TWI386291B - 動力傳遞機構及應用此動力傳遞機構之機械手臂 - Google Patents

Description

動力傳遞機構及應用此動力傳遞機構之機械手臂

本發明係有關一種動力傳遞機構，特別是一種應用在多關節機械手臂之動力傳遞機構。

生產製造、倉儲管理、智慧看護等各種不同的領域中，機器人(Robot)或機械手臂(Robot arm)的應用都已變得十分廣泛。機器人或機器手臂一般係由複數個支臂互相連結的結構所構成，其中，藉由對支臂互相連結的各關節進行驅動，而分別對各支臂的樞轉動作進行控制。

機械手臂在動作時，關節的轉動係透過馬達提供旋轉動力，馬達動力並經由減速器輸出而得到較大之扭矩。習知之機械手臂有將各個馬達直接安裝在各個關節上，然如直接將各個馬達安裝在各個關節上，將造成各個關節的結構複雜、載重增加，使得機械手臂的轉動慣量大，而為避免各個馬達之管線相互纏繞，在管線的配置上亦十分困難。

為了解決上述的問題，如美國第5207114號專利案揭露了「Compact cable transmission with cable differential」，114案係為一四軸線驅動機械手臂，主要利用鋼索作為動力傳遞的媒介，114案將馬達置於機械手臂的下層，再透過鋼索傳遞動力，解決將馬達直接安裝於各個關節的問題。然而為了避免過多的鋼索傳遞動力時彼此纏繞，114案馬達透過兩條鋼索(Fig8標註19ra、19rb)將動力傳遞至鏈結器(Fig8標註24)，使得連接臂(Fig8標註18)僅具有一自由度，因而限制的機械手臂的動作。

再者，機械手臂之支臂長度即為機械手臂之工作範圍，支臂越長工作範圍越大，但是支臂越長，鋼索之長度也越長，也就是鋼索的負載越大，如此需經常調整鋼索張力，以減少動力傳遞損失，但亦將導致鋼索的使用壽命縮短。

習知鋼索掣動之關節型機械手臂，受限於鋼索空間配置上之關係，使機械手臂動作之自由度受到限制，而機械手臂中支臂之長度亦相對影響鋼索之動力傳遞以及使用壽命。有鑑於此，本發明提出了一種動力傳遞機構及應用此動力傳遞機構之機械手臂。

根據本發明所揭露之動力傳動機構，至少包括一第一動力源、一第二動力源、複數條鋼索、一支臂組件、一掣動組件及一關節組件。第一及第二動力源與關節組件設置於支臂組件的兩端，掣動組件裝設於支臂組件內包括同軸旋轉之一第一掣動體及一第二掣動體，第一動力源以兩條鋼索連接第一掣動體的一端，第二動力源以兩條鋼索連接第二掣動體的一端，第一掣動體及第二掣動體的另一端再分別以兩條鋼索連接至關節組件之側差速盤，側差速盤以四條鋼索連接至中差速盤，進而驅動關節組件進行二個自由度運動。

根據本發明所揭露應用動力傳遞機構之機械手臂，至少包括有一第一關節、一第二關節、一第三關節、一第一支臂、一掣動組件及複數條鋼索，並至少包括一第一馬達、一第二馬達、一第三馬達、一第四馬達及一第五馬達。第一馬達驅動第一關節進行第一自由度運動，第二及第三馬達驅動第二關節進行第二與第三自由度運動，第四及第五馬達驅動第三關節進行第四與第五自由度運動。其中的第二至第五馬達皆設置於第一關節處並透過複數條鋼索傳遞動力至第一、第二及第三關節，而於第一支臂內設置有掣動組件，第四及第五馬達經由掣動組件傳遞動力驅動第三關節運動進行第四與第五自由度運動。

根據本發明所揭露動力傳遞機構及應用此動力傳遞機構之機械手臂，其透過掣動組件傳遞兩個動力源至關節組件，使應用鋼索作為動力傳遞媒介之機械手臂可以獲得兩個運動自由度，並且掣動組件可以配合支臂組件之長度有效傳遞動力，無須調整鋼索張力也無虞動力損失，延長機械手臂使用壽命，為機械手臂動力傳遞機構之最佳設計。

有關本發明之詳細特徵與實作，茲配合圖式在實施方式中詳細說明如下，其內容足以使任何熟習相關技術者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容及圖式，任何熟習相關技術者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

根據本發明所揭露動力傳遞機構及應用此動力傳遞機構之機械手臂，其中的機械手臂係為模擬人類手臂之動作由複數個支臂互相連結的結構所構成，而機械手臂的控制即是對於各支臂的樞轉動作進行控制。模擬人類手臂之機械手臂包括有腰關節(Waist)、肩關節(Shoulder)、上臂(Upper arm)、肘關節(Elbow)、前臂(Fore arm)、腕關節(Wrist)、手掌(Hand)及手指(Finger)。而在以下具體實施例中，係以腰關節、肩關節、上臂、射關節、前臂及腕關節進行七個自由度運動，然在本發明所揭露之技術特徵下，並不以以下實施例為限。又機械手臂中係以軸承(Bearing)裝設於各個旋轉構件，此為熟習此項技術者可以據以了解並實施，在以下本發明所揭露之內容中，將不再針對軸承作詳細說明。

請參閱「第1圖」所示，根據本發明所揭露之動力傳動機構，其主要包括有一支臂組件10、一關節組件20、一掣動組件30及一動力組件40。支臂組件10可為機械手臂中之上臂，關節組件20可為機械手臂中之肘關節，關節組件20裝設於支臂組件10的一端，掣動組件30則裝設於支臂組件10內，動力組件40裝設於支臂組件10相對於關節組件20的另一端，動力組件40提供旋轉動力，經由掣動組件30傳遞動力至關節組件20，令關節組件20進行兩個自由度運動。

如「第2A、2B圖」所示，關節組件20包括有一第一關節座21、一第二關節座22、兩銜接件23、24。兩銜接件23、24連接第一關節座21及第二關節座22，第一關節座21係固定於兩銜接件23、24，第二關節座22則以可旋轉之關係樞接於兩銜接件23、24，使第二關節座22可相對於第一關節座21旋轉，於兩銜接件23、24上分別設有轉向柱231、232、241、242。其中的第一關節座21與第二關節座22概呈U字型，第二關節座22包含兩側板221、222及一底板223，兩側板221、222內側固定有兩個側差速盤2211、2221，底板223則以可旋轉之關係裝設有一中差速盤2231，側差速盤2211、2221之旋轉軸心RS4與中差速盤2231之旋轉軸心RS5相垂直，並由旋轉軸心RS4與旋轉軸心RS5進行兩個自由度運動。

如「第1、2C圖」所示，支臂組件10係為一中空管體，兩端為第一端11及第二端12，關節組件20固定於支臂組件10之第二端12端口處，動力組件40則設置於支臂組件10之第一端11。於第一端11處設有一導輪座13，導輪座13上設置有四個轉向柱131、132、133、134及四個導輪135、136、137、138。

如「第2D圖」所示，掣動組件30則以可旋轉之關係裝設於支臂組件10內，掣動組件30包含有一第一掣動體31與第二掣動體32，第一掣動體31與第二掣動體32呈管狀，兩端為第一端311、321及第二端312、322，第一掣動體31以可同軸旋轉之關係套置於第二掣動體32。

如「第2E圖」所示，動力組件40包括有第一動力源41、第二動力源42、四個減速機431、432、433、434。第一動力源41與第二動力源42係為一馬達，可作往復順時針及逆時針旋轉，第一動力源41與第二動力源42分別具有一輸出軸411、421。減速機431、432、433、434分別具有輸出軸4311、4321、4331、4341。

續請一併參閱「第1、2A、2B、2C、2D、2E圖」所示，由第一動力源41之輸出軸411處連接兩條鋼索817、818固定至減速機431、432之輸出軸4311、4321處，由第二動力源42之輸出軸421處連接兩條鋼索819、820固定至減速機433、434之輸出軸4331、4341處。並分別由減速機431、432、433、434之輸出軸4311、4321、4331、4341處連接四條鋼索821、822、823、824固定至導輪135、136、137、138處，並由導輪135、138連接二條鋼索825、828經轉向柱131、134固定至第二掣動體32之第一端321處，導輪136、137連接二條鋼索826、827經轉向柱132、133固定至第一掣動體31之第一端311處。

續由第一掣動體31之第二端312處連接二條鋼索830、831經轉向柱231、232固定至側差速盤2211處，由第二掣動體32之第二端322處連接二條鋼索832、833經轉向柱233、234固定至側差速盤2221。再由側差速盤2211、2221處分別連接四條鋼索834、835、836、837固定至中差速盤2231。

請參閱「第3A、3B、3C圖」，根據本發明所揭露之動力傳動機構，第一動力源41及第二動力源42可輸出順時針或逆時針旋轉動力並透過鋼索817、818、819、820帶動減速機431、432、433、434轉動。減速機431、432、433、434透過鋼索821、822、823、824、導輪135、136、137、138及鋼索825、826、827、828帶動第一掣動體31及第二掣動體32轉動。第一掣動體31及第二掣動體32透過鋼索830、831、832、833帶動側差速盤2211、2221轉動。側差速盤2211、2221透過鋼索834、835、836、837帶動中差速盤2231轉動。當第一動力源41及第二動力源42同向順時針或同向逆時針旋轉時，即可帶動第二關節22於旋轉軸心RS4旋轉而上下擺動，當第一動力源41及第二動力源42反向旋轉時(即第一動力源41為順時針旋轉而第二動力源42為逆時針旋轉，或第一動力源41為逆時針旋轉而第二動力源42為順時針旋轉)，中差速盤2231於旋轉軸心RS5順時針或逆時針旋轉，以令關節組件20進行旋轉軸心RS4及旋轉軸心RS5兩個自由度運動。

根據本發明所揭露之動力傳動機構，透過掣動組件30之第一掣動體31與第二掣動體32作為動力組件40與關節組件20之間的動力傳遞，掣動組件30可以配合支臂組件10之長度而進行動力傳遞，有效解決長距離動力傳遞直接透過鋼索而可能產生之動力損失或鋼索纏繞等問題，並且透過掣動組件30之第一掣動體31與第二掣動體32可連接四條鋼索830、831、832、833至兩個側差速盤2211、2221，亦可有效解決直接透過鋼索長距離動力傳動僅能提供單一自由度的問題。

請參閱「第4A~4D圖」所示，根據本發明所揭露應用動力傳遞機構之機械手臂，至少包括有一第一關節201、一第二關節202、一第三關節203、一第一支臂101、一第二支臂102、一掣動組件301，並至少包括一第一馬達401、一第二馬達402、一第三馬達403、一第四馬達404、一第五馬達405、一第六馬達406及一第七馬達407。第一馬達401驅動第一關節201進行第一自由度運動，第二及第三馬達402、403驅動第二關節202進行第二與第三自由度運動，第四及第五馬達404、405驅動第三關節203進行第四與第五自由度運動，第六、第七馬達406、407則提供第六與第七自由度運動動力。其中第一關節201對應模擬腰關節動作，第二關節202對應模擬肩關節動作，第一支臂101對應模擬上臂動作，第三關節203對應模擬肘關節動作，第二支臂102對應模擬前臂動作，第六、第七馬達406、407提供模擬腕關節動作之動力。

根據本發明所揭露之機械手臂，第一關節201包括有基座2011與承座2012，承座2012以可旋轉之關係設置於基座2011上，第一馬達401設置於基座2011內，透過鋼索801、802連接至兩減速機4011、4012，再由兩減速機4011、4012透過鋼索803、804連接至承座2012，令承座2012以旋轉軸心RS1進行第一個自由度運動。

第二關節202包括有一第一關節座2021及一第二關節座2022，第一關節座2021固定於承座2012上，第二關節座2022以可旋轉之關係設置於第一關節座2021，第二關節座2022於旋轉軸心RS2旋轉。第一關節座2021內設置第二馬達402、第三馬達403、第四馬達404、第五馬達405，第二關節座2022包括有兩個側差速盤2023、2024及一中差速盤2025，(此部分具體結構組成及關係請參考上述本發明動力傳動機構中關節組件20之揭露)。第一支臂101以可旋轉之關係設置在第二關節座2022上，而由中差速盤2025帶動在旋轉軸心RS3旋轉，第一支臂101設有一導輪座1011，導輪座1011上設置有導輪1012、1013、1014及1015(此部分具體結構組成及關係請參考上述本發明動力傳動機構中支臂組件10之揭露)。

第二馬達402、第三馬達403透過鋼索805、806、807、808連接至各別對應的兩減速機4021、4022、4031、4032，再由減速機4021、4022、4031、4032透過鋼索809、810、811、812連接兩個側差速盤2023、2024，兩個側差速盤2023、2024透過鋼索813、814、815、816連接中差速盤2025，當第二馬達402、403同向順時針或同向逆時針旋轉時，即可帶動第二關節座2022於旋轉軸心RS2旋轉而上下擺動，進行第二個自由度運動。當第二馬達402與第三馬達403反向旋轉時，中差速盤2025於旋轉軸心RS3順時針或逆時針旋轉，並帶動第一支臂101旋轉，進行第三個自由度運動。

根據本發明所揭露之機械手臂，第四馬達404與第五馬達405即對應上述動力傳動機構之第一動力源41與第二動力源42，第一支臂101即對應支臂組件10，掣動組件301即對應掣動組件30，第三關節203即對應關節組件20，故具體之結構組成與動作關係將不再重複贅述。經由第三關節203提供旋轉軸心RS4及旋轉軸心RS5之第四個自由度運度及第五個自由度運動。

第二支臂102係以可旋轉之關係設置於第三關節203，第六馬達406及第七馬達407設置於第二支臂102內，藉由第六馬達406及第七馬達407提供模擬腕關節動作動力之第六個自由度(旋轉軸心RS6)及第七個自由度(旋轉軸心RS7)。

根據本發明所揭露之機械手臂，透過掣動組件30作為第四馬達404與第五馬達405與第三關節203之間的動力傳遞，使得第四馬達404與第五馬達405可以設置於第二關節202處，有效解決直接如將第四馬達404或第五馬達405裝設於第三關節203處所造成之結構複雜、轉動慣量大等問題，掣動組件301可以配合第一支臂101之長度而進行動力傳遞，有效解決長距離動力傳遞直接透過鋼索而可能產生之動力損失或鋼索纏繞等問題，進而提供一具有七自由度運動之機械手臂。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．支臂組件

11．．．第一端

12．．．第二端

13．．．導輪座

131、132、133、104．．．轉向柱

135、136、137、138．．．導輪

101．．．第一支臂

1011．．．導輪座

1012、1013、1014、1015．．．導輪

102．．．第二支臂

20．．．關節組節

21．．．第一關節座

22．．．第二關節座

23、24．．．銜接件

231、232、241、242．．．轉向柱

221、222．．．側板

223．．．底板

2211、2221．．．側差速盤

2231．．．中差速盤

201．．．第一關節

2011．．．基座

2012．．．承座

202．．．第二關節

2021．．．第一關節座

2022．．．第二關節座

2023、2024．．．側差速盤

2025．．．中差速盤

203．．．第三關節

30．．．掣動組件

31．．．第一掣動體

32．．．第二掣動體

311、321．．．第一端

312、322．．．第二端

301．．．掣動組件

40．．．動力組件

41．．．第一動力源

42．．．第二動力源

431、432、433、434．．．減速機

411、421．．．輸出軸

4311、4321、4331、4341．．．輸出軸

401．．．第一馬達

4011、4012．．．減速機

402．．．第二馬達

4021、4022．．．減速機

403．．．第三馬達

4031、4032．．．減速機

404．．．第四馬達

405．．．第五馬達

406．．．第六馬達

407．．．第七馬達

801、802．．．鋼索

803、804．．．鋼索

805、806、807、808．．．鋼索

809、810、811、812．．．鋼索

813、814、815、816．．．鋼索

817、818．．．鋼索

819、820．．．鋼索

821、822、823、824．．．鋼索

825、828．．．鋼索

826、827．．．鋼索

830、831．．．鋼索

832、833．．．鋼索

834、835、836、837．．．鋼索

第1圖為本發明結構示意圖；

第2A圖為本發明結構示意圖；

第2B圖為本發明中結構剖面示意圖；

第2C圖為本發明中結構剖面示意圖；

第2D圖為本發明結構剖面示意圖；

第3A、3B、3C圖為本發明應用示意圖；及

第4A~4D圖為本發明之機械手臂示意圖。

10．．．支臂組件

11．．．第一端

12．．．第二端

13．．．導輪座

20．．．關節組節

30．．．掣動組件

40．．．動力組件

Claims (10)

1. 一種動力傳遞機構，其包括有：一支臂組件，具有一第一端及一第二端；一動力組件，設置於該支臂組件之該第一端，包含有一第一動力源及一第二動力源；一關節組件，設置於該支臂組件之該第二端，包含有一第一關節座及一第二關節座，該第二關節座以可旋轉之關係設置於該第一關節座，該第二關節座設置有兩個側差速盤及一中差速盤；及一掣動組件，設置於該支臂組件內，該掣動組件包含有同軸旋轉之一第一掣動體及一第二掣動體，該第一動力源驅動該第一掣動體往復旋轉，該第二動力源驅動該第二掣動體往復旋轉，該第一掣動體與該第二掣動體並驅動該兩側差速盤往復旋轉，該兩側差速盤驅動該中差速盤往復旋轉，該第一動力源與該第二動力源同向或反向旋轉驅動該第二關節座進行二個自由度運動。
2. 如請求項1所述動力傳遞機構，更包括複數條鋼索，以該複數條鋼索連接該動力組件、該關節組件及該掣動組件以進行動力傳遞。
3. 如請求項1所述動力傳遞機構，其中該第一動力源與該第二動力源係為一馬達。
4. 如請求項1所述動力傳遞機構，其中該第一動力源連接至一對減速機，再由該對減速機連接驅動該第一掣動體。
5. 如請求項1所述動力傳遞機構，其中該第二動力源連接至一對減速機，再由該對減速機連接驅動該第二掣動體。
6. 如請求項1所述動力傳遞機構，其中該關節組件更包括有一對連接該第一關節座及該第二關節座之銜接件，該第一關節座固定於該對銜接件，該第二關節座以可旋轉之關係樞接於該對銜接件。
7. 一種機械手臂，其包括有一第一關節、連接於該第一關節之一第二關節、連接於該第二關節之一第一支臂、連接於該第一支臂之一第三關節、連接於該第三關節之一第二支臂以及一裝設於該第一支臂內之掣動組件，一第一馬達設置於該第一關節並驅動該第一關節進行一第一自由度運動，一第二馬達與一第三馬達設置於該第二關節並驅動該第二關節進行一第二自由度運動及一第三自由度運動，一第四馬達與一第五馬達設置於該第二關節並驅動該第三關節進行一第四自由度運動及一第五自由度運動，一第六馬達及一第七馬達設置於該第二支臂內，提供一第六自由度運動及一第七自由度運動動力；其中，該掣動組件包含有同軸旋轉之一第一掣動體及一第二掣動體，該第四馬達驅動該第一掣動體往復旋轉，該第五馬達驅動該第二掣動體往復旋轉，該第一掣動體與該第二掣動體並驅動該第三關節進行該第四自由度運動及該第五自由度運動。
8. 如請求項7所述機械手臂，更包括複數條鋼索，以該複數條鋼索連接該第一至第七馬達、該第一至第二關節及該掣動組件以進行動力傳遞。
9. 如請求項7所述機械手臂，其中該第四馬達連接至一對減速機，再由該對減速機連接驅動該第一掣動體。
10. 如請求項7所述機械手臂，其中該第五馬達連接至一對減速機，再由該對減速機連接驅動該第一掣動體。