專利名稱：雙馬達運動模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙馬達運動模塊。
背景技術：
由于機械手臂(robot arm)上具有復數(shù)個關節(jié)，使其能夠在平面或三度空間中，進行多方向自由度運動或是線性位移移動，因此 能模仿人類手臂的動作，故在1980年代，機械手臂便已成功地應用至汽車制造業(yè)或其它領域制造業(yè)上，屬于機器人技術領域中，應用范圍最廣泛的自動化機械裝置，時至今日，許多工業(yè)制造中具有高危險性的組裝、噴漆、焊接、高溫鑄鍛等工作，大多已采用機械手臂取代人工操作，甚至是醫(yī)療救援、娛樂服務、軍事保衛(wèi)與太空探索等領域，均能發(fā)現(xiàn)應用機械手臂的相關裝置。同時，機器人技術領域除了工業(yè)上的大幅應用之外，娛樂或競技用的機器人亦逐漸風行，甚至出現(xiàn)諸多機器人競賽，例如WR0國際奧林匹克機器人大賽、FLL OIC(OpenInternational Championship)高雄世界杯機器人大賽、PMC機器人創(chuàng)意競賽、香港青少年機器人世界杯(RCJHK)等，因此，有許多業(yè)者紛紛針對機器人的各部位結構進行改良，以能滿足使用者的各種需求。如圖I所示，一般而言，機器人I的手、腳等肢體，為能夠模擬人類的動作，均設有多個關節(jié)，并會在每個關節(jié)的位置增設一驅動馬達模塊11，各驅動馬達模塊11能夠驅動其連接的輸出件13進行前后移動或左右移動，舉例而言，如圖I右邊的手臂，上方的驅動馬達模塊IlA能夠帶動上方的輸出件13A，進行左右方向的移動，而下方的驅動馬達模塊IlB則能夠帶動下方的輸出件13B，進行前后方向的移動，如此一來，下方的輸出件13B便能夠借助驅動馬達模塊IlAUlB的驅動狀態(tài)(如啟動、關閉)，而進行單一方向自由度運動(前后移動、左右移動)或二方向自由度運動(同時前后左右移動)。普遍來說，若業(yè)者希望機器人或機械手臂的動作，能夠非常接近人手作業(yè)，便必須設置更多數(shù)量的關節(jié)，才能達到和人類同樣的動作。誠如前述，為保持關節(jié)的活動，業(yè)者需在每一個關節(jié)處均組裝一個驅動馬達模塊，但為使機器人的手、腳等肢體的外觀能近似于人的手、腳，業(yè)者勢必需將機器人的各個關節(jié)盡量緊湊，或使驅動馬達模塊達到小型化，以避免機器人的手、腳等肢體的長度因關節(jié)部分占有體積而變大，造成其與人的手、腳等肢體相去甚遠，導致其難以實現(xiàn)接近人類的動作，且會占用過多的活動空間，徒然增加收藏上或操作上的困難。而且由于驅動馬達模塊通常是由馬達、減速機構及其間的動力傳遞裝置組成，使得其組件數(shù)目過多，而不易小型化，同時，過多的組件數(shù)量，亦會造成使用者在組裝、保養(yǎng)與維修上的困難。綜上所述，目前公知機器人或機械手臂等構造，為能具有多個方向自由度的移動，以能模擬人手的動作，均需在每個關節(jié)的位置設有一個驅動馬達模塊，此舉不僅造成機器人的肢體外觀過大，且會影響肢體運動的靈活度及活動空間，更何況當肢體上的關節(jié)過多時，鄰近身體的驅動馬達模塊(如圖I的驅動馬達模塊11A)在運作時，不僅必須承受較大的外部作用力，且必須接收較大的電流，才能保持其具有足夠的動力帶動整副肢體運轉，造成驅動馬達模塊耗費過多的電力，并容易因過負載所產(chǎn)生的高溫而損壞。因此，如何針對公知機器人或機械手臂中存在的缺點及問題，設計出一種嶄新的動力機構，以取代原有的驅動馬達模塊，即為本發(fā)明欲解決的技術問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種雙馬達運動模塊，該運動模塊可自鎖雙軸共點，使得與雙馬達運動模塊相連接的輸出件，能夠進行二方向自由度轉動的效果，從而能有效減輕雙馬達運動模塊的負載，并在大幅縮減機器人的肢體體積的情況下，仍能達到大范圍運動的效果。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案一種雙馬達運動模塊，包括殼體，所述殼體上設有帶輸出軸的二個伺服馬達和分別與輸出軸連接的二個傳動模塊，傳動模塊依據(jù)伺服馬達的啟動狀態(tài)或關閉狀態(tài)而被輸出軸帶動，且無法反向帶動輸出軸；所述殼體上還設有一個與傳動模塊相連接的二自由度輸出模塊，且依據(jù)各傳動模塊的帶動，而輸出一個方向自由度的轉動或二個方向自由度的轉動。 本發(fā)明所述傳動模塊分別包括復數(shù)個傳動齒輪，其中一個傳動齒輪連接至對應伺服馬達的輸出軸，且彼此相互嚙合，并被對應的伺服馬達帶動旋轉；一個傳動蝸桿，與另一個傳動齒輪相連接，且能被另一個傳動齒輪帶動旋轉；一個從動蝸輪，與所述傳動蝸桿相嚙合，且該傳動蝸桿與從動蝸輪相互嚙合之齒部的導程角小于一預定角度，以產(chǎn)生自鎖作用；至少一個從動齒輪,與所述從動蝸輪相連接，以被從動齒輪帶動旋轉。本發(fā)明所述二自由度輸出模塊包括一個中空框架；二個第一傘形齒輪，位于所述中空框架內的兩對應位置；二個第一軸桿，分別貫穿且樞接在所述中空框架的兩對應側面，且其兩端分別連接至對應的第一傘形齒輪與從動齒輪，以使各從動齒輪能依序帶動對應的第一軸桿及第一傘形齒輪，并使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動；一個第二軸桿，貫穿且樞接在所述中空框架的另二個對應側面；一個輸出件，其兩端分別連接至所述第二軸桿的兩端；一個第二傘形齒輪，位于中空框架內，且連接至第二軸桿的中段，并嚙合至第一傘形齒輪，在第二傘形齒輪被帶動旋轉的狀態(tài)下，能帶動第二軸桿，并使輸出件執(zhí)行另一方向自由度的轉動。本發(fā)明在其中一個伺服馬達啟動，另一個伺服馬達關閉的狀態(tài)下，其中一個第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪及中空框架轉動，另一個第一軸桿則不會帶動對應的另一個第一傘形齒輪轉動，以使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動，且使已轉動的第一傘形齒輪帶動第二傘形齒輪轉動，該第二傘形齒輪會沿著另一個第一傘形齒輪的表面轉動，并使第二軸桿轉動，令輸出件依照中空框架與第二軸桿的轉動，而執(zhí)行二個方向自由度的轉動。本發(fā)明在各伺服馬達啟動，且分別以同樣轉速帶動對應的第一軸桿朝同一方向轉動的狀態(tài)下，第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪及中空框架朝同一方向轉動，以使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動，且第一傘形齒輪分別帶動第二傘形齒輪的方向為相反，使第二傘形齒輪無法轉動，令輸出件依照中空框架的轉動，而執(zhí)行一個方向自由度的轉動。本發(fā)明在各伺服馬達啟動，且分別帶動對應的第一軸桿朝相反方向轉動的狀態(tài)下，第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪朝相反方向轉動，以使中空框架無法轉動，且第一傘形齒輪分別帶動第二傘形齒輪的方向為相同，使第二傘形齒輪能朝一方向轉動，并帶動第二軸桿轉動，令輸出件依照第二軸桿的轉動，而執(zhí)行一個方向自由度的轉動。本發(fā)明所述預定角度為4度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，能簡化機械手臂或機器人的結構，且能實現(xiàn)二自由度的大范圍運動，以實現(xiàn)緊湊體積下大運動范圍的效果，同時，通過傳動蝸桿與從動蝸輪的自鎖效果，不僅能避免損傷伺服馬達外，亦能在伺服馬達未啟動時，仍因上述自鎖效果而維持二自由度輸出模塊的運動姿勢，實現(xiàn)節(jié)能功效。


圖I是現(xiàn)有技術機器人的結構示意圖。圖2A是本發(fā)明的立體示意圖。圖2B是本發(fā)明的俯視圖。圖3是本發(fā)明省略部份組件后的示意圖。圖4是本發(fā)明二自由度輸出模塊的動作示意圖。圖5是本發(fā)明二自由度輸出模塊的另一動作示意圖。圖6是本發(fā)明二自由度輸出模塊的又一動作示意圖。主要零部件符號說明雙馬達運動模塊 ...... 2殼體...... 20伺服馬達...... 21輸出軸...... 211傳動模塊...... 23傳動齒輪...... 231傳動蝸桿...... 233從動蝸輪...... 235從動齒輪...... 237二自由度輸出模塊...... 25中空框架...... 250第一軸桿...... 251第一傘形齒輪 ...... 252第二軸桿...... 253第二傘形齒輪...... 254輸出件............25具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖2A、圖2B所示，本發(fā)明是一種可自鎖雙軸共點的雙馬達運動模塊，在一較佳實施例中，該雙馬達運動模塊2包括一殼體20、二個帶輸出軸211的伺服馬達(ServoMotor) 21、二個傳動模塊23和一個二自由度輸出模塊25，其中伺服馬達21、傳動模塊23與二自由度輸出模塊25均設在殼體20上，從而形成雙馬達運動模塊2，以便將殼體20組裝至機器人的身體或工作臺上，而形成機器人之手、腳或機械手臂的一個關節(jié)。伺服馬達21的一個輸出軸211能分別連接至傳動模塊23，以帶動各傳動模塊23動作，傳動模塊23分別連接至二自由度輸出模塊25，以使二自由度輸出模塊25能同時或分別輸出前后方向與左右方向自由度(Degrees of freedom)的轉動，如此,與二自由度輸出模塊25相連接的組件(如機器人的手腕、腳部關節(jié)或其它肢體) ，便能夠進行一個或二個方向自由度的運動，而不必再額外安裝其它運動模塊，使得遠離機器人的身體或工作臺的組件，能夠大幅縮減其整體體積與重量。同時，尚能避免輸出件因受到外力影響，而反向帶動伺服馬達，造成伺服馬達損壞的情況。此處僅就傳動模塊23與二自由度輸出模塊25的細部結構，進行說明，如圖2A及圖3所示，由于圖2A中的雙馬達運動模塊2的部份組件，會遮蔽住其它組件，故為能明確揭示出本申請的整體技術特征，圖3省略了部份組件，以能清楚表現(xiàn)各個組件的連接關系。其中，傳動模塊23分別包括復數(shù)個傳動齒輪231、一個傳動蝸桿(Worm) 233、一個從動蝸輪(Worm Gear) 235及至少一個從動齒輪237，由于各傳動模塊23與各伺服馬達21的連接關系相同，故后面僅說明圖2A右邊一組傳動模塊23與伺服馬達21間的連接關系。在本實施例中，有四個傳動齒輪231，其中圖2A最左邊的傳動齒輪231組裝至伺服馬達21的輸出軸211上，最右邊的傳動齒輪231則組裝至傳動蝸桿233上，傳動齒輪231則彼此相互嚙合，如此，當伺服馬達21的輸出軸211旋轉時，便能通過傳動齒輪231帶動傳動蝸桿233旋轉，此夕卜，也能夠借助調整上述傳動齒輪231的齒輪配比，而達到所需的轉速及扭力等需求，以滿足業(yè)者所需生產(chǎn)不同產(chǎn)品的個別要求。如圖2A及圖3所示，傳動蝸桿233與從動蝸輪235相嚙合，以能帶動從動蝸輪235旋轉，且從動蝸輪233亦與從動齒輪237相連接，以帶動從動齒輪237旋轉，其中傳動蝸桿233與從動蝸輪235相互嚙合的齒部的導程角(Lead Angle)小于一預定角度(如4度)，使得該從動蝸輪235僅能被傳動蝸桿233帶動，而無法反向帶動傳動蝸桿233，以形成自鎖效果(Self-Locking)，如此，當外部作用力施加至從動齒輪237上時，傳動蝸桿233與從動蝸輪235便會承擔大部份的外部作用力，同時，防止外部作用力造成伺服馬達21被迫旋轉而損壞，同時，借助上述傳動蝸桿233與從動蝸輪235的自鎖效果，與傳動模塊23相連接的組件便能保持原運動姿勢，而不會因受到外力影響而被迫變化，因此本發(fā)明的伺服馬達21便能夠依照實際使用情況，更改自身為啟動狀態(tài)或關閉狀態(tài)，而不需為保持與傳動模塊23相連接組件的運動姿勢，時常處于啟動狀態(tài)，進而能有效降低本發(fā)明雙馬達模塊2所耗費的能源。此外，在本實施例中，以兩個從動齒輪237為例，其中一個從動齒輪237與從動蝸輪235共同設置于一個軸桿上，且從動齒輪237能帶動另一個從動齒輪237。通過改變傳動齒輪的直徑大小，即能有效改變伺服馬達傳遞至從動齒輪的轉速，方便使用者調整輸出組件(如機械手臂或機器人的肢體)的轉速及扭力，且因傳動蝸桿與從動蝸輪間具有自鎖效果，使得從動齒輪無法反向帶動伺服馬達，避免伺服馬達因為承載高扭力而發(fā)生燒毀的危險。此外，在本發(fā)明的其它實施例中，業(yè)者能視實際設計需求，而僅使用一個從動齒輪237，或二個以上的從動齒輪237組合。如圖2A及圖3所示，二自由度輸出模塊25包括一個中空框架250、二個第一軸桿251、二個第一傘形齒輪252、一個第二軸桿253、一個第二傘形齒輪254及一個輸出件255，其中第一軸桿251分別貫穿且樞接在中空框架250的兩對應側面，第一傘形齒輪252則位于中空框架250內的兩對應位置，且第一軸桿251的兩端分別連接至對應的第一傘形齒輪252和從動齒輪237，當從動齒輪237被帶動旋轉時，便能依序帶動對應的第一軸桿251及第一傘形齒輪252旋轉，從而使中空框架250執(zhí)行前后方向自由度的轉動(在圖2A中以左下為前方，右上為后方)。同時，第二軸桿253貫穿且樞接在中空框架250的另二個對應側面，第二傘形齒輪254則位于中空框架250內，且連接至第二軸桿253的中段，第二軸桿253的兩端分別連接至輸出件255的兩端，第二傘形齒輪則分別嚙合至第一傘形齒輪252，第一傘齒輪252間的差速關系會帶動第二傘齒輪254，使得輸出件255能因此執(zhí)行左右方向自由度的轉動(在圖2A中以左上為左方，右下為右方)，如此，由于輸出件255尚能隨著中空框架250轉動，故輸出件255能同時進行前后方向與左右方向自由度的雙軸共點運動。
為明確說明上述二自由度輸出模塊25的差速關系，如圖2A及圖4所示，當其中一個伺服馬達21啟動，而另一個伺服馬達21關閉時，其中一個第一軸桿251會被帶動而朝順時針旋轉(如圖4左方的第一軸桿251)，并帶動對應的第一傘形齒輪252與第二傘形齒輪254朝順時針旋轉，另一個第一軸桿251則不會旋轉(如圖4右方的第一軸桿251)，使得對應的另一個第一傘形齒輪252不會旋轉，因此,第二傘形齒輪254會沿著另一個第一傘形齒輪252的表面轉動，中空框架250會被第一軸桿251帶動而朝順時針方向轉動，并帶動輸出件255轉動，同時，輸出件255尚會被第二軸桿253帶動而朝順時針方向轉動，故輸出件255即具備兩個方向自由度的轉動。如圖2A及圖5所示，當各伺服馬達21均啟動，并分別以相同轉速帶動對應的第一軸桿251朝順時針轉動時，各第一軸桿251會帶動對應的第一傘形齒輪252朝順時針轉動，由于各第一傘形齒輪252帶動第二傘形齒輪254的方向相反，因此，通過差速公式，第一傘形齒輪252分別帶動第二傘形齒輪254的轉速相減后為0，即第二傘形齒輪254不會帶動第二軸桿253轉動，意即中空框架250會被第一軸桿251帶動而朝順時針方向轉動，并帶動輸出件255轉動，但輸出件255因未被第二軸桿253帶動，故僅具有一個方向自由度的轉動。另如圖2A及圖6所示，當各伺服馬達21均啟動，并分別帶動對應的第一軸桿251朝不同方向旋轉時(如圖6左方的第一軸桿251朝順時針旋轉，右方的第一軸桿251朝逆時針方向旋轉)，各第一軸桿251會帶動第一傘形齒輪252朝對應的方向轉動，此時，中空框架250因同時受到相反的作用力，而無法轉動，但由于第一傘形齒輪252帶動第二傘形齒輪254的方向相同，因此，第二傘形齒輪254會朝順時針方向旋轉，并帶動第二軸桿253轉動，故輸出件255因僅被第二軸桿253帶動，而僅具有一個方向自由度的轉動。綜上所述可知，業(yè)者僅需模塊化生產(chǎn)該雙馬達運動模塊2，并在工業(yè)用機械手臂或機器人手、腳的一個關節(jié)處，設置該雙馬達運動模塊2，便能夠通過控制兩個伺服馬達21的聯(lián)動關系，使機械手臂或機器人手、腳的末端組件(與輸出件255相連接的組件)進行單一個方向自由度(僅前后轉動或左右轉動)的轉動，或者同時進行兩個方向自由度(同時前后轉動與左右轉動)的轉動(如圖4 6所示)，而不需如同以往機械手臂或機器人的設計一般，需在每一個關節(jié)處設置一個伺服馬達，才能達到兩個方向自由度的轉動，因此本發(fā)明的雙馬達運動模塊2不僅便于業(yè)者模塊化生產(chǎn)與組裝，且能有效簡化機械手臂或機器人的 結構，以達到機械手臂或機器人的關節(jié)在實現(xiàn)緊湊體積的情況下，仍保持大運動范圍的功效。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，然而本發(fā)明所主張的權利范圍，并不局限于此，凡熟悉該項的技術人員，依據(jù)本發(fā)明所揭露的技術內容，可輕易思及的等效變化，均應屬于本發(fā)明的申請保護范疇。
權利要求
1.一種雙馬達運動模塊，包括殼體，其特征在于所述殼體上設有帶輸出軸的二個伺服馬達和分別與輸出軸連接的二個傳動模塊，傳動模塊依據(jù)伺服馬達的啟動狀態(tài)或關閉狀態(tài)而被輸出軸帶動，且無法反向帶動輸出軸；所述殼體上還設有一個與傳動模塊相連接的二自由度輸出模塊，且依據(jù)各傳動模塊的帶動，而輸出一個方向自由度的轉動或二個方向自由度的轉動。
2.如權利要求I所述的雙馬達運動模塊，其特征在于所述傳動模塊分別包括 復數(shù)個傳動齒輪，其中一個傳動齒輪連接至對應伺服馬達的輸出軸，且彼此相互嚙合，并被對應的伺服馬達帶動旋轉； 一個傳動蝸桿，與另一個傳動齒輪相連接，且能被另一個傳動齒輪帶動旋轉； 一個從動蝸輪，與所述傳動蝸桿相嚙合，且該傳動蝸桿與從動蝸輪相互嚙合之齒部的導程角小于一預定角度，以產(chǎn)生自鎖作用； 至少一個從動齒輪，與所述從動蝸輪相連接，以被從動齒輪帶動旋轉。
3.如權利要求2所述的雙馬達運動模塊，其特征在于所述二自由度輸出模塊包括 一個中空框架； 二個第一傘形齒輪，位于所述中空框架內的兩對應位置； 二個第一軸桿，分別貫穿且樞接在所述中空框架的兩對應側面，且其兩端分別連接至對應的第一傘形齒輪與從動齒輪，以使各從動齒輪能依序帶動對應的第一軸桿及第一傘形齒輪，并使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動； 一個第二軸桿，貫穿且樞接在所述中空框架的另二個對應側面； 一個輸出件，其兩端分別連接至所述第二軸桿的兩端； 一個第二傘形齒輪，位于中空框架內，且連接至第二軸桿的中段，并嚙合至第一傘形齒輪，在第二傘形齒輪被帶動旋轉的狀態(tài)下，能帶動第二軸桿，并使輸出件執(zhí)行另一方向自由度的轉動。
4.如權利要求3所述的雙馬達運動模塊，其特征在于在其中一個伺服馬達啟動，另一個伺服馬達關閉的狀態(tài)下，其中一個第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪及中空框架轉動，另一個第一軸桿則不會帶動對應的另一個第一傘形齒輪轉動，以使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動，且使已轉動的第一傘形齒輪帶動第二傘形齒輪轉動，該第二傘形齒輪會沿著另一個第一傘形齒輪的表面轉動，并使第二軸桿轉動，令輸出件依照中空框架與第二軸桿的轉動，而執(zhí)行二個方向自由度的轉動。
5.如權利要求3所述的雙馬達運動模塊，其特征在于在各伺服馬達啟動，且分別以同樣轉速帶動對應的第一軸桿朝同一方向轉動的狀態(tài)下，第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪及中空框架朝同一方向轉動，以使中空框架執(zhí)行一方向自由度的轉動，且第一傘形齒輪分別帶動第二傘形齒輪的方向為相反，使第二傘形齒輪無法轉動，令輸出件依照中空框架的轉動，而執(zhí)行一個方向自由度的轉動。
6.如權利要求3所述的雙馬達運動模塊，其特征在于在各伺服馬達啟動，且分別帶動對應的第一軸桿朝相反方向轉動的狀態(tài)下，第一軸桿會帶動對應的第一傘形齒輪朝相反方向轉動，以使中空框架無法轉動，且第一傘形齒輪分別帶動第二傘形齒輪的方向為相同，使第二傘形齒輪能朝一方向轉動，并帶動第二軸桿轉動，令輸出件依照第二軸桿的轉動，而執(zhí)行一個方向自由度的轉動。
7.如權利要求3、4、5或6任意一項所述的雙馬達運動模塊，其特征在于所述預定角度為4度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙馬達運動模塊，該運動模塊包括殼體，所述殼體上設有帶輸出軸的二個伺服馬達和分別與輸出軸連接的二個傳動模塊，傳動模塊依據(jù)伺服馬達的啟動狀態(tài)或關閉狀態(tài)而被輸出軸帶動，且無法反向帶動輸出軸；所述殼體上還設有一個與傳動模塊相連接的二自由度輸出模塊，且依據(jù)各傳動模塊的帶動，而輸出一個方向自由度的轉動或二個方向自由度的轉動。本發(fā)明能簡化機械手臂或機器人的結構，且能實現(xiàn)二自由度的大范圍運動，以實現(xiàn)緊湊體積下大運動范圍的效果，同時，通過傳動蝸桿與從動蝸輪的自鎖效果，不僅能避免損傷伺服馬達，亦能在伺服馬達未啟動時，仍因自鎖效果而維持二自由度輸出模塊的運動姿勢，實現(xiàn)節(jié)能功效。
文檔編號B25J17/02GK102729258SQ20111041214
公開日2012年10月17日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者戴文鐘 申請人:戴文鐘