CN113696226B - 机械臂保护方法及机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂保护方法以及依据该方法设计的机械臂，其是在机械臂驱动部件或/和电器元件外围，覆盖可根据所述机械臂工作环境、应用场所变换材料的中间层结构，所述中间层结构相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，在所述中间层结构的外围，还设有外壳，为机械臂内部器件提供全面保护。本发明可以针对不同应用场景以及被保护的驱动部件或/和电器元件，灵活搭配中间层和外壳的材料和结构，在为机械臂内部器件提供全面保护的同时进行重量优化，且不会对机械臂运动姿态产生任何干扰，实现难度低，适用性高，不仅提高了机械臂的整体性能，还可以解决狭小空间走线不规范及难以排布的问题。

Description

机械臂保护方法及机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别涉及一种用于特种环境作业下的机械臂保护方法及采用该方法设计的机械臂。

背景技术

工业机械臂应用成熟广泛，其针对工业环境作业的结构设计也基本定型，改动较少。目前随着非工业环境，称之为特种环境，例如电厂环境、核电站环境、高压线维护作业等，这些特种场景环境恶劣，存在例如高电磁辐射、高静电干扰或高核辐射等问题，传统机械臂的内部构型和设计方法难以应对这些高危因素，主要考虑成本、结构复杂度、和散热等问题，通常都是在电机等传动机构及电器元件外侧直接覆盖厚重的金属外壳作为单一保护。然而，这些机械臂防护外壳功能过于单一，难以应对特种环境下的高危因素，不能很好的对机械臂起到防护效果，进而使得整个机械臂关节在进行工作的过程中会受到很多因素的制约，导致工作效率下降，而且可能引起有效负载能力较小、机械臂运动对本体姿态的干扰过大等缺陷，不能有效保证机械臂在进行工作的过程中处于稳定的状态。

另外，对于多自由度机械臂，末端3自由度关节的设计难度较大，主要原因是末端3自由度关节结构紧凑、可利用空间受限，同时要考虑内部走线余量。

因此，有必要解决上述现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种机械臂保护方法，可以针对机械臂不同的应用场景，为机械臂驱动部件或/和电器元件提供全面保护。

本发明提供的机械臂保护方法，在机械臂驱动部件或/和电器元件外围，覆盖可根据所述机械臂的工作环境、应用场所变换材料的中间层结构，并使该中间层结构相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，再将外壳设置在所述中间层结构上，为机械臂驱动部件或/和电器元件提供全面保护。

上述方法中，可使所述中间层结构以整体结构形式包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件上，或者，使所述中间层结构通过多段或/和多区域组合方式包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件上。

上述方法中，所述外壳采用整体结构、或者采用多段或/和多区域组合方式包覆固定在所述中间层结构外围。

上述方法中，所述中间层结构的材料根据保护对象采用相同或不同的材料。

上述方法中，可在所述外壳与所述中间层结构之间，或者/和，在驱动部件或/和电器元件与所述中间层结构之间，设置走线空间，供驱动部件或/和电器元件的内部线路穿越、排布。

本发明还提供了根据上述方法设计的机械臂，包括驱动部件或/和电器元件，所述驱动部件或/和电器元件外围覆盖有可变换材料的中间层构件，所述中间层构件相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，所述中间层构件外围设有外壳。

上述机械臂具体的结构设计中，所述中间层构件固定在驱动部件或/和电器元件上，所述中间层构件为包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件外围的整体构件，或者，所述中间层构件是由多段或/和多区域组合件包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件上。

上述机械臂具体的结构设计中，所述外壳为设于所述中间层构件外围的整体构件，或者是由多段或/和多区域的组合件固定在所述中间层构件的外围。

上述机械臂具体的结构设计中，所述外壳与所述中间层构件之间，或者/和，所述驱动部件或/和电器元件与所述中间层构件之间，设有可使内部线路穿越、排布的走线空间。

本发明具有下述技术效果：

本发明是在机械臂驱动部件或/和电器元件的外围先覆盖一层中间层结构，再将外壳禁锢在中间层上，可以通过变换中间层结构的材料，为机械臂内部器件提供双重保护并且可以提升防护外部撞击能力，还可以针对不同应用场景以及被保护的驱动部件或/和电器元件，灵活搭配中间层和外壳的材料和结构，对机械臂的内部器件提供全面保护，同时由于中间层结构相对所保护的驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，有效避免了中间层结构和外壳对机械臂关节运动姿态产生干扰，而且也可以对机械臂可进行重量优化，提高了机械臂的整体性能，还可以解决狭小空间走线不规范及难以排布的问题。

本发明不会改变机械臂外部尺寸或增大体积，实现难度低，适用性高，且可以根据实际情况调整加工工艺，在实现设计需求的前提下，控制成本。

另外，对于特定场景需求下，不仅可以通过直接调整外壳和中间层结构的材料来实现有针对性的防护，还可以通过对中间层结构进行表面处理，使其获得更全面更强的保护能力，使得机械臂有能力在高危特种作业环境工作。

附图说明

图1为本发明机械臂结构实施例示意图一；

图2为本发明机械臂结构实施例示意图二；

图3为本发明机械臂结构实施例示意图三。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中所述的“外围”、“两端”、“尾部”、“底面”等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，或者是基于附图展示的位置而参考的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不应该认为是具有限制性的。

本发明提供的机械臂保护方法，是在机械臂驱动部件或/和电器元件的外围，覆盖可变换材料的中间层结构，所述中间层材料可根据机械臂应用的工作环境、应用场所，选用防辐射、防静电干扰、防热、防水、防震等材料，该中间层结构的设计，相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构特点对应配合设置，然后再将外壳设置在该中间层结构上，使机械臂内部器件得到全面保护。上述方法，是将传统机器人单一且厚重的外壳进行拆分和优化设计，即在驱动部件或/和电器元件外围根据需要(应用场景、保护要求、外围结构特点等)先覆盖一层中间层结构对其进行保护，然后再根据中间层结构及机械臂外部要求将外壳固定在中间层结构上，这样可以针对各种特种环境的应用场景，灵活调整中间层结构及外壳的材料，例如：1)在轻量化的设计需求下，两者均可以使用工程塑料或碳纤维材料，在保证强度的条件下实现最大程度减重；2)在有辐射的核电环境下，外壳需要抵抗辐射且受污染后不能重复使用，此时外壳可使用防辐射材料例如铅板等，中间层结构则可以使用抗射线材料，以保护内部元器件；3)在高压高磁的条件下，可以将外壳和中间层结构分别使用不同材质的金属材料，以提供电磁保护。如此，本发明方法由于将保护结构分层设置，其中间层结构相对所保护的驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合，故而不会对机械臂关节运动姿态产生任何干扰，还可以提升防护外部撞击能力，实现了不同的防护效果，有效避免了机械臂在工作过程中受外界环境影响。而且在此基础上，最外侧外壳可以更加灵活调整材料以及尺寸厚度，在为机械臂内部器件提供主保护的同时进行重量优化，实现了机械臂轻量化，提高了机械臂的整体防护等级要求、性能要求、稳定性及可靠性。

本发明方法具体的实施方式中，可使中间层结构固定在驱动部件或/和电器元件上，可采用外部贴合包覆或通过连接件固定等方式。所述中间层结构可根据被包覆对象采用整体结构形式贴合包覆或固定在驱动部件或/和电器元件上，或者是根据驱动部件或/和电器元件外部形状采用多段组合、多区域组合方式，或者是多段、多区域混合组合方式，使中间层结构在对应的驱动部件或/和电器元件上方便固定且能够与驱动部件或/和电器元件完全结合于一体。所述外壳也可根据需要或/和中间层结构形式采用整体结构或者采用多段组合、多区域组合方式，或者是多段、多区域混合组合方式包覆固定在中间层结构的外围。这种设置方式，可使机械臂关节保护更为灵活，中间层结构和外壳之间的搭配和固定更方便，还有利于中间层结构和外壳之间的空间利用，提高了机械臂的应用效果。

进一步地，所述中间层材料在采用多段或/和多区域组合结构时，可根据不同的保护对象(驱动部件、电器元件)和要求，选用相同或不同的材料，提高机械臂适应范围，保证防护效果和机械臂使用的可靠性。

本发明方法具体的实施方式中，中间层结构和外壳之间的搭配还可在外壳与中间层结构之间，或者是在驱动部件或/和电器元件与中间层结构之间，设置走线空间，也可以根据需要和应用情形，在外壳与中间层结构之间及在驱动部件或/和电器元件与中间层结构之间组合设置走线空间，可供驱动部件或/和电器元件的内部线路穿越、排布，可解决狭小空间走线不规范及难以排布的问题，可保证机械臂作业过程中的安全性与稳定性。

本发明还提供了一种基于上述方法设计的机械臂实施例，附图展示的实施例是对机械臂驱动部件的保护。

参见图1-图3，本发明提供的机械臂实施例包括驱动部件1，在驱动部件1的外围，覆盖有中间层构件3，中间层构件3的材料可根据应用场所选用或调整，中间层构件3的结构相对其对应保护的驱动部件或/和电器元件的外围结构做适配性设计，两者配合设置，避免对机械臂关节运动产生干扰；在中间层构件3的外围，还设有外壳2，以对机械臂驱动部件或/和电器元件做进一步保护。本发明机械臂上述结构设计，将机械臂外围保护拆分成成中间层构件3和外壳2的配合，不仅可以为内部电子系统提供双重保护，并通过改变中间层构件3和外壳2的材料属性获得不同的防护效果，该结构还可以灵活用于其他机械臂关节，形成整套特种作业机械臂的结构设计，不仅可以保证机械臂在带有高电磁辐射、高静电干扰或高核辐射等问题的特种环境作业，而且还可以适应其他应用场景，拓展了机械臂保护的应用。

具体地，所述机械臂的驱动部件1包括第一驱动部件11、第二驱动部件12和第三驱动部件13，所述第一驱动部件11包括第一电机模块111和第一减速器模块112,第二驱动部件12包括第二电机模块121和第二减速器模块122，第三驱动部件13包括第三电机模块131和第三减速器模块132，各电机模块和减速器模块配合装配形成驱动模块，通过输出盘为3个关节提供运动输出。

参见图1和图2，所述的第一驱动部件11中，第一电机模块111和第一减速器模块112装配形成第一驱动模块，第一减速器模块112与输出盘113连接，输出盘113上设有轴承114，由轴承盖115支承固定。在驱动部件1外围，设有第一中间层构件31，该第一中间层构件31为分段设置的两个第一中间层构件分件311、312的组合，其中在第一电机模块111和第一减速器模块112外围包覆第一中间层构件分件311，通过紧固件固定，第一减速器模块112的上端设置另一第一中间层构件分件312，该第一中间层构件分件312压入输出盘113设置的凹槽内，通过轴承盖115固定。同时第一减速器模块112通过紧固件固定在第一中间层构件分件312的下端，形成对第一电机模块111和第一减速器模块112的固定和输出支撑。第一外壳21设置在第一中间层构件31的外层，同时包覆第一中间层构件分件311、312，并通过螺纹紧固在第一中间层构件分件312上。如此，本发明对第一驱动部件1的保护，是将第一中间层构件31分成两段，由两个第一中间层构件分件311、312将第一驱动部件11紧密包裹，并借助第一驱动部件1结构固定，同时，在第一中间层构件31与第一驱动部件11之间，留有走线通道，方便内部线路4穿越、排布。上述第一驱动部件11与第一中间层构件31及第一外壳21的配合结构中，基于第一驱动部件11与第一中间层构件31及第一外壳21相互间的固定支撑、内部保护以及走线等多重因素，第一中间层构件分件311、312根据第一驱动部件11具体的结构设计为异形件，第一中间层构件分件311、312的外侧既与第一外壳21配合，而内部结构需同时考虑其与第一电机模块111和第一减速器模块112的固定和侧边走线空间，在其对第一驱动部件11保护的同时，还可靠保证了连接的稳定性和结构的紧凑性。

参见图1和图3，所述的第二驱动部件12包括第二电机模块121、第二减速器模块122，第二电机模块121和第二减速器模块122配合形成第二驱动模块，第二电机模块121的侧端设有尾部支撑件125，尾部支撑件125内设有旋转轴，与轴承配合，旋转轴和轴承一并固定在尾部支撑件125中(未图示)，为第二驱动模块尾部旋转轴提供支撑，尾部支撑件125固定在旋转支撑件124上；第二减速器模块122输出盘通过旋转支撑件123固定，旋转支撑件123、124底部分别通过设置在第二驱动模块底部的底面支撑件5连接固定。这样，通过旋转支撑件123与第二减速器模块122输出盘固定、旋转支撑件124与尾部支撑件125固定，为第二驱动模块提供首尾两点支撑，使第二驱动模块实现回转运动。在第二驱动模块外围，设有第二中间层构件32，其中第二中间层构件第一分件321套在第二驱动模块上并固定在第二电机模块121上，用于将第二驱动模块包裹在其中并对第二驱动模块形成保护。第二中间层构件第二分件322通过紧固件固定在旋转支撑件123上，第二中间层构件第三分件323通过螺栓固定在旋转支撑件124上，在为第二驱动模块两端提供保护的同时不会干涉第二驱动模块的回转运动。这样，通过第二中间层构件32三个不同的分件，分别保护第二驱动模块不同的区域，构成了对第二驱动模块全方位保护。进一步地，将第二外壳22分设为4个区域的构件，组合套在第二中间层构件32外围，分别为第二外壳第一分件221、第二外壳第二分件222、两第二外壳第三分件223、两第二外壳第四分件224，其中两第二外壳第三分件223和两第二外壳第四分件224分别采用左右两瓣对接形式，有利于装配。具体地，第二外壳第一分件221套在第二中间层构件第二分件322上并一同固定在旋转支撑件123上，第二外壳第二分件222套在第二中间层构件第三分件323上并一同固定在旋转支撑件124上，第二外壳第三分件223两瓣对接固定在底面支撑件5上，第二外壳第四分件224为相互对接的两个垂直相交的半圆形壳体结构，与第二中间层构件第一分件321连接固定，组合形成对第二驱动部件12的双重保护。上述结构中，第二中间层构件第一分件321根据第二驱动模块结构及与第三驱动模块连接结构设计为异形件，外侧与第二外壳第四分件224配合并提供安装固定点，内部与第二驱动模块固定并设有走线通道(见图1)，用于内部线路4穿越；旋转支撑件124、尾部支撑件125均做中空处理，配合第二中间层构件第一分件321的内部结构，亦为内部线路提供走线通道，并实现路径规范。这样，通过第二中间层构件32分区域、分段设置，使第二中间层构件32融合在第二驱动部件12各构件中并与之配合固定，也方便了第二外壳22的设计与固定，在对机械臂保护的同时实现了结构设计的轻量化，并有效保证了结构的刚性。

请再参见图1和图3，所述的第三驱动部件13包括第三电机模块131、第三减速器模块132，配合形成第三驱动模块，第三电机模块131通过固定件6固定在第二驱动模块上，第三中间层构件33根据第三驱动模块外围结构设计为圆筒状异形构件，套在第三电机模块131、第三减速器模块132外围，内部与第三电机模块131、第三减速器模块132配合固定，为第三驱动模块提供内部防护，外部为第三外壳23提供支撑和固定位，同时第三中间层构件33表面设计有特定形状的凹槽，以便于规范内部走线路径。第三外壳23根据第三中间层构件33外围设计为相互对接的两个半圆形壳体结构，固定在第三中间层构件33上。需要说明的是，第二外壳第四分件224与第三外壳23加工时可以焊接在一体，方便装配。

上述本发明机械臂设计，由于中间层构件3夹设在所保护的驱动部件或/和电器元件与外壳2之间，其是根据所保护的驱动部件或/和电器元件外围结构及形状的适配而设计，同时通过中间层构件3与驱动部件或/和电器元件外部对应配合和连接，既保证了中间层构件3结构与驱动部件或/和电器元件整体连接的紧凑性，又不会影响驱动部件的动力输出，而且有利于外壳与中间层构件3之间的连接与固定，在为内部系统提供双重保护的前提下，具有难度低，工艺简单，适用性高的特点，并且有利于内部走线。

另外，对于特定场景需求下，不仅可以通过直接调整外壳2和中间层构件3的材料来实现有针对性的防护，还可以对中间层构件3外表面进行表面处理，例如喷漆、覆膜、电镀等成熟工艺，使其获得更全面更强的保护能力，使得机械臂在高危特种作业环境工作中更具有稳定性。

可以理解地，本发明图1-图3所示仅为本发明根据保护方法设计的在具有三个自由度的机械臂驱动部件应用的实施例，对机械臂上多个驱动部件及电器元件的保护亦如此，只要能够根据各驱动部件和电器元件外围结构设置对应的中间层构件，并与之配合固定，同时在中间层构件上再固定外壳，均是本发明的保护范围。

本发明的上述实施例所示仅为本发明较佳实施例之部分，并不能以此局限本发明，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.机械臂保护方法，其特征在于，在机械臂驱动部件或/和电器元件外围，覆盖可根据所述机械臂的工作环境、应用场所变换材料的中间层结构，并使该中间层结构相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，使所述中间层结构通过多段或/和多区域组合方式包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件上，再将外壳设置在所述中间层结构上，为机械臂驱动部件或/和电器元件提供全面保护；所述驱动部件包括第一驱动部件，所述第一驱动部件包括第一电机模块和第一减速器模块，所述第一减速器模块与输出盘连接；所述输出盘上设有轴承，由轴承盖支承固定；在所述第一驱动部件的外围，设有第一中间层构件，该第一中间层构件由分段设置的两个第一中间层构件分件组合而成，其中一所述第一中间层构件分件包覆在所述第一电机模块和所述第一减速器模块的外围，所述第一减速器模块的上端设置另一所述第一中间层构件分件，该另一第一中间层构件分件压入所述输出盘设置的凹槽内，通过所述轴承盖固定；所述第一减速器模块固定在另一所述第一中间层构件分件的下端，形成对所述第一电机模块和所述减速器模块的固定和输出支撑；所述第一中间层构件的外层设有第一外壳，紧固在所述第一中间层构件分件上。

2.如权利要求1所述的机械臂保护方法，其特征在于，所述外壳采用整体结构、或者采用多段或/和多区域组合方式包覆固定在所述中间层结构外围。

3.如权利要求1所述的机械臂保护方法，其特征在于，所述中间层结构的材料根据保护对象采用相同或不同的材料。

4.如权利要求1-3任一项所述的机械臂保护关节方法，其特征在于，在所述外壳与所述中间层结构之间，或者/和，在驱动部件或/和电器元件与所述中间层结构之间，设置走线空间，供驱动部件或/和电器元件的内部线路穿越、排布。

5.如权利要求1-4任一项所述方法设计的机械臂，其特征在于，包括驱动部件或/和电器元件，所述驱动部件或/和电器元件外围覆盖有可变换材料的中间层构件，所述中间层构件相对所述驱动部件或/和电器元件的外围结构对应配合设置，所述中间层构件固定在驱动部件或/和电器元件上，所述中间层构件是由多段或/和多区域组合件包覆固定在所述驱动部件或/和电器元件上，所述中间层构件外围设有外壳；所述驱动部件包括第一驱动部件，所述第一驱动部件包括第一电机模块和第一减速器模块，所述第一减速器模块与输出盘连接；所述输出盘上设有轴承，由轴承盖支承固定；在所述第一驱动部件的外围，设有第一中间层构件，该第一中间层构件由分段设置的两个第一中间层构件分件组合而成，其中一所述第一中间层构件分件包覆在所述第一电机模块和所述第一减速器模块的外围，所述第一减速器模块的上端设置另一所述第一中间层构件分件，该另一第一中间层构件分件压入所述输出盘设置的凹槽内，通过所述轴承盖固定；所述第一减速器模块固定在另一所述第一中间层构件分件的下端，形成对所述第一电机模块和所述减速器模块的固定和输出支撑；所述第一中间层构件的外层设有第一外壳，紧固在所述第一中间层构件分件上。

6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述外壳为设于所述中间层构件外围的整体构件，或者是由多段或/和多区域的组合件固定在所述中间层构件的外围。

7.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述外壳与所述中间层构件之间，或者/和，所述驱动部件或/和电器元件与所述中间层构件之间，设有可使内部线路穿越、排布的走线空间。

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