径向错位以增大机械臂臂体间活动范围的方法及其机械臂与流程

本发明涉及机械臂设计与制造，特别涉及一种径向错位以增大机械臂臂体间活动范围的方法，以及根据该方法所实现的一种机械臂结构。

背景技术：
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众所周知，机械臂每个关节的极限角度直接影响它的工作范围。即机械臂每节关节可以转动的角度越大，机械臂臂体活动范围越大，随之机械臂末端的工作范围就越大。

如图1所示，现有技术中采取普通重合式结构的机械臂自然伸直状态的两关节间沿箭头方向旋转+90°～-90°之间都毫无压力。如图2所示，但如果机械臂的工作范围需要如该图所示沿箭头方向继续转动，那么相邻两臂体间结构必定会产生干涉，而干涉部位分布的是机械臂最重要的动力单元，且该部分机械结构强度直接影响机械臂整体强度。所以即要保证机械臂主要动力单元间不产生干涉、结构强度不受影响，又想通过机械臂的灵活转动来实现更大工作范围活动是一个比较复杂的问题。

当然，为了增加机械臂臂体的转动角度，国内现有的多自由度机械臂在关节处主要有两种结构形式方法。

一、内嵌式铰链连接结构形式方法：如图3所示，相连两关节通过逐节变小的内嵌式铰链连接结构形式。这种连环的内嵌式铰链结构方法只能沿内嵌式铰链前后方向进行转动，且外形结构形式单一，内部结构复杂，故机械臂的活动方向在本结构方式上受到了很大的限制，而且实现增大臂体角度活动范围的方式是切除上一关节的臂体本体中会产生干涉的部分，整体的结构强度受到一定的影响，综合上述，该结构通用性不强，只能使用在特定的场合，不适合用在对方向角度有较多要求的场合。

二、空间交错的结构形式方法：如图4所示，相连两臂体间采取空间交错的结构形式方法。这种空间交错的结构方法在关节连接轴和连接螺栓处会产生很大的拉应力，结构稳定性不强；且这种空间交错的结构，虽然单个关节间可以实现360°无障碍的旋转，但是在实际使用过程中，旋转空间会受到臂长和反复空间交错的结构本身的影响，即每段臂长的长短会限制下一节的转动的角度，另外反复的空间交错的结构在多轴多自由度的机械臂转动中易产生干涉，也就是第N个臂体和第N+2个臂体之间会产生干涉。

技术实现要素：
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鉴于上述技术问题，在现有重合式结构形式方法的基础之上，为了扩大机械臂转动角度的范围，同时为获取多自由度工业机械臂更大的工作范围以适应市场多样化的需求，本发明提供了一种径向错位以增大机械臂臂体间活动范围的方法。该方法通过对机械臂结构力学性能和结构性能进行优化设计，可将原有角度盲区变为工作区域。另外，本发明还根据该方法提供了一种结构优化的机械臂。

本发明的具体技术方案如下：

径向错位以增大机械臂臂体间活动范围的方法，该方法涉及两个处同一水平面的机械臂臂体，即第一臂体和第二臂体；所述第一臂体连接有一上关节支撑板，第二臂体连接有下关节支撑板，上关节支撑板与下关节支撑板各自设有关节连接点，通过关节连接轴的串接层叠在一起，由于上关节支撑板与下关节支撑板处于不同平面，故可以凭借两板之间错位分布，沿关节连接轴使各自连接的第一臂体和第二臂体能做出更大的活动范围；所述上关节支撑板和下关节支撑板中，两者至少有一块支撑板其关节点不位于板体的中轴线上，使得关节结构改变后的上、下关节支撑板通过关节连接轴带动各自所连接的臂体，可将顺时针工作方向原本0°～-90°的活动范围增加到0°～-177°。

上述方案中，所述两个臂体与其自身所连接的关节支撑板可由模具注塑成一体。

根据上述方法实现径向错位以增大臂体间活动范围的机械臂，该机械臂的具体结构下：

它包括下关节支撑板(第一谐波减速机背盖板)、上关节支撑板(第一谐波减速机面盖板)、第一直流无刷电机、第一电机盖板、第一谐波减速机柔轮、第一谐波减速机波发生器、第一谐波减速机刚轮以及第一谐波减速机面盖板侧板；其特征在于，所述下关节支撑板和上关节支撑板的关节点两个至少有一个不位于板体的中轴线上；所述第一直流无刷电机与第一电机盖板采用轴肩定位以及螺栓连接，且通过第一油封来实现润滑油的密封；所述下关节支撑板与第一电机盖板之间采用螺栓连接且用第四O型圈来实现密封作用；所述下关节支撑板与第一谐波减速机柔轮之间采用螺栓连接；所述第一直流无刷电机与第一谐波减速机波发生器之间采用定位螺钉来定位；所述上关节支撑板与第一谐波减速机刚轮之间采用螺栓连接，且用第一O型圈来实现密封作用；所述上关节支撑板与第一谐波减速机面盖板侧板之间采用螺栓连接。

上述方案中，所述上关节支撑板连接第二关节部，所述第二关节部包括第二直流无刷电机、第二电机盖板、第二谐波减速机柔轮、第二谐波减速机波发生器、第二谐波减速机刚轮、第二谐波减速机面盖板以及第二谐波减速机背盖板；所述上关节支撑板通过螺栓连接第二谐波减速机面盖板；所述第二谐波减速机面盖板与第二谐波减速机刚轮之间采用螺栓连接，且用第三O型圈来实现密封作用；所述第二谐波减速机柔轮与第二谐波减速机背盖板采用螺栓连接；所述第二谐波减速机背盖板与第二电机盖板之间采用螺栓连接，且用第二O型圈来实现密封作用；所述第二谐波减速机波发生器与第二直流无刷电机之间采用定位螺钉来实现定位作用；所述第二电机盖板与第二直流无刷电机之间采用轴肩定位及螺栓连接，且用第二油封来实现润滑油密封作用。

上述方案中，所述下关节支撑板通过第一连接螺栓垂直固定在第一支撑板上；所述第一支撑板通过两个第二连接螺栓固定在第一臂体内。

上述方案中，所述第二谐波减速机背盖板与第二臂体之间采用螺栓连接固定。

本发明的有益效果如下：

采用新结构形式的机械臂关节，可以避免现有普通重合式结构转动角度的不足造成工作范围受到限制的情况；方便组合其他结构实现多角度转动，不受自身结构影响，且不用牺牲臂体结构强度来实现更大角度转动；第N个臂体和第N+2个臂体之间不会产生干涉，关节处螺栓连接拉应力小，通用性较强。

机械臂臂体可在同一轴线上，这样的结构美观、结构简单、易于加工制造、布局紧凑、占空比小、结构稳定性强，而且随着机械臂臂体转动角度的增加，将臂体下的工作盲区变为有效工作区域，能有效减少工序节拍时间，提高生产效率，降低生产成本。能实现客户群体多样化，客户选择多样化，应用场合会更广，从而提高了产品的市场竞争力。

通过本方案，使得本专利关节结构形式也可以成为主流多自由度机械臂关节组件结构设计方案之一；另外也可以给其它企业(以新关节组件结构形式方法作为设计思路)的机械臂提供新的设计思路。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为现有机械臂关节采用普通重合式结构方法时转动极限状态示意图。

图2为现有机械臂关节采用普通重合式结构方法时旋转干涉状态示意图。

图3为现有机械臂关节采用内嵌式铰链连接结构形式方法的结构图。

图4为现有机械臂关节采用空间交错的结构形式方法的结构图。

图5-1a为本发明方法中实施例一所涉及的自由状态下机械臂关节结构图。

图5-1b为本发明方法中实施例一所涉及的顺时针转动极限状态下机械臂关节结构图。

图5-2a为本发明方法中实施例二所涉及的自由状态下机械臂关节结构图。

图5-2b为本发明方法中实施例二所涉及的顺时针转动极限状态下机械臂关节结构图。

图5-3a为本发明方法中实施例三所涉及的自由状态下机械臂关节结构图。

图5-3b为本发明方法中实施例三所涉及的顺时针转动极限状态下机械臂关节结构图。

图6为本发明所涉及的机械臂外形图。

图7为本发明所涉及的机械臂剖视图。

图8a为本发明所涉及的机械臂的上关节支撑板的示意图。

图8b为本发明所涉及的机械臂的下关节支撑板的示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了实现相邻两个机械臂臂体之间夹角最小化以实现机械臂能实现更大的工作范围，本发明方法结合该新型机械臂具体阐述其机理。

如图6所示，关节点C可为中心线MN上任意一点，通过对臂体1和臂体2支撑板结构的调整来实现本发明关节结构，将臂体1中心线沿图6所示的直线MN上错位一定的距离V₁，然后臂体2中心线沿臂体1反方向错位距离V₂。通过关节结构错位的方法来实现机械臂两臂体之间能获得更大工作范围的夹角。

为方便以下举例说明，先罗列部分条件：

1、已知臂体1、臂体2直径D₁、D₂和关节点C到臂体1、臂体2干涉面距离H₁、H₂；

2、如图6所示，上、下关节错位点关节点C到臂体1、臂体2的错位距离分别用V₁、V₂来表示；

3、设定机械臂竖直状态为自由状态，即0度，顺时针方向为主要工作方向，为正向也是实现本发明专利的主要方向，下面会做具体臂体部分行程变化分析，逆时针方向转动为辅助工作方向，不做详细描述；

4、下述方案中具体描述机械臂从自由状态0°顺时针旋转的主要工作方向，主要对比在原有重合式旋转极限范围【0，-90°】的基础上，本发明专利所能改变的旋转范围。

关节点C可为直线MN上任意一点，此时要通过错位关节结构来实现所要达到的角度要求，有两种方式，一种是V₁≠0、V₂≠0即臂体1和臂体2同时错位，此时，理论上，V₁、V₂∈【-∞＜0＜+∞】；另两种是V₁＝0V₂≠0或者V₁≠0V₂＝0，即臂体1和臂体2只有一个错位，此时V₁∈【-∞＜0＜+∞】或者V₂∈【-∞＜0＜+∞】。考虑到优化机械臂的结构和强度，现选取如下区间做三种实施例分析，分别为：

实施例一：V₁＝0，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】，如图5-1a、图5-1b所示：

取极限值V₁＝0，V₂＝-1/2D₂此时两相邻的臂体间的夹角θ值为1147°～+76°。此时V₁不变，V₂为极限值1/2D₂，则根据机械臂两相邻臂体之间的夹角由此可知，当V₁＝0，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】时，机械臂顺时针的可转动角度范围为【0，-147°】，用公式表达为

实施例二：V₂＝0，V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】，如图5-2a、图5-2b所示：

取极限值V₂＝0，V₁＝-1/2D₁此时两相邻的臂体间的夹角θ值为-140°～+107°。此时V₂不变，V₁为极限值1/2D₁，则根据机械臂两相邻臂体之间的夹角由此可知，当V₂＝0，V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】时，机械臂顺时针的可转动角度范围为【0°，-140°】，用公式表达为

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

取极限值V₂＝-1/2D₂，V1＝-1/22D₁此时两相邻的臂体间的夹角θ值为-177°～+70°。此时V₂极限值1/2D₂，V₁为极限值1/2D₁，则根据机械臂两相邻臂体°之间的夹角由此可知，当V₁∈【-1/2D₁＜0＜+1/2D₁】，V₂∈【-1/2D₂＜0＜+1/2D₂】时，机械臂顺时针的可转动角度范围为【0°，-177°】，用公式表达为此方法结构稳定性更强。

如图7所示，根据上述方法实现的机械臂，它包括下关节支撑板5(第一谐波减速机背盖板)、上关节支撑板9(第一谐波减速机面盖板)、第一直流无刷电机10、第一电机盖板12、第一谐波减速机柔轮8、第一谐波减速机波发生器11、第一谐波减速机刚轮6以及第一谐波减速机面盖板侧板13。

其中，下关节支撑板9和上关节支撑板5的关节点两个至少有一个不位于板体的中轴线上(参见图8a、图8b)；第一直流无刷电机10与第一电机盖板12采用轴肩定位以及螺栓连接，且通过第一油封27来实现润滑油的密封。下关节支撑板5与第一电机盖板12之间采用螺栓连接且用第四O型圈26来实现密封作用。下关节支撑板5与第一谐波减速机柔轮8之间采用螺栓连接。第一直流无刷电机10与第一谐波减速机波发生器11之间采用定位螺钉来定位。上关节支撑板9与第一谐波减速机刚轮6之间采用螺栓连接，且用第一O型圈7来实现密封作用。上关节支撑板9与第一谐波减速机面盖板侧板13之间采用螺栓连接。

当然，上关节支撑板9还连接第二关节部，第二关节部包括第二直流无刷电机20、第二电机盖板19、第二谐波减速机柔轮16、第二谐波减速机波发生器17、第二谐波减速机刚轮15、第二谐波减速机面盖板14以及第二谐波减速机背盖板18；所述上关节支撑板9通过螺栓连接第二谐波减速机面盖板14。第二谐波减速机面盖板14与第二谐波减速机刚轮15之间采用螺栓连接，且用第三O型圈25来实现密封作用。第二谐波减速机柔轮16与第二谐波减速机背盖板18采用螺栓连接。第二谐波减速机背盖板18与第二电机盖板19之间采用螺栓连接，且用第二O型圈23来实现密封作用。第二谐波减速机波发生器17与第二直流无刷电机20之间采用定位螺钉来实现定位作用。第二电机盖板19与第二直流无刷电机20之间采用轴肩定位及螺栓连接，且用第二油封22来实现润滑油密封作用。

另外，下关节支撑板5通过第一连接螺栓4垂直固定在第一支撑板2上。第一支撑板2通过两个第二连接螺栓3固定在第一臂体1内。第二谐波减速机背盖板18与第二臂体21之间采用第三连接螺栓24连接固定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。