十二轴球坐标运动机构的制作方法

本发明是一种机构由十二轴几何构建且可依循球坐标运动操控，可应用于多轴复合加工中心机或多次元检测量床，亦可应于机械人的肩关结或髋关结。

背景技术：

本案乃参考本案申请人之二件前案，第一前案已领取uspto所核发的发明专利证书(证书号us8579714b2/公开号us20120083347a1)及第二前案(公开号us20150082934a1)则已经取得uspto的核准领证通知。

本案承袭二件前案之十二轴几何构型，使此十二轴扭力得以经由四组弧杆组并联且串联整合输出，但如何避免十二轴机构互相干涉与奇异现象是一重要课题，所以本案参考第一前案所提示的各种奇异现象与其因应的几何限制。而本案也沿用第二前案之二型基本环轨设定，综合二件前案，本案可再区分为四型环轨设定。第二前案「至少一组」终端弧杆组，于本案则特别更新为「至多二组」曲柄组。关于本案之新增特征，乃将二件前案所定义之二组几何四面体结构之其中一组，拆分为各自独立的二几何弧形所各自构建成的二端框结构，另一组几何四面体结构，本案保留原几何定义。相较原单一几何四面体，各自独立的二几何弧形减少约束牵绊，可扩大机构运动空间，若端框结构再加安置端框承载座，则可增加机构酬载量，故此新增特征将可更大幅扩增十二轴球坐标运动机构之应用领域。

技术实现要素：

有鉴于上述问题，本发明提供一种机构由十二轴几何构建且可依循球坐标运动操控，可应用于多轴复合加工中心机或多次元检测量床，亦可应于机械人的肩关结或髋关结。

本发明提供一种十二轴机构，包含:一组基框组，二组端框组，四组弧杆组，及至多二组曲柄组。基框组包含由数个弧框组成之一基框结构及安装于该基框结构之四基框转动模块，该基框结构上具有四端角可定义一基框几何四面体，界定该四基框转动模块的输出轴线分别与该基框几何四面体的四角心线重合，且此四角心线向心交会于基框结构中心。每组端框组包含一端框结构及安装于该端框结构之二端框转动模块，该端框结构上具有二端角可定义一端框几何弧形，界定该二端框转动模块的输出轴线分别与该端框几何弧形的二角心线角心线重合，且此二角心线向心交会于基框结构中心，以使该端框组环轨同心绕转。每组弧杆组包括一基接弧杆、一端接弧杆及一弧杆转动模块，该基接弧杆之一端与该端接弧杆之一端以该弧杆转动模块轴接，该基接弧杆之另一端与一基框转动模块轴接，该端接弧杆之另一端与一端框转动模块轴结，且弧杆转动模块的输出轴线常态指向该基框中心，以使该弧杆组环轨同心绕转于该基框结构与该二端框结构之间。每组曲柄组包含一弧形曲柄及一曲柄转动模块，该弧形曲柄一端固装一延伸杆相对于基框结构之反侧向心延伸，该弧形曲柄之另一端与基接弧杆共轴套装于一基框转动模块，以使该弧形曲柄可环轨同心绕转，该曲柄转动模块与该基框转动模块共轴套装，该曲柄转动模块可适时驱动该弧形曲柄以回避基框结构与任一基接弧杆可能干涉。

上述十二轴机构之至多二组曲柄组，至多二组指可为二组、一组或不含。为使明确周延，本发明遂将不含曲柄组之实施例，增列权利要求之第6独立项，此独立项因仍包含一组基框组，二组端框组及四组弧杆组，故相关定义及组接方式仍如上述。

为让本发明的上述目的、特征和优点更能明显易懂，下文将详述各组合件之几何定义及设计规范与参数限制，最后提供实施例并配合所附图式，作详细说明如下。需注意的是，所附图式中的各组件仅是示意，并未按照各组件的实际比例进行绘示。

附图说明

图1为基框结构之设计样态一的几何定义图与立体视图。

图2为基框结构之设计样态二的几何定义图与立体视图。

图3为基框结构之设计样态三的几何定义图与立体视图。

图4为基框结构之设计样态四的几何定义图与立体视图。

图5为弧杆组之环轨设定一的几何定义图与立体视图。

图6为弧杆组之环轨设定二的几何定义图与立体视图。

图7为弧杆组之环轨设定三的几何定义图与立体视图。

图8为弧杆组之环轨设定四的几何定义图与立体视图。

图9为曲柄组之轴接样态一的几何定义图与立体视图。

图10为曲柄组之轴接样态二的几何定义图与立体视图。

图11为第一实施例之三视图由弧杆组之环轨设定一配装单曲柄组。

图12为第二实施例之三视图由弧杆组之环轨设定二配装单曲柄组。

图13为第三实施例之三视图由弧杆组之环轨设定三配装双曲柄组。

图14为第四实施例之三视图由弧杆组之环轨设定四配装双曲柄组。

图15为第五实施例之三视图由弧杆组之环轨设定一无配装曲柄组。

图16为第六实施例之三视图由弧杆组之环轨设定二无配装曲柄组。

具体实施方式

本案为一种机构由十二轴几何构建且可依循球坐标运动操控，包含:一组基框组、二组端框组、四组弧杆组及至多二组曲柄组。

基框组包含由数个弧框组成之一基框结构0c及安装于该基框结构0c之四基框转动模块0a，该基框结构0c上具有四端角可定义一基框几何四面体，界定该四基框转动模块0a的输出轴线，标示为单位向量ui，其中i＝1～4，分别与该基框几何四面体的四角心线重合，且此四角心线向心交会于基框结构0a中心。基框结构0c固装四基框转动模块0a，任二基框转动模块0a的输出轴线间的夹角，几何标示为λij＝arccos(ui·uj)，其中i≠j。转动模块任二基框转动模块0a输出轴线间之夹角皆大于75度且小于150度，即:75°<λij<150°。基框结构几何定义如图1a、图2a、图3a及图4a。

根据第一前案揭露，基框结构0c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。如此则基框结构0c的各角心线间的六夹角皆相等约109.5°，即:λ12＝λ13＝λ14＝λ23＝λ24＝λ34≒109.5°。第一前案已经明确提示且具体分析需注意正四面体最易发生奇异现象，故为避免奇异，基框结构0c的几何定义不必为正四面体。

二组端框组，每组端框组包含一端框结构4c及安装于该端框结构4c之二端框转动模块4a，该端框结构4c上具有二端角可定义一端框几何弧形，界定该二端框转动模块4a的输出轴线分别与该端框几何弧形的二角心线角心线重合，且此二角心线向心交会于基框结构中心，以使该端框组环轨同心绕转。端框结构4c之几何轨道半径标示为r4，基框结构0c之几何轨道半径标示为r0。

第一组端框结构上二端框转动模块4a之输出轴线，标示为单位向量v1及v2，该二端框转动模块4a之二输出轴线间夹角，几何标示为λ12＝arccos(v1·v2)。第二组端框结构上二端框转动模块0a之输出轴线，标示为单位向量v3及v4，该二端框转动模块0a之二输出轴线间夹角，几何标示为λ34＝arccos(v3·v4)。

每组端框组之端框转动模块4a的二输出轴线间夹角皆大于90度且小于150度，即:75°<λ12<150°及75°<λ34<150°。端框结构几何定义如图5a、图6a、图7a及图8a。

二组端框组，每组端框组可加安置一端框承载座4s于该端框结构2c之端接弧杆2c反向端侧，以装设酬载物。其中端框承载座4s可是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。

四组弧杆组,每组弧杆组包括一基接弧杆1c、一端接弧杆2c及一弧杆转动模块2a，该基接弧杆1c之一端与该端接弧杆2c之一端以该弧杆转动模块2a轴接，该基接弧杆1c之另一端与一基框转动模块0a轴接。该端接弧杆2c之另一端与一端框转动模块4a轴接。弧杆转动模块2a的输出轴线，标示为单位向量wi，其中i＝1～4，常态指向该基框中心，以使该弧杆组环轨同心绕转于该基框结构0c与二组端框结构4c之间。基接弧杆1c之几何轨道半径标示为r1，端接弧杆2c之几何轨道半径标示为r2。

四组弧杆组共有十二轴，分别经由四基框转动模块0a、四弧杆转动模块2a及四端框转动模块4a，使此十二轴扭力得以并联且串联整合输出。

基接弧杆1c弧长定义为基框转动模块0a与弧杆转动模块2a的夹角，几何标示为αi＝arccos(ui·wi)。端接弧杆2c弧长定义为端框转动模块4a与弧杆转动模块2a的夹角，几何标示为βi＝arccos(vi·wi)。

参考第一前案所提示的各种奇异现象与其因应的几何限制。任二基框转动模块0a输出轴线间之夹角小于或等于相对应之二基接弧杆1c弧长之和，即:λij≤αi+αj，其中i≠j。任一端框之二端框转动模块4a输出轴线夹角小于或等于相对应之二端接弧杆2c弧长之和，即:λ12≤β1+β2或λ34≤β3+β4。

本案仍承袭二件前案之十二轴几何构型，如何避免十二轴机构互相干涉与奇异现象是一重要课题，本案参考第一前案所提示的各种奇异现象与其因应的几何限制。

十二轴球坐标运动机构最难避免的是四轴折合奇异，详细几何定义及图示参照第一前案之图18～图21。由于四轴折合奇异常发生于置中之姿态，一经误入难以脱离，偏偏置中之姿态又常是初始或还原必经之姿态所以很难回避。第一前案已列举三种参数设计以回避四轴折合奇异现象。

再经归纳分析此奇异现象，并为构型参数设计择优选配新增依据，本案提出第四参数设计:使同一弧杆组之基接弧杆1c与端接弧杆2c同心绕转于同一几何轨道，此因同轨难以完全折合所以避免，即:使各基接弧杆1c之轨道半径「相同于」各端接弧杆2c之轨道半径。本案也沿用第二前案之二型基本环轨设定，其中一型基本环轨设定:基框结构0c之轨道半径「大于」端框结构4c之轨道半径，另一基本环轨设定:基框结构0c之轨道半径「小于」端框结构4c之轨道半径。

因此，综合二件前案，及前述之弧杆组环轨同心绕转于该基框结构0c与二组端框结构4c之间，及上述之使同一弧杆组之基接弧杆1c与端接弧杆2c同心绕转于同一几何轨道，本案可再区分为四型环轨设定。环轨设定一:基框结构0c之轨道半径「大于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「相同于」各端接弧杆2c之轨道半径，即:r0>r1＝r2>r4，如图5a～图5b。环轨设定二:基框结构0c之轨道半径「小于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「相同于」各端接弧杆2c之轨道半径，即:r0<r1＝r2<r4，如图6a～图6b。环轨设定三:基框结构0c之轨道半径「大于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「大于」各端接弧杆2c之轨道半径，即:r0>r1>r2>r4，如图7a～图7b。环轨设定四:基框结构0c之轨道半径「小于」端框结构4c之轨道半径，且各基接弧杆1c之轨道半径「小于」各端接弧杆2c之轨道半径，即:r0<r1<r2<r4，如图8a～图8b。

至多二组曲柄组，每组曲柄组包含一弧形曲柄3c及一曲柄转动模块3a，该弧形曲柄3c之一端固装一延伸杆相对于基框结构0c之反侧向心延伸，该延伸杆之延伸线，标示为单位向量ni，其中i＝1～2。该弧形曲柄3c之另一端与基接弧杆1c之一端共轴套装于一基框转动模块1a，以使该弧形曲柄3c可环轨同心绕转。该曲柄转动模块3a与该基框转动模块0a共轴套装，该曲柄转动模块3a可适时驱动该弧形曲柄3c以回避基框结构0c与任一基接弧杆1c可能干涉。弧形曲柄3c弧长定义为基框转动模块0a与弧形曲柄3c之输出轴线的夹角，几何标示为δi＝arccos(ui·ni)，其中i＝1～2。该弧形曲柄3c弧长小于或等于90度，即:δi≤90°，其中i＝1～2。转动模块曲柄组之几何定义如图9a及图10a。

每组曲柄组可加安置一曲柄承载座3s于该弧形曲柄3c之延伸杆相对于基框结构0c之反侧，以装设酬载物。其中承载座3s可是固持装置，例如工具机的夹持模块，可应于多轴复合加工中心机或多次元检测量床。

第二前案之终端弧杆组于本案更名为曲柄组，且第二前案「至少一组」终端弧杆组，于本案则特别更新为「至多二组」曲柄组。经由模拟验证，两组以上之曲柄组极易与基框结构或弧杆组干涉，运动空间受限致使应用效益大减。两组曲柄组之工作空间略有受限但可接受，因为可共同稳定夹持酬载物，单组曲柄组之工作空间又较加大，但单悬挂夹持易引振动。

完全不设曲柄组，则运动空间相对不受限则，此时机构内虽无曲柄承载座3s但仍可藉端框承载座4s装设酬载物。所以二组以下曲柄组之配置各有适用领域，故本案更新为「至多二组」曲柄组，且再区分二轴接样态，以轴接至多二组曲柄组与基框组，如图9a～图9b及图10a～图10b。

关于本案之基框结构0c之设计可分为闭环式或开环式。闭环式设计以强化刚性避免振动或变形。开环式设计以避免可能干涉弧杆组或曲柄组的运转。因此基框结构0c可区分为四种设计样态，设计样态一如图1a、图1b、设计样态二如图2a、图2b、设计样态三如图3a、图3b及设计样态四如图4a、图4b。

关于本案之各式转动模块，基框转动模块0a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。弧杆转动模块2a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。端框转动模块4a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。曲柄转动模块3a可由扭力输出器、角度检知器、轴芯与轴承所组合或三者之一。该基框转动模块1a扭力输出器之受驱物可为基接弧杆1c，该弧杆转动模块2a扭力输出器之受驱物可为基接弧杆1c或端接弧杆2c，端框转动模块4a之受驱物可为端接弧杆4c，该曲柄转动模块3a扭力输出器之受驱物可为弧形曲柄3c。其中，上述的扭力输出器可为马达或油压旋转缸等。

本案新增之特征可以六实施例示范，第一实施例由弧杆组之环轨设定一配装单曲柄组，如图11a～图11c。第二实施例由弧杆组之环轨设定二配装单曲柄组，如图12a～图12c。第三实施例由弧杆组之环轨设定三配装双曲柄组，如图13a～图13c。第四实施例由弧杆组之环轨设定四配装双曲柄组，如图14a～图14c。第五实施例由弧杆组之环轨设定一无配装曲柄组，如图15a～图15c。第六实施例由弧杆组之环轨设定二无配装曲柄组，如图16a～图16c。

上述实施例仅是为了方便说明而举例，虽遭所属技术领域的技术人员任意进行修改，均不会脱离如权利要求书中所欲保护的范围。