本發(fā)明涉及機(jī)械臂設(shè)計與制造，特別涉及一種徑向錯位以增大機(jī)械臂臂體間活動范圍的方法，以及根據(jù)該方法所實現(xiàn)的一種機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
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眾所周知，機(jī)械臂每個關(guān)節(jié)的極限角度直接影響它的工作范圍。即機(jī)械臂每節(jié)關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動的角度越大，機(jī)械臂臂體活動范圍越大，隨之機(jī)械臂末端的工作范圍就越大。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中采取普通重合式結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂自然伸直狀態(tài)的兩關(guān)節(jié)間沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)+90°～-90°之間都毫無壓力。如圖2所示，但如果機(jī)械臂的工作范圍需要如該圖所示沿箭頭方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，那么相鄰兩臂體間結(jié)構(gòu)必定會產(chǎn)生干涉，而干涉部位分布的是機(jī)械臂最重要的動力單元，且該部分機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響機(jī)械臂整體強(qiáng)度。所以即要保證機(jī)械臂主要動力單元間不產(chǎn)生干涉、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受影響，又想通過機(jī)械臂的靈活轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)更大工作范圍活動是一個比較復(fù)雜的問題。

當(dāng)然，為了增加機(jī)械臂臂體的轉(zhuǎn)動角度，國內(nèi)現(xiàn)有的多自由度機(jī)械臂在關(guān)節(jié)處主要有兩種結(jié)構(gòu)形式方法。

一、內(nèi)嵌式鉸鏈連接結(jié)構(gòu)形式方法：如圖3所示，相連兩關(guān)節(jié)通過逐節(jié)變小的內(nèi)嵌式鉸鏈連接結(jié)構(gòu)形式。這種連環(huán)的內(nèi)嵌式鉸鏈結(jié)構(gòu)方法只能沿內(nèi)嵌式鉸鏈前后方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，且外形結(jié)構(gòu)形式單一，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故機(jī)械臂的活動方向在本結(jié)構(gòu)方式上受到了很大的限制，而且實現(xiàn)增大臂體角度活動范圍的方式是切除上一關(guān)節(jié)的臂體本體中會產(chǎn)生干涉的部分，整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到一定的影響，綜合上述，該結(jié)構(gòu)通用性不強(qiáng)，只能使用在特定的場合，不適合用在對方向角度有較多要求的場合。

二、空間交錯的結(jié)構(gòu)形式方法：如圖4所示，相連兩臂體間采取空間交錯的結(jié)構(gòu)形式方法。這種空間交錯的結(jié)構(gòu)方法在關(guān)節(jié)連接軸和連接螺栓處會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不強(qiáng)；且這種空間交錯的結(jié)構(gòu)，雖然單個關(guān)節(jié)間可以實現(xiàn)360°無障礙的旋轉(zhuǎn)，但是在實際使用過程中，旋轉(zhuǎn)空間會受到臂長和反復(fù)空間交錯的結(jié)構(gòu)本身的影響，即每段臂長的長短會限制下一節(jié)的轉(zhuǎn)動的角度，另外反復(fù)的空間交錯的結(jié)構(gòu)在多軸多自由度的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動中易產(chǎn)生干涉，也就是第N個臂體和第N+2個臂體之間會產(chǎn)生干涉。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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鑒于上述技術(shù)問題，在現(xiàn)有重合式結(jié)構(gòu)形式方法的基礎(chǔ)之上，為了擴(kuò)大機(jī)械臂轉(zhuǎn)動角度的范圍，同時為獲取多自由度工業(yè)機(jī)械臂更大的工作范圍以適應(yīng)市場多樣化的需求，本發(fā)明提供了一種徑向錯位以增大機(jī)械臂臂體間活動范圍的方法。該方法通過對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可將原有角度盲區(qū)變?yōu)楣ぷ鲄^(qū)域。另外，本發(fā)明還根據(jù)該方法提供了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械臂。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

徑向錯位以增大機(jī)械臂臂體間活動范圍的方法，該方法涉及兩個處同一水平面的機(jī)械臂臂體，即第一臂體和第二臂體；所述第一臂體連接有一上關(guān)節(jié)支撐板，第二臂體連接有下關(guān)節(jié)支撐板，上關(guān)節(jié)支撐板與下關(guān)節(jié)支撐板各自設(shè)有關(guān)節(jié)連接點，通過關(guān)節(jié)連接軸的串接層疊在一起，由于上關(guān)節(jié)支撐板與下關(guān)節(jié)支撐板處于不同平面，故可以憑借兩板之間錯位分布，沿關(guān)節(jié)連接軸使各自連接的第一臂體和第二臂體能做出更大的活動范圍；所述上關(guān)節(jié)支撐板和下關(guān)節(jié)支撐板中，兩者至少有一塊支撐板其關(guān)節(jié)點不位于板體的中軸線上，使得關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變后的上、下關(guān)節(jié)支撐板通過關(guān)節(jié)連接軸帶動各自所連接的臂體，可將順時針工作方向原本0°～-90°的活動范圍增加到0°～-177°。

上述方案中，所述兩個臂體與其自身所連接的關(guān)節(jié)支撐板可由模具注塑成一體。

根據(jù)上述方法實現(xiàn)徑向錯位以增大臂體間活動范圍的機(jī)械臂，該機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)下：

它包括下關(guān)節(jié)支撐板(第一諧波減速機(jī)背蓋板)、上關(guān)節(jié)支撐板(第一諧波減速機(jī)面蓋板)、第一直流無刷電機(jī)、第一電機(jī)蓋板、第一諧波減速機(jī)柔輪、第一諧波減速機(jī)波發(fā)生器、第一諧波減速機(jī)剛輪以及第一諧波減速機(jī)面蓋板側(cè)板；其特征在于，所述下關(guān)節(jié)支撐板和上關(guān)節(jié)支撐板的關(guān)節(jié)點兩個至少有一個不位于板體的中軸線上；所述第一直流無刷電機(jī)與第一電機(jī)蓋板采用軸肩定位以及螺栓連接，且通過第一油封來實現(xiàn)潤滑油的密封；所述下關(guān)節(jié)支撐板與第一電機(jī)蓋板之間采用螺栓連接且用第四O型圈來實現(xiàn)密封作用；所述下關(guān)節(jié)支撐板與第一諧波減速機(jī)柔輪之間采用螺栓連接；所述第一直流無刷電機(jī)與第一諧波減速機(jī)波發(fā)生器之間采用定位螺釘來定位；所述上關(guān)節(jié)支撐板與第一諧波減速機(jī)剛輪之間采用螺栓連接，且用第一O型圈來實現(xiàn)密封作用；所述上關(guān)節(jié)支撐板與第一諧波減速機(jī)面蓋板側(cè)板之間采用螺栓連接。

上述方案中，所述上關(guān)節(jié)支撐板連接第二關(guān)節(jié)部，所述第二關(guān)節(jié)部包括第二直流無刷電機(jī)、第二電機(jī)蓋板、第二諧波減速機(jī)柔輪、第二諧波減速機(jī)波發(fā)生器、第二諧波減速機(jī)剛輪、第二諧波減速機(jī)面蓋板以及第二諧波減速機(jī)背蓋板；所述上關(guān)節(jié)支撐板通過螺栓連接第二諧波減速機(jī)面蓋板；所述第二諧波減速機(jī)面蓋板與第二諧波減速機(jī)剛輪之間采用螺栓連接，且用第三O型圈來實現(xiàn)密封作用；所述第二諧波減速機(jī)柔輪與第二諧波減速機(jī)背蓋板采用螺栓連接；所述第二諧波減速機(jī)背蓋板與第二電機(jī)蓋板之間采用螺栓連接，且用第二O型圈來實現(xiàn)密封作用；所述第二諧波減速機(jī)波發(fā)生器與第二直流無刷電機(jī)之間采用定位螺釘來實現(xiàn)定位作用；所述第二電機(jī)蓋板與第二直流無刷電機(jī)之間采用軸肩定位及螺栓連接，且用第二油封來實現(xiàn)潤滑油密封作用。

上述方案中，所述下關(guān)節(jié)支撐板通過第一連接螺栓垂直固定在第一支撐板上；所述第一支撐板通過兩個第二連接螺栓固定在第一臂體內(nèi)。

上述方案中，所述第二諧波減速機(jī)背蓋板與第二臂體之間采用螺栓連接固定。

本發(fā)明的有益效果如下：

采用新結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械臂關(guān)節(jié)，可以避免現(xiàn)有普通重合式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度的不足造成工作范圍受到限制的情況；方便組合其他結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多角度轉(zhuǎn)動，不受自身結(jié)構(gòu)影響，且不用犧牲臂體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來實現(xiàn)更大角度轉(zhuǎn)動；第N個臂體和第N+2個臂體之間不會產(chǎn)生干涉，關(guān)節(jié)處螺栓連接拉應(yīng)力小，通用性較強(qiáng)。

機(jī)械臂臂體可在同一軸線上，這樣的結(jié)構(gòu)美觀、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造、布局緊湊、占空比小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，而且隨著機(jī)械臂臂體轉(zhuǎn)動角度的增加，將臂體下的工作盲區(qū)變?yōu)橛行Чぷ鲄^(qū)域，能有效減少工序節(jié)拍時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。能實現(xiàn)客戶群體多樣化，客戶選擇多樣化，應(yīng)用場合會更廣，從而提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

通過本方案，使得本專利關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式也可以成為主流多自由度機(jī)械臂關(guān)節(jié)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案之一；另外也可以給其它企業(yè)(以新關(guān)節(jié)組件結(jié)構(gòu)形式方法作為設(shè)計思路)的機(jī)械臂提供新的設(shè)計思路。

附圖說明：

以下結(jié)合附圖和具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1為現(xiàn)有機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用普通重合式結(jié)構(gòu)方法時轉(zhuǎn)動極限狀態(tài)示意圖。

圖2為現(xiàn)有機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用普通重合式結(jié)構(gòu)方法時旋轉(zhuǎn)干涉狀態(tài)示意圖。

圖3為現(xiàn)有機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用內(nèi)嵌式鉸鏈連接結(jié)構(gòu)形式方法的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為現(xiàn)有機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用空間交錯的結(jié)構(gòu)形式方法的結(jié)構(gòu)圖。

圖5-1a為本發(fā)明方法中實施例一所涉及的自由狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-1b為本發(fā)明方法中實施例一所涉及的順時針轉(zhuǎn)動極限狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-2a為本發(fā)明方法中實施例二所涉及的自由狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-2b為本發(fā)明方法中實施例二所涉及的順時針轉(zhuǎn)動極限狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-3a為本發(fā)明方法中實施例三所涉及的自由狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-3b為本發(fā)明方法中實施例三所涉及的順時針轉(zhuǎn)動極限狀態(tài)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本發(fā)明所涉及的機(jī)械臂外形圖。

圖7為本發(fā)明所涉及的機(jī)械臂剖視圖。

圖8a為本發(fā)明所涉及的機(jī)械臂的上關(guān)節(jié)支撐板的示意圖。

圖8b為本發(fā)明所涉及的機(jī)械臂的下關(guān)節(jié)支撐板的示意圖。

具體實施方式：

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

為了實現(xiàn)相鄰兩個機(jī)械臂臂體之間夾角最小化以實現(xiàn)機(jī)械臂能實現(xiàn)更大的工作范圍，本發(fā)明方法結(jié)合該新型機(jī)械臂具體闡述其機(jī)理。

如圖6所示，關(guān)節(jié)點C可為中心線MN上任意一點，通過對臂體1和臂體2支撐板結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實現(xiàn)本發(fā)明關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，將臂體1中心線沿圖6所示的直線MN上錯位一定的距離V₁，然后臂體2中心線沿臂體1反方向錯位距離V₂。通過關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)錯位的方法來實現(xiàn)機(jī)械臂兩臂體之間能獲得更大工作范圍的夾角。

為方便以下舉例說明，先羅列部分條件：

1、已知臂體1、臂體2直徑D₁、D₂和關(guān)節(jié)點C到臂體1、臂體2干涉面距離H₁、H₂；

2、如圖6所示，上、下關(guān)節(jié)錯位點關(guān)節(jié)點C到臂體1、臂體2的錯位距離分別用V₁、V₂來表示；

3、設(shè)定機(jī)械臂豎直狀態(tài)為自由狀態(tài)，即0度，順時針方向為主要工作方向，為正向也是實現(xiàn)本發(fā)明專利的主要方向，下面會做具體臂體部分行程變化分析，逆時針方向轉(zhuǎn)動為輔助工作方向，不做詳細(xì)描述；

4、下述方案中具體描述機(jī)械臂從自由狀態(tài)0°順時針旋轉(zhuǎn)的主要工作方向，主要對比在原有重合式旋轉(zhuǎn)極限范圍【0，-90°】的基礎(chǔ)上，本發(fā)明專利所能改變的旋轉(zhuǎn)范圍。

關(guān)節(jié)點C可為直線MN上任意一點，此時要通過錯位關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)所要達(dá)到的角度要求，有兩種方式，一種是V₁≠0、V₂≠0即臂體1和臂體2同時錯位，此時，理論上，V₁、V₂∈【-∞＜0＜+∞】；另兩種是V₁＝0V₂≠0或者V₁≠0V₂＝0，即臂體1和臂體2只有一個錯位，此時V₁∈【-∞＜0＜+∞】或者V₂∈【-∞＜0＜+∞】?？紤]到優(yōu)化機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，現(xiàn)選取如下區(qū)間做三種實施例分析，分別為：

實施例一：V₁＝0，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】，如圖5-1a、圖5-1b所示：

取極限值V₁＝0，V₂＝-1/2D₂此時兩相鄰的臂體間的夾角θ值為1147°～+76°。此時V₁不變，V₂為極限值1/2D₂，則根據(jù)機(jī)械臂兩相鄰臂體之間的夾角由此可知，當(dāng)V₁＝0，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】時，機(jī)械臂順時針的可轉(zhuǎn)動角度范圍為【0，-147°】，用公式表達(dá)為

實施例二：V₂＝0，V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】，如圖5-2a、圖5-2b所示：

取極限值V₂＝0，V₁＝-1/2D₁此時兩相鄰的臂體間的夾角θ值為-140°～+107°。此時V₂不變，V₁為極限值1/2D₁，則根據(jù)機(jī)械臂兩相鄰臂體之間的夾角由此可知，當(dāng)V₂＝0，V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】時，機(jī)械臂順時針的可轉(zhuǎn)動角度范圍為【0°，-140°】，用公式表達(dá)為

實施例三：V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】，如圖5-3a、圖5-3b所示：

取極限值V₂＝-1/2D₂，V1＝-1/22D₁此時兩相鄰的臂體間的夾角θ值為-177°～+70°。此時V₂極限值1/2D₂，V₁為極限值1/2D₁，則根據(jù)機(jī)械臂兩相鄰臂體°之間的夾角由此可知，當(dāng)V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】時，機(jī)械臂順時針的可轉(zhuǎn)動角度范圍為【0°，-177°】，用公式表達(dá)為此方法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

如圖7所示，根據(jù)上述方法實現(xiàn)的機(jī)械臂，它包括下關(guān)節(jié)支撐板5(第一諧波減速機(jī)背蓋板)、上關(guān)節(jié)支撐板9(第一諧波減速機(jī)面蓋板)、第一直流無刷電機(jī)10、第一電機(jī)蓋板12、第一諧波減速機(jī)柔輪8、第一諧波減速機(jī)波發(fā)生器11、第一諧波減速機(jī)剛輪6以及第一諧波減速機(jī)面蓋板側(cè)板13。

其中，下關(guān)節(jié)支撐板9和上關(guān)節(jié)支撐板5的關(guān)節(jié)點兩個至少有一個不位于板體的中軸線上(參見圖8a、圖8b)；第一直流無刷電機(jī)10與第一電機(jī)蓋板12采用軸肩定位以及螺栓連接，且通過第一油封27來實現(xiàn)潤滑油的密封。下關(guān)節(jié)支撐板5與第一電機(jī)蓋板12之間采用螺栓連接且用第四O型圈26來實現(xiàn)密封作用。下關(guān)節(jié)支撐板5與第一諧波減速機(jī)柔輪8之間采用螺栓連接。第一直流無刷電機(jī)10與第一諧波減速機(jī)波發(fā)生器11之間采用定位螺釘來定位。上關(guān)節(jié)支撐板9與第一諧波減速機(jī)剛輪6之間采用螺栓連接，且用第一O型圈7來實現(xiàn)密封作用。上關(guān)節(jié)支撐板9與第一諧波減速機(jī)面蓋板側(cè)板13之間采用螺栓連接。

當(dāng)然，上關(guān)節(jié)支撐板9還連接第二關(guān)節(jié)部，第二關(guān)節(jié)部包括第二直流無刷電機(jī)20、第二電機(jī)蓋板19、第二諧波減速機(jī)柔輪16、第二諧波減速機(jī)波發(fā)生器17、第二諧波減速機(jī)剛輪15、第二諧波減速機(jī)面蓋板14以及第二諧波減速機(jī)背蓋板18；所述上關(guān)節(jié)支撐板9通過螺栓連接第二諧波減速機(jī)面蓋板14。第二諧波減速機(jī)面蓋板14與第二諧波減速機(jī)剛輪15之間采用螺栓連接，且用第三O型圈25來實現(xiàn)密封作用。第二諧波減速機(jī)柔輪16與第二諧波減速機(jī)背蓋板18采用螺栓連接。第二諧波減速機(jī)背蓋板18與第二電機(jī)蓋板19之間采用螺栓連接，且用第二O型圈23來實現(xiàn)密封作用。第二諧波減速機(jī)波發(fā)生器17與第二直流無刷電機(jī)20之間采用定位螺釘來實現(xiàn)定位作用。第二電機(jī)蓋板19與第二直流無刷電機(jī)20之間采用軸肩定位及螺栓連接，且用第二油封22來實現(xiàn)潤滑油密封作用。

另外，下關(guān)節(jié)支撐板5通過第一連接螺栓4垂直固定在第一支撐板2上。第一支撐板2通過兩個第二連接螺栓3固定在第一臂體1內(nèi)。第二諧波減速機(jī)背蓋板18與第二臂體21之間采用第三連接螺栓24連接固定。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。