TWI306428B

TWI306428B - A device for the production of schonflies motions

Info

Publication number: TWI306428B
Application number: TW092130939A
Authority: TW
Inventors: Jorge Angeles; Alexi Morozov
Original assignee: Univ Mcgill
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2009-02-21
Also published as: US7127962B2; EP1560681A1; AU2003280258A1; WO2004041486A1; CN1723101A; CA2505108A1; US20050262959A1; TW200500182A

Description

1306428 玖、發明說明：發明領域本發明係有關針對產生硬挺本體之四度自由度位移之 5 操縱裝置。發明背景四度自由度位移首先係由德國數學家-礦物學家人代匕听 Moritz Sch5nflies(1853-1928)研究’發現此等位移具有群組 10 15 20 代數結構。因此理由故’ s亥運動组合由幾何學家稱作為硬挺本體位移群組的舍恩夫利斯亞群。舍恩夫般熟悉案例為侍者手中之托盤所進行的運動. J .托盤可於各方向自由移動’但須避免傾斜。位移包含三、 ~'值獨立平移，以及相對於底座以一固定方向軸為中心 —& ―次旋轉所組成。舍恩夫利斯運動適合用於電子產掌進彳_ i 一丁 < 5玄型址奘工作。於此等工作，具有平坦幾何之電子晶片由、^ 取出，於晶圓各晶片係排列成平面陣列。然 _圓中拾電子板上也呈平面陣列’相關二平面係彼此平行位置於同高度’如此陣列有不同方向性。此等工作、、位在不 _.Q '聲泉於：T ；#允間方向自由平移，加上-度相對於晶圓平面⑽;又二為中心之自由旋轉。可實現此項住務之機構對於：方向軸於轉軸之軸線為中心之旋轉必需有極大挺产、Λ—正父成此型裝置被命名為SCARA :選摆此種特徵促性柔里組裝機m 5 1306428 舍恩夫利斯運動產生器或SC ARA系統並非新穎。1 98〇年9月25日核發給Zharkov等人之俄國專利31；921848揭示一種可用於產生舍恩夫利斯運動，但須透過一系列聯桿及馬達佈局之冗餘操縱裝置。 5 1986年9月9曰核發給Hamada等人之美國專利 4,610,598揭示一種實現舍恩夫利斯運動之產業機器人。產業機器人具有串聯操縱器動態鏈，四根舍恩夫利斯運動軸線係由連同活動聯桿一起移動之馬達所致動。如此安裝馬達於移動聯桿，對聯桿加諸高慣量負載，帶來承載負載能春 10力低，結構撓性高。結構撓性高可避免高速操作，原因在於高速操作包括撓性結構的結構共振。與串聯佈局相反，目剛產業的趨勢係針對平行陣列，原因在於平行陣列允許設置馬達於固定底座，因而允許更輕質、更硬挺且因而更快速的結構。 15 可產生個別舍恩夫利斯運動之串聯鏈之平行陣列可參考1990年12月11日核發給Clavel之美國專利4,976,582,以及 2001年3月21日核發給Company等人之EP專利EP1084802，籲以及標示以出現於該等技術參考文獻中之類似裝置編號。核發給Company等人之專利結果類似Clavei之專利，由於各 20 腳之舍恩夫利斯運動之轉軸不平行，各腳之舍恩夫利斯運動之旋轉不相容，故於舍恩夫利斯運動所要求之旋轉中缺乏耦聯至一共通移動平台之各腳所需協調運動。為了產生舍恩夫利斯運動軸正交於全部四馬達軸（四馬達軸全部皆平行於一指定平面），Company等人利用平面聯桿承載移動 6 1306428 中的平台，因而承載正在進行的舍恩夫利斯運動。本發明之各具體實施例於IEEE國際無人化與自動化會議議事錄， 2001、2002及2003年之報告可知。 2000年8月1日核發之美國專利6 〇95 〇u，以及2〇〇1年 5 10月16曰核發之美國專利6,301，988，二案皆係核發給

Brogardh，揭示一種裝置，其意圖藉含有一轉軸正交於腳之舍恩夫利斯運動之共面軸，因而增進Ciavei之專利案。但此·一運動皆未提供舍恩夫利斯型之四度自由度。 2002年1月8日核發給Brogardh之美國專利6,336,374揭 10示其先前專利案之改良版本，提供於三方向平移，以及以一軸線為軸旋轉。此處旋轉係以分開馬達提供，該馬達係架設於4喿縱器之第一聯桿’馬達與旋轉裝置間有又長又錯綜複雜的傳動。於四度自由度具體實施例中，二馬達安裝於一結構體之底座上，二馬達係安裝於活動聯桿上。如此 15 本具體實施例表示相對複雜、笨重、結果緩慢的裝置。若干美國專利案亦即1984年3月20日核發給Pham之美國專利第4,437,635號；1998年5月5曰核發給Poglitsch之美國專利苐5,746,093藏’ 1995年3月14日核發給Taylor等人之美國專利第5,397,323號；1995年5月30曰核發給(：11姐§之美 20國專利第5,419,674號；1988年11月8曰核發給Ryder等人之美國專利第4,782,726號；以及1999年8月3曰核發給Jensen 之美國專利第5,931,832號揭示多種裝置，全部裝置皆係基於二系列平行四邊形聯動裝置，於同一平面移動，如此提供平面二度自由度運動。若干前述發明人也提供額外底座 7 1306428 運動來輔助額外馬達。但此等發明皆未曾提供舍恩夫利斯型四度自由度運動。 1996年7月ι6日頒予R〇berts〇n之美國專利第5,536，135 ° u揭示種串I裝置其具有二直角平行四邊形陣列，但只 5有—驅動裝置’如此允許使用工具怪定定向進行二度自由度平移。 R〇Uand之兩個四度自由度並聯機構述於ASME動態系統及控制分部期刊，67期，831_844頁，1999年。此二裝置提供舍恩夫利斯運動。於其中一種機構(由〖a—翻譯），作鲁 1〇者提示使心部祕馬達沿軌軸聯桿下端。第二機構（由 Manta翻#)使用二部線性馬達’也沿軌驅動聯桿下端，第四方疋轉馬達係架設於其中一聯桿。如此此二裝置需要極大 t裝空間及腳移動空間，同時提供相當小的卫作空間。最後，50可產生舍恩夫利斯運動之並聯機構係由Yang 15等人揭示於「基於單一開放鏈單元之4-自由度（3-平移及1-方疋轉）並聯機器人機構之結構合成」，ASME 2001設計工程技術會議以及電腦及資訊工程會議議事錄，DETC2〇〇1/ φ DAC-21151 ’賓州匹茲堡，美國。若干所揭示的機構有腳，且有單一平行四邊形’而其它機構則具有不含平行四邊形 20 的組配狀態。【發明内容】發明概要因此本發明之目的係提供一種可產生舍恩夫利斯運動或SCARA運動之新穎操縱裝置。 8 1306428 本發明之另一目的係提供一種新穎操縱裝置，其中其馬達驅動聯桿係固定於底座，讓活動零組件變輕，因而允許末端操縱器（進行舍恩夫利斯運動之移動平台）之速度及加速度變高。 5 本發明之又另一目的係提供一種新穎操縱裝置，其中藉由停靠在底座上的馬達可產生四種獨立運動，運動係藉至少二腳由馬達傳動給裝置之末端操縱器。本發明之又一目的係提供一種新穎操縱裝置，其可以簡單完全平行之結構來產生SCARA系統運動，其允許高操 10 作速度俾最大化製造產出量。本發明之又一目的係提供一種新穎操縱裝置，其可以相對簡單之並聯結構而產生SCARA系統運動，該結構只包括二腳，如此降低聯桿干擾的可能。本發明之另一目的係提供一種裝置，其可用於電子產 15 業以及任何其它需要高速拾取與放置操作的應用用途，例如包裝及裝瓶，該裝置產生三方向之平移以及以固定方向軸線為中心之旋轉。本發明之又一目的係提供一種有四度自由度之新穎操縱裝置，其可用於設計虛擬軸線機器工具，供安裝工作件 20 於轉台（業界常見的轉台）來提供第五度自由度。因此根據本發明提供一種產生舍恩夫利斯運動 (Schdnflies motions)用之操縱裝置，其包含一個至少二腳之平行陣列；各腳包括一致動器單元，其具有第一端及第二端，且產生淘洗-傾斜運動；各腳也包括一被動單元，其具 9 1306428 有第一端及第二端，該被動單元之第一端係耦聯至該致動器單元之第一端，讓被動單元對淘洗-傾斜運動起回應；一底座其係聯結至各致動器單元之第二端，全部第二端皆具有相對於彼此之恆定相對位置；以及一通用末端操縱器其 5 係聯結至全部被動單元之第二端，讓通用末端操縱器由腳提供舍恩夫利斯運動，該舍恩夫利斯運動係由三個獨立平移以及一以一固定方向軸為中心之旋轉組成。此外根據本發明提供一種操縱裝置，該裝置係對末端操縱器提供四度自由度運動，該四度自由度運動需由三個 10 獨立平移以及·一個以第一固定方向轴線為中心旋轉，該操縱裝置包含：一種至少二腳附接至末端操縱器之平行陣列；各腳包括一致動器單元，該致動器單元係串聯耦聯至一被動單元；各個致動器單元及各個被動單元包括一轉台，該轉台適合以一平行於第一轴線之第二轴線為中心旋 15 轉；各個致動器單元及各個被動單元也包括一擺動件，該擺動件具有一第一端附接至轉台，且適合進行傾斜運動，讓擺動件之一第二端沿位於平行第二軸之虛擬圓周平移；以及各個致動器單元設置有致動裝置來提供其轉台的旋轉及其擺動件之傾斜運動，因而產生一種致動器運動，各個 20 致動器單元之致動器運動造成與其耦聯之被動單元之被動運動，該被動單元之被動運動係由其轉台之旋轉以及其擺動件之傾斜運動組成，因此致動器運動與被動運動的組合產生對應腳之腳運動；因而腳運動組合對末端操縱器提供四度自由度運動。 10 ^306428 圖式簡單說明已經概略說明柄參照附圖做說明，附圖僅顯示若干較佳具體實施例，_中： …第圖為根據本發明之第—具體實施例之透視圖，其特破為二腳搞聯末端操縱器至底座，各個腳包含一主動平行四邊形聯動裝置以及-被動平行四邊形聯動裝置’全部被動聯動裝置之中本I$ 、千面e為平行，各腳也由一對安裝於底座上的馬達所驅動； 10 第2圖為第1圖之具體實施例中，經由並聯驅動聯桿而 ^供淘洗·傾斜運動給各個主動平行四邊形聯動裝置之傳動佈局之前視圖；第3圖為第2圖之佈局之側視圖；第圖之具體實施财，—腳之差動機構之剖二:：示該對馬達間之齒輪系，以及二輸出旋轉，換言 Μ心旋轉，以及二平行軸轉該主動平仃四邊形聯動裝置之旋轉；十〃圖為第1圖具體實施例之頂視圖，顯示被動邊形聯動裝置之平行中央平面； ^ 第6圖為根據本發 20 以被動平〜I 之具體貫施狀透視圖，其係被料仃四邊形聯轉置之正交中央平面為特徵； 2圖為第6圖之具體實施例之頂視圖；季替^圖^艮據本發明之另一種傳動之透視圖，使用齒輪 >、肖_聯桿來提m騎勒給各個主動平行四邊形聯動裝置； 11 1306428 第9圖為第8圖之驅動系統之相對側視圖，此處增加一中間齒輪介於驅動齒輪與各個被驅動齒輪間，用於保有驅動齒輪之旋轉方向；第10圖為根據本發明之第三具體實施例之透視圖，其 5 特徵為各個主動平行四邊形聯動裝置之垂直接合中心陣列，及其特徵為全部被動平行四邊形聯動裝置之平行中央平面；第11圖為第10圖具體實施例之頂視圖；第12圖為根據本發明之第四具體實施例之透視圖，其 10 係以兩個被動平行四邊形聯動裝置之一由單一接頭所替代為特徵；第13圖為第12圖之具體實施例之頂視圖；第14圖為根據本發明之第五具體實施例之透視圖，其特徵為各個主動平行四邊形聯動裝置之垂直接合中心陣 15 列，及其特徵為全部被動平行四邊形聯動裝置之平行中央平面；第15圖為第14圖具體實施例之頂視圖；第16a、16b及16c圖為主動平行四邊形聯動裝置之可能佈局之側視圖，其接合轴係位於：a)水平面；b)垂直平面； 20 c)相對於水平傾斜之平面；第17a、17b及17c圖為主動平行四邊形聯動裝置之可能佈局之側視圖，其接合軸係位於：a)水平面；b)垂直平面； c)相對於水平傾斜之平面；第18圖為第4圖之差動機構之替代例之剖面圖，其係由 12 1306428 螺旋齒輪組成而產生兩腳個別的淘洗-傾斜運動，可用於前述任一具體實施例；第19圖為根據本發明之第六具體實施例之透視圖，此處四相同腳用於操縱移動末端操縱器，各腳係由單一馬達 5 所驅動；第20圖為第19圖具體實施例之頂視圖；第21圖為用於驅動第19圖具體實施例之各腳之螺形齒輪系之側視圖；第2 2圖為沿第1圖齒輪系長線A - A所取之前視剖面圖； 10 第23圖為根據本發明之第七具體實施例之側視圖，其係以被動平行四邊形聯動裝置之鉸接接頭移轉至各腳與末端操縱器之附接點，如此允許末端操縱器掃拂之旋轉腳遠大於先前各具體實施例為其特徵；第24圖為第23圖具體實施例之頂視圖；以及 15 第25圖為應用於前五個具體實施例之任一者之控制系統之方塊圖。 I：實施方式3 較佳實施例之詳細說明第1圖顯示本發明之較佳具體實施例，其中操縱裝置A 20 概略包含二完全相同之四度自由度串聯腳B排列於一平行陣列。各個腳B有一底座1，全部腳B共享一共通末端操縱器，亦即移動平台35。全部底座1皆相對於彼此固定。也預期一種操縱裝置A其具有多於二腳B，容後詳述。總而言之各個腳B包含一致動器單元C串聯聯結至一被動單元D，各 13 1306428 個被動單元D為致動器單元c之未經致動版本。*部聊料產生同向舍恩夫利斯位移。—組舍恩夫利斯位移方向為^ 含於其中之獨特轉轴方向。全部舍恩夫利斯位移交又形舍恩夫利斯亞群，其方向係於個別舍恩夫利斯位移方向/ 5 同。特別各個腳B之致動器單元C及被動單元D產生一奴^ 又自由度位和· g淘洗運動，或以平行固定於腳B底座之線1^之赠為巾讀轉；以及—賴斜勒，或沿位於斗 10

行L之平面之圓平移（參考第2_3圖），兩種運動組合而產生洁洗'傾斜運動。雖然二單元C、D之轉軸皆平行於線L，^ 彼此平行i平行於移動平扣之轉軸，但各軸係獨立乎矛夕因而維持其方向固定。此外，二圓平面夾腳可變角斤之二平面角。

如第4圖所示’各個致動器單元C包括-底座1聯結至〜支承架2。-旋轉殼體8係類似轉台旋轉，因而產生動’旋轉殼體係藉旋轉式安裝於支承架2上’且由罩於止振轴承双體24内部之止推轴承所支承。如第2圖所示，各個致單to C：進-步包括—驅動聯桿2 7，該聯桿透過聯結聯禅 —而作式&結至主動平行四邊形聯動裝置川，故主動平 _邊㈣動表置3〇可作為傾斜件或擺動件。同理如第旧斤丁各個被動單tlD包含—底座Μ安裝於主動不行四邊形聯動裝置30遠端，—被動旋轉殼體％支砂底座32上，也乍為其相對轉σ ’以及—被動平行四邊形聯動裝置33聯社至該旋轉殼體34且係作為擺動件。因此各個相同的致動器 14 1306428 單元C係耦聯至其對應被動單元D，二單元C ' D可經由平行四邊形聯動裝置30、33傾斜運動，以及經由旋轉殼體8、34 做淘洗運動。二被動單元D之底座32係利用致動器單元C之主動平行四邊形聯動裝置3 0而維持水平；其平行四邊形聯 5 動裝置33又維持通用平台35之水平，二被動平行四邊形聯動裝置33係利用鉸接接頭而耦聯至該共通平台35。如此，被動單元D與致動器單元C、操縱裝置A之運動交互作用，結果提供四度自由度運動給活動平台35 :三度平移以及一度以固定方向軸為中心旋轉。操縱裝置A對一操 10 縱系統提供水平末端操縱器（活動平台35)，其具有SCARA 腳運動能力，因而提供此種運動給架設於活動平台35之抓爪36，可固定夾緊工作件或工具37。如第5圖可知，操縱裝置A之頂視圖顯示被動平行四邊形聯動裝置33係以直徑方向校準方式附接至共通活動平台 15 35,如此本具體實施例之特徵為二腳B之被動平行四邊形聯動裝置33具有平行垂直之正中平面。參照第4圖說明傳動佈局，附有致動器單元C之差動機構略圖。旋轉殼體8罩住差動機構，旋轉殼體8相對於底座1旋 20 轉，於底座上安裝馬達28及29。二致動器單元C之該對馬達 28及29通常係安裝於不同高度。但較佳維持於相同高度，俾獲得較佳負載平衡。一較佳具體實施例中，馬達28、29 設置成如第4圖所示，允許裝置A之全部四個馬達固定於底座。 15 1306428 馬達28之驅動扭矩依次由馬達軸4傳遞至硬性附接於其上之第一齒輪3，然後傳動至齧合齒輪3之第二齒輪10，傳動至硬性附接至齒輪10之中空轴11，以及然後傳動至硬性附接至中空轴11相對端的斜下恆星齒輪20。同理，馬達 5 29之傳動扭矩依次由馬達轴21傳遞至剛性附接於其上之第一齒輪22，然後傳遞至齧合齒輪22之第二齒輪12，傳遞至剛性附接至齒輪12之中軸5，以及然後傳遞至剛性附接至中轴5相對端之斜上怪星齒輪15。來自斜恆星齒輪15、20之扭矩傳遞給斜行星齒輪17及 10 17’，該齒輪係正交齧合二恆星齒輪15、20來形成差動系統，行星齒輪17、17’分別係固定於第一輸出軸及第二輸出轴18及19。然後扭矩由各輸出軸18、19經由減速器6、9之一傳遞給驅動聯桿27之一。二減速器6、9係在相對兩側，允許平行四邊形聯動裝置30之平衡驅動。如此要求二減速 15 器6、9之一包括速度逆轉器。同時因差動系統故，行星齒輪15、20之轉速差異產生行星齒輪17、17’以中軸5為中心之軸線旋轉，如此造成旋轉殼體8相對於底座1旋轉。為了增加此尊傳動之結構穩定性，馬達軸4、21末端係藉支承軸承13而支承於支承架2。下恆星齒輪20之中空軸11 20 通過一支承架2之一鏜孔，中空軸11-行星齒輪20總成係藉止推轴承16固定定位，俾獲得額外結構穩定性。中轴5通過中空軸11，且藉下及上中間轴承23、25而支承於中空軸承。中軸5也藉下中心軸承26支承於底座1，以及藉上中心軸承 14而支承於旋轉殼體8。 16 1306428 前述配置可將運動由各差動機構下部傳動至二恆星齒輪15、20因而避免當操縱裴置A運動時受到二致動器單元 C之殼體8的干擾。由一怪生嵩輪15、20及其二行星齒輪17、17,形成的差 5動機構係由下列支承：（a)旋轉殼體8之機殼；（b)支承架2 ; 以及（c)行生支架7。行星支架7係固定至旋轉殼體8，且限制行星齒輪17、17’之相對位移至以其對稱轴為中心旋轉。

3ΧωΑ及ωΒ分別表示馬達28及29之輸入速度，行星齒輪 17、17’U其轴為中心之輸出速度係以叫表示。此外，行星 10齒輪17 17以轉轴5為轴之旋轉標示為叱，奶為殼體8之角速度’且構成致動器單元C之淘洗運動。速度叫及(〇2業界已知係與馬達速度有關，表示式為 2 2

Nt (KAcoA +ΚΒωΒ) 15

^處^為馬達28與中空轴11間之齒輪系之減速比；達：轴5間之齒輪系之減速比％為恆姆ι5 之^數以及Np為行星齒輪等。但較佳1< * 數。通常^與1^ “ B俾岣衡分配負載於二馬達28、29間此外’行星齒輪17、n 傳遞之紅轉係透過減速器6、9 得遞…％動糾27。然動第i圖之主動平行四邊干27透過耦聯聯桿31 t 7外動装置3〇。減速器6、9提動機構輸出與主動平行 β Α 邊形聯動裝置30之運動間的速比KR。減速器6、9也也楗供_平行 17 20 1306428 差動機構輸出的同步化。此外，使用蜗輪作為減速器㈠，對操縱裝置A提供自我鎖定的能力，此乃操縱重載的期望特色。操作中’驅動聯桿27係以角速度coi/Kr，驅動位在殼體 5 8外側之主動平打四邊形聯動裝置30，構成致動器單元(：:之傾斜運動。如前述，致動器單元c之淘洗運動係以叱表示，組成行星齒輪17、17’以轉軸5為中心旋轉，造成殼體8以及附接至殼體8之主動平行四邊形聯動裝置3〇旋轉。主動平行四邊形聯動裝置3 0將此種組合淘洗_傾斜運動經由鉸接接修 10頭移轉給與其聯結的被動單元d之底座32。乎行四邊形聯動農置30之結構可確保對應被動單元〇之底座32維持平行於底座1。底座32的移動造成被動旋轉殼體34之淘洗運動、以及被動平行四邊形聯動襞置33的傾斜運動，聯動裝置33係以鉸接接頭而附接至共通移動平台35。如此腳B的協力運動 15造成共通平台35藉各個腳的被動平行四邊形聯動裝置33而維持平行於底座1。現在參照第18圖，說明第4圖所示傳動之另一種傳動佈 · 局圖，類似之元件標示以類似的參考符號。二馬達28、29 係以前—具體實施例之類似方式固定於底座1，但斜齒輪 20 15、丨7、Π’、20形成第4圖所示差動系統，該斜齒輪係由夫丁、面齒輪17、17 ’、20組合萬向接頭46、47之周轉圓糸所替代’因此可將力及運動之傳動由縱軸轉成橫軸。本具體實施例十，來自馬達28之驅動扭矩循序由馬達轴4傳遞給剛性附接於馬達軸4之第一齒輪3，然後傳遞給與 18 1306428 回輪3誓5之第一齒輪丨〇 ’傳遞給剛性附接於齒輪1 〇之中空軸11 ’傳遞給剛性附接於中空軸11之恆星齒輪2G，以及然後傳遞給妹星齒輪2_合之行星齒輪17 ' 17，。行星齒輪 17、 17又經由萬向接頭46、47而傳遞驅動扭矩給輸出軸 18、 19。同理，來自馬達29之驅動扭矩循序由馬達軸21傳遞給剛性鳴於馬達軸2丨之第—齒輪22，織傳遞給齧合齒輪22之第二齒輪12，傳遞給剛性附接至齒輪12之中軸$，然後傳遞給剛性附接至中軸5之行星載架8，行1載架8扮演第4圖所示殼體8的角色。設〇^及叫分別表示馬達28、29之輸入角速度，行星齒輪17、17’之共通輸出速度表示為而與行星載架8之旋轉相同的淘洗運動之角速度叱則為

產生傾斜運動之角速度叫為輸出軸18、19之共通角速度之水平分量ω|7-ω2，換言之， ω丨=ω17 -ω2 = Ν3 χ Ν2。① Ν10 χ Ν17 ΝΙ2χΝπωβ 特別若Ν22/Ν|2 = Ν3/Νι〇，則 ω,= Ν3χΝ20 Ν10 χ Ν17 (ωΑ~ωΒ) 20 多種操縱裝置Α之具體實施财、屬可能，包括(但非限 19 1306428 制性)後述具體實施例，其中類似元件標示以類似的參考符號。 ' 參照第6_7圖，顯示根據本發明之第二具體實施例具體實施例類似前述第一具體實施例，使用各個主動平〜 5四邊形聯動裝置30之底座32之水平定位。但被動平行四= 形聯動裝置珊接至共通活时纟35，讓軸平行=形聯動裝置33之中平面為正交，如第7圖顯示之被動單元〇之方向性最明白可知。參照第1 〇-11圖，顯示根據本發明之第三具妒實π q 10此處各個主動平行四邊形聯動裝置30與被動單元D殼體8及底座32之附接點係縱向校準。結果各個底座32與個別主動平行四邊形聯動裝置30間之鉸接接頭縱向校準。此種幾何可提供下述優點，免除驅動聯桿27，同時仍然可維持各個致動器單元C之殼體8的對稱性。雖言如此，主動平行四邊 15形聯動裝置30-邊之換向輸出齒輪系仍為本具體實施例所需。類似第-具體實施例，本具體實施例之特徵為被動平行四邊形聯動裝置33之中央平面平行，由第u圖最明白顯示0 參照第12-丨3圖，顯示根據本發明之第四具體實施例， 2〇該例也使用各主動平行四邊形聯動裝置30與個別殼體8及底座32附接點之縱向校準。但於—被動單灿，被動旋轉殼體34係由萬向接頭45以及縱向聯桿顿替代；被動平行四邊形聯動裝置3 3係由被動單-聯桿4 4聯結至萬向接頭4 5所替代’產生之動力學相當於前一具體實施例之被動單元d 20 1306428 之動力學。本具體實施例中’被動平行四邊形聯動裝置μ 與被動單一聯桿44之中央平面也平行，如第13圖最明白顯 7J> 〇參照第14-15圖，顯示根據本發明之第五具體實施例， 5也使用各主動平行四邊形聯動裝置30與個別殼體8及底座 32附接點的垂直校準。如第15圖最明白顯示，本具體實施例之特徵為被動平行四邊形聯動裝置3 3之中央平面平行，但比具有平行中央平面之先前各具體實施例之距離更為遠離。本具體實施例由於中央平面間之間隔較大，故可提供

10較高活動性及較大工作空間，減少二腳聯結裝置交互干捧的可能。 X 參照第19-20圖，根據本發明之第六具體實施例有四卿 B而非二腳。本具體實施例也可配合前五低具體實施例所厂、多種聯桿佈局變化。其它變化包括三腳陣列，具有―馬達 15 及二馬達驅動單元的組合。參照第23-24圖，根據本發明之第七具體實施例之特徵為被動單元D之第二鉸接接頭移轉至鉸接架5 3中各腳B與活動平台35之附接點，如此提升裝置之旋轉能力。被動單元D之淘洗運動係由活動平台35下方且附接於鉸接架幻之 20欽接接頭54所提供。致動器單元C及被動單元D係經由豎中間耦聯件5 2聯結。由於被動單元d之淘洗軸間距比先前各具體實施例之對應距離更小，因此由馬達所提供之類似淘洗運動將可產生活動平台35之較大角位移。如此本具體實施例之活動平台35可擺動遠較大之旋轉角，單元c、D之淘洗 21 1306428 運動需要的空間比前述六個具體實施例之任一個需要的空間更小。如此移轉第二鉸接接頭可應用至任何其它具體實施例俾提升其旋轉能力。使用第2圖之中間驅動聯桿27是一種驅動主動平行四 5 邊形聯動裝置30之方式。也可使用其它類型傳動，例如齒輪系、帶滑車、齒條及小齒輪等。其它傳動系統範例呈現於此處。參照第8-9圖，根據本發明之另一種傳動提供淘洗-傾斜運動給各個主動平行四邊形聯動裝置30。第一具體實施例 10 (參考第2-3圖）傳動使用之驅動聯桿27以及耦聯聯桿31由齒輪系所替代。須了解類似第一具體實施例所示之傳動，致動器單元C之差動機構的水平輸出旋轉之一必需被逆轉。因此輸出扭矩之一侧由差動機構經由第8圖所示之換向齒輪系而移轉給主動平行四邊形聯動裝置30,以及經由如第9圖 15 所示之直接齒輪系而被移轉至其它裝置。第8圖之換向齒輪系係由一輸出齒輪38齧合二從動齒輪39組成。第9圖之直接齒輪系係由一輸出齒輪40齧合二中間齒輪41組成，齒輪41 各自由齧合一個從動齒輪42。二齒輪系之輸出齒輪38、40 傳遞來自差動機構的輸出扭矩，從動齒輪39、42直接驅動 20 主動平行四邊形聯動裝置30。參照第22圖，顯示各腳B由單一馬達所驅動之情況之另一種傳動。來自馬達（圖中未顯示）之驅動扭矩循序由中轴5 傳遞至剛性附接於中軸之恆星齒輪20，然後傳遞至一對齧合恆星齒輪20之行星齒輪17、17’，以及傳遞至一對輸出軸 22 1306428 18、19，輸出軸各自係由行星齒輪17、17’之一透過一對萬向接頭46、47驅動來傳遞垂直方向之扭矩至水平方向。參照第21圖，然後扭矩由各個輸出軸18、19傳遞至對應輸出齒輪49、49’。各輸出齒輪49、49’為螺形齒輪系之一部分。 5 如第21圖所示，輸出齒輪49齧合一對中間齒輪50，齒輪50 各自又齧合從動齒輪51，各從動齒輪51剛性附接至主動聯結裝置48，而扮演先前具體實施例之主動平行四邊形聯動裝置30之角色。雖然圖中未顯示，但齒輪49’係以類似第8 圖所示方式（於該處輸出齒輪38係直接齧合齒輪39)直接齧 10 合一對從動齒輪51。如此可將同向角速度傳輸給兩侧傳動聯結裝置48。如此處所述之本發明提供於佈局上額外的功能彈性變化，依據工作而定可有大量多種其它可能之具體實施例。參照第16a-16b-16c圖，致動器單元C之主動平行四邊形聯動 15 裝置30可設置於殼體8上，有接合軸係位在：a)水平面；b) 垂直平面；c)與水平夾角αρ之傾斜平面。參照第17a-17b-17c 圖，被動單元D之被動平行四邊形聯動裝置33也可以類似方式設置於殼體34，接合軸係位於a)水平面；b)垂直平面；c) 與水平夾角ad之平面。於操縱裝置A，全部四個平行四邊形 20 聯動裝置30、33皆可有其本身獨立無干的佈局，如此允許 nk=34=81不同具體實施例，此數目係對應於個別物件(3接合轴排列）以及可能的順序（4平行四邊形聯動裝置）之排列組合數目。考慮角ap及ad可具有0度至90度範圍之任何值，因此舍恩夫利斯運動產生器可能之具體實施例數目幾乎變無 23 1306428 限。此種特性提供優於已知先前技術裝置之功能彈性變化。本發明之另一項顯著優點為大部分佈線（控制線及電源供應器纜線、感測器線等）係止於底座1上的馬達28、29 安裝區，無需附接至腳B，如此讓結構重量變輕。 5 參照第25圖，顯示應用於有二腳B(各腳係由二馬達驅動）之具體實施例之控制系統。控制系統之主要元件係列舉於表2。控制系統包括數位硬體以及四個伺服傳動裝置。數位硬體包括中央處理器lc，其係聯結至四個伺服傳動裝置，根據操縱裝置A之規定控制演繹法則，發送控制信 10 號給伺服傳動裝置。後述數位硬體之全部其它元件皆與中央處理器lc通訊。監視器2c及鍵盤4c用於由操作員進行裝置之線上程式化及服務。内部記憶體5c用於電腦中央處理器lc之功能；周邊記憶體6c包括CD驅動器或任何資訊儲存裝置，用於根據預期任務而上載控制程式。最後，輸入/輸 15 出單元3c為操作中由各腳B回授至控制系統lc所需。各個伺服傳動裝置包括一伺服控制單元7c、8c、9c、 10c以及一馬達28、29。伺服控制單元7c、8c、9c、10c之角色係解譯來自中央處理器lc之控制信號，且將控制信號實作為馬達28、29的動作。操縱裝置A之各個致動器單元C含 20 有二伺服傳動裝置，其產生該致動器單元的輸出動作。此等動作係如前文具體實施例所述通過齒輪系，移動支持共通活動平台3 5之二腳B。類似或相當的控制系統可用於其它佈局，包括有三腳或四腳之具體實施例。 24 1306428 本發明可用於多種產業，其中要求高速拾取與放置操作，包括（但非限制性）平面電子元件之製造與封裝、多種產品的包裝及裝瓶。本發明也可用於虛擬軸工具機的設計，其設計方式係經由安裝一工作件於工具機業界所熟知之旋 5 轉台，提供第二旋轉，當組合本發明之舍恩夫利斯運動時變成第五度自由度。須了解本發明非僅限於此處所述特定具體實施例，該等具體實施例僅供舉例說明之用。例如第三及第四具體實施例方便轉移成以被動平行四邊形聯動裝置33或被動平行 10 四邊形聯動裝置33與被動單一聯桿44之正交移動平面為特徵之具體實施例。其它修改及變化為熟諳技藝人士已知。如此本發明之範圍係由如下申請專利範圍所界定。

25 1306428 編號說明 A 操縱裝置 B 腳 C 致動器單元 D 被動單元 1 底座 2 支承架 3 馬達主軸#4齒輪 4 馬達#28之馬達主軸 5 中軸 6 具換向器之減速器 7 行星支架 8 旋轉殼體或行星載具 9 減速器 10 中空軸齒輪 11 中空軸 12 中軸齒輪 13 支承齒輪 14 上恆星齒輪 15 上怪星齒輪 16 止推軸承 17，17，行星齒輪 18 輸出轴 19 輸出軸 20 下恆齒輪 21 馬達#29之馬達主軸 22 主軸#22之齒輪 23 下中間軸承 24 止推軸承殼體 25 上中間軸承 26 下中心轴承 27 驅動聯桿 28 馬達 29 馬達 30 主動平行四邊形聯動裝置 31 耦聯聯桿 32 被動單元底座 33 被動平行四邊形聯動裝置 34 被動旋轉殼體

26 1306428 35 共通活動平台 36 抓爪 37 工作件或工具 38 輸出軸承 39 換向齒輪系之從動齒輪 40 輸出齒輪 41 直接齒輪系之中間齒輪 42 直接齒輪系之從動齒輪 43 豎聯桿 44 被動單一聯桿 45 豎聯桿#43之萬向接頭 46 萬向接頭 47 萬向接頭 48 下主動聯桿 49 ， 49，輸出齒輪 50 中間齒輪 51 從動齒輪 52 中間耦聯器 53 鉸接架 54 鉸接接頭表1 :主動單元及被動單元之主要元件編號說明 lc 中央處理器 2c 監視器 3c 輸入/輸出單元 4c 鍵盤 5c 内部記憶體 6c 周邊記憶體 7c 第一主動模組之伺服控制單元 8c 第一主動模組之伺服控制單元 9c 第二主動模組之伺服控制單元 10c 第二主動模組之伺服控制單元表2 :控制系統之主要元件【圖式簡單說明】 5 第1圖為根據本發明之第一具體實施例之透視圖，其特徵為二腳耦聯末端操縱器至底座，各個腳包含一主動平行 27 1306428 ==:=平!吻_置，全部被座上的馬達所驅動；面白為+订，各腳也由一對安裝於底 ;提二：二圖之具體實施例中，經由並聯驅動聯桿而 =月匈洗，斜運動給各個主動平行四邊形動佈局之前視圖；夏足得第3圖為第2圖之佈局之側視圖； 1圖為第i圖之具體實施例中，_腳之差動機構 10 15 20 ^圖，扣該對馬達間之齒輪系，以及二輸出旋轉之’，縱轴為中心旋轉，以及二平行轴動；订四邊形聯動褒置之旋轉；勤千第5圖為第1圖具體實施例之頂邊形聯動裝置之平行中央平面；·貞τ被動+仃四士第6圖為根據本發明之第二具體實施例之透視圖，其係 ?動平行四邊形聯動裝置之正交中央平面為特徵；第7圖為第6圖之具體實施例之頂視圖；第8圖為根據本發明之另—種傳動之透視圖，使用齒輪二9代亚聯驅動聯桿來提供淘洗-傾斜運動給各個主動平仃四邊形聯動装置； _ 第9圖為第8圖之驅動系統之相對側視圖，此處增加— 輪介於驅動齒輪與各個被驅動齒輪間，於動齒輪之旋轉方向；、驅第10圖為根據本發明之第三具體實施例之透視圖，其特试為各個主動平行四邊形聯動裝置之垂直接合中心陣 28 1306428 列，及其特徵為全部被動平行四邊形聯動裝置之平行中央平面；第11圖為第10圖具體實施例之頂視圖；第12圖為根據本發明之第四具體實施例之透視圖，其 5 係以兩個被動平行四邊形聯動裝置之一由單一接頭所替代為特徵，第13圖為第12圖之具體實施例之頂視圖；第14圖為根據本發明之第五具體實施例之透視圖，其特徵為各個主動平行四邊形聯動裝置之垂直接合中心陣 10 列，及其特徵為全部被動平行四邊形聯動裝置之平行中央平面；第15圖為第14圖具體實施例之頂視圖；第16a、16b及16c圖為主動平行四邊形聯動裝置之可能佈局之側視圖，其接合軸係位於：a)水平面；b)垂直平面； 15 c)相對於水平傾斜之平面；第17a、17b及17c圖為主動平行四邊形聯動裝置之可能佈局之側視圖，其接合轴係位於：a)水平面；b)垂直平面； c)相對於水平傾斜之平面；第18圖為第4圖之差動機構之替代例之剖面圖，其係由 20 螺旋齒輪組成而產生兩腳個別的淘洗-傾斜運動，可用於前述任一具體實施例；第19圖為根據本發明之第六具體實施例之透視圖，此處四相同腳用於操縱移動末端操縱器，各腳係由單一馬達所驅動； 29 1306428 第20圖為第19圖具體實施例之頂視圖；，第21圖為用於驅動第19圖具體實施例之各腳之螺形齒輪系之側視圖；第22圖為沿第1圖齒輪系長線A-A所取之前視剖面圖； 5 第23圖為根據本發明之第七具體實施例之側視圖，其係以被動平行四邊形聯動裝置之鉸接接頭移轉至各腳與末端操縱器之附接點，如此允許末端操縱器掃拂之旋轉腳遠大於先前各具體實施例為其特徵；第24圖為第23圖具體實施例之頂視圖；以及 10 第25圖為應用於前五個具體實施例之任一者之控制系統之方塊圖。【圖式之主要元件代表符號表】 1···底座 7…行星支架 lc···中央處理器 7c、8c…第一主動模組之伺服 2…支承架控制單元 2c···監視器 8…旋轉殼體或行星載具 3···馬達主軸#4齒輪 9…減速器 3c…輸入/輸出單元 9c、10c.··第二主動模組之伺 4··.馬達#28之馬達主轴服控制單元 4c…鍵盤 10···中空軸齒輪 5…中轴 11…中空轴 5c···内部記憶體 12···中轴齒輪 6···具換向器之減速器 13…支承齒輪 6c…周邊記憶體 14、15…上恆星齒輪 30 1306428 16…止推轴承 17、 17’…行星齒輪 18、 19···輸出轴 20···下恆齒輪 21…馬達#29之馬達主軸 22…主軸#22之齒輪 23…下中間轴承 24···止推軸承殼體 25···上中間轴承 26…下中心轴承 27···驅動聯桿 28、29…馬達 30…主動平行四邊形聯動裝置 31…搞聯聯桿 32…被動單元底座 33…被動平行四邊形聯動裝置 34···被動旋轉殼體 35…共通活動平台 36…抓爪 38…輸出轴承 39···換向齒輪系之從動齒輪 4〇、49、49’…輸出齒輪 41…直接齒輪系之中間齒輪 42…直接齒輪系之從動齒輪 43…豎聯桿 44…被動單一聯桿 45…豎聯桿#43之萬向接頭 46、47…萬向接頭 48…下主動聯桿 50…中間齒輪 51···從動齒輪 52…中間耦聯器 53…鉸接架 54…鉸接接頭 A…操縱裝置 B…腳 C···致動器單元 D…被動單元

37…工作件或工具 31

Claims

1306428 拾、申請專利範圍： 1. 一種產生舍恩夫利斯運動（Schdnflies motions)用之操縱裝置，其包含：一個至少二腳之平行陣列； 5 各腳包括一致動器單元，其具有第一端及第二端，且產生淘洗-傾斜運動；各腳也包括一被動單元，其具有第一端及第二端，該被動單元之第一端係耦聯至該致動器單元之第一端，讓被動單元對淘洗-傾斜運動起回應； 10 一底座其係連結至各致動器單元之第二端，全部第二端皆具有相對於彼此之恆定相對位置；以及一通用末端操縱器其係連結至全部被動單元之第二端，讓通用末端操縱器由腳提供舍恩夫利斯運動，該舍恩夫利斯運動係由三個獨立平移以及一以一固定方 15 向車由為中心之旋轉組成。 2. 如申請專利範圍第1項之操縱裝置，其中各腳提供舍恩夫利斯運動其方向係與固定方向軸方向相同。 3. 如申請專利範圍第1項之操縱裝置，其中各致動器單元之淘洗-傾斜運動係由安裝於底座上之至少二馬達提 20 供。 4. 如申請專利範圍第3項之操縱裝置，其中各致動器單元之淘洗-傾斜運動係由安裝於底座上之至少二馬達經由一差動機構提供。 5. 如申請專利範圍第4項之操縱裝置，其中該差動機構包 32 1306428 括第一恆星齒輪及第二恆星齒輪，來自該至少二馬達之一的扭矩由差動機構之一側經由第一軸傳遞給第一恆星齒輪；以及來自該至少二馬達之另—者之扭矩係由第二侧經由-與該第一軸同軸之第二軸’而傳遞給第二恆星齒輪。

6. 如申請專利範圍第！項之操縱裝置，其中各致動器單元包括-平行四邊形聯動裝置麵聯至且延伸於一旋轉殼體與該被動單元間’該平行四邊形聯動裝置可以傾斜運動移動，以及旋轉殼體係、以旋轉式附接至底座來產生淘洗運動。 7. 如申請專利範圍第6項之操縱裝置，其中該平行四邊形聯動裝置係經由一對垂直校準之接頭而輕聯至該旋轉殼體。 15 δ如甲睛專利範圍第6項之操縱裝置，其中該平行四邊聯動裝置餘由-對水平校準之接❹㈣至該旋殼體 20

9. 如申請專利範圍第i項之操縱裝置，其令該等被動單中之至少一者包括-平行四邊形聯動裝置耦聯至且伸於-旋轉殼體與該共通末端操縱器間，該平行四邊聯動裝置可以傾斜運動移動，該旋轉殼體係旋轉式附至該致動器單元之第一端而產生淘洗運動。 10. 如申請專利範圍第9項之操縱裳置，其中該平行 ^裝置储由-對垂直校準之接頭而㈣至該㈤月 5· ° 1306428 11.如申請專利第9項之操《置，Μ該平行聯動裝置係經由-對水平校準之接頭而轉聯轉殼體。疋得泛如申請專利範圍第9項之操縱農置，其t該等被動單元中之至少一者包括一桿相聯至且延伸於-第二旋㈣體與該共通末縱H間，該桿可賴斜運動移動，該弟二旋轉殼體係旋轉式附接至該致動器單元之第—端而產生第二淘洗運動。而 10 15 20 13.如申請專利範圍第6項之操縱裝置，其中該等被動單元中之至少一者包括一第二平行四邊形聯動裳置稱聯至且延伸於-第二旋轉殼體與該共通末端操縱器間， ^四邊形聯動襄置可以第二傾斜運動移動，該第二旋轉㈣係旋轉式附接至該致動器單元之平行四邊形聯動裝置而產生第二淘洗運動。 Η.如申請專利範圍第13項之操縱襄置，其甲該等被動單元中之至少一者包括一桿㈣至且延伸於一第三旋轉和體與該共通末端操縱器間’該桿可以第三傾斜運動移動，该第三旋轉殼體係旋轉式附接至該致動器單元之平行四邊形聯動裝置而產生第三渴洗運動。 W如申請專利範圍第旧之操顧置，其_各腳包含至少 —馬達絲於底座上，該共通末端操縱器之舍恩夫利^ 運動係由該馬達僅經由至少二腳而提供。 16.如申請專利範圍第i項之操縱裝置，其中該被動單元之中平面為正交。 34 1306428 π.如申請專利範圍第1項之操縱裝置，其中該被動單元之中平面為平行。 18. —種操縱裝置，該裝置係對末端操縱器提供四度自由度運動，該四度自由度運動需由三個獨立平移以及一個以 5 第一固定方向轴線為中心旋轉，該操縱裝置包含：一種至少二腳附接至末端操縱器之平行陣列；各腳包括一致動器單元，該致動器單元係串聯耦聯至一被動單元；各個致動器單元及各個被動單元包括一轉台，該轉 10 台適合以一平行於第一軸線之第二軸線為中心旋轉；各個致動器單元及各個被動單元也包括一擺動件，該擺動件具有一第一端附接至轉台，且適合進行傾斜運動，讓擺動件之一第二端沿位於平行第二軸之虛擬圓周平移；及 15 各個致動器單元設置有致動裝置來提供其轉台的旋轉及其擺動件之傾斜運動，因而產生一種致動器運動，各個致動器單元之致動器運動造成與其耦聯之被動單元之被動運動，該被動單元之被動運動係由其轉台之旋轉以及其擺動件之傾斜運動組成，因此致動器運動與 20 被動運動的組合產生對應腳之腳運動；因而腳運動組合對末端操縱器提供四度自由度運動。 19. 如申請專利範圍第18項之操縱裝置，其中各腳運動為一種四度自由度運動，其係由三度個別平移以及一度以一 35 1306428 第三軸為中心之旋轉組成，該第三軸具有與固定方向之弟一車由之相同方向。 20. 如申請專利範圍第18項之操縱裝置，其中各致動器單元 5 係安裝於一底座上，各致動器單元之致動裝置包含至少一馬達安裝於一底座上。 21. 如申請專利範圍第2〇項之操縱裝置，其中對各致動器而呑’至少二馬達提供轉台之旋轉以及擺動件經由差動機構之傾斜運動。

10 括弟一恆星齒輪及第二恆星齒輪，來自該至少二馬读一的扭矩由差動機構之-側經由第_軸傳遞給第一星齒輪；以及來自該至少二馬達之另—者之扭矩係由二側經由-與該第—軸同軸之第二轴，而傳遞給第二星齒輪。 15 23·如中請專職目第18狀操㈣置

=器單^轉台為-捷轉殼體附接至益早兀之擺動件為一平行四邊形聯動裝置其具有一負 -端係耦聯至該旋轉殼體、以及一第二端係耦聯; 動單元。 ° T唷寻刊範圍第23項之操，、了成干彳于四聯動裝置係經由-對垂直校準之接頭而叙聯至該殼體。 x △如申料職圍第23項之操縱裝置，其t該平行四邊形聯動裝置係經由-對水平校準之接頭而搞聯至該旋轉 36 1306428 殼體。 26. 如申請專利範圍第18項之操縱裝置，其中對各腳而言，被動單元之轉台為一旋轉殼體附接至一致動器單元，該被動單元之擺動件為一平行四邊形聯動裝置其具有一 5 第一端係耦聯至該旋轉殼體、以及一第二端係耦聯至該末端操縱器。 27. 如申請專利範圍第26項之操縱裝置，其中該平行四邊形聯動裝置係經由一對垂直校準之接頭而耦聯至該旋轉殼體。 10 28_如申請專利範圍第26項之操縱裝置，其中該平行四邊形聯動裝置係經由一對水平校準之接頭而耦聯至該旋轉殼體。 29. 如申請專利範圍第26項之操縱裝置，其中對各腳而言，被動單元之轉台為一旋轉殼體附接至一致動器單元，該 15 被動單元之擺動件為一桿其具有一第一端係耦聯至該旋轉殼體、以及一第二端係耦聯至該末端操縱器。 30. 如申請專利範圍第23項之操縱裝置，其中對各腳而言，被動單元之轉台為一第二旋轉殼體附接至致動器單元之平行四邊形聯動裝置，該被動單元之擺動件為一第二 20 平行四邊形聯動裝置其具有一第一端係耦聯至該第二旋轉殼體、以及一第二端係耦聯至該末端操縱器。 31. 如申請專利範圍第30項之操縱裝置，其中對各腳而言，被動單元之轉台為一第三旋轉殼體附接至致動器單元之平行四邊形聯動裝置，該被動單元之擺動件為一桿其 37 1306428 具有一第一端係耦聯至該第三旋轉殼體、以及一第二端係耦聯至該末端操縱器。 32. 如申明專利範圍第丨8項之操縱裝置，其中各個致動器單凡係安裝於一底座上，各致動器單元之致動裝置包含至少二馬達安裝於底座上，末端操縱器之四度自由度運動係由馬達僅經由至少二腳所提供。 33. 如申請專㈣圍第18項之触裝置，其中該被動單元之中平面為正交。 34. 如申請專利範圍第18項之操縱裝置，其中該被動單元之中平面為平行。

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