TWI566904B - 連桿機構、機器人工作平台以及機器人工作平台的設計方法 - Google Patents

Description

連桿機構、機器人工作平台以及機器人工作平台的設計方法

本發明是有關於一種連桿機構、機器人工作平台以及機器人工作平台的設計方法，且特別是有關於一種具抑振效果的連桿機構、機器人工作平台以及機器人工作平台的設計方法。

一般而言，機械裝置在高速運動的狀態下更容易產生振動。舉例而言，機械裝置例如機器人在高速運動的狀態下可能因為振動而產生偏移或晃動。如此，機器人的機械手臂在執行工作，例如產品組裝時，很可能會因為前述的偏移或晃動而產生裝配誤差。簡言之，振動將影響機械裝置的工作效率以及工作精度。

為了抑止機械裝置在高速運動的狀態下產生振動，可採用外加的避振裝置，或者直接調整控制機械裝置的控制方法。然而，採用外加的避振裝置需要額外的製造成本，而調整控制方法需要繁雜的計算。

本發明提供一種連桿機構，包括一第一支點、一第二支點、一第一連桿以及一第二連桿。第一連桿的兩端分別連接於第一支點以及第二支點，第二連桿的兩端分別連接於第一支點以及第二支點，其中當連桿機構受一外力時，第一連桿的振動相位以及第二連桿的振動相位相差π。

本發明提供一種機器人工作平台，包括一基座、一支架以及一連桿機構。連桿機構連接於支架與基座之間。連桿機構包括一第一支點、一第二支點、一第一連桿、一第二連桿以及一第三連桿。第一連桿的兩端分別連接於第一支點以及第二支點，且第一連桿以及第二連桿經由第一支點樞接於支架，當連桿機構受一外力時，第一連桿的振動相位以及第二連桿的振動相位相差π。第一連桿以及第二連桿經由第二支點樞接於第三連桿的一端，且第三連桿的另一端樞接於基座。

本發明提供一種機器人工作平台的設計方法。機器人工作平台包括一基座、一支架以及一連桿機構。連桿機構連接於支架與基座之間，且連桿機構包括一第一支點、一第二支點、一第一連桿、一第二連桿以及一第三連桿。第一連桿的兩端分別連接於第一支點以及第二支點，且第二連桿的兩端分別連接於第一支點以及第二支點。第一連桿以及第二連桿經由第一支點樞接於支架，第一連桿以及第二連桿經由第二支點樞接於第三連桿的一端，且第三連桿的另一端樞接於基座。機器人工作平台的設計方 法包括：獲取該機器人工作平台的多個工作參數。依據工作參數調整第一連桿的多個第一設計參數以及第二連桿的多個第二設計參數，以使連桿機構受一外力時，第一連桿的振動相位以及第二連桿的振動相位相差π。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧機器人工作平台

120‧‧‧基座

140‧‧‧支架

160‧‧‧連桿機構

160a‧‧‧第一支點

160b‧‧‧第二支點

162、162a-162h‧‧‧第一連桿

162i‧‧‧支撐件

164‧‧‧第二連桿

166‧‧‧第三連桿

A1‧‧‧截面積

R1、R2‧‧‧內徑

W‧‧‧壁厚

D1‧‧‧長度方向

圖1是依照本發明的一實施例的一種機器人工作平台的示意圖。

圖2A至圖2C是第一連桿的多個實施例的剖面示意圖。

圖3A至圖3E是第一連桿的多個實施例的截面形狀示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種機器人工作平台的示意圖。請參考圖1，機器人工作平台100包括一基座120、一支架140以及三個連桿機構160，其中連桿機構160連接於支架140與基座120。本實施例的機器人工作平台100例如是並聯式三軸機器人(delta robot)平台為例做說明，但本發明並不以此為限，機器人工作平台也可以是平行連桿機器人(Parallel Kinematic Machine,KMP)。各連桿機構160可分別連接至一驅動裝置以驅動連桿機構 運作，進一步帶動機器人工作平台100執行工作。在此需說明的是，本實施例的三個連桿機構160可以採用類似的設計，以下將以其中一個連桿機構160為例做說明。

請參考圖1，連桿機構160包括一第一支點160a、一第二支點160b、一第一連桿162、一第二連桿164以及一第三連桿166。第一連桿162的兩端分別連接於第一支點160a以及第二支點160b，第二連桿164的兩端分別連接於第一支點160a以及第二支點160b。具體而言，第一連桿162以及第二連桿164經由第一支點160a樞接於支架140，第一連桿162以及第二連桿164經由第二支點160b樞接於第三連桿166的一端，且第三連桿166的另一端樞接於基座120。當連桿機構160受一外力時，第一連桿162的振動相位以及第二連桿164的振動相位相差π。如此可使第一連桿162的振幅方向恰好與第二連桿164的振幅方向相反，進一步使得第一連桿162的振幅以及第二連桿164的振幅在合成後相互抵消而達到反向抑振的效果。

假設本實施例的第一連桿162或第二連桿164可以簡化為一個理想的質量與彈簧阻尼振動系統。此系統自由振動時的振動方程式可採用一個二階常微分方程式表示： 由式(1)可求出位移X與時間t的關係，即X(t)。式(1)中m為質量，c為阻尼係數，k為勁度係數。為了求出式(1)的解，可將其改寫為一特徵值方程式： mλ ²+cλ+k=0 (2)式(2)的解可以表示之。其中定義且 。假設此彈簧阻尼系統為一過阻尼(over damping)系統，則式(2)中的4mk-c ²>0，或者可表示為ω ^*>0，則式(2)的解則可以λ ₁₂=-α±iω ^*表示之。如此式(2)的通解(general solution)為X(t)=Ce ^-αt cos(ω ^* t-δ)。假設此系統的初始條件(initial condition)為X(0)=X ₀=A且，其中且 ，則位移X(t)可表示為： 其中為相位角，ω _n 為固有頻率(natural frequency)，且可由計算過程中過度向位角求出。

在本實施例中，假設第一連桿162的各初始條件為、X ₁₀、ω _1n ，其中為第一連桿162的速度、X ₁₀為第一連桿162的位置、ω _1n 為第一連桿之固有頻率。第二連桿164的各初始條件為、X ₁₀、ω _2n，其中為第二連桿164的速度、第二連桿164的位置、ω _2n 為第二連桿之固有頻率。在此，由於第一連桿162以及第二連桿164在機器人工作平台100運動時將同步移動，因此具有相同的以及X ₁₀。根據前述的條件可推得兩個相差π的相位： 由式(4)可得知，設計者可將第一連桿162以及第二連桿164的相位設計相差π。

在本實施例中，機器人工作平台100的各連桿機構160的第一連桿162以及第二連桿164都具有振動相位相差π的特性。如此，當機器人工作平台100在高速運動時，可藉由前述反向抑振的特性避免機器人工作平台100受振動的影響，進一步確保機器人工作平台100的工作效率以及工作精度。另外，前述的抑振方式不需要額外的避振裝置或者複雜的的控制方法，具有降低生產成本以及設計簡單之優點。

具體而言，本實施例是藉由調整第一連桿162以及第二連桿164的參數以使兩者的振動相位相差π，以下將說明本實施例的機器人工作平台100的設計方法，並討論第一連桿162以及第二連桿164的參數。

首先，獲取機器人工作平台100的多個工作參數。在本實施例中，工作參數包括機器人工作平台100的工作速度、荷重、運動模式、運動軌跡、加速度以及彈性轉軸。舉例而言，設計者可考慮機器人工作平台100運作時的最高速度、運作時需要承載的最大荷重、運作時機器人平台的移動方向、移動軌跡等作為工作參數。接著，依據前述的工作參數調整第一連桿162的第一設計參數以及第二連桿164的第二設計參數。

在本實施例中，第一設計參數包括第一連桿162的長度、重量、材質以及截面積、內徑以及外徑，且第二設計參數包括第 二連桿164的長度、重量、材質以及截面積、內徑以及外徑。藉由調整前述的第一設計參數以及第二設計參數，例如調整兩者的比值或差值，可使得第一連桿162以及第二連桿164的振動相位相差π。

舉例而言，假設第一連桿162以及第二連桿164都是圓形中空管，則第一連桿162或第二連桿164的截面積會與中空管的外徑以及管壁厚度有關。假設第一連桿162的截面積為A ₁ ，則可將A ₁ 表示為： 其中r ₁ 為第一連桿162的外徑，t ₁ 為第一連桿162的管壁厚度。假設第一連桿162的截面積形狀沿長度方向不變，則將式(5)乘以第一連桿162的長度L ₁ 可求得其體積V ₁ ： 假設第一連桿162的密度為ρ ₁ ，則第一連桿162的質量m ₁ 可表示為m ₁₌ V ₁ ρ ₁ ，若將等號兩邊同時乘以第一連桿162的固有頻率ω _1n 可得：ω _1n ² m ₁=ω _1n ² V ₁ ρ ₁ (7)接著代入第一連桿162的楊氏係數E ₁ 以及質量m ₁ 與固有頻率ω _1n 的關係式可將式(7)整理為： 將式(6)代入式(8)並化簡後可得： 其中L ₁ 、ρ ₁ 、ω _1n 以及E ₁ 都是已知的可調整參數，因此式(9)便是一個第一連桿162的管壁厚度t ₁ 以及外徑r ₁ 的關係式。

類似地，第二連桿164的管壁厚度t ₂ 以及外徑r ₂ 也可寫成類似式(9)的關係式。當第一連桿162的管壁厚度t ₁ 以及外徑r ₁ 固定之後，便可推得一組參數t ₂ 以及r ₂ 。由t ₁ 、r ₁ 、t ₂ 以及r ₂ 便可調整第一連桿162以及第二連桿164的截面積，如此根據式(4)可將第一連桿162以及第二連桿164的相位設計相差π。

詳細而言，當第一設計參數為第一連桿162的截面積，且第二設計參數為第二連桿164的截面積，則可藉由使第一連桿162以及第二連桿164的截面積大小不同可使兩者的振動相位相差π。例如，在第一連桿162以及第二連桿164的截面積形狀沿長度方向不變的情況下，調整第一連桿162的截面積以及第二連桿164的截面積的比值，以使兩者的振動相位相差π。

或者，調整第一連桿162的截面積，使第一連桿162的截面積沿第一連桿162的長度方向變化，並且調整第二連桿164的截面積，使第二連桿的截面積沿第一連桿164的長度方向變化，同樣可以使兩者的振動相位相差π。

此外，本實施例的第一連桿162以及第二連桿164可以是實心桿件或是空心桿件。當第一連桿162以及第二連桿164為 中空管，藉由調整第一連桿162以及第二連桿164的管徑可使兩者的振動相位相差π。例如，使第一連桿162的外徑大於第二連桿164的外徑，或者使第一連桿162的內徑大於第二連桿164的內徑。或者，同時調整內徑以及外徑，使第一連桿162的外徑大於第二連桿164的外徑，且第一連桿162的內徑小於第二連桿164的內徑。

第一連桿162或第二連桿164的形式可根據其截面積、管徑等做調整而具有良好的設計彈性。以下將列舉第一連桿162的多個實施例。

圖2A至圖2C是第一連桿的多個實施例的剖面示意圖。在此需說明的是，雖然圖2A至圖2C是以第一連桿為例，但圖2A至圖2C的實施例同樣適用於第二連桿。請參考圖2A，圖2A的實施例中，第一連桿162a為實心桿件，且第一連桿162a的截面積A1沿長度方向D1呈現由大到小，再由小到大。請參考圖2B，圖2B的實施例中，第一連桿162b為中空管，第一連桿162b的內徑R1沿長度方向D1呈現由小到大再由大到小，且第一連桿162b的管壁壁厚W在靠近連桿兩側的部分大於其他部分。請參考圖2C，圖2C的實施例中，第一連桿162c為空心桿件，且第一連桿162c的內徑R2長度方向D1呈現由大到小，再由小到大。

圖3A至圖3E是第一連桿的多個實施例的截面形狀示意圖。在此需說明的是，雖然圖3A至圖3E以第一連桿為例，但圖3A至圖3E的實施例同樣適用於第二連桿。如圖3A至圖3E所繪 示，第一連桿的截面形狀可以是圓形、橢圓形或多邊形。此外，如圖4F所繪示，第一連桿162h更可包括一支撐件162i，設置在中空管內。

在本實施例中，當機器人工作平台100的工作參數已被決定，則利用上述的步驟調整第一設計參數以及第二設計參數，可使連桿機構160受一外力時，第一連桿162的振動相位以及第二連桿164的振動相位相差π，並達到抑振的效果。

綜上所述，本發明的連桿機構中，第一連桿以及第二連桿的振動相位相差π，如此兩者的振幅可相互抵消以達到抑振效果。將此連桿機構應用於機器人工作平台時，便可避免機器人平台在高速運動時受振動的影響而進一步確保機器人工作平台的工作效率以及工作精度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧機器人工作平台

120‧‧‧基座

140‧‧‧支架

160‧‧‧連桿機構

160a‧‧‧第一支點

160b‧‧‧第二支點

162‧‧‧第一連桿

164‧‧‧第二連桿

166‧‧‧第三連桿

Claims (21)

1. 一種連桿機構，包括：一第一支點；一第二支點；一第一連桿，該第一連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點；以及一第二連桿，該第二連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點，其中該第一連桿以及該第二連桿為中空管，且該第一連桿的截面積與該第二連桿的截面積不相等，其中當該連桿機構受一外力時，該第一連桿的振動相位以及該第二連桿的振動相位相差π。
2. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿以及該第二連桿的截面形狀包括圓形、橢圓形或多邊形。
3. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿的截面積沿該第一連桿的長度方向變化，且該第二連桿的截面積沿該第二連桿的長度方向變化。
4. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑。
5. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿的內徑大於該第二連桿的內徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑，且該第一連桿的內徑小於該第二 連桿的內徑。
7. 如申請專利範圍第1項所述的連桿機構，其中該第一連桿以及該第二連桿具有不同材質。
8. 一種機器人工作平台，包括：一基座；一支架；以及一連桿機構，連接於該支架與該基座之間，該連桿機構包括：一第一支點；一第二支點；一第一連桿，該第一連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點；一第二連桿，該第二連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點，其中該第一連桿以及該第二連桿為中空管，該第一連桿的截面積與該第二連桿的截面積不相等，且該第一連桿以及該第二連桿經由該第一支點樞接於該支架，其中當該連桿機構受一外力時，該第一連桿的振動相位以及該第二連桿的振動相位相差π；以及一第三連桿，該第一連桿以及該第二連桿經由該第二支點樞接於該第三連桿的一端，且該第三連桿的另一端樞接於該基座。
9. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿以及該第二連桿的截面形狀包括圓形、橢圓形或多邊形。
10. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿的截面積沿該第一連桿的長度方向變化，且該第二連桿的截面積沿該第二連桿的長度方向變化。
11. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑。
12. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿的內徑大於該第二連桿的內徑。
13. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑，且該第一連桿的內徑小於該第二連桿的內徑。
14. 如申請專利範圍第8項所述的機器人工作平台，其中該第一連桿以及該第二連桿具有不同材質。
15. 一種機器人工作平台的設計方法，該機器人工作平台包括一基座、一支架以及一連桿機構，該連桿機構連接於該支架與該基座之間，且該連桿機構包括一第一支點、一第二支點、一第一連桿、一第二連桿以及一第三連桿，該第一連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點，該第二連桿的兩端分別連接於該第一支點以及該第二支點，其中該第一連桿以及該第二連桿為中空管，該第一連桿的截面積與該第二連桿的截面積不相等，且該第一連桿以及該第二連桿經由該第一支點樞接於該支架，該第一連桿以及該第二連桿經由該第二支點樞接於該第三連桿的一端，且該第三連桿的另一端樞接於該基座，該機器人工作平台的 設計方法包括：獲取該機器人工作平台的多個工作參數；以及依據該些工作參數調整該第一連桿的多個第一設計參數以及該第二連桿的多個第二設計參數，以使該連桿機構受一外力時，該第一連桿的振動相位以及該第二連桿的振動相位相差π。
16. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，其中該些工作參數包括該機器人工作平台的工作速度、荷重、運動模式、運動軌跡以及加速度。
17. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，其中該些第一設計參數包括該第一連桿的長度、重量、以及材質，且該些第二設計參數包括該第二連桿的長度、重量、以及材質。
18. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，其中該些第一設計參數包括該第一連桿的截面積，該些第二設計參數包括該第二連桿的截面積，且依據該些工作參數調整該第一連桿的多個第一設計參數以及該第二連桿的多個第二設計參數包括使該第一連桿的截面積沿該第一連桿的長度方向變化，且使該第二連桿的截面積沿該第二連桿的長度方向變化。
19. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，其中該第一設計參數包括該第一連桿的外徑，該第二設計參數包括該第二連桿的外徑，且依據該些工作參數調整該第一連桿的多個第一設計參數以及該第二連桿的多個第二設計參數包括使 該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑。
20. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，其中該第一設計參數包括該第一連桿的內徑，該第二設計參數包括該第二連桿的內徑，且依據該些工作參數調整該第一連桿的多個第一設計參數以及該第二連桿的多個第二設計參數包括使該第一連桿的內徑大於該第二連桿的內徑。
21. 如申請專利範圍第15項所述的機器人工作平台的設計方法，該第一設計參數包括第一連桿的內徑以及外徑，該第二設計參數包括該第二連桿的內徑以及外徑，且依據該些工作參數調整該第一連桿的多個第一設計參數以及該第二連桿的多個第二設計參數包括使該第一連桿的外徑大於該第二連桿的外徑，且該第一連桿的內徑小於該第二連桿的內徑。