TWI460061B - Parallel link mechanism - Google Patents

Description

平行連桿機構

本申請案係於35 U.S.C. 119之規定主張其優先權，於日本提出發明專利之申請，其申請日為2008年4月10日，申請案號JP2008-102966，並合併參閱以下的內容。

本發明是關於平行連桿機構，尤其是關於具備藉著球窩接頭所連結的手臂的平行連桿機構。

從以往，藉著複數支手臂並聯結合安裝有支撐基盤的底座部和終端效應器的托架的平行連桿機構為人所熟知。平行連桿機構中，並聯配置有電動馬達的同時，連結在各電動馬達的複數支手臂為最終是操作1個托架所構成。

該平行連桿機構中，各手臂為連桿與桿所構成。連桿及桿分別是藉球窩接頭所連結，以該等球窩接頭為支點，桿可對連桿形成三維方向擺動。桿的前端分別經由球窩接頭連結在托架上。藉此一構造連桿對托架是以球窩接頭為支點，可在三維方向擺動。又，該平行連桿機構中，球窩接頭的球體單側半面從承窩露出的狀態保持著可轉動的同時，形成藉彈簧連結著2支桿的構成，藉此可防止當手臂擺動時球窩接頭的球體從承窩脫落，並可增大手臂的擺動角度(活動範圍)。

該平行連桿機構中，球窩接頭的球體和承窩雖是利用彈簧的拉伸力來保持，但是由於球窩接頭的球體單側半面從承窩露出，因此受到超過彈簧拉伸力負荷的場合，會有使球體從承窩脫落之虞。以上的問題在越接近平行連桿機構的動作範圍外緣越是顯著。相對於此，彈簧的拉伸力越是增強時，越會增大球窩接頭的滑動阻力，以致於增大高速動作時的負荷，或增大球窩接頭的磨損。另一方面，球窩接頭的球體沿著球面以承窩覆蓋到基端部側為止時，會導致對平行連桿機構進行分解維護等時之維修性的惡化。

本案發明人針對上述問題點重複致力研討的結果，獲得以下的知識。亦即，平行連桿機構的動作中終端效應器(托架)產生的外力被分解作為軸向的負荷作用在各桿上。承窩的邊緣部份對該桿的軸向的負荷，僅從球體的赤道到前端側的位置為止時，對承窩會產生朝著和彈簧拉伸力相反方向的排斥力作用。並且，該排斥力大於彈簧的拉伸力時，球窩接頭的球體會從承窩脫落。

根據以上的知識本案發明人獲得本發明，藉以下說明之本發明的較佳樣態，來解決上述問題點，不致使維修性惡化，可抑制自由擺動連結著手臂等的球窩接頭的脫落。

本發明較佳樣態的平行運桿機構是經複數支手臂並聯連結有底座部和托架的平行連桿機構，具有以下的構成。構成複數支手臂的各手臂，具備：其一端連結在安裝於底座部的致動器的第1連桿；具有一對桿，連結第1連桿的另一端和托架的第2連桿；可擺動連結著構成第2連桿的一對桿的一端和第1連桿的另一端的第1球窩接頭；可擺動連結著一對桿的另一端和托架的第2球窩接頭；及將一對桿朝著彼此拉伸方向彈推的拉伸構件。第1球窩接頭及第2球窩接頭之內，至少其中之一的球窩接頭，具有：包含軸部與球形頭部的球螺樁，可自由擺動迴轉保持著該球螺樁的球狀頭部的承窩。承窩，包含：保持著球形頭部前端部到赤道為止的半球形凹部，及從該半球形凹部平順連續，自球形頭部的赤道往軸部側延伸的延長部，延長部的開口部的內徑和球形頭部的直徑相同或比該直徑大。

根據本發明的較佳態樣時，在構成第1球窩接頭及/或第2球窩接頭的承窩上，形成有從半球形凹部平順連續的延長部，因此可以垂直承接作用在承窩的反向力(對作用在桿軸向之負荷的反向力)，可抑制作用在使承窩脫落方向的反向力(對軸部的軸線方向之反向力的分力)的產生。因此，可抑制構成球窩接頭的球螺樁的球形頭部從承窩脫落。另一方面，延長部的開口部內徑形成和球形頭部的直徑相同或比該直徑大，例如進行分解維護等時，以大於拉伸構件的拉伸力使承窩沿著球螺樁軸部的軸線方向朝外側拉伸，可藉此從承窩卸下球螺樁。其結果，不致使維修性惡化，可抑制球窩接頭的脫落。

因此，配置上述一對的桿使各個中心軸形成彼此平行，上述延長部是形成大致圓筒形，該延長部的中心軸是以相對於一對桿的各中心軸所定義的平面呈平行，且相對於一對桿的各中心軸大致垂直延伸為佳。

如上述，隨著平行連桿機構的動作，桿的中心軸方向即使施以過大負荷時，仍可確實抑制球窩接頭的脫落。

並且，上述延長部的長度是以對應球形頭部的直徑來設定為佳。

如上述，可適當設定延長部的長度，因此可持續確保平行連桿機構的維修性，及活動範圍，適當抑制球窩接頭的脫落。

又，上述延長部的長度是以對應拉伸構件的全長來設定為佳。

如上述，由於可適當設定延長部的長度，因此可持續確保平行連桿機構的維修性，及活動範圍，適當抑制球窩接頭的脫落。

參閱以下圖示，並根據本發明之較佳實施形態的詳細說明得以使本發明的特徵、元件、步驟、特長及優點更為明確。

以下，參閱圖示針對本發明最佳實施形態詳細說明。並且，各圖中，同一元件賦予相同符號並省略重複的說明。

首先，合併使用第1圖及第2圖，針對實施形態涉及的平行連桿機構的整體構成說明。第1圖是表示實施形態所涉及平行連桿機構1的整體構成的透視圖。並且第2圖是表示從第1圖中箭頭A1方向顯示平行運桿機構1的圖。

平行連桿機構1，在上部具有底座部2。平行連桿機構1為例如在水平的頂面等固定有形成在底座部2下面側的平坦安裝面2a所支撐。另一方面，在底座部2的下面側設有3個支撐構件3。各支撐構件3分別支撐著電動馬達4。電動馬達4支撐著馬達軸的軸線C使其對底座部2的安裝面2a成平行(即水平)。各個支撐構件3是以底座部2的鉛直方向軸線C1為中心間隔相等角度(120度)所配置，各電動馬達4同樣是以底座部2的鉛直方向軸線C1為中心間隔相等角度(120度)配置(參閱第2圖)。

各電動馬達4的輸出軸相對於軸線C2同軸固定有大致六角形的手臂支撐構件5。手臂支撐構件5藉著電動馬達4的驅動以軸線C2為中心轉動。此外，各電動馬達4被連接在含有馬達驅動器的電子控制裝置(省略圖示)上，電動馬達4的輸出軸的轉動被該電子控制裝置所控制。

平行連桿機構1具有3支的手臂主體6，各手臂主體6是包含第1手臂7及第2手臂8所構成。在此，第1手臂7是相當於申請專利範圍記載的第1連桿，第2手臂8是相當於申請專利範圍記載的第2連桿。第1手臂7例如是以碳纖維等所形成的長尺寸中空圓筒構件。第1手臂7的基端部被安裝在手臂支撐部5的側面。固定第1手臂7使其軸線和上述的軸線C2成正交。

第1手臂7的遊動端部連結著第2手臂8的基端部，構成使第2手臂8可以第1手臂7的遊動端部為中心擺動。第2手臂8是包含一對長尺寸的桿9、9所構成，一對的桿9、9被配置在其長方向形成彼此平行。桿9例如也是以碳纖維等所形成的長尺寸中空圓筒構件。各桿9的基端部是藉一對球窩接頭10、10(相當於申請專利範圍記載的第1球窩接頭)自由轉動連結在第1手臂7的遊動端部。再者，配置各桿9的基端部之連結各球窩接頭10、10的旋轉中心間的軸線C3對電動馬達4的軸線C2形成平行。

又，在第2手臂8的基端部以連結構件11將一方的桿9和另一方的桿9彼此連結，在第2手臂8的遊動端部以連結構件12將一方的桿9和另一方的桿9彼此連結。連結構件11及連結構件12，例如具有作為施力構件的拉伸螺旋彈簧，朝著使一對桿9、9彼此拉扯的方向施力。亦即，連結構件11、12具有申請專利範圍記載之拉伸構件的功能。並且，連結構件11和連結構件12即使是不同的構件也無妨，如相同構造則是以低成本的觀點為佳。任意的連結構造11、12都具有可防止各桿9在與其本身長方向平行的軸線周圍轉動的功能。

又，平行運桿機構1具有可以安裝使終端效應部(手臂前端)13迴轉用的托架14。托架14是形成大致正三角形的板狀構件。該托架14藉著3支手臂主體6，保持使托架14的終端效應部13的安裝面14a(第1圖的托架14的下面)和底座部2的安裝面2a平行(即水平)。

托架14的各邊形成有安裝片15。各安裝片15被連結在各個手臂主體6的遊動端部(構成第2手臂8的一對桿9、9的遊動端部)，使得托架14對各手臂主體6，以各手臂主體6的遊動端部為中心擺動。詳細而言，托架14的各安裝片15各端部在對應的各桿9、9的遊動端部是以各球窩接頭16、16(相當於申請專利範圍記載的第2球窩接頭)連結。並且，連結一對球窩接頭16、16的軸線C4(參閱第2圖)也平行於電動馬達4的軸線C2。托架14可以水平的軸線C4為中心對各手臂主體6擺動。並且，在大致正三角形的托架14所有的邊，托架14為3支手臂主體6所支撐而可以水平的軸線C4為中心擺動。

第1手臂7和第2手臂8之連結部的一對球窩接頭10、10間的距離與第2手臂8的各桿9和托架14之連結部的一對球窩接頭16、16間距離設定成相等。因此，如上述，構成第2手臂的一對桿9在其長方向的全長配置彼此平行。軸線C2、C3、C4的皆是平行於底座部2的安裝面2a，因此第1手臂7、第2手臂8及托架14即使分別以軸線C2、C3、C4為中心進行任何的擺動，仍然可維持著托架14的終端效應部13的安裝面14a和底座部2的安裝面2a的平行關係。

並且，對應來自電子控制裝置的指令，控制固定在各電動馬達4的輸出軸的手臂支撐構件5的轉動位置，控制各第1手臂7的遊動端部的位置。各第2手臂8的遊動端部位置追隨著該控制後各第1手臂7的遊動端部的位置，其結果，可決定托架14的終端效應部13的安裝面14a的位置。此時，如上述，托架14維持著水平姿勢的狀態移動。

又，平行連桿機構1，具有：在其中央朝鉛直方向延伸的旋轉軸桿20，及使得該旋轉軸桿20轉動用的電動馬達21。電動馬達21再其輸出軸朝著鉛直下方的狀態被固定在底座部2。旋轉軸桿20的一端部經萬向節(以下稱「萬向聯軸節」)22連結在電動馬達21的輸出軸。另一方面，旋轉軸桿20的另一端部是經萬向聯軸節23連接在終端效應部13。旋轉軸桿20是藉由桿20a和汽缸20b來實現構成可自由伸縮。另外，旋轉軸桿20為球形花鍵，因此可將桿20a的轉動傳達至汽缸20b。由於旋轉軸桿20的兩端部是採用萬向聯軸節22、23，托架14即使根據3個電動馬達4的驅動在上下、前後左右的預定位置移動，旋轉軸桿20仍可追隨其預定位置而移動。此外，電動馬達21也是連接在上述的電子控制裝置上，電動馬達21輸出軸的轉動為該電子控制裝置所控制，可藉此控制終端效應部13的轉動位置。

接著，參閱第3圖，針對可擺動連結桿9的遊動端部與托架14的球窩接頭16的構造說明。在此，第3圖為球窩接頭16的剖視圖。另外，該球窩接頭16的構造和連結桿9的基端部與第1手臂7的遊動端部的球窩接頭10的構造同一或相同，因此在此省略對球窩接頭10構造的說明。

球窩接頭16，具有：例如鋼鐵製的球窩接頭30；作為承窩構件的桿33；及作為承接部的樹脂杯體37所構成。

球螺樁30在其前端部，具有一體設有球形外圍面的球形頭部31。並且，在球螺樁30的球形頭部31一體突設有軸部32。

桿33在其一端部，具備；大致對應球形頭部31的球形外圍面的具有內周圍面半球形凹部34，及形成有從該球形凹部34平順連續的環狀延長部35的承窩36。形成在承窩36的半球形凹部34在第3圖表示的靜止狀態下，形成保持著球形頭部31的前端部到赤道38為止。並且，球形頭部31的赤道38是稱為正交於球螺樁30中心軸的平面與位在球形頭部31的直徑形成最大位置時的平面和球形頭部31的交線。

延長部35是形成大致圓筒形，延長部35的中心軸是形成對一對桿9、9(桿33、33)的各中心軸所定義的平面成平行，並且對一對桿9、9(桿33、33)的各中心軸成垂直延伸。延長部35其內徑形成相同或稍微大於球形頭部31的直徑。又，本實施形態中，對球形頭部31的直徑16mm設定延長部35的長度δ為0.5mm。並且，延長部35的長度a例如以考慮球形頭部31的直徑、連結構件12的全長(或者，連結構件12包含的拉伸螺旋彈簧的密接長度)、負荷等的使用條件等來設定為佳。

承窩36所形成的半球形凹部34及延長部35與保持在承窩的球螺樁30的球形頭部31之間間設有樹脂杯體37。樹脂杯體37被裝著密接在半球形凹部34及延長部35的內面。並且，形成樹脂杯體37的樹脂材料例如可適當使用含氟樹脂等低摩擦性的材料。又，樹脂杯體37同樣可適當使用聚縮醛(POM)或者聚醚醚酮(PEEK)等之氟系以外的滑動性高的樹脂。

藉著在上述的承窩36內收容、保持球形頭部31，可自由擺動且自由迴轉地連結著球螺樁30。並在球螺樁30的軸部32固定有托架14的安裝片15。另一方面，將桿9的前端部插入至桿33，使得桿33和桿9以彼此停止轉動的狀態固定著。另外，成對構成第2手臂8之另一方的桿9也同樣經由球窩接頭16連結在托架14的安裝片15。藉此，可擺動連結著第2手臂8和托架14。

在此，平行連桿機構1的動作中在終端效應部13(托架14)產生的外力，被分解後作為軸向的負荷施力於各桿9。以上的構成中，施加負荷於桿9的軸向的場合，藉著形成在承窩36的半球形凹部34及從該半球形凹部34平順連續的延長部35，垂直承接作用在承窩36的反向力(對作用在桿9的軸向負荷的反向力)。因此，抑制作用在離開承窩36方向的斥力(對軸部32的軸線方向之反向力的分力)產生。

根據本實施形態，由於在構成球窩接頭16的承窩36形成有從半球形凹部34平順連續的延長部35，因此可以垂直承接作用於承窩36的反向力，可抑制作用在離開承窩36方向的斥力產生。因此，可抑制球螺樁30的球形頭部31脫離承窩36。另一方面，延長部35的開口部的內徑形成相同或稍微大於球形頭部31的直徑，例如進行分解維護等時，以大於連結構件12的拉伸力沿著球螺樁30軸部的軸線方向朝外側拉伸承窩，可以使球螺樁30從承窩36脫離。其結果，不致使維修性惡化，可抑制球窩接頭16的脫落。

尤其本實施形態中，延長部35形成大致圓筒形的同時，並形成其中心軸以相對於一對桿9、9(桿33、33)的各中心軸所定義的平面呈平行，且相對於一對桿9、9(33、33)的各中心軸大致垂直延伸，因此伴隨著平行連桿機構1的動作，即使對桿9(桿33)的中心軸方向產生過大的負荷時，仍然可確實抑制球窩接頭16的脫落。

並且，根據本實施形態，延長部35的長度6是考慮球形頭部31的直徑、連結構件12的全長、負荷等的使用條件等來設定，因此可適當設定延長部35的長度δ，持續確保平行連桿機構1的維修性及活動範圍，可抑制球窩接頭16的脫落。

在此，根據本實施形態，藉實施例及比較例可具體顯示抑制球窩接頭的脫落。實施例及比較例是在終端效應部的座標(X、Y、Z)為(450、-260、860)(mm)的位置使施加在-Y方向的負荷(N)變化，使用負載檢測器測定球窩接頭脫落的負荷(N)(參閱第5圖、測定方法的欄)。

實施例中，使用和上述球窩接頭16相同構造的球窩接頭。另一方面，比較例中，未形成有延長部，並且半球形凹部的開口端部在第4圖表示的靜止狀態中使用位在離開球形頭部的赤道1mm前端側的球窩接頭(參閱第4圖)。

測試結果表示在第5圖。從第5圖可得知，比較例中，施以150(N)的負荷(軸向力換算為430(N))時會在1軸的球窩接頭造成脫落。另一方面，實施例中，即使施以350(N)的負荷(軸向力換算為1000(N))的場合也不會造成球窩接頭的脫落。從以上的說明，可確認本實施形態的有效性。

以上，雖針對本發明的實施形態已作說明，但是本發明不僅限於上述實施形態可作種種的變形。例如，延長部35雖是形成大致圓筒形，但是延長部的形狀不僅限於大致圓筒形。例如，延長部也可以形成從側面方向顯示的場合為梯形。

上述實施形態中，可擺動連結桿9的遊動端部和托架14的球窩接頭16，及連結桿9的基端部和第1手臂7的遊動端部的球窩接頭10雖是使用相同的構造，但是例如也可以考慮施加在各球窩接頭的負荷等，使用不同的構造。

針對本發明涉及的實施形態已作說明，為本發明不僅限於上述相關之各具體實施例的記載，在不脫離本案之主旨的範圍內可進行種種的變形與變更。即根據本發明上述記載範圍內所為之種種變更皆包含於本發明之範疇內。

1．．．平行連桿機構

2．．．底座部

2a．．．安裝面

3．．．支撐構件

4．．．電動馬達

5．．．手臂支撐構件

6．．．手臂主體

7．．．第1手臂

8．．．第2手臂

9．．．桿

10．．．球窩接頭

11、12．．．連結構件

13．．．終端效應部

14．．．托架

14a．．．安裝面

15．．．安裝片

16．．．球窩接頭

20．．．旋轉軸桿

20a．．．桿

20b．．．汽缸

21．．．電動馬達

22、23．．．萬向聯軸節

30．．．球螺樁

31．．．球形頭部

32．．．軸部

33．．．桿

34．．．半球形凹部

35．．．延長部

36．．．承窩

37．．．樹脂杯體

38．．．赤道

C1．．．鉛直方向軸線

C2、C3、C4．．．軸線

第1圖是表示實施形態所涉及平行連桿機構的整體構成的透視圖。

第2圖是表示從第1圖中箭頭A1方向顯示平行連桿機構的圖。

第3圖為使用在實施形態所涉及之平行連桿機構的球窩接頭的剖視圖。

第4圖是比較例所使用之球窩接頭的剖視圖。

第5圖是表示實施例及比較例的測定結果的圖。

16．．．球窩接頭

30．．．球螺樁

31．．．球形頭部

32．．．軸部

33．．．桿

34．．．半球形凹部

35．．．延長部

36．．．承窩

37．．．樹脂杯體

38．．．赤道

Claims (8)

1. 一種平行連桿機構，係經複數支手臂並聯連結有底座部和托架的平行運桿機構，構成複數支手臂的各手臂，具備：其一端連結在安裝於上述底座部的致動器的第1連桿；具有一對桿，連結上述第1連桿的另一端和上述托架的第2連桿；可擺動連結著構成上述第2連桿的上述一對桿的一端和上述第1連桿的另一端的第1球窩接頭；可擺動連結著上述一對桿的另一端和上述托架的第2球窩接頭；及將一對上述桿朝著彼此拉伸方向彈推的拉伸構件，上述第1球窩接頭及第2球窩接頭之內，至少其中之一的球窩接頭，具有：包含軸部與球形頭部的球螺樁，及可自由擺動迴轉保持著該球螺樁的球狀頭部的承窩，其特徵為：上述承窩，包含：保持著上述球形頭部前端部到赤道為止的半球形凹部，及從該半球形凹部平順連續，自上述球形頭部的赤道往上述軸部側延伸的延長部，上述延長部的開口部的內徑形成和上述球形頭部的直徑相同或比該直徑大。
2. 如申請專利範圍第1項記載的平行連桿機構，其中，配置上述一對的桿使各個中心軸形成彼此平行，上述延長都是形成大致圓筒形，該延長部的中心軸是相對於上述一對桿的各中心軸所定義的平面呈平行，且相對於上述一對桿的各中心軸大致垂直延伸。
3. 如申請專利範圍第2項記載的平行連桿機構，其中，上述延長部的長度是對應球形頭部的直徑來設定。
4. 如申請專利範圍第2項記載的平行連桿機構，其中，上述延長部的長度是對應上述拉伸構件的全長來設定。
5. 如申請專利範圍第1項記載的平行連桿機構，其中，上述球螺樁為鋼鐵製，承窩的半球形凹部及延長部的內面安裝有樹脂製的杯體，在球螺樁的球形頭部和承窩的半球形凹部及延長部之間安裝著上述杯體。
6. 如申請專利範圍第5項記載的平行連桿機構，其中，上述杯體的樹脂材料為含氟樹脂。
7. 如申請專利範圍第1項記載的平行連桿機構，其中，上述承窩的延長部承接作用在桿軸向的負荷的反向力。
8. 如申請專利範圍第1項記載的平行連桿機構，其中，上述承窩的延長部的長度為0.5mm。