CN102729258A

CN102729258A - 双马达运动模块

Info

Publication number: CN102729258A
Application number: CN2011104121444A
Authority: CN
Inventors: 戴文钟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明公开了一种双马达运动模块，该运动模块包括壳体，所述壳体上设有带输出轴的二个伺服马达和分别与输出轴连接的二个传动模块，传动模块依据伺服马达的启动状态或关闭状态而被输出轴带动，且无法反向带动输出轴；所述壳体上还设有一个与传动模块相连接的二自由度输出模块，且依据各传动模块的带动，而输出一个方向自由度的转动或二个方向自由度的转动。本发明能简化机械手臂或机器人的结构，且能实现二自由度的大范围运动，以实现紧凑体积下大运动范围的效果，同时，通过传动蜗杆与从动蜗轮的自锁效果，不仅能避免损伤伺服马达，亦能在伺服马达未启动时，仍因自锁效果而维持二自由度输出模块的运动姿势，实现节能功效。

Description

双马达运动模块

技术领域

本发明涉及一种双马达运动模块。

背景技术

由于机械手臂(robot arm)上具有复数个关节，使其能够在平面或三度空间中，进行多方向自由度运动或是线性位移移动，因此能模仿人类手臂的动作，故在1980年代，机械手臂便已成功地应用至汽车制造业或其它领域制造业上，属于机器人技术领域中，应用范围最广泛的自动化机械装置，时至今日，许多工业制造中具有高危险性的组装、喷漆、焊接、高温铸锻等工作，大多已采用机械手臂取代人工操作，甚至是医疗救援、娱乐服务、军事保卫与太空探索等领域，均能发现应用机械手臂的相关装置。

同时，机器人技术领域除了工业上的大幅应用之外，娱乐或竞技用的机器人亦逐渐风行，甚至出现诸多机器人竞赛，例如：WRO国际奥林匹克机器人大赛、FLL OIC(Open International Championship)高雄世界杯机器人大赛、PMC机器人创意竞赛、香港青少年机器人世界杯(RCJHK)等，因此，有许多业者纷纷针对机器人的各部位结构进行改良，以能满足使用者的各种需求。如图1所示，一般而言，机器人1的手、脚等肢体，为能够模拟人类的动作，均设有多个关节，并会在每个关节的位置增设一驱动马达模块11，各驱动马达模块11能够驱动其连接的输出件13进行前后移动或左右移动，举例而言，如图1右边的手臂，上方的驱动马达模块11A能够带动上方的输出件13A，进行左右方向的移动，而下方的驱动马达模块11B则能够带动下方的输出件13B，进行前后方向的移动，如此一来，下方的输出件13B便能够借助驱动马达模块11A、11B的驱动状态(如：启动、关闭)，而进行单一方向自由度运动(前后移动、左右移动)或二方向自由度运动(同时前后左右移动)。

普遍来说，若业者希望机器人或机械手臂的动作，能够非常接近人手作业，便必须设置更多数量的关节，才能达到和人类同样的动作。诚如前述，为保持关节的活动，业者需在每一个关节处均组装一个驱动马达模块，但为使机器人的手、脚等肢体的外观能近似于人的手、脚，业者势必需将机器人的各个关节尽量紧凑，或使驱动马达模块达到小型化，以避免机器人的手、脚等肢体的长度因关节部分占有体积而变大，造成其与人的手、脚等肢体相去甚远，导致其难以实现接近人类的动作，且会占用过多的活动空间，徒然增加收藏上或操作上的困难。而且由于驱动马达模块通常是由马达、减速机构及其间的动力传递装置组成，使得其组件数目过多，而不易小型化，同时，过多的组件数量，亦会造成使用者在组装、保养与维修上的困难。

综上所述，目前公知机器人或机械手臂等构造，为能具有多个方向自由度的移动，以能模拟人手的动作，均需在每个关节的位置设有一个驱动马达模块，此举不仅造成机器人的肢体外观过大，且会影响肢体运动的灵活度及活动空间，更何况当肢体上的关节过多时，邻近身体的驱动马达模块(如图1的驱动马达模块11A)在运作时，不仅必须承受较大的外部作用力，且必须接收较大的电流，才能保持其具有足够的动力带动整副肢体运转，造成驱动马达模块耗费过多的电力，并容易因过负载所产生的高温而损坏。因此，如何针对公知机器人或机械手臂中存在的缺点及问题，设计出一种崭新的动力机构，以取代原有的驱动马达模块，即为本发明欲解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双马达运动模块，该运动模块可自锁双轴共点，使得与双马达运动模块相连接的输出件，能够进行二方向自由度转动的效果，从而能有效减轻双马达运动模块的负载，并在大幅缩减机器人的肢体体积的情况下，仍能达到大范围运动的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种双马达运动模块，包括壳体，所述壳体上设有带输出轴的二个伺服马达和分别与输出轴连接的二个传动模块，传动模块依据伺服马达的启动状态或关闭状态而被输出轴带动，且无法反向带动输出轴；所述壳体上还设有一个与传动模块相连接的二自由度输出模块，且依据各传动模块的带动，而输出一个方向自由度的转动或二个方向自由度的转动。

本发明所述传动模块分别包括：

复数个传动齿轮，其中一个传动齿轮连接至对应伺服马达的输出轴，且彼此相互啮合，并被对应的伺服马达带动旋转；

一个传动蜗杆，与另一个传动齿轮相连接，且能被另一个传动齿轮带动旋转；

一个从动蜗轮，与所述传动蜗杆相啮合，且该传动蜗杆与从动蜗轮相互啮合之齿部的导程角小于一预定角度，以产生自锁作用；

至少一个从动齿轮，与所述从动蜗轮相连接，以被从动齿轮带动旋转。

本发明所述二自由度输出模块包括：

一个中空框架；

二个第一伞形齿轮，位于所述中空框架内的两对应位置；

二个第一轴杆，分别贯穿且枢接在所述中空框架的两对应侧面，且其两端分别连接至对应的第一伞形齿轮与从动齿轮，以使各从动齿轮能依序带动对应的第一轴杆及第一伞形齿轮，并使中空框架执行一方向自由度的转动；

一个第二轴杆，贯穿且枢接在所述中空框架的另二个对应侧面；

一个输出件，其两端分别连接至所述第二轴杆的两端；

一个第二伞形齿轮，位于中空框架内，且连接至第二轴杆的中段，并啮合至第一伞形齿轮，在第二伞形齿轮被带动旋转的状态下，能带动第二轴杆，并使输出件执行另一方向自由度的转动。

本发明在其中一个伺服马达启动，另一个伺服马达关闭的状态下，其中一个第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮及中空框架转动，另一个第一轴杆则不会带动对应的另一个第一伞形齿轮转动，以使中空框架执行一方向自由度的转动，且使已转动的第一伞形齿轮带动第二伞形齿轮转动，该第二伞形齿轮会沿着另一个第一伞形齿轮的表面转动，并使第二轴杆转动，令输出件依照中空框架与第二轴杆的转动，而执行二个方向自由度的转动。

本发明在各伺服马达启动，且分别以同样转速带动对应的第一轴杆朝同一方向转动的状态下，第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮及中空框架朝同一方向转动，以使中空框架执行一方向自由度的转动，且第一伞形齿轮分别带动第二伞形齿轮的方向为相反，使第二伞形齿轮无法转动，令输出件依照中空框架的转动，而执行一个方向自由度的转动。

本发明在各伺服马达启动，且分别带动对应的第一轴杆朝相反方向转动的状态下，第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮朝相反方向转动，以使中空框架无法转动，且第一伞形齿轮分别带动第二伞形齿轮的方向为相同，使第二伞形齿轮能朝一方向转动，并带动第二轴杆转动，令输出件依照第二轴杆的转动，而执行一个方向自由度的转动。

本发明所述预定角度为4度。

本发明与现有技术相比，能简化机械手臂或机器人的结构，且能实现二自由度的大范围运动，以实现紧凑体积下大运动范围的效果，同时，通过传动蜗杆与从动蜗轮的自锁效果，不仅能避免损伤伺服马达外，亦能在伺服马达未启动时，仍因上述自锁效果而维持二自由度输出模块的运动姿势，实现节能功效。

附图说明

图1是现有技术机器人的结构示意图。

图2A是本发明的立体示意图。

图2B是本发明的俯视图。

图3是本发明省略部份组件后的示意图。

图4是本发明二自由度输出模块的动作示意图。

图5是本发明二自由度输出模块的另一动作示意图。

图6是本发明二自由度输出模块的又一动作示意图。

主要零部件符号说明：

双马达运动模块 ...... 2

壳体 ...... 20

伺服马达 ...... 21

输出轴 ...... 211

传动模块 ...... 23

传动齿轮 ...... 231

传动蜗杆 ...... 233

从动蜗轮 ...... 235

从动齿轮 ...... 237

二自由度输出模块 ...... 25

中空框架 ...... 250

第一轴杆 ...... 251

第一伞形齿轮 ...... 252

第二轴杆 ...... 253

第二伞形齿轮 ...... 254

输出件 ...... 255

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图2A、图2B所示，本发明是一种可自锁双轴共点的双马达运动模块，在一较佳实施例中，该双马达运动模块2包括一壳体20、二个带输出轴211的伺服马达(Servo Motor)21、二个传动模块23和一个二自由度输出模块25，其中伺服马达21、传动模块23与二自由度输出模块25均设在壳体20上，从而形成双马达运动模块2，以便将壳体20组装至机器人的身体或工作台上，而形成机器人之手、脚或机械手臂的一个关节。伺服马达21的一个输出轴211能分别连接至传动模块23，以带动各传动模块23动作，传动模块23分别连接至二自由度输出模块25，以使二自由度输出模块25能同时或分别输出前后方向与左右方向自由度(Degrees of freedom)的转动，如此，与二自由度输出模块25相连接的组件(如：机器人的手腕、脚部关节或其它肢体)，便能够进行一个或二个方向自由度的运动，而不必再额外安装其它运动模块，使得远离机器人的身体或工作台的组件，能够大幅缩减其整体体积与重量。同时，尚能避免输出件因受到外力影响，而反向带动伺服马达，造成伺服马达损坏的情况。

此处仅就传动模块23与二自由度输出模块25的细部结构，进行说明，如图2A及图3所示，由于图2A中的双马达运动模块2的部份组件，会遮蔽住其它组件，故为能明确揭示出本申请的整体技术特征，图3省略了部份组件，以能清楚表现各个组件的连接关系。其中，传动模块23分别包括复数个传动齿轮231、一个传动蜗杆(Worm)233、一个从动蜗轮(Worm Gear)235及至少一个从动齿轮237，由于各传动模块23与各伺服马达21的连接关系相同，故后面仅说明图2A右边一组传动模块23与伺服马达21间的连接关系。在本实施例中，有四个传动齿轮231，其中图2A最左边的传动齿轮231组装至伺服马达21的输出轴211上，最右边的传动齿轮231则组装至传动蜗杆233上，传动齿轮231则彼此相互啮合，如此，当伺服马达21的输出轴211旋转时，便能通过传动齿轮231带动传动蜗杆233旋转，此外，也能够借助调整上述传动齿轮231的齿轮配比，而达到所需的转速及扭力等需求，以满足业者所需生产不同产品的个别要求。

如图2A及图3所示，传动蜗杆233与从动蜗轮235相啮合，以能带动从动蜗轮235旋转，且从动蜗轮233亦与从动齿轮237相连接，以带动从动齿轮237旋转，其中传动蜗杆233与从动蜗轮235相互啮合的齿部的导程角(Lead Angle)小于一预定角度(如：4度)，使得该从动蜗轮235仅能被传动蜗杆233带动，而无法反向带动传动蜗杆233，以形成自锁效果(Self-Locking)，如此，当外部作用力施加至从动齿轮237上时，传动蜗杆233与从动蜗轮235便会承担大部份的外部作用力，同时，防止外部作用力造成伺服马达21被迫旋转而损坏，同时，借助上述传动蜗杆233与从动蜗轮235的自锁效果，与传动模块23相连接的组件便能保持原运动姿势，而不会因受到外力影响而被迫变化，因此本发明的伺服马达21便能够依照实际使用情况，更改自身为启动状态或关闭状态，而不需为保持与传动模块23相连接组件的运动姿势，时常处于启动状态，进而能有效降低本发明双马达模块2所耗费的能源。此外，在本实施例中，以两个从动齿轮237为例，其中一个从动齿轮237与从动蜗轮235共同设置于一个轴杆上，且从动齿轮237能带动另一个从动齿轮237。通过改变传动齿轮的直径大小，即能有效改变伺服马达传递至从动齿轮的转速，方便使用者调整输出组件(如：机械手臂或机器人的肢体)的转速及扭力，且因传动蜗杆与从动蜗轮间具有自锁效果，使得从动齿轮无法反向带动伺服马达，避免伺服马达因为承载高扭力而发生烧毁的危险。此外，在本发明的其它实施例中，业者能视实际设计需求，而仅使用一个从动齿轮237，或二个以上的从动齿轮237组合。

如图2A及图3所示，二自由度输出模块25包括一个中空框架250、二个第一轴杆251、二个第一伞形齿轮252、一个第二轴杆253、一个第二伞形齿轮254及一个输出件255，其中第一轴杆251分别贯穿且枢接在中空框架250的两对应侧面，第一伞形齿轮252则位于中空框架250内的两对应位置，且第一轴杆251的两端分别连接至对应的第一伞形齿轮252和从动齿轮237，当从动齿轮237被带动旋转时，便能依序带动对应的第一轴杆251及第一伞形齿轮252旋转，从而使中空框架250执行前后方向自由度的转动(在图2A中以左下为前方，右上为后方)。同时，第二轴杆253贯穿且枢接在中空框架250的另二个对应侧面，第二伞形齿轮254则位于中空框架250内，且连接至第二轴杆253的中段，第二轴杆253的两端分别连接至输出件255的两端，第二伞形齿轮则分别啮合至第一伞形齿轮252，第一伞齿轮252间的差速关系会带动第二伞齿轮254，使得输出件255能因此执行左右方向自由度的转动(在图2A中以左上为左方，右下为右方)，如此，由于输出件255尚能随着中空框架250转动，故输出件255能同时进行前后方向与左右方向自由度的双轴共点运动。

为明确说明上述二自由度输出模块25的差速关系，如图2A及图4所示，当其中一个伺服马达21启动，而另一个伺服马达21关闭时，其中一个第一轴杆251会被带动而朝顺时针旋转(如图4左方的第一轴杆251)，并带动对应的第一伞形齿轮252与第二伞形齿轮254朝顺时针旋转，另一个第一轴杆251则不会旋转(如图4右方的第一轴杆251)，使得对应的另一个第一伞形齿轮252不会旋转，因此，第二伞形齿轮254会沿着另一个第一伞形齿轮252的表面转动，中空框架250会被第一轴杆251带动而朝顺时针方向转动，并带动输出件255转动，同时，输出件255尚会被第二轴杆253带动而朝顺时针方向转动，故输出件255即具备两个方向自由度的转动。

如图2A及图5所示，当各伺服马达21均启动，并分别以相同转速带动对应的第一轴杆251朝顺时针转动时，各第一轴杆251会带动对应的第一伞形齿轮252朝顺时针转动，由于各第一伞形齿轮252带动第二伞形齿轮254的方向相反，因此，通过差速公式，第一伞形齿轮252分别带动第二伞形齿轮254的转速相减后为0，即第二伞形齿轮254不会带动第二轴杆253转动，意即中空框架250会被第一轴杆251带动而朝顺时针方向转动，并带动输出件255转动，但输出件255因未被第二轴杆253带动，故仅具有一个方向自由度的转动。另如图2A及图6所示，当各伺服马达21均启动，并分别带动对应的第一轴杆251朝不同方向旋转时(如：图6左方的第一轴杆251朝顺时针旋转，右方的第一轴杆251朝逆时针方向旋转)，各第一轴杆251会带动第一伞形齿轮252朝对应的方向转动，此时，中空框架250因同时受到相反的作用力，而无法转动，但由于第一伞形齿轮252带动第二伞形齿轮254的方向相同，因此，第二伞形齿轮254会朝顺时针方向旋转，并带动第二轴杆253转动，故输出件255因仅被第二轴杆253带动，而仅具有一个方向自由度的转动。

综上所述可知，业者仅需模块化生产该双马达运动模块2，并在工业用机械手臂或机器人手、脚的一个关节处，设置该双马达运动模块2，便能够通过控制两个伺服马达21的联动关系，使机械手臂或机器人手、脚的末端组件(与输出件255相连接的组件)进行单一个方向自由度(仅前后转动或左右转动)的转动，或者同时进行两个方向自由度(同时前后转动与左右转动)的转动(如图4～6所示)，而不需如同以往机械手臂或机器人的设计一般，需在每一个关节处设置一个伺服马达，才能达到两个方向自由度的转动，因此本发明的双马达运动模块2不仅便于业者模块化生产与组装，且能有效简化机械手臂或机器人的结构，以达到机械手臂或机器人的关节在实现紧凑体积的情况下，仍保持大运动范围的功效。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，然而本发明所主张的权利范围，并不局限于此，凡熟悉该项的技术人员，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应属于本发明的申请保护范畴。

Claims

1.一种双马达运动模块，包括壳体，其特征在于：所述壳体上设有带输出轴的二个伺服马达和分别与输出轴连接的二个传动模块，传动模块依据伺服马达的启动状态或关闭状态而被输出轴带动，且无法反向带动输出轴；所述壳体上还设有一个与传动模块相连接的二自由度输出模块，且依据各传动模块的带动，而输出一个方向自由度的转动或二个方向自由度的转动。

2.如权利要求1所述的双马达运动模块，其特征在于：所述传动模块分别包括：

3.如权利要求2所述的双马达运动模块，其特征在于：所述二自由度输出模块包括：

一个中空框架；

二个第一伞形齿轮，位于所述中空框架内的两对应位置；

一个输出件，其两端分别连接至所述第二轴杆的两端；

4.如权利要求3所述的双马达运动模块，其特征在于：在其中一个伺服马达启动，另一个伺服马达关闭的状态下，其中一个第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮及中空框架转动，另一个第一轴杆则不会带动对应的另一个第一伞形齿轮转动，以使中空框架执行一方向自由度的转动，且使已转动的第一伞形齿轮带动第二伞形齿轮转动，该第二伞形齿轮会沿着另一个第一伞形齿轮的表面转动，并使第二轴杆转动，令输出件依照中空框架与第二轴杆的转动，而执行二个方向自由度的转动。

5.如权利要求3所述的双马达运动模块，其特征在于：在各伺服马达启动，且分别以同样转速带动对应的第一轴杆朝同一方向转动的状态下，第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮及中空框架朝同一方向转动，以使中空框架执行一方向自由度的转动，且第一伞形齿轮分别带动第二伞形齿轮的方向为相反，使第二伞形齿轮无法转动，令输出件依照中空框架的转动，而执行一个方向自由度的转动。

6.如权利要求3所述的双马达运动模块，其特征在于：在各伺服马达启动，且分别带动对应的第一轴杆朝相反方向转动的状态下，第一轴杆会带动对应的第一伞形齿轮朝相反方向转动，以使中空框架无法转动，且第一伞形齿轮分别带动第二伞形齿轮的方向为相同，使第二伞形齿轮能朝一方向转动，并带动第二轴杆转动，令输出件依照第二轴杆的转动，而执行一个方向自由度的转动。

7.如权利要求3、4、5或6任意一项所述的双马达运动模块，其特征在于：所述预定角度为4度。