机械手臂装置的制作方法

本实用新型涉及一种机械装置，尤其涉及一种机械手臂装置。

背景技术：

目前常见的机械手臂装置多为三轴的机械手臂或四轴SCARA机械手臂。然，随着各式电子装置的复杂度提升，常见的三轴机械手臂或四轴SCARA机械手臂已无法满足结构复杂或是组装复杂的电子装置的自动化需求。因此，对相关厂商而言，如何改善传统三轴机械手臂或四轴SCARA机械手臂存在诸多不善之处，例如活动范围狭小、机械手臂操作上灵活度限制、传动扭力之效益或机械手臂末端姿态等问题，乃为重大课题之一。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种机械手臂装置，用以解决传统机械手臂所存在的活动范围狭小、机械手臂操作上灵活度限制、传动扭力之效益或机械手臂末端姿态等问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种机械手臂装置，所述机械手臂装置包含：一主机构，所述主机构包含一第一活动单元、一第二活动单元及一第三活动单元，所述第一活动单元、所述第二活动单元及所述第三活动单元彼此相互连接，而所述主机构能使所述机械手臂装置具有三个自由度；所述第三活动单元具有一连接结构；其中，所述第一活动单元能以一纵向轴线为中心旋转，所述第二活动单元与所述第一活动单元相连接，且所述第二活动单元能相对于所述第一活动单元沿一纵向方向线性移动；所述第三活动单元连接于所述第二活动单元，且所述第三活动单元能相对于所述第二活动单元以一另一纵向轴线为中心旋转；以及一延伸机构，所述主机构及所述延伸机构彼此相连接，而所述主机构及所述延伸机构能使所述机械手臂装置具有N+3个自由度，N为不小于3的正整数，所述延伸机构包含：N个延伸活动单元，所述N个延伸活动单元彼此相连接，且所述N个延伸活动单元彼此间能相对旋转或线性移动；所述N个延伸活动单元中的一个延伸活动单元定义为一连接组件，所述连接组件与所述连接结构相互连接，而所述延伸机构能相对于所述主机构旋转或线性移动，且所述延伸机构能随所述主机构旋转或线性移动。

进一步地，所述连接组件可拆卸地与所述连接结构相互固定。

进一步地，所述连接组件包含有一连接本体、一驱动件及一连动件，所述连接本体具有一固接结构，所述连接组件能通过所述固接结构与所述连接结构相互配合而与所述第三活动单元可拆卸地相互固定，所述驱动件设置于所述连接本体，且所述驱动件能驱动所述连动件动作，所述连动件的部分外露于所述连接本体，而所述连动件用以连动其余的所述N个延伸活动单元。

进一步地，所述第三活动单元包含有一活动本体，所述活动本体的一端具有所述连接结构，且所述活动本体的所述端内凹形成有一容置槽，外露于所述连接本体的所述驱动件能对应容置于所述容置槽中。

进一步地，所述连接组件能以一横向轴线为中心而旋转。

为了实现上述目的，本实用新型提供另一种机械手臂装置，所述机械手臂装置包含：一主机构，所述主机构包含一第一活动单元、一第二活动单元及一第三活动单元，所述第一活动单元、所述第二活动单元及所述第三活动单元彼此相互连接，而所述主机构能使所述机械手臂装置具有三个自由度；所述第三活动单元具有一连接结构；其中，所述第一活动单元能以一第一纵向轴线为中心旋转，所述第二活动单元与所述第一活动单元相连接，且所述第二活动单元能相对于所述第一活动单元沿一纵向方向线性移动；以及一延伸机构，与所述主机构相连接，从而使所述机械手臂装置具有四个自由度，所述延伸机构包含：一延伸活动单元，其与所述连接结构相互连接，而所述延伸机构能相对于所述主机构旋转或线性移动，且所述延伸机构能随所述主机构旋转或线性移动。

进一步地，所述延伸活动单元包含有一连接本体、一驱动件及一连动件，所述连接本体具有一固接结构，所述延伸活动单元能通过所述固接结构与所述连接结构相互配合而与所述第三活动单元可拆卸地相互固定，所述驱动件设置于所述连接本体，且所述驱动件能驱动所述连动件动作，所述连动件的部分外露于所述连接本体，而所述连动件用于连动一外部构件。

进一步地，所述第三活动单元包含有一活动本体，所述活动本体的一端具有所述连接结构，且所述活动本体的所述端内凹形成有一容置槽，外露于所述连接本体的所述驱动件能对应容置于所述容置槽中。

进一步地，所述第三活动单元与所述第二活动单元相连接，所述第三活动单元能相对于所述第二活动单元以一第二纵向轴线为中心旋转；所述连动件能相对于所述第三活动单元以另一纵向轴线为中心旋转。

进一步地，所述延伸机构还包含有一辅助连接件，所述辅助连接件的两端分别与所述连接结构及所述延伸活动单元相连接。

本实用新型的有益效果可以在于：通过延伸机构的设置，可有效增加机械手臂装置的整体活动范围，从而可解决传统机械手臂存在的活动范围狭小、机械手臂操作上灵活度限制、传动扭力之效益或机械手臂末端姿态等问题。

附图说明

图1为现有技术六轴机械手臂的示意图。

图2为本实用新型的机械手臂装置的第一实施例的示意图。

图3为本实用新型的机械手臂装置的第一实施例的分解示意图。

图4为本实用新型的机械手臂装置的第二实施例的分解示意图。

图5为本实用新型的机械手臂装置的第二实施例的示意图。

具体实施方式

第一实施例

请一并参阅图2及图3，其为本实用新型的机械手臂装置的第一实施例的分解及组装示意图。如图所示，机械手臂装置1包含有一主机构10及一延伸机构20。主机构10具有三个自由度，延伸机构20设置于主机构10，而延伸机构20组装于主机构10后，能据以增加整体机械手臂装置1的自由度。

进一步来说，主机构10包含有一固定座11、一第一活动单元12、一第二活动单元13及一第三活动单元14。固定座11用以固定于环境地面。第一活动单元12可旋转地设置于固定座11；第二活动单元13可线性移动地与第一活动单元12相互连接，且第二活动单元13能随第一活动单元12相对于固定座11旋转；第三活动单元14可旋转地与第二活动单元13相连接，且第三活动单元14能随第二活动单元13相对于第一活动单元12线性移动，第三活动单元14也可随第一活动单元12相对于固定座11旋转。如此，第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14能使机械手臂装置1具有三个自由度；当然，在实际应用中，第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14彼此间的相对活动关系、相对于固定座11的活动关系，可以是依据需求加以变化，于此不加以限制；另外，第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14的外型可以依据需求加以变化，并且也不局限于图中所示。

在另一实施例中，第一活动单元12也可以是可线性移动地设置于固定座11；第二活动单元13也可以是可旋转地与第一活动单元12相互连接，且第二活动单元13能随第一活动单元12相对于固定座11线性移动；第三活动单元14也可以是可线性移动地与第二活动单元13相连接，且第三活动单元14能随第二活动单元13相对于第一活动单元12旋转，且第三活动单元14能随第一活动单元12相对于固定座11线性移动。

特别说明的是，第三活动单元14远离与第二活动单元13相连接的一端(即第三活动单元14的末端)，是具有一连接结构15，该连接结构15用以可拆卸地与延伸机构20相互连接。所述连接结构15可以是依据实际机械手臂装置1的载重需求，而对应为不同的结构或是组件；举例来说，在相对较轻的载重需求下，连接结构15可以是由第三活动单元14末端凸伸而出的结构，而连接结构15上可以是包含有多个锁孔151，因此延伸机构20相对应的结构能通过多个锁固件(图未示，例如螺丝)与连接结构15相互固定，从而延伸机构20与第三活动单元14能相互固定；在载重需求相对重的情况下，所述连接结构15与延伸机构20彼此间也可以是设计有能相互卡合的结构，而连接结构15与延伸机构20则可同时通过卡合结构的卡固及锁固件(图未示，例如螺丝)的锁固，来达到相互固定的效果。当然，所述连接结构15不局限任何形式，任何可使第三活动单元14与延伸机构20稳固地相互固定且可方便拆装的结构，皆为连接结构15的应用态样。

延伸机构20包含有三个延伸活动单元21、21’、21”，其中一个该延伸活动单元定义为一连接组件21；其余两个延伸活动单元21’、21”彼此相互连接，且两个延伸活动单元21’、21”能彼此相对地旋转或线性移动，其中一个延伸活动单元21’与连接组件21相互连接，而两个延伸活动单元21’、21”也可相对于连接组件21旋转或线性移动。于本实施例图式中，是以两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”，分别为能彼此相对旋转的结构为例，但不以此为限，在其他的应用中，两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”彼此间的活动关系及与连接组件21的活动关系，是可依据需求加以变化。

作为连接组件21的延伸活动单元21，可拆卸地与连接结构15相互固定，且连接组件21能相对于第三活动单元14旋转(或线性活动)，连接组件21也能随第三活动单元14、第二活动单元13、第一活动单元12的至少一个旋转或线性活动。如此，在延伸机构20与主机构10相互连接后，机械手臂装置1的自由度，则可由三个自由度增加至六个自由度，即机械手臂装置1即可变成六轴机械手臂。

在具体的应用中，连接组件21可以是包含有一连接本体211、一驱动件212及一连动件213。连接本体211可以是中空壳体(或是部分为中空)，且连接本体211的一端是具有一固接结构2111(如图4所示)，该固接结构2111用以可拆卸地与连接结构15相互固定，所述固接结构2111是与连接结构15彼此相对应的设计；举例来说，固接结构2111可以是直接形成于连接本体211的多个锁孔，而连接组件21与第三活动单元14则可以通过多个锁固件(图未示，例如螺丝)、连接组件21的多个锁孔(固接结构2111)与第三活动单元14的锁孔(连接结构15)的相互配合，而彼此相互锁固。在其他的应用中，固接结构2111也可以是由连接本体211的一端向外凸伸形成的结构，而与连接结构15具有相对应的外型。在实际应用中，为了使固接结构2111能与连接结构15快速且方便地进行固定，固接结构2111及连接结构15可以是分别具有多个定位部(例如是凸、凹结构、导引柱等)，于此不加以限制。

连接组件21的驱动件212(例如马达)设置于连接本体211，且驱动件212能驱动连动件213(例如是从动轮)旋转，连动件213的部分可以是外露于连接本体211，而连动件213用以连动一外部构件(可依据需求加以选择，例如可以是夹具)。在较佳的应用中，第三活动单元14可以是包含有一活动本体141，活动本体141的一端具有连接结构15，且活动本体141具有连接结构15的该端，内凹形成有一容置槽14a；连接组件21的驱动件212可以是外露于连接本体211；当连接组件21与第三活动单元14相互固定时，外露于连接本体211的驱动件212则可对应设置于容置槽14a中，如此可有效地缩减整体机械手臂装置1的体积。

值得一提的是，连接组件21可以是包含有一电连接组件(图未示，例如电源线、传输线等)，其电性连接驱动件212及其余延伸活动单元21’、21”的驱动件(图未示，例如马达)，而该电连接组件能与第三活动单元14内的相关电连接组件(图未示，例如电源线、传输线等)相连接，从而使延伸机构20能与主机构10相互电性连接。换言之，在具体实施中，第三活动单元14的末端可以是具有能与连接组件21电性连接的相关构件(例如各式电连接线的接头)，而使相关人员仅需将连接组件21的电连接组件21与第三活动单元14末端预留的相关电连接构件相互连接，并将固接结构2111与连接结构15相互固定后，即可快速地将具有三个自由度的主机构10转换为具有六个自由度的机械手臂装置1。当然，在其他的应用中，第三活动单元14也可以是不具有相对应的电连接构件，而延伸机构20的电连接组件可以是通过有线或无线的方式，与主机构10的相关控制机构电性连接。

在实际应用中，非连接组件21的两个延伸活动单元21’、21”可以是通过一转接组件22，与作为连接组件21的延伸活动单元相连接；也即，两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”是可拆卸地与作为连接组件21的延伸活动单元相互连接。如此，相关生产厂商可依据需求，而选择性地于作为连接组件21的延伸活动单元，设置其余的延伸活动单元21’(21”)，而使延伸机构20由具有单一个自由度的机械手臂变换为具有两(三)个自由度的机械手臂，从而使生产厂商能更灵活地依据客户对于不同自由度的需求，而快速地进行生产组装。关于两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”与作为连接组件21的延伸活动单元，彼此间可拆卸地连接的相关结构，于此不加以限制，例如可以是通过多个锁固件相互锁固等。当然，非连接组件21的两个延伸活动单元21’、21”同样可以是通过前述相关的电连接组件，与作为连接组件21的延伸活动单元电性连接，而通过作为连接组件21的延伸活动单元与主机构10电性连接，或者两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”可以是独自地通过有线或是无线的方式，与主机构10电性连接。

在较佳的应用中，第一活动单元12设置于固定座11，且第一活动单元12能相对于固定座11以一第一纵向轴线V1为中心进行旋转。第二活动单元13与第一活动单元12相连接，第二活动单元13能沿一纵向方向F线性移动；举例来说，第二活动单元13可以是通过线性滑轨机构而可受控制地沿所述纵向方向F线性移动。第三活动单元14与第二活动单元13相连接，且第三活动单元14能以一第二纵向轴线V2为中心进行旋转。其中，第一纵向轴线V1、纵向方向F及第二纵向轴线V2彼此相互平行。延伸机构20的连接组件21与第三活动单元14相连接；延伸机构20的另一延伸活动单元21’与连接组件21相连接，且该延伸活动单元21’能利用连接组件21所包含的机构，而相对于连接组件21以第一横向轴线H1为中心旋转；另一延伸活动单元21”则能利用延伸活动单元21’所包含的机构，而相对于延伸活动单元21’以第二横向轴线H2为中心旋转；与延伸活动单元21”末端相连接的外部构件，则能利用延伸活动单元21”所包含的机构，而相对于延伸活动单元21”以一第三纵向轴线V3为中心进行旋转。其中，第一横向轴线H1及第二横向轴线H2可以是平行于第一纵向轴线V1，第三纵向轴线V3可以是平行于第一纵向轴线V1。

通过上述第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14彼此间的连接及活动方式，可以有效地降低主机构10在垂直方向的负载扭矩，而使得第三活动单元14及延伸机构20可以采用相对较轻的结构及相对较小的马力，达到相对较大的负载能力，进而可有效降低整体机械手臂装置1的制作成本。

请一并参阅图1(现有技术的六轴机械手臂)及图2。如图2所示，本实用新型的机械手臂装置1，通过第三活动单元14能相对于第二活动单元13以第二纵向轴线V2为中心旋转的设置方式，可限制第三活动单元14仅能以Z轴为中心进行旋转，因此，可使第三活动单元14末端所承载之重量(垂直向负Z轴方向的力)，相对于第二纵向轴线V2所产生的力矩T1，被第二活动单元13与第三活动单元14相连接的结构抵销，从而，可有效地降低驱动第三活动单元14相对于第二活动单元13活动的驱动件所需的输出扭力。如此，将可以以输出扭力相对较低的驱动件来驱动第三活动单元14。

一般来说，机械手臂装置成本最高的构件为驱动件及减速机，而驱动件的价格则大致与输出扭力成正比，因此，通过上述第二活动单元13与第三活动单元14彼此间的设置方式，将可有效地降低相关驱动件的成本，从而可降低整体机械手臂装置1的成本。另外，第二活动单元13的驱动件是驱动第三活动单元14以第二纵向轴线V2旋转，而该力矩T1的方向是以正Y轴为中心逆时针旋转，因此，该力矩T1的方向与该驱动件的旋转方向(以Z轴为中心顺时针或逆时针旋转)不同，而不会直接影响该驱动件。

相似地，由于第二活动单元13是相对于第一活动单元12线性活动，因此，第三活动单元14末端所承载之重量(垂直向负Z轴方向的力)，相对于第一纵向轴线V1所产生的力矩T2，将可通过强化线性滑轨的强度来抵销，而驱动第二活动单元13相对于第一活动单元12移动的驱动件，则不易受该力矩T2影响。

如图1所示，反观现有技术的六轴机械手臂，其第三活动单元13’是相对于第二活动单元12’以一横向轴线AX1为中心进行旋转，而第三活动单元13’所承载的重量，相对于该横向轴线AX1所产生的力矩T1’，将与驱动第三活动单元13’(以该横向轴线AX1为中心)旋转的驱动件所产出的力矩相同或相反方向，如此将造成该驱动件旋转上的负担，而将抵销或增强该驱动件所产生的输出力矩，为此必需额外进行相关设计，以抵抗该力矩T1’，举例来说增加马达的输出力矩或是增加减速机的设置，无论何种设计皆将大幅增加整体生产的成本(机械手臂成本最高的构件即为减速机及马达)。相同地，现有技术的第二活动单元12’是相对于第一活动单元11’以另一横向轴线AX2为中心进行旋转，而第三活动单元13’所承载的重量，相对于该横向轴线AX2所产生的力矩T2’，将与驱动第二活动单元12’相对于第一活动单元11’以该横向轴线AX2为中心旋转的驱动件的输出力矩的方向相同或是相反，从而造成该驱动件的负担，进而导致成本增加。

是以，本实用新型的机械手臂装置1系利用第二活动单元13相对于第一活动单元12沿一纵向轴线线性活动，且使第三活动单元14相对于第二活动单元13以另一纵向轴线为中心旋转，如此，本实用新型的机械手臂装置1可以使用输出扭力相对较低的驱动件，从而可大幅降低整体机械手臂装置的成本。

第二实施例

请一并参阅图4及图5，有别于前述实施例，在其他的应用中，延伸机构20也可以是仅包含有单一个延伸活动单元21(即为前述连接组件)，而延伸机构20组装于主机构10后，机械手臂装置1则可由三个自由度转换为四个自由度。关于连接组件21、主机构10的第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14的设置方式，皆与前述实施例相同，于此不再赘述。

于较佳的应用中，延伸机构20还包含有一辅助连接件23，其两端分别具有一辅助连接结构231、231’，而辅助连接件23可以通过辅助连接结构231与连接结构15相连接，且辅助连接件23可以通过辅助连接结构231’与连接组件21相连接。其中，辅助连接件23的两端不位于同一平面，因此，连接组件21通过辅助连接件23与第三活动单元14相连接后，可以对应改变连接组件21相关构件的活动方向。具体来说，如图2所示，作为连接组件21的延伸活动单元21直接与第三活动单元14相互固定后，连接组件21将会以横向轴线(图2所标示的H1)为中心进行旋转；相对地，如图5所示，相同的连接组件21通过辅助连接件23与第三活动单元14相连接后，连接组件21则转变为以一纵向轴线V4为中心旋转。

较佳地，连接组件21的连动件213是以纵向轴线V4为中心进行旋转，其中该纵向轴线V4可以是平行第一纵向轴线V1及第二纵向轴线V2(如图2所示)；因此，配合前述实施例所载的第一活动单元12、第二活动单元13及第三活动单元14彼此间的连接及活动方式，可以有效地降低主机构10在垂直方向的负载扭矩，而使得第三活动单元14及延伸机构20可以采用相对较轻的结构及相对较小的马力，达到相对较大的负载能力，进而可有效降低整体机械手臂装置1的制作成本。

请一并参阅图2及图4，在较佳的应用中，延伸机构20是可拆卸地与主机构10相互连接，因此，相关应用厂商或是生产厂商可以是依据不同的需求，通过更换具有不同个数的延伸活动单元21、21’、21”的延伸机构20，而对应改变机械手臂装置1的自由度。也就是说，相关使用者可以是将图2(图4)所示的机械手臂装置1的延伸机构20由主机构10上拆卸下来，而更换上图4(图2)所示的具有单一个(三个)延伸活动单元21(21、21’、21”)的延伸机构20，从而将图2(图4)所示的具有六个(四个)自由度的机械手臂装置1，转换为具有四个(六个)自由度的机械手臂装置1。也即，对于应用厂商而言，可以是将现有技术的四(六)轴机械手臂装置，通过延伸机构20的拆装，而转换为六(四)轴的机械手臂装置。另外，对于生产厂商而言，无论是四轴机械手臂装置或是六轴装置，其皆是共享相同的主机构10，因此，在整体生产作业中，可更有效地进行相关管控，从而可有效地降低生产成本。简而言之，相关生产厂商可以是依据需求，将具有三个自由度的主机构10，通过组装具有N个延伸活动单元的延伸机构20，而对应使机械手臂装置1整体具有N+3的自由度(N为正整数)。

进一步地，延伸机构20配合可拆卸地两个非连接组件21的延伸活动单元21’、21”的设计，相关生产厂商可以更有弹性地依据客户，对于不同的自由度的需求，而快速地进行相关生产。也就是说，延伸机构20中非作为连接组件21的延伸活动单元21’、21”，也可以是可拆卸地与连接组件21相连接，而如此延伸机构20也可依据需求快速地进行延伸机构20的延伸活动单元的数量改变。也就是说，通过改变连接组件21所连接的延伸活动单元的个数，也可使具有三个自由度的机械手臂装置1，转换为具有五个或七个自由度的机械手臂装置1。