机械手臂及其工作空间的确定方法与流程

本发明涉及机器人设备技术领域，具体而言，涉及一种机械手臂及其工作空间的确定方法。

背景技术

机器人的工作空间是为了从几何方面来探讨机器人的工作性能。机器人工作空间的大小代表机器人各关节可以活动的范围，它是衡量机器人工作能力和性能的一个很重要的运动学指标，在机器人的使用手册上通常需要给出工作空间。

在机器人的工作空间的计算和表示方法中，常用的有图解法、解析法和数值解法三种。图解法是根据机器人的关节参数，根据几何绘图法，得到机器人工作空间的截面或剖面图，直观显示工作空间，图解法的缺点是很难找到工作空间的边界，特别是对于那种既包含开链结构又包含闭链结构的4轴码垛机器人。解析法是通过多次求解包络线，把工作空间的外部边界用代数方程的形式表示出来，然而这种方法计算繁琐，不易理解，直观性不强。数值法的实质就是尽可能多的选取独立的关节变量的值，用正向运动学方程算出机器人末端执行器的坐标集合，由于数值解法的解为各个离散的点，求出包络线比较困难且不精确。

针对上述相关技术中无法高效地找到码垛机器人的工作空间的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种机械手臂及其工作空间的确定方法，以解决现有技术中无法确定机械手臂的精确工作空间的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种机械手臂，包括：驱动部；传动连杆组件，传动连杆组件为多个，多个传动连杆组件分别与驱动部相连接；工作连杆组件，工作连杆组件与多个传动连杆组件可活动地相连接，驱动部可驱动至少一个传动连杆组件以带动工作连杆组件移动，以使工作连杆组件的工作部在预设工作空间内作业；其中，预设工作空间为各传动连杆组件移动至传动极限位置时工作部的几何中心点，与工作连杆组件移动至联动极限位置时工作部的几何中心点之间顺次连接围设成的区域。

进一步地，多个传动连杆组件包括：第一连杆组件，第一连杆组件与驱动部相连接；第二连杆组件，第二连杆组件与驱动部相连接；工作连杆组件分别与第一连杆组件和第二连杆组件相连接，驱动部可驱动第一连杆组件和/或第二连杆组件动作，以带动工作连杆组件作业。

进一步地，工作连杆组件包括：第一连杆，第一连杆的第一端与第一连杆组件相连接；第二连杆，第二连杆的第一端与第二连杆组件相连接，第二连杆的第一端与第一连杆的第一端相铰接；第三连杆，第三连杆的第一端与第二连杆的第二端相铰接，第三连杆上设置有工作部；第四连杆，第四连杆的第一端与第一连杆的第二端相铰接，第四连杆的第二端与第三连杆的第二端相铰接；驱动部可驱动第一连杆组件和/或第二连杆组件动作，以使第三连杆带动工作部在预设工作空间内作业。

进一步地，驱动部包括第一驱动部和第二驱动部，第一驱动部的输出轴和第二驱动部的输出轴同轴设置，第一驱动部的输出轴与第一连杆组件相连接，第二驱动部的输出轴与第二连杆组件相连接，第一驱动部驱动第一连杆组件在第一预设角度内运动，第二驱动部驱动第二连杆组件在第二预设角度内运动。

进一步地，机械手臂包括基座，第一驱动部和第二驱动部均与基座相连接，多个传动极限位置包括第一极限位置和第二极限位置，第一连杆组件包括：第五连杆，第五连杆的第一端与第一驱动部相连接，第一驱动部可驱动第五连杆沿顺时针方向转动预设角度后位于第一极限位置或者，第一驱动部可驱动第五连杆沿逆时针方向转动预设角度后位于第二极限位置；第六连杆，第六连杆的第一端与基座固连，第五连杆的第一端与第六连杆的第一端可转动地相连接；第七连杆，第七连杆的第一端与第六连杆的第二端铰接；第八连杆，第八连杆的第一端与第七连杆的第二端铰接，第八连杆的第二端与第五连杆的第二端相铰接，第八连杆的第二端与第一连杆的第一端固连。

进一步地，第八连杆的轴线与第一连杆轴线具有角度地设置，第八连杆的第一端与第一连杆的第二端之间设置有加强梁。

进一步地，多个传动极限位置包括第三极限位置和第四极限位置，第二连杆组件包括：第九连杆；第十连杆，第十连杆的第一端与第九连杆的第一端相铰接，第十连杆的第二端与第五连杆的第二端相铰接，第十连杆的第二端与第二连杆的第一端相连接；第十一连杆，第十一连杆的第一端与第二驱动部相连接，第十一连杆的第二端与第九连杆的第二端相铰接，第二驱动部可驱动第十一连杆沿顺时针方向转动预设角度后位于第三极限位置，或者，第二驱动部可驱动第十一连杆沿逆时针方向转动预设角度后位于第四极限位置。

进一步地，多个联动极限位置包括第五极限位置和第六极限位置，当工作连杆组件位于第五极限位置时，第一连杆的第二端和第二连杆的第二端之间的距离最大，当工作连杆组件位于第六极限位置时，第一连杆的第二端和第二连杆的第二端之间的距离最小。

进一步地，工作部在预设工作空间内移动的最远边际线包括依次首尾相连的第一圆弧、第二圆弧、第三圆弧、第四圆弧、第五圆弧和第六圆弧，第一圆弧的半径为r1，第二圆弧的半径为r2，第三圆弧的半径为r3，第四圆弧的半径为r4，第五圆弧的半径为r5，第六圆弧的半径为r6；其中，第一圆弧的半径与第二连杆的长度相等，和/或当第一驱动部驱动第五连杆位于第二极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆以使工作连杆组件位于第五极限位置时，第五连杆的第一端与第二连杆的第二端之间的距离与第二圆弧的半径相等，和/或第三圆弧的半径与第五连杆的长度相等，和/或r4＝r1，和/或当第一驱动部驱动第五连杆位于第一极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆以使工作连杆组件位于第六极限位置时，第五连杆的第一端和第二连杆的第二端之间的距离与第五圆弧的半径相等，和/或r6＝r3。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械手臂的工作空间的确定方法，方法用于控制上述的机械手臂，方法包括以下步骤；通过第一驱动部和第二驱动部驱动工作部移动至多个极限工作位置；依次确定工作部位于相邻两个极限工作位置时工作部的几何中心点，在相邻两个几何中心点之间按预设曲率半径作圆弧以使各几何中心点之间的连线形成的区域形成工作部的预设工作空间。

进一步地，还包括以下步骤：以第一极限工作位置处记为p1点，以第二极限工作位置处记为p2点，以第三极限工作位置处记为p3点，以第四极限工作位置处记为p4点，以第五极限工作位置处记为p5点，以第六极限工作位置处记为p6点；在p1点、p2点之间作第一圆弧，在p2点、p3点之间作第二圆弧，在p3点、p4点之间作第三圆弧，在p4点、p5点之间作第四圆弧，p5点、p6点之间作第五圆弧，在p6点、p1点之间作第六圆弧。

进一步地，第一圆弧的半径与第二连杆的长度相等，当第一驱动部驱动第五连杆位于第二极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆以使工作连杆组件位于第五极限位置时，第五连杆的第一端与第二连杆的第二端之间的距离与第二圆弧的半径相等，第三圆弧的半径与第五连杆的长度相等，且r4＝r1。

应用本发明的技术方案，驱动部通过传动连杆组件控制工作连杆组件的工作部在预设工作空间内作业，预设工作空间为各传动连杆组件移动至传动极限位置时工作部的几何中心点，与工作连杆组件移动至联动极限位置时工作部的几何中心点之间顺次连接围设成的区域。以此可精确确定机械手臂的工作空间范围。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的机械手臂的实施例的结构示意图；

图2示出了据本发明的机械手臂的工作部的预设工作空间的曲线示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、驱动部；

20、传动连杆组件；21、第一连杆组件；211、第八连杆；212、第七连杆；213、第五连杆；214、第六连杆；22、第二连杆组件；221、第九连杆；222、第十连杆；223、第十一连杆；

40、工作连杆组件；41、第一连杆；42、第二连杆；43、第三连杆；431、工作部；44、第四连杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种机械手臂。

具体地，如图1所示，该机械手臂包括驱动部10、传动连杆组件20、工作连杆组件40，传动连杆组件20为多个，多个传动连杆组件20分别与驱动部10相连接，工作连杆组件40与多个传动连杆组件20可活动地相连接，驱动部10可驱动至少一个传动连杆组件20以带动工作连杆组件40移动，以使工作连杆组件40的工作部431在预设工作空间内作业，其中，预设工作空间为各传动连杆组件20移动至传动极限位置时工作部431的几何中心点，与工作连杆组件40移动至联动极限位置时工作部431的几何中心点之间顺次连接围设成的区域。

在本实施例中，驱动部通过传动连杆组件控制工作连杆组件的工作部在预设工作空间内作业，预设工作空间为各传动连杆组件移动至传动极限位置时工作部的几何中心点，与工作连杆组件移动至联动极限位置时工作部的几何中心点之间顺次连接围设成的区域。以此可精确确定机械手臂的工作空间范围。

进一步地，多个传动连杆组件20包括第一连杆组件21和第二连杆组件22，第一连杆组件21与驱动部10相连接，第二连杆组件22与驱动部10相连接，工作连杆组件40分别与第一连杆组件21和第二连杆组件22相连接，驱动部10可驱动第一连杆组件21和/或第二连杆组件22动作，以带动工作连杆组件40作业。通过驱动部10驱动第一连杆组件21和第二连杆组件22运动，可有效地驱动工作连杆组件40作业，以提高工作连杆组件40的作业精度。

进一步地，工作连杆组件40包括第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43和第四连杆44，第一连杆41的第一端与第一连杆组件21相连接，第二连杆42的第一端与第二连杆组件22相连接，第二连杆42的第一端与第一连杆41的第一端相铰接，第三连杆43的第一端与第二连杆42的第二端相铰接，第三连杆43上设置有工作部431，第四连杆44的第一端与第一连杆41的第二端相铰接，第四连杆44的第二端与第三连杆43的第二端相铰接，驱动部10可驱动第一连杆组件21或第二连杆组件22动作，当然也可以同时驱动两者动作，以使第三连杆43带动工作部431在预设范围内作业。这样设置提高了工作连杆组件40的作业精度。其中，第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43和第四连杆44依次铰接为平行四边形连杆组件。

在本实施例中，驱动部10包括第一驱动部和第二驱动部，第一驱动部的输出轴和第二驱动部的输出轴同轴设置，第一驱动部的输出轴与第一连杆组件21相连接，第二驱动部的输出轴与第二连杆组件22相连接。这样设置提高了对第一连杆组件21和第二连杆组件22的控制精度。

在本实施例中，机械手臂包括基座，第一驱动部和第二驱动部均与基座相连接，多个传动极限位置包括第一极限位置和第二极限位置，第一连杆组件21包括第五连杆213、第六连杆214、第七连杆212和第八连杆211，第五连杆213的第一端与第一驱动部相连接，第一驱动部可驱动第五连杆213沿顺时针方向转动预设角度后位于第一极限位置或者，第一驱动部可驱动第五连杆213沿逆时针方向转动预设角度后位于第二极限位置，第六连杆214的第一端与基座固连，第五连杆213的第一端与第六连杆214的第一端可转动地相连接，第七连杆212的第一端与第六连杆214的第二端铰接，第八连杆211的第一端与第七连杆212的第二端铰接，第八连杆211的第二端与第五连杆213的第二端相铰接，第八连杆211的第二端与第一连杆41的第一端固连。这样设置使得第五连杆213在第一极限位置和第二极限位置之间运动，这样设置避免机械手臂的传动连杆组件或工作连杆组件位于死点位置，提高了机械手臂的安全性能。

如图1所示，第八连杆211的轴线与第一连杆41轴线具有角度地设置，第八连杆211的第一端与第一连杆41的第二端之间设置有加强梁。第八连杆211的轴线与第一连杆41轴线具有角度地设置，使得工作连杆组件40与第一连杆组件21和第二连杆组件22具有角度地设置，以便于工作连杆组件40横向大范围的作业，提高了机械手臂的作业范围。

在本实施例中，多个传动极限位置包括第三极限位置和第四极限位置，第二连杆组件22包括第九连杆221、第十连杆222、第十一连杆223，第十连杆222的第一端与第九连杆221的第一端相铰接，第十连杆222的第二端与第五连杆213的第二端相铰接，第十连杆222的第二端与第二连杆42的第一端相连接，第十一连杆223的第一端与第二驱动部相连接，第十一连杆223的第二端与第九连杆221的第二端相铰接，第二驱动部可驱动第十一连杆223沿顺时针方向转动预设角度后位于第三极限位置，或者，第二驱动部可驱动第十一连杆223沿逆时针方向转动预设角度后位于第四极限位置。这样设置使得第十一连杆223在第三极限位置和第四极限位置之间运动，这样设置避免机械手臂的传动连杆组件或工作连杆组件位于死点位置，提高了机械手臂的安全性能。

其中，多个联动极限位置包括第五极限位置和第六极限位置，当工作连杆组件40位于第五极限位置时，第一连杆41的第二端和第二连杆42的第二端之间的距离最大，当工作连杆组件40位于第六极限位置时，第一连杆41的第二端和第二连杆42的第二端之间的距离最小。

如图1和图2所示，工作部431在预设工作空间内移动的最远边际线包括依次首尾相连的第一圆弧、第二圆弧、第三圆弧、第四圆弧、第五圆弧和第六圆弧，第一圆弧的半径为r1，第二圆弧的半径为r2，第三圆弧的半径为r3，第四圆弧的半径为r4，第五圆弧的半径为r5，第六圆弧的半径为r6，第一圆弧的半径与第二连杆42的长度相等，和/或当第一驱动部驱动第五连杆213位于第二极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第五极限位置时，第五连杆213的第一端与第二连杆42的第二端之间的距离与第二圆弧的半径相等，和/或第三圆弧的半径与第五连杆213的长度相等，和/或r4＝r1，和/或当第一驱动部驱动第五连杆213位于第一极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第六极限位置时，第五连杆213的第一端和第二连杆42的第二端之间的距离与第五圆弧的半径相等，和/或r6＝r3。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械手臂的工作空间的确定方法，方法用于控制上述实施例的机械手臂，方法包括以下步骤：通过第一驱动部和第二驱动部驱动工作部431移动至多个极限工作位置；依次确定工作部431位于相邻两个极限工作位置时工作部431的几何中心点，在相邻两个几何中心点之间按预设曲率半径作圆弧以使各几何中心点之间的连线形成的区域形成工作部431的预设工作空间。

另外，还包括以下步骤：以第一极限工作位置处记为p1点，以第二极限工作位置处记为p2点，以第三极限工作位置处记为p3点，以第四极限工作位置处记为p4点，以第五极限工作位置处记为p5点，以第六极限工作位置处记为p6点；在p1点、p2点之间作第一圆弧，在p2点、p3点之间作第二圆弧，在p3点、p4点之间作第三圆弧，在p4点、p5点之间作第四圆弧，p5点、p6点之间作第五圆弧，在p6点、p1点之间作第六圆弧。

进一步地，第一圆弧的半径与第二连杆42的长度相等，当第一驱动部驱动第五连杆213位于第二极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第五极限位置时，第五连杆213的第一端与第二连杆42的第二端之间的距离与第二圆弧的半径相等，第三圆弧的半径与第五连杆213的长度相等，且r4＝r1。

在本实施例中，多个极限工作位置为：第一极限工作位置，当第二驱动部驱动第十一连杆223位于第四极限位置，第一驱动部驱动第五连杆213位于第二极限位置时，工作部431位于第一极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p1；第二极限工作位置，当第一驱动部驱动第五连杆213位于第二极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第五极限位置时，工作部431位于第二极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p2；第三极限工作位置，当第二驱动部驱动第十一连杆223位于第三极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第五极限位置时，工作部431位于第三极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p3；第四极限工作位置，当第二驱动部驱动第十一连杆223位于第三极限位置，第一驱动部驱动第五连杆213位于第一极限位置时，工作部431位于第四极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p4；第五极限工作位置，当第一驱动部驱动第五连杆213位于第一极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第六极限位置时，工作部431位于第五极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p5；第六极限工作位置，当第二驱动部驱动第十一连杆223位于第三极限位置，第二驱动部通过驱动第十一连杆223以使工作连杆组件40位于第六极限位置时，工作部431位于第六极限工作位置，此时工作部431的几何中心点的位置为p6。

在本实施例中，驱动部10驱动工作部431由p1位置运动到p2位置的轨迹为第一圆弧，第一圆弧的半径为r1，第一圆弧的半径与第二连杆42的长度相等；驱动部10驱动工作部431由p2位置运动到p3位置的轨迹为第二圆弧，第二圆弧的半径为r2，当工作部431位于第二极限工作位置时，第五连杆213的第一端与第二连杆42的第二端之间的距离与第二圆弧的半径相等；驱动部10驱动工作部431由p3位置运动到p4位置的轨迹为第三圆弧，第三圆弧的半径为r3，第三圆弧的半径与第五连杆213的长度相等；驱动部10驱动工作部431由p4位置运动到p5位置的轨迹为第四圆弧，第四圆弧的半径为r4，r4＝r1；驱动部10驱动工作部431由p5位置运动到p6位置的轨迹为第五圆弧，第五圆弧的半径为r5，当工作部431位于第五极限工作位置时，第五连杆213的第一端和第二连杆42的第二端之间的距离与第五圆弧的半径相等；驱动部10驱动工作部431由p6位置运动到p1位置的轨迹为第六圆弧，第六圆弧的半径为r6，r6＝r3；其中，第一圆弧、第二圆弧、第三圆弧、第四圆弧、第五圆弧、第六圆弧依次相连围设形成的区域为工作部431的预设工作空间。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。