球坐标操控机构的制作方法
【专利摘要】本发明是揭露一种球坐标操控机构，乃架构于前案(US8,579,714B2)的内框与外框双四面体结构共心轴接四组内轨与外轨弧杆的三自由度转向机构为基础，在本发明中增设至少一组可选择轴接于内框或外框结构的终端弧杆组，以达到可直接输出力或力矩的多自由度球坐标操控机构。
【专利说明】球坐标操控机构
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于机械手臂或运动载台操控的技术，可装载各式对象在多自由度运 动的球坐标操控机构。
【背景技术】
[0002] 现行常用于球面经纬度运动的机构为传统的平衡环式（G im bals)机构。平衡环 式机构允许动力承载以大角度甚至连续旋转。但是此机构是逐环架构，导致实施时，动力承 载体积或惯量需求较大时，内环与外环半径亦须相对大幅扩增，延伸庞大的操作空间难以 类比其承载容积。而且平衡环式机构因逐环架构亦会有电讯传输、线束缠绕等等问题。
[0003] 1990 年 Lavel 大学教授 C. M. Gosselin 和 J. F. Hamel 发表 3-RRR 球面并联机 构Agile Eye,该机构包括三个转动输入轴，从上俯视Agile Eye,形成三轴同心120°均 等分布，驱动三组弧形连杆组的球面转向机构，但是Agile Eye很难直接输出力或力矩。 C. M. Gosselin教授还揭露另一构型（US5, 966, 991)，采用五弧形连杆的两自由度转向机 构。
【发明内容】
[0004] 有鉴于上述已知问题与不足，乃于稍早前案（US8, 579, 714B2)揭露：内框与外框 双四面体结构共心轴接四组内轨与外轨弧杆的三自由度转向机构。本发明乃架构于前案 (US8, 579, 714B2)，增设至少一组可选择轴接于内框或外框结构的终端弧杆组，以达到可直 接输出力或力矩的多自由度球坐标操控机构。前案（US8, 579, 714B2)因为不受新增终端弧 杆组的牵绊，故运动空间较大，但本发明却通过新增至少一组终端弧杆组得以直接输出力 或力矩。
【专利附图】
【附图说明】
[0005] 图IA为单组外框轴接型的立体视图
[0006] 图IB为单组外框轴接型的前视图
[0007] 图IC为单组外框轴接型的侧视图
[0008] 图2A为外框结构组合件结构设计一的立体视图
[0009] 图2B为外框结构组合件结构设计一的几何定义图
[0010] 图2C为外框结构组合件结构设计二的立体视图
[0011] 图2D为外框结构组合件结构设计二的几何定义图
[0012] 图3A为内框结构组结构设计一的立体视图
[0013] 图3B为内框结构组结构设计一的几何定义
[0014] 图3C为内框结构组结构设计二的立体视图
[0015] 图3D为内框结构组结构设计二的几何定义
[0016] 图4A为外框转动元件装设于外框设计一内侧的立体视图
[0017] 图4B为内框转动元件装设于内框设计一外侧的立体视图
[0018] 图4C为外框转动元件装设于外框设计二内侧的立体视图
[0019] 图4D为内框转动元件装设于内框设计二外侧的立体视图
[0020] 图5A为四组内轨弧杆组与外轨弧杆的立体视图
[0021] 图5B为四组内轨弧杆组与外轨弧杆的几何定义
[0022] 图6A为终端弧杆组外框轴接型的立体视图
[0023] 图6B为终端弧杆组外框轴接型的焦点视图
[0024] 图6C为终端弧杆组外框轴接型的几何定义
[0025] 图7A为终端弧杆组内框轴接型的立体视图
[0026] 图7B为终端弧杆组内框轴接型的焦点视图
[0027] 图7C为终端弧杆组内框轴接型的几何定义
[0028] 图8A为双组内框轴接型轭式外框设计一的立体视图
[0029] 图8B为双组内框轴接型轭式外框设计一的几何定义
[0030] 图8C为双组内框轴接型轭式外框设计二的立体视图
[0031] 图8D为双组内框轴接型轭式外框设计二的几何定义
[0032] 图9A为双组外框轴接型轭式内框设计一的立体视图
[0033] 图9B为双组外框轴接型轭式内框设计一的几何定义
[0034] 图9C为双组外框轴接型轭式内框设计二的立体视图
[0035] 图9D为双组外框轴接型轭式内框设计二的几何定义
[0036] 图IOA为单组内框轴接型的立体视图
[0037] 图IOB为单组内框轴接的前视图
[0038] 图IOC为单组内框轴接的侧视图
[0039] 图IlA为双组外框轴接型的立体视图
[0040] 图IlB为双组外框轴接型的前视爆炸图
[0041] 图IlC为双组外框轴接型的侧视爆炸图
[0042] 图12A为双组内框轴接型的立体视图
[0043] 图12B为双组内框轴接型的前视爆炸图
[0044] 图12C为双组内框轴接型的侧视爆炸图
[0045] 图13A为双组外框轴接型轭式内框的立体视图
[0046] 图13B为双组外框轴接型轭式内框的前视爆炸图
[0047] 图13C为双组外框轴接型轭式内框的侧视爆炸图
[0048] 图14A为双组内框轴接型轭式外框的立体视图
[0049] 图14B为双组内框轴接型轭式外框的前视爆炸图
[0050] 图14C为双组内框轴接型轭式外框的侧视爆炸
[0051] 图15A内框轴接型之终端弧杆弧长为零特例的立体视图
[0052] 图15B内框轴接型之终端弧杆弧长为零特例的几何定义
[0053] 图15C外框轴接型之终端弧杆弧长为零特例的立体视图
[0054] 图1?外框轴接型之终端弧杆弧长为零特例的几何定义
[0055] 附图序号说明：内框结构组合件1、内框结构1〇、内框转动元件la、内框托架 lb、内框负载lc、内轨弧杆组合件2、内轨弧杆2〇、内接轴芯2a、外轨弧杆组3、外轨弧杆 3〇、外接轴芯3a、中接轴芯3b、外框结构组合件4、外框结构4〇、外框转动元件4a、外框托 架4b、外框负载4c、终端弧杆组5、终端弧杆5x、终端转动元件5a、终端承载5e
【具体实施方式】
[0056] 以下请参照相关附图进一步说明本发明球坐标操控机构的实施例。为便于理解本 发明实施方式，以下相同组件采用相同符号标示说明。
[0057] 请参阅图IA?图IC所示，本发明的球坐标操控机构其包括一外框结构组合件4、 一内框结构组合件1、包括四根外轨弧杆的外轨弧杆组3、包括四根内轨弧杆的内轨弧杆组 2及至少一组可选择轴接（即使用连接轴连接）于外框结构4〇或内框结构Io的终端弧杆 组5,其中；
[0058] 外框结构组4,其包含一外框结构4〇、一设于外框结构4〇底部的外框托架4b、一设 于外框结构4〇内的外框酬载4c与四个设置于外框结构4〇预设位置的外框转动元件4a。 该外框结构4〇是由数个支架所组成，外框结构4〇上具有四端角u i(i = h4)，可定义出一外框 几何四面体，该外框几何四面体的四端角至几何四面体中心皆等距，外框几何轨道的半径 标示为r 4，且该四面体的四角心线共交于外框结构Io的中心〇u。各外框转动元件4a可装 设于外框结构4〇的外侧（如图2A、2C)或外框结构4〇的内侧（如图4A、4C)但其轴芯线必 重合于外框四面体的一角心线，外框结构4〇各角心线间夹角标示Ay外框几何轨道的半 径标示为r 4，如图2B、2D。
[0059] 内框结构组合件1，其包含：一内框结构1〇、一设于内框结构内的内框托架lb、一 设于内框结构内的内框酬载Ic与四组设于内框结构Io预设位置的内框转动元件la。该内 框结构Io是由数个支架所组成，内框结构Io上具有四端角 Vi(i = h4)，可定义出一内框几何 四面体，该内框几何四面体的四端角至几何四面体中心皆等距，内框几何轨道的半径标示 Sr1，且该四面体的四角心线共交于内框结构Io的中心〇v。各内框转动元件Ia可装设于 内框结构Io的内侧（如图3A、3C)或内框结构Io的外侧（如图4B、4D)但其轴芯线必重合 于内框四面体的一角心线，内框结构Io各角心线间夹角标示，如图3B、3D。
[0060] 外框结构4〇或内框结构Io可设计为闭环式或开环式。闭环式设计可强化刚 性避免振动或变形，开环式设计可减免运转时可能的干涉，如图4A?图4D。根据前案 (US8, 579, 714B2)揭露，外框结构4〇或内框结构Io的几何定义若为正四面体，因其单一对 称的特性较易于参数设计与运算模拟。如此则外框结构4〇的各角心线间的六夹角皆相等约 109. 5°，即：Λ U= Λ i.,= Λ ,,,= Λ 2,= Λ _Μ= Λ % 1 ()9 .5 \ 如此则内框结构 1〇 的各角 心线间的TK夹角皆相等约 109. 5°，即：Ω I+;= Ω η= Ω I.!= Ω 2_;= ? 24= Ω 34 ^ 1 〇9,5。 但需注意正四面体最易发生奇异现象。为避免奇异，故外框结构4〇或内框结构Io的几何 定义不必为正四面体。
[0061] 外轨弧杆组3与内轨弧杆组2 :外轨弧杆3〇的外端以外接轴芯3a与外框转动兀件 4a轴接，内轨弧杆2〇的内端以内接轴芯2a与内框转动元件Ia轴接，外轨弧杆3〇的内端 与内轨弧杆2〇的外端则以中接轴芯3b轴接，以此轴接的外轨弧杆与内轨弧杆称为同一系 组之内轨与外轨弧杆，如图5A。外接轴芯3a重合于外框四面体的一角心线以使外轨弧杆 3〇同心运转，轨道几何半径标示为r 3，内接轴芯2a重合于内框四面体的一角心线以使外轨 弧杆3〇同心运转，轨道几何半径标示为r2。外轨弧杆3〇弧长定义为外接轴芯3a与中接轴 芯3b的夹角，且标示为a it)内轨弧杆2〇弧长定义为内接轴芯2a与中接轴芯3b的夹角， 且标示为Pi。内外轨弧杆2〇与外轨弧杆3〇的各端轴必皆共心，以使外框结构与内框结构 共心，亦即无论姿态如何变动，四组外接轴芯3a、中接轴芯3b与内接轴芯2a必皆指向外框 结构与内框结构的共同中心，如图5B。
[0062] 根据前案（US8, 579, 714B2)揭露，同一系组之内轨与外轨弧杆弧长角度的总和小 于或等于180°，否则失去意义，S卩：cii+K 180°。其中任意两个外轨弧杆3〇的弧长角 度总和大于或等于外框结构1〇相对应的二角心线夹角之总和，即：a 彡Λ#其中任 意两个内轨弧杆2〇的弧长角度总和大于或等于内框结构Io相对应的两角心线夹角之总 和，即彡Qij。但为回避奇异现象：各外轨弧杆3〇弧长不必皆相等，各内轨弧杆2〇 弧长亦不必皆相等。
[0063] 外框转动元件4a或内框转动元件la，可为扭力输出器（例如马达或油压旋转 缸）、角度检知器（例如光学编码器）或轴承。同一系组之内轨与外轨弧杆所轴接的内框转 动元件Ia与外框转动元件4a至少有一个是扭力输出器。
[0064] 本发明与前案（US8, 579, 714B2)构型的差异在于新设一组以上的终端弧杆组5， 请参阅图6A?图6C及图7A?图7C。终端弧杆组5包含有：一终端弧杆5x两端分别轴接 一终端转动元件5a与一终端承载5e，终端弧杆5x重合于外框或内框四面体的一角心线，以 使终端弧杆5x同心运转，轨道几何半径标示为r x。其中终端弧杆的弧长角度小于或等于90 度，标示为δ，g卩δ <90°。终端转动元件5a可适时驱动终端承载5e回避任一内轨弧杆 2〇与任一外轨弧杆3〇的可能的干涉，以达成球坐标转向角度与动量。终端转动元件5a可 为一扭力输出器或一转动固定器，以适时驱动固定终端弧杆5x，避免终端承载5e对内框结 构Io或外框结构4〇可能的干涉。
[0065] 外框结构4〇与外框托架4b可共构设计成轭式外框四面体结构，如图8A、8C。轭式 外框结构与两组终端弧杆5x的几何定义，如图8B、8D。内框结构Io与内框托架Ib可共构 设计成轭式内框四面体结构，如图9A、9C。轭式内框结构与两组终端弧杆的几何定义，如图 9B、9D〇
[0066] 本发明依终端弧杆组5的实施可分为外框轴接型与内框轴接型，分述如下：
[0067] 外框轴接型：
[0068] 终端弧杆组外框轴接型的实施，如图6A?图6C，是将一终端弧杆5x共轴（即使用 同一根连接轴）装设于一外轨弧杆3〇并重合于外框四面体的一角心线，以使终端弧杆5x 同心运转于内框结构Io与各内轨弧杆2〇之间，夕卜框轴接型的轨道几何定义：!T1 < rx < r2。 其中外框结构4〇可设计为闭环式结构，强化刚性避免振动或变形，而内框结构Io则可设计 成开环式结构，减免终端弧杆5χ运转时对内框结构Io可能的干涉。其中终端承载5e可装 设固持装置，例如工具机的夹持模组，可应用于多轴复合加工中心机或多次元检测量床。其 中该外框结构4〇内设有一外框托架4b，该外框托架4b上设有一外框负载4c，可装载夹持 模组或定位平台，如图IA?图1C。
[0069] 内框轴接型：
[0070] 终端弧杆组内框轴接型的实施，如图7A?图7C，是将一终端弧杆5x共轴装设于一 内轨弧杆2〇并重合于内框四面体的一角心线，以使终端弧杆5x同心运转于外框结构4〇与 各外轨弧杆3〇之间，内框轴接型的轨道几何定义：r3 < rx < r4。其中内框结构Io可设计 为闭环式结构，强化刚性避免振动或变形，而外框结构4〇则可设计成开环式结构，以减免 终端弧杆5x运转时对外框结构4〇可能的干涉。其中终端承载5e可装设力臂伸缩的举升 机构，如气压缸、油压缸或电动螺旋杆，可应用于机械人的肩关结或髋关结，如图IOA?图 10C。该内框结构Io内设有一内框托架lb，该内框托架Ib上设有一内框负载lc，可加装配 重盘以配平重量减少力距变动，应用于惯量大或力矩变动大的搬运机械臂，如图15A。
[0071] 终端弧杆组5根据数量可分为单组式与双组式。双组式相较单组式（即上述内框 轴接型、外框轴接型）增加一组终端弧杆组5,虽然会使本发明于多自由度球坐标运动时更 易与内框结构Io或外框结构4〇干涉，因而运动空间较小，但双组式也因多一组终端弧杆组 5而有更多元的应用。
[0072] 下面分述双组外框轴接型与双组内框轴接型的实施例。
[0073] 双组外框轴接型：
[0074] 双组外框轴接型的实施，请参阅图IlA?图IlC ;同上述外框轴接型的轨道几何定 义：Γι < rx < r2，两终端弧杆5x连接的外框结构4〇可为闭环式设计，使两终端弧杆5x以 同心运转于各内轨弧杆2〇与内框结构Io之间，且使两终端承载5e遥相对立于外框结构4〇 内，终端承载5e可装设车床夹持模组，内框托架Ib上的内框负载Ic可对称装设雷射切割 或钻削主轴，应用于多轴复合加工机。
[0075] 双组内框轴接型
[0076] 双组内框轴接型的实施，请参阅图12A?图12C ;同上述内框轴接型的轨道几何定 义：r3 < rx < r4，两终端弧杆5x连接的内框结构Io可为闭环式设计，使两终端弧杆5x以 同心运转于各外轨弧杆3〇与外框结构4〇之间，且使两终端承载5e遥相对立于外框结构 Io夕卜，外框托架4b上的外框负载4c可对称装设举升机构，相互配平以减少力矩变动，可应 用于惯量大或力矩变动大的搬运机械臂。
[0077] 本发明亦可将内框结构或外框结构设计成精简共构的轭式结构，减免双组式的终 端承载5e对外框结构4〇或内框结构Io可能的干涉。以下分述双组外框轴接型轭式内框 与双组内框轴接型轭式外框的实施例。
[0078] 双组外框轴接型轭式框
[0079] 双组外框轴接型轭式内框的实施，请参阅图13A?图13C ;同上述双组外框轴接型 的轨道几何定义< rx < r2，两终端弧杆5x连接的外框结构4〇可为闭环式设计，但搭配 轭式内框结构1〇可减免与终端承载5e干涉。两终端承载5e遥相对立于外框结构4〇内， 终端承载5e可装设半球幕架，半球幕架上可置投影幕或电视墙。内框托架Ib可容许内框 负载Ic装设驾驶模拟座舱，应用于室内空间转向游乐器或战机驾驶训练机。
[0080] 双组内框轴接型轭式外框
[0081] 双组内框轴接型轭式外框的实施，请参阅图14A?图14C ;同上述双组内框轴接型 的轨道几何定义：r3 < rx < r4，两终端弧杆5x连接的内框结构Io可为闭环式设计，但搭配 轭式外框结构4〇以减免与终端承载5e干涉。两终端承载5e遥相对立于内框结构Io外， 两终端承载5e可装设为半球伞架，半球伞架上可设置多人座共乘舱或大型望远镜。外框 托架4b可容许外框负载4c超大惯量承载，应用于多人户外空间转向游乐机构或大型天文 望远镜承座。
[0082] 以上仅为本发明较佳的六个实施例，其中终端弧杆5x的弧长角度小于或等于90 度，S卩δ <90°，但是终端弧杆5x的弧长角度为零时仍符合上述实施例，S卩δ =0°。当此 特例发生时，终端弧杆5χ之两端轴共线退化成径向直杆，因此无需安装终端转动元件5a。 由于弧杆退化所引发结构扭力变形亦减低，所以此退化弧杆所轴接之内框或外框结构可设 计为开放式。图15A为内框轴接型之特例，退化之终端弧杆5x仍与一内轨弧杆2〇共轴装 设于内框结构Io的一角心线上，离心延伸装载终端承载5e，但是外框结构4〇与各外轨弧 杆3〇之间无须预设终端弧杆运转轨道，如图15B。图15C为外框轴接型之特例，退化之终端 弧杆5x仍与一外轨弧杆3〇共轴装设于外框结构4〇的一角心线上，向心延伸装载终端承载 5e，但是内框结构Io与各内轨弧杆2〇之间无须预设终端弧杆运转轨道，如图15D。
[0083] 鉴于上述退化特例，凡在本发明实施例的精神和原则，所作的任何修改、等同替 换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种球坐标操控机构，其特征在于：包含： 外框结构组合件，所述外框结构组合件包含数个支架所界定的一外框结构、及四个设 置于外框结构预设位置的外框转动元件，每个外框转动元件的输出轴线界定出一外框几何 四面体，每个外框转动元件的输出轴线共相交于外框结构一预设的外框结构中心位置； 内框结构组合件，所述内框结构组合件包含数个支架所界定的一内框结构、及四个设 置于内框结构预设位置的内框转动元件，每个内框转动元件的输出轴线界定出一内框几何 四面体，每个内框转动元件的输出轴线共相交于内框结构一预设的内框结构中心位置，且 内框中心位置与外框中心位置重合； 外轨弧杆组，夕卜轨弧杆组包括四根外轨弧杆，各外轨弧杆的外端，分别以一外接轴芯与 外框转动元件轴结，且外轨弧杆的内端与一内轨弧杆的外端分别以一中接轴芯轴接，且外 接轴芯及中接轴芯常态指向外框中心； 内轨弧杆组，内轨弧杆组包括四根内轨弧杆，各内轨弧杆的内端，分别以一内接轴芯与 内框转动元件轴接，且内接轴芯常态指向内框结构中心； 其中同一系组之内轨与外轨弧杆的弧长角度总和小于或等于180°，其中任意两个外 轨弧杆的弧长角度总和大于或等于外框结构相对应的两角心线夹角之总和，其中任意两个 内轨弧杆的弧长角度总和大于或等于内框结构相对应的两角心线夹角之总和； 至少一终端弧杆组，所述终端弧杆组具有一终端弧杆、两端分别轴接一终端转动元件 与一终端承载，终端弧杆与任一外轨弧杆共轴装设于外框结构的一角心线上，使终端弧杆 同心运转于内框结构与各内轨弧杆之间，其中终端弧杆的弧长角度小于或等于90度。
2. 根据权利要求1所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中外框结构设有一外框托 架，外框托架上设有一外框负载；其中内框结构内设有一内框托架，内框托架上设有一内框 负载。
3. 根据权利要求1所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中外框结构为闭环式，内框 结构为开环式。
4. 根据权利要求1所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中内框转动元件为扭力输 出器、角度检知器、或轴承中的任意一个；而外框转动元件为扭力输出器、角度检知器、或轴 承中的任意一个；终端转动元件为扭力输出器或转动固定器；其中同一系组之内轨与外轨 弧杆所轴接的内框转动元件与外框转动元件中至少有一个为扭力输出器。
5. 根据权利要求1所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中该终端弧杆为一径向直 杆，该终端弧杆与该外轨弧杆共轴装设于该外框结构的角心线上，向心延伸装载该终端承 载。
6. -种球坐标操控机构，其特征在于： 包含： 外框结构组合件，所述外框结构组合件包含数个支架所界定的一外框结构、及四个设 置于外框结构预设位置的外框转动元件，每个外框转动元件的输出轴线界定出一外框几何 四面体，每个外框转动元件的输出轴线共相交于外框结构一预设的外框结构中心位置； 内框结构组合件，所述内框结构组合件包含数个支架所界定的一内框结构、及四个设 置于内框结构预设位置的内框转动元件，每个内框转动元件的输出轴线界定出一内框几何 四面体，每个内框转动元件的输出轴线共相交于内框结构一预设的内框结构中心位置，且 内框中心位置与外框中心位置重合； 外轨弧杆组，外轨弧杆组包括四根外轨弧杆，每个轨弧杆的外端，分别以一外接轴芯与 外框转动元件轴接，且外轨弧杆的内端与一内轨弧杆的外端分别以一中接轴芯轴接，且外 接轴芯及中接轴芯常态指向外框结构中心； 内轨弧杆组，内轨弧杆组包括四根内轨弧杆，各内轨弧杆的内端，分别以一内接轴芯与 内框转动元件轴接，且内接轴芯常态指向内框结构中心； 其中同一系组之内轨与外轨弧杆的弧长角度总和小于或等于180°，其中任意两个外 轨弧杆的弧长角度总和大于或等于外框结构相对应的两角心线夹角之总和，其中任两内轨 弧杆的弧长角度总和大于或等于内框结构相对应的两角心线夹角之总和； 至少一终端弧杆组，所述终端弧杆组具有一终端弧杆、两端分别轴接一终端转动元件 与一终端承载，终端弧杆与任一内轨弧杆共轴装设于内框结构的一角心线上，使终端弧杆 同心运转于外框结构与各外轨弧杆之间，其中终端弧杆的弧长角度小于或等于90度。
7. 根据权利要求6所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中外框结构设有一外框托 架，外框托架上设有一外框负载；其中内框结构内设有一内框托架，内框托架上设有一内框 负载。
8. 根据权利要求6所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中内框结构为闭环式，外框 结构为开环式。
9. 根据权利要求6所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中内框转动元件为扭力输 出器、角度检知器、或轴承中的任意一个；而外框转动元件为扭力输出器、角度检知器、或轴 承中的任意一个；终端转动元件为扭力输出器或转动固定器；其中同一系组之内轨与外轨 弧杆所轴接的内框转动元件与外框转动元件中至少有一个为扭力输出器。
10. 根据权利要求6所述的球坐标操控机构，其特征在于：其中该终端弧杆为一径向 直杆，該终端弧杆与该内轨弧杆共轴装设于该内框结构的角心线上，离心延伸装载该终端 承载。
【文档编号】B25J13/00GK104511904SQ201410493157
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】崔文德, 林淑青 申请人:崔文德