶動可撓性賴14 旋轉減行旋轉，而 f —摩擦輪16驅動可繞性球體14以_丫軸為旋轉抽進行旋轉 可紐球體14上之接觸於第二摩擦輪18之凸點彈性結構26 糸可同時從第二摩擦輪18 (此處第二摩檫輪Μ係可視為被動輪) ^之相鄰條狀突出部3G之間隙中通過，也就是說，在使用第-摩 木輪16驅動可繞性球體14在如第3圖所示之紅平面上且以γ 2^轉_彳爾_針’第—雜輪16射透職數個條 狀犬出部28與可德性球體14上之複數個凸點彈性結制之減 ^加^可難_ 14 縣力，㈣加第—雜輪Μ :可撓性_ 14之旋轉鶴力，而在第—摩擦輪％驅動可繞 =體Η以外為旋轉軸進行旋轉的同時，第二縣輪Μ則是 撓性球體14上之接觸於第二摩擦輪18之卿性結構 =過之_:的方絲降低射撓性球體Μ ^的摩擦力’進而減少第二摩擦輪18在可撓性球體Μ以丫軸 為方疋轉軸進行旋轉時所造雜阻力，如騎可增加第 m對可撓性球體14的驅動效能，進而使同球心關節機構10 ^ 更加精準地控制可撓性球體14 W軸為旋轉軸的旋轉運動。反 之’若是欲驅射雛賴14在如第3騎示之π平面上以 軸為旋轉軸進行旋轉擺動，可啟動如第2圖所示之第一 動力藉以提供第一摩擦輪16以-Υ轴為旋轉軸進 =轉之動力，之後作動流程係與上述流程相似，故於此不再詳 1361747 同由上述可知，若是欲驅動可撓性球體14在如第3 示嫩綱彳爾，财_第= 驅動第二摩擦輪1δ—^ =(此處第一摩擦輪18係可視為主動輪)，此時由於可撓性球 突出_於第二摩擦輪18上姆應之條狀 嫌㈣ 弟―摩擦輪18上之條狀突出部30就會隨著第- 摩擦輪18以_Χ輛為旋轉軸進行旋轉而開始推厂堅可撓性球體^ 凸點彈性結構26 ’進而藉由彼此之間的摩擦力 二以仰為旋轉軸進行旋轉，而當第二摩擦輪18鶴可繞= :广為旋轉轴進行旋轉時，可撓性球體14上之接觸於第 H轉爾26細侧—雜輪職時， ^一摩擦輪16係可視為被動輪）上之相鄰條狀突出部28之間隙 =也就疋說’在使用第二摩擦輪18驅動可撓性球體Μ在 =3圖:示之Yz平面上且以+χ軸為旋轉轴進行旋轉的過程 14上18係可透過複數個條議部3G與可撓性球體 目凸轉錄構％之顧而增加射紐紐Μ之 =摩擦力，進而增㈣二縣輪18施何撓_ Μ的旋轉 進=Γ摩擦輪18驅動可撓性球體14以+x軸為旋轉轴 ^疋轉的同時’第—摩擦輪16則是可利用可換性球體14上之 觸於第-摩擦輪16之凸點彈性結構26.通過 侧峨輸射紐賴Η之晴擦力 摩擦輪16在可撓性球體14往设軸方向旋轉時所造成的摩擦阻 ’如此即可增加第二轉輪18對可齡賴14的驅動效能， 10 1361747 1Q傷綱崎紐4

軸為叙轉軸的旋轉運動。反 乂 X 3圖所示之YZ平面上以韻可挽性球體14在如第 第2同所干少I & *凌轉轴進仃旋轉擺動，可啟動如 r圖所不之第—動城置2G提供反向之動力， 擦輪mx軸為旋難 述流程相似，故於此不再詳述。另外，值得注意的是上述城 陡球體14上之凸點彈性結構以及第一摩擦輪與第二摩擦輪 第—雜輪18村_射撓性賴Μ表面接觸之方 式來驅動可撓性球體14旋轉，以收簡化結構設計之效。除此之外， 上述之第-摩擦輪16以及第二雜輪18亦可同時鶴可挽性球 體u進行旋轉，藉以控制可撓性球體14往第—摩擦輪以及第 一摩擦輪18所提供之旋轉鶴力之合力方向上進行旋轉。 紅上所述’同球心關節機構1〇係可藉由可撓性球體Μ與第一 籲摩擦輪16以及第一摩擦輪18之配合而允許連轉％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ζ 軸為旋轉健倾轉’如此—來，_心_麟lG就可允許連 動桿34在空財的運祕有三個自由度，也就是說，同球心關節 機構10已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’摩擦輪上之條狀突出部的結構係可不限於上述 之設計’亦可利用變更相鄰條狀突出部之間距的方式來增加主動 11 丄观/47 相=__得_之縣阻力， 伽种之條狀突出部係可改以與摩擦輪之旋 ㈣目肖度之对魏軸於轉輪上，意即類似- 質上等於每-凸第1圖所示之距離變更為實 腿㈣……、σ之見度，精以增加條狀突出部對每- 般常見的斜齒輪上的斜齒排 '、 心丨’罐一 性球趙之__力式，域村_動輪與可提 此外如第3圖所不，第一摩擦輪 :摩擦輪18上之每一條狀突出部3。之:二= t 36 ’導角36的作用係以下面的例子來說明。以第一摩擦輪 的運輪^例’右是在第一摩擦輪16驅動可撓性球體14 ^ 第-雜^上可^球體14上之凸點彈性結構26無法剛好從 第:摩擦輪18上相鄰條狀突出部3〇之間隙中通過 :==狀突出部30外緣之導_平滑結:: °又°，降條犬出部30對凸點彈性結構26之阻力，以使 之崎陶26樹峨繼㈣3()上經^ =降:：:將條狀 制方式，本 相較於先前技術利用多馬達串接或是電磁感應之控 12 1361747 _發明所提供之同球心關節機構係利用可撓性球體與摩擦輪之配合 2允許連動捍在空財的運祕有自由度轉性如: -來’不僅可魏上述制多馬達轉讀制方式職生的馬達 干涉問題以及使用電磁錢之控财式所產生的力學計算複雜與 磁力方向控制之問題，進而降低機械手臂在控制上的難度，除此 之外’本發明所提供之同球心關節機構亦可在可撓性球體以及摩 擦輪上刀別增,又凸點彈性結構以及條狀突出部，進而增加主動輪 籲施予可撓/ 生球體的旋轉驅動力並同時降低被動輪與可挽性球體之 門的摩擦阻力’如此即可增加摩擦輪對可撓性球體的驅動效能， 進而使同球心關即機構可更加精準地控制可繞性球體的旋 動。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均㈣倾修#，皆應屬本剌之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為本發_球心關節機構之爆炸示意圖。 第2圖為第1 _球心_機構之組合示意圖。 …第3圖為第1圖可挽性球體、第一摩擦輪、第二摩擦輪以及固 疋裝置之組裝放大示意圖。 【主要元件符號說明】 10 同球心關節機構12 柄刼 1361747 14 可撓性球體 16 18 第二摩擦輪 20 22 第二動力裝置 24 26 凸點彈性結構 28、30 32 滾珠軸承 34 36 導角 第一摩擦輪 第一動力裝置 固定裝豊 條狀突出部 連動桿 14

Claims (1)

1. ^61747 100年9月27日修正替換百 十、申請專利範圍： - h —種可於多自由度旋轉之同球心關節機構，其包含有： —框架； —可撓性球體，設置於該框架内，該可換性球體上係形成有複 數個凸點彈性結構； —第一摩擦輪，設置於該框架内且抵接於該可撓性球體，用來 驅動该可撓性球體於一第一方向上旋轉，該第一摩擦輪上

   係形成有對應該複數個凸點彈性結構之複數個條狀突出 部，每一條狀突出部之寬度係實質上等於相鄰凸點彈性結 構之間距； 第:動力裝置，祕於該第—摩擦輪，用來提供動力以驅動 該第一摩擦輪旋轉；以及 固^袭置’連接於雜架且抵胁該可撓性球體，用來與該 第-摩擦輪共_賴可撓性球體於該框架内。

   2 •如請求項1所述之同球心關節機構 條狀突出部之間距係實質上等於每 ’其中該第一摩擦輪之相 一凸點彈性結構之寬度。 鄰 =請求項1所述之同球心關節機構 數個條狀突出部係以平行於該第—雜^第==^ 方式環繞形缺該第-摩擦輪上。札歡—轉轴方向之 4. 如請求項1所述之同球, 關郎機構’其中該第一摩擦輪之該複 15 747 數個條狀突出部係以與該第一摩擦輪之-旋轉 定角度之方式環繞形成於該第一摩擦輪上。 5·如請求項丨所述之同球心關節機構，其另包含有—第 輪，連接於該第-動力裝置且抵接於該可撓 驅1 該可棱性球體於-第二方向上旋轉，其中該第一動力= 來提供動力以驅動該第二摩擦輪旋轉。 ’、 方向係實質上 6.如請求項5所述之同球心關節機構，其中該第一 垂直於該第二方向。 7. 如請求項5所述之同球心關節機構，其中該第—雜 條狀突出部之間距係實質上等於每一凸點彈性結構之寬度。 8. 如請求項5所述之_心_機構，其中該第— 數侧f突出部係以平行於該第—摩擦輪之-旋轉軸方向Γ 方式環繞形成於該第一摩擦輪上。 複 9·如請求項5所述之同球心關節機構，其中該第-摩擦輪之节 _條狀如部相與該第—麵輪之_旋_方向失—特 定角度之方式環繞形成於該第一摩擦輪上。 如請求項5所述之同球心關節機構，其中該第二摩擦輪上係护 成有複數個條狀突出部，#該第-輕輪驅_可撓性球體^ 10. 丄观747 ^ 100年9月27日修正 • 向上雜時，該可触賴上之接 &點彈ϋ結構係可自該第二摩擦輪上之相鄰條狀突出部之 間隙中通過。 Η U·=請求項U)所述之同球心關節機構，其中該第二摩擦輪之每 ; —條狀突出部之寬度係實質上等於相鄰凸點彈性結構之間距。 ·» • 12.如請求項1G所述之同私關節機構，其中該第二摩捧輪之相 鄰條狀突出部之間距係實質上等於每一凸點彈性結構之寬度。 A如請求項U)所述之同細關節機構，其中該第二摩擦輪之該 複數個條狀突出部係以平行於該第二摩擦輪之一旋轉轴方向Λ 之方式環繞形成於該第二摩擦輪上。 如請求項10所述之同球心關節機構，其中該第二摩擦輪之該 • 複數個條狀突出部係以與該第二摩擦輪之一旋轉軸方向=一Μ 特定角度之方式環繞形成於該第二摩擦輪上。 15.如請求項10所述之同球心關節機構，其中該第一摩擦輪上之 每一條狀突出部以及該第二摩擦輪上之每一條狀突出外 緣係分別形成有一導角。 .，16.如請求項1所述之同球心關節機構，其另包含有一第二動力妒 . 置，連接於該框架，用來驅動該框架於一第三方向上扩轉 17 1361747 ^^曰-修正替換頁 17·如請求項1所述之同球心關節機構，其另包含有一連動桿，連 接於該可撓性球體上。 18.如請求項1所述之同球心關節機構，其中該可撓性球體係由橡 膠材質所組成。 19.如請求項1所述之同球心關節機構，其中該固定裝置係包含複 數個滾珠軸承，該複數個滚珠軸承係以放射狀排列之方式抵接 於該可撓性球體。 2〇·如请求们所述之同球心關節機構，其中該第一動力裝置係為 一馬達。 21·如叫求項I6所述之同球心關節機構，其中該第二動力裝置係 為__一馬達。

   十一、囷式： 1361747

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