CN101992467A - 尤其用于机器人的多轴关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于机器人的多轴关节(1)。所述多轴关节具有远端关节段(2)和近端关节段(4)，通过至少一个转动的旋转关节(26)和至少一个与该旋转关节(26)串联的转动的摆动关节(13)以能够彼此相对旋转和摆动的方式将这些关节段相连，所述旋转关节(26)具有旋转轴线(P)，所述摆动关节(13)具有垂直于旋转轴线的摆动轴线(R)。采用这种多轴关节可以实现两个自由度。为了实现紧凑的结构，将旋转关节(26)和摆动关节(13)套叠成为一个结构单元。尤其可通过牵引装置来操纵多轴关节(1)，以便对动物或人的关节运动进行模拟。可以选用一种叉形(28)结构来吸收较大的作用力。

Description

尤其用于机器人的多轴关节

技术领域

本发明涉及一种尤其用于机器人的多轴关节，该多轴关节具有远端关节段和近端关节段，通过至少一个转动的旋转关节和至少一个与该旋转关节串联的转动的摆动关节使这些关节段以能够彼此相对旋转和摆动的方式相连接，所述旋转关节具有旋转轴线，并且所述摆动关节具有垂直于该旋转轴线延伸的摆动轴线。

背景技术

这种多轴关节使得可自由活动的远端关节段能够在两个自由度上相对于与该远端关节端相对固定的近端关节段进行运动。这两个关节段可用于固定多轴关节，和/或用于安装其它部件，也可用于安装其它多轴关节。可以将这些关节段设计成销轴形状，或者设计成轴套或凹腔形式，并且允许进行形状配合连接或摩擦配合连接。

旋转关节和摆动关节均为单独的可转动的关节，均可允许围绕相关的轴线、旋转轴线和摆动轴线作纯粹的旋转运动。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种尽可能紧凑的多轴关节。

通过使旋转关节和摆动关节套叠成为一个结构单元，就能使以上所述的多轴关节具有简单的结构，从而解决本发明的这一任务。

通过使摆动关节和旋转关节套叠，即可产生其中一个(旋转或摆动)关节至少部分地包围另一个(摆动或旋转)关节的紧凑的结构单元。

还可以通过以下可以任意组合的附加特征进一步改进这种紧凑的结构形式。

为了能够利用本发明所述的多轴关节来模仿例如手肘关节的运动，摆动轴线以垂直于远端关节段与近端关节段之间的连线的方式延伸，并且旋转轴线朝远端关节段的方向延伸。摆动轴线因此导致远端关节段相对于近端关节段的弯曲和伸展，而旋转关节导致远端关节段相对于近端关节段的旋转或旋后与旋前。就这种设计方案而言，远端关节段尤其可以作为多点支承轴，尤其可作为空心轴。

在另一种有益的设计方案中，摆动关节可以包括叉形段，该叉形段具有至少两个用于围绕摆动轴线支承旋转轴承的支承元件，以便吸收远端关节段在旋转过程中出现的扭力。为此，这些支承元件尤其可以在摆动轴承的摆动轴线的方向上彼此相隔一定的距离。可转动的旋转关节在这两个支承元件之间延伸。就这种设计方案而言，旋转关节被移动到摆动关节的支承元件之间。

如果将多轴关节用作主动的动态操作的关节以例如使荷载运动，则优选使用摩擦较小的轴承，例如滚动轴承或滑动轴承。

如果被动地使用多轴关节，即从外侧使多轴关节进入所希望的位置，然后保持静止，则也可以使用摩擦系数较大的轴承。对于被动使用而言，作为替代或补充方案，也可以将止动装置整合在多轴关节之中，可通过这些止动装置固定摆动关节和/或旋转关节。这些止动装置可以包括制动器或者锁止装置以及张紧和夹紧元件。

按照另一种有益的设计方案，将摆动轴承的至少一个支承元件设计成至少局部包围旋转轴承的环形轴承，就能使所追求的结构形式进一步减小。就这种设计方案而言，可以将旋转轴承基本上安装在摆动轴承内部。环形轴承的直径至少近似等于旋转轴承在环形轴承区域内的直径。

如果环形轴承的尺寸足够大，则由于单位面积压力比较小而可以用塑料来制成环形轴承，而不会影响载荷能力。在另一种设计方案中，旋转关节可以穿过由环形轴承定义的平面，从而实现特别紧凑的结构。

使用较大且相应稳定的环形轴承，尤其当环形轴承与叉形的摆动关节组合使用时，并且当环形轴承在摆动轴线方向上从两侧围住旋转关节时，就可以赋予多轴关节很高的强度。例如家具脚轮领域所采用的就是这种叉状的环形轴承，尽管用来制造环形轴承元件的是成本低廉的塑料，但也能实现很高的荷载能力。

可以将多轴关节大致设计成球形，多轴关节例如可以包括优选空心球形的外壳，该外壳至少呈壳形或胶囊形地围住旋转关节。这种形式的外壳能够赋予多轴关节额外的强度，因为这可以起到薄壳支承结构的作用。球形能够在外壳之内形成有利于强度的应力分布，因此即使壁厚很小，也能吸收很大的作用力。此外还可以通过外壳防止被围住的旋转关节弄脏。

无论外壳的形状如何，该外壳均可以是远端或者近端旋转关节段的一部分。在第一种情况下，壳形外壳相对于近端关节段以能够围绕摆动轴线旋转的方式支承于摆动关节的支承元件之中。在后一种情况下，外壳相对于近端关节段固定，且在外壳中必须设置至少一个凹槽以供远端关节段作摆动运动，或者将摆动关节容纳在旋转关节之中。

如果旋转关节的旋转轴线与摆动关节的摆动轴线相交，则有利于执行精确的运动控制，而无需补偿运动。利用这一措施可保证旋转轴线始终相对于摆动轴线沿径向延伸。

如果能够通过可从关节之外操纵的牵引装置来驱动旋转关节和/或摆动关节，则特别有助于将本发明所述的多轴关节应用于机器人之中。所述牵引装置以及作用于牵引装置的执行器也可以是本发明所述多轴关节的一部分，或者是具有至少一个这种多轴关节的关节装置的一部分。这种牵引装置包括例如绳索、拉索、皮带、齿形皮带和/或者链条。使用牵引装置可以仿照人或动物关节来操纵多轴关节，其中牵引装置能起到靠背的作用。如果牵引装置不能传递压力，则应当给每一个关节分别设置两个相互作用的牵引装置，以便朝向两个旋转方向驱动关节。与这两个牵引装置相连的执行器相当于生物肌肉关节系统的主动肌和拮抗肌。当然也可以用一种弹性元件来替代其中一个牵引装置，余下的牵引装置则起到与弹性元件相反的作用，并且该弹性元件使不受力的关节自动返回到静止位置之中。

利用推杆或扭力元件传递作用力的机构必须设计得比较坚实，而如果使用机械牵引装置来传递执行器产生的驱动力和调整力，则可以显著减轻重量，同时也能明显有利于质量分布。由于牵引装置能够传递非常大的力，但其长度却对重量没有多大影响，因此可以将执行器布置在距离关节较远的地方。这样就给多轴关节的应用留下了较大的设计自由度，并且可以将远端活动结构区域内的运动质量保持在很小程度。而这又会形成非常好的质量功率比，该质量功率比也能实现加速度很高的快速运动。同时由于运动质量很小，因此同时也有利于减小碰撞情况下的伤害风险和毁坏风险。

此外，可以相对简单地使牵引装置和/或者执行器具有弹性特性，或者通过弹性夹紧元件将其固定，从而实现良好的抗冲击能力。就这种设计方案而言，也能实现特别柔和、流畅的运动过程，足以媲美自然肌体的运动。

为了能够使用牵引装置，旋转关节和/或摆动关节可以尤其具有至少一个传动元件，该传动元件具有至少一个用于牵引装置的固定件。例如可以将传动元件设计成凸轮或圆盘形的旋转关节段和/或摆动关节段。固定件的作用是建立被牵引装置牵动的相应关节部分与牵引装置的力传递路径，从而将驱动力从牵引装置传递到传动元件以及远端关节段。可以将固定件设计为用于相应牵引装置的末端的固定装置，或者设计为由牵引装置包绕的导向段。为了使旋转关节的传动元件在较长的摆动运动过程中仅作略微运动，有利地将该传动元件布置成至少靠近摆动轴线，在摆动轴线与旋转轴线相交的情况下将该传动元件布置成至少靠近交点。

如果将传动元件设计成凸轮形，那么牵引装置将动力传递到关节之中时所在的半径就会随相应关节的运动而变化。这样就能根据随相应关节的当前位置而预先确定的凸轮形状来改变动力或运动速度。

而如果将传动元件设计成圆盘形，则半径在所有运动阶段均保持不变。传动元件可以具有可供牵引装置在运动过程中接触或缠绕的支承区域。

通过对牵引装置包绕传动元件的支承区域进行相应的设计，即可获得凸轮形状或圆盘形状。如果要利用两个互为反作用的牵引装置产生大于360°的运动，则还可利用支承区域来缠绕牵引装置。退绕一整圈即可在相应的关节中产生360°的运动。如果缠绕多圈，就能使关节转动多圈。

如果将牵引装置围绕传动元件循环缠绕，则可以使用简单的旋转传动装置作为执行器，如前所述，该旋转传动装置可被安装在多轴关节之外的任意位置上并且通过滚轮来驱动牵引装置。

使用牵引装置还可以实现简单的手动遥控。例如操作人员可以像操纵木偶一样使得牵引装置运动，这是通过牵引装置与操作人员的手臂相连接并且将手臂运动转变成多轴关节的运动的方式达成的。

在另一种设计方案中，旋转关节的传动元件与远端关节段连接成整体并且例如作为远端关节段的旋转轴的组成部分。

可以从多轴关节之外将相应的牵引装置引向相应的旋转关节和/或摆动关节，并且因此使牵引装置穿过可能存在的外壳。替换地，也可以在多轴关节之内，例如通过空心的近端和/或远端关节段来将牵引装置引向相应的旋转关节和/或摆动关节。在这两种情况下，可以将标准化的固定装置和/或连接器整合在多轴关节之中，以便能够以简单的模块化方式使多轴关节与牵引装置相连接。

还可以将能够与牵引装置相连接的标准化连接器安装在多轴关节的外侧上。连接器可以与多轴关节内部较短的牵引装置相连接，这些较短的牵引装置将安装于外部的牵引装置的驱动力传递到多轴关节内部。

如果将多个多轴关节前后串联，则所产生的关节装置的自由度数量就会相应提高。为此可以将第一多轴关节段的远端关节段与下一个多轴关节的远端关节段固定相连，其中有利地将下一个多轴关节的牵引装置穿过第一多轴关节。这样就能在多轴关节的运动过程中避免物体钩挂在外侧的牵引装置上。

为了能够引导牵引装置穿过多轴关节，可以通过至少一个两端敞口的连贯通道将近端关节段与远端关节段相互连接。牵引装置可以通过该通道穿过多轴关节。当然也可以为每一个牵引装置设置自己的、优选至少局部呈柔性的、引导该牵引装置的管状通道。。

还可以进一步改进这种设计方案，即在第一多轴关节之中将相互作用的牵引装置或者下一个后续多轴关节的循环牵引装置的前行段与回程段扭绞至少大约180°。当第一多轴关节运动时，可通过这种扭绞方式消除两个牵引装置相互间不同的运动，从而使得第一多轴关节内的运动不会作用于内部的牵引装置。也可以通过多轴关节中相应的经扭绞的通道路径来形成扭绞。

上述任一种实施方式中所描述的多轴关节均可以作为机器人装配组件的基本元件，所述装配组件具有若干相互协调的结构元件，可以通过标准化机械接口简单地将这些结构元件相互连接成人造肢体。装配组件的结构元件尤其可以包括连接元件、牵引装置和/或执行器元件。

附图说明

以下将根据多种实施方式，对本发明进行描述。可以根据以上描述，将各个实施例的不同特征任意相互组合，具体应根据某一种组合所带来的优点而定。

相关附图如下：

附图1本发明所述多轴关节的一种实施方式在不同摆动位置中的侧视图；

附图2一种示例性关节装置的示意性立体图，该关节装置具有本发明所述多轴关节的两种前后串联的实施方式；

附图3本发明所述多轴关节的另一种实施方式的示意性立体图，朝向关节内侧观察，省去了各个结构元件；

附图4附图3所示实施方式的另一个示意性立体图，朝向关节内部观察，省去了各个结构元件；

附图5沿附图1的剖切面V-V剖开的剖面示意图；

附图6朝向附图1的观察方向VI观察到的正视图；

附图7沿附图6的剖切面VII-VII剖开的本发明所述多轴关节的一种实施方式的其它结构元件的分解图；

附图8沿附图6的剖切面VIII-VIII剖开的剖面示意图；

附图9本发明所述多轴关节的另一种实施方式在伸展状态下穿过中心平面剖开的剖面示意图；

附图10附图10所示实施方式的一种变型沿中心平面剖开的剖面示意图；

附图11～13本发明所述多轴关节的其它实施方式的示意性立体图；

附图14本发明所述多轴关节的一种应用的示意图。

具体实施方式

在以下描述中将以相同的附图标记来表示功能相同的结构元件，以对相关附图进行解释。

首先参考附图1来对本发明所述多轴关节1的基本结构和功能进行解样。

多轴关节1具有近端关节段2和远端关节段4。近端关节段2和远端关节段4能够以两个自由度相对运动。其中一个自由度是远端关节段4围绕其自身轴线的旋转运动D，该轴线同时也是旋转运动的旋转轴线P。另一个自由度是近端关节段2围绕摆动轴线R的摆动运动S，该摆动轴线R优选垂直于旋转轴线P，或者垂直于远端关节段4与近端关节段2的连线V。

附图1所示为远端关节4的不同摆动位置S1、S2...S7与连接元件6的示意图。当然远端关节段4可以占据附图所示摆动位置S1...S7之间的任意一个中间位置。

近端关节段2和远端关节段4可以呈套筒或轴套形状，尤其可具有用于轴线或轴的形状配合的固定座，或者近端关节段2和远端关节段4可被设计为销轴形状的实心轴。在附图1所示的设计方案中，近端和远端关节段2、4均为具有花键且向外突出的空心轴。如图所示，将一个两端有花键的轴形式的连接元件6插入到近端关节段2之中。

附图1中所示的近端关节段2具有一个底座元件8，在该底座元件8中可以安装未示出的旋转轴承，从而使得整个多轴关节1可以围绕轴线A旋转。

如附图1所示，旋转轴线P和摆动轴线R可以相交于O点，从而使得此处示例性地为空心销轴形的远端关节段独立于摆动位置S1...S7始终沿径向背离摆动轴线R。

本发明所述多轴关节1的特征在于具有紧凑的结构，如以下将参考附图2和3对此进行解释的那样，通过至少部分地套叠旋转关节和摆动关节的方式来使它们整合成一个结构单元。由旋转关节和摆动关节构成的结构单元被布置在近端和远端关节段2、4之间并且形成如附图1所示的闭合关节段9。

多轴关节1在关节段9的区域内具有一个基本上呈胶囊形的外壳10，至少将旋转运动D所需的旋转关节容纳于外壳10中。外壳10可以大致呈球形，并且可以通过至少一个支承元件11以能够摆动的方式与近端关节段2相连接。为此在外壳10与近端关节段2之间连接至少一个支承元件11。如附图1所示，作为此类支承元件11的是环形轴承12，可以通过其中心开口14进入外壳10。在环形轴承12的环形区域中安装有滚动轴承或滑动轴承。环形轴承12的直径可以大致等于外壳10的外径，从而可以吸收较大的力。环形轴承12优选在外侧安装在外壳上。如附图1所示的实施方式，环形轴承12与可以摆动的外壳10共同构成摆动关节13。

连接元件6和底座8并非一定是多轴关节的组成部分，而是主要是模块化系统的一部分，构成其基本组成部分的就是多轴关节1。为了能够将模块化系统的结构元件与近端关节段2和/或远端关节段4任意相连，两个关节段2、4具有相同的连接件。模块化系统尤其允许将多个多轴关节1、1′串联成一个关节装置15，如附图2所示，在此情况下，多轴关节1的远端关节段4与另一个多轴关节1′的近端关节段2′相连接。采用这种组合可得到具有四个自由度的紧凑型多轴关节。如果将近端关节段4围绕底座8的旋转运动包括在内，则甚至就会产生五个自由度。那么，可利用远端关节段4使另一个多轴关节1′沿着摆动运动方向S和旋转运动方向D运动。通过另一个多轴关节1′还可使远端关节段4′作另一摆动运动S′，以及使远端关节段4′围绕其自身的轴线作另一旋转运动D′。

本发明所述多轴关节适宜应用于、但并非仅可应用于模仿肘关节功能的机器人。紧凑的结构优选是通过如下方式达成的：使用牵引装置来驱动多轴关节，以便能将执行器布置在远离多轴关节的地方。

根据附图3和附图4对本发明所述通过牵引装置驱动的多轴关节1的结构进行示例性的解释。为了能够看见多轴关节1的内部，在附图3和附图4中没有绘出多轴关节1的部件，例如外壳10。

首先参考附图3对远端关节段4朝向某一方向作旋转运动D的传动装置进行描述。远端关节段4以不可转动的方式与凸轮形或者圆盘形的传动元件16相连接，该传动元件16在实心轴或者空心轴形式的远端关节段4的情况下也可以直接由轴的一段支承区域构成。

传动元件16具有固定件18，上面固定有例如钢丝绳之类的牵引装置20。如附图3所示，牵引装置20可以是位于多轴关节1之外的拉索22的一部分。替换地，也可以将拉索安装在多轴关节内部。

传动元件16还具有支承区域24，可在旋转运动D过程中沿着该支承区域缠绕、引导牵引装置20。在本设计方案中，传动元件是容纳于多轴关节1之中可以围绕摆动轴线R摆动的旋转关节26的一部分。

通过牵引力Z_D产生旋转运动D，该牵引力作用于牵引装置20上，然后通过沿着支承区域24固定在传动元件16的圆周上以及固定件18上的牵引装置20，以扭矩形式将牵引力传递给远端关节段4。通过牵引装置20上的牵引力Z_D，牵引装置20就会在传动元件16发生旋转的情况下退绕。如果对支承区域24的尺寸进行适当设计，使得牵引装置20在传动元件16上缠绕多圈，就能在这种结构下产生大于360°的旋转运动，也就是可以旋转多圈。通过图中没有绘出的执行器来产生牵引力Z_D，这些执行器在距离多轴关节1较远的地方作用于牵引装置20。

如附图3所示，多轴关节1具有叉形段28，其叉腿30、32可以由两个相同的拼接而成的半叉腿构成。由用于摆动运动S的环形轴承12(参考附图1)构成两个叉腿30、32。因此，旋转关节26侧面被摆动关节13所包围。使用环形轴承12可以使得旋转轴承26的一部分，尤其是传动元件16穿过由环形轴承12定义的平面。

附图3所示为仅仅在一个方向上产生旋转运动D。若要在反向上产生旋转运动，则需要与附图3所示的牵引装置作用相反的、沿反向滚动的另一个牵引装置。附图4所示的就是这种附加牵引装置，以附图标记34表示。

牵引装置20、34可以与直线工作的执行器(例如人工肌肉)相连，这些执行器可作为执行相应旋转运动S、D的主动肌和拮抗肌。

在附图3所示的实施例中，牵引装置20的末端固定在传动元件16上，作为其替代设计方案，也可以仅仅围绕传动元件16缠绕牵引装置20，并且从多轴关节1引出其另一端。就这种设计方案而言，可以将牵引装置20设计成循环连续的环来驱动诸如驱动滚轮之类的传动元件16。在执行器的侧面同样可以将滚轮用作传动装置(图中没有绘出)。

现在参考附图4来解释摆动运动S的传动装置，同样可通过两个互为反作用的牵引装置36、38来实现这种摆动运动，然而，这些牵引装置优选连接成经由外壳10引导的环40。

在此设计方案中，将外壳10的一部分作为传动元件16或者支承区域24，牵引装置36、38优选与其相切。利用牵引装置36、38的摩擦配合连接和/或形状配合连接来将作用于牵引装置36的牵引力Z_S传递给传动元件16和外壳10。

外壳10可以在环形轴承12中摆动，从而可通过牵引力Z_S使外壳10转动，并且使得固定于外壳10中的旋转轴承26与外壳10一起转动。

通过开口42将用于旋转轴承26的牵引装置20、34引入外壳10的内部直至传动元件16，在附图4中仅绘出了用于牵引装置20的开口。由于外壳10与旋转轴承26一起转动，因此开口42与传动元件16之间的相对位置与摆动运动S无关。必须通过牵引装置中的环44来平衡摆动运动S。

如附图5所示，可以沿着与旋转关节的传动元件16的支承区域24相切的方向，通过开口42将位于外壳10的相对两侧处的牵引装置20、34引入多轴关节1的内部，然后将其抗拉地固定在固定件18之中。该附图中还绘出了至少一个环形轴承12的剖面。就这种实施方式而言，环形轴承包括作为支承元件11的球形轴承，由外壳10构成该球形轴承的远端滚动面，由叉腿30、32构成该球形轴承的近端滚动面。

通过使用叉形段28可以形成周长较大的传动元件16，从而可以将较大的驱动力用于旋转运动。为了能够容纳可以穿过环形轴承12的相应较大的传动元件16，外壳10可以如附图5所示的那样呈圆顶状地从环形轴承12的中心开口14向外拱起。在这些侧面部件中也可以布置用于牵引装置20、34的固定座连同相应的开口42(图中没有绘出)。

附图6所示为外壳10的结构示例，该外壳由两对相同构造的壳体46、48构成，在摆动轴线R的方向上通过螺钉、铆钉或者卡扣连接将这些壳体接合在一起，并且将其布置在环形轴承的两侧。附图7所示的实施例特别适合于较大的作用力，开口49穿过整个壳体46、48，从而可以通过(图中没有绘出的)贯通螺丝将外壳接合在一起，并且将其固定在叉形段28上(参考附图6)。外壳10具有至少一个凹槽50，该凹槽本身可以是轴承滚动面，或者可以容纳滚动轴承或者滑动轴承的套圈。

壳体部分46、48的内部用于容纳旋转轴承26，现在将参考附图8对旋转轴承26的构造进行解释。

远端关节段4以轴51的形式在外壳10中延伸，该轴51安装在至少一个用来支承较大作用力和力矩的位置上，但优选借助滚动轴承和/或滑动轴承将轴51安装在两个位置52、54上。优选地，将传动元件16布置在两个支承位置52、54之间。在外壳10中形成用于支承远端关节段4的相应固定座。

如附图2所示，可以串联多个多轴关节1、1′。下一个后续多轴关节1′的牵引装置20′、34′、36′、38′可以在外侧经过前一个多轴关节1。然而，为了避免经过前一个多轴关节1的牵引装置发生缠结，比较好的方式是将下一个多轴关节1′的牵引装置穿过多轴关节1的内部。相应的设计方案如附图9和附图10所示。

按照附图9所示的实施方式，至少一个两端敞口的通道56连贯地从近端关节段2一直延伸到远端关节段4。经由通道56将牵引装置20′、34′、36′、38′从布置于近端的执行器穿过第一多轴关节1引向一个或多个其它的多轴关节1′。

外壳10在其朝向近端2的一侧具有沿着摆动运动S方向延伸的、朝向远端关节段4逐渐变窄的漏斗形入口57，该入口57是通道56的一部分并且防止牵引装置20′、34′、36′、38′在摆动运动S过程中与外壳10碰撞。

为了相互独立地引导各个牵引装置20′、34、36′、38′，可以为每一个牵引装置设置一个通道58、59、60、62，这些通道均在关节区域内在柔性软管状套筒64中延伸。套筒64在近端固定板66和远端固定板68之间延伸，从而在该区域内形成较短的拉索。对于该套筒而言，例如可以使用由球形段或圆柱形段构成的塑料套筒。牵引装置在远端关节段的内部延伸。软管状套筒的长度经过适当设计，从而也在摆动运动的终点处存在对于以很小摩擦力来操纵牵引装置20′、34、36′、38′而言足够大的而且符合标准的曲率半径。

近端固定板66优选不可以相对于近端关节段2运动，而远端固定板68则刚性成型于外壳10上或者与其相连。

远端关节段4在外壳10的内部以空心轴形式延伸。传动元件16被设计成环形，并且支承在其内侧70上，以便直接吸收牵引装置20、34为了驱动传动元件而产生的横向力。由于轴承直径较大，因此适宜在位置70上使用能够吸收轴向力的轴承，以便利用因轴承尺寸而产生的较小的单位面积压力。在这种设计方案中，轴向力是由牵引装置所传递的拉力产生的。

另一个轴承72可用来支撑作用于远端关节段4的倾覆力矩。

附图10所示的设计方案与附图9所示的设计方案的区别仅仅在于：软管形套筒64在固定板66、68之间的区域内扭绞180°，以便补偿在关节摆动运动过程中出现的不同弯曲半径以及由此而产生的内置套筒64远端的纵向位移。在附图10中用附图标记76来表示该扭绞。

如果将多轴关节1用作被动运动的关节，不包括传动元件16或者不包括连接在牵引装置上的传动元件16，则附图9和附图10所示的实施方式就可以用来在近端与远端之间小心翼翼地穿过导管，例如电气或流体导管。

附图11～13所示的变型实施例均基于以上实施例。

按照附图11所示的实施方式，远端关节段4穿过多轴关节1延长至对面一侧，从而形成T形的基本构造。也可以将该经延长段与外壳10固定相连，从而使其无法执行旋转运动。

按照附图12所示的实施方式，近端关节段2穿过多轴关节1延长至对面一侧。附图13所示为附图11和附图12的组合，包括两侧延长的远端和近端关节段2、4，并且包括一个或两个沿着摆动轴向R延伸的关节段76，这些关节段可连同摆动运动S一起执行旋转运动。

利用附图11～13所示的实施方式可以对模块化系统进行扩展，用于解决其它动力学传动问题。以下将根据附图14对此进行简要描述。

附图14所示的关节装置包括两个前后串联的本发明所述多轴关节1、1′，可以将其用来模拟人手臂的运动。第一多轴关节1可作为肩关节，另一后续多轴关节1′作为肘关节。多轴关节1、1′的布置形式相当于附图2所示的装置，唯一的区别在于，连接元件6具有比附图2中所示更大的长度。

第一多轴关节1的近端2可以与附图14中没有绘出的骨架结构相连。后续多轴关节1′的远端4′通过关节82与手爪80相连。

通过与牵引装置36、38相连的执行器84、86使得多轴关节1′弯曲和伸展。附图14所示为执行器形式的气动肌肉。

附图14中所示的肘关节弯曲位置是起到屈肌作用的执行器84的收缩状态，其拮抗肌(也就是起到伸肌作用的执行器86)已经伸展。

执行器88、90使得连接手爪80和多轴关节1′的连接元件6′相应旋转。执行器88、90相应地与牵引装置20、34相连接。

多轴关节1′的功能也与以上所述多轴关节1的功能一样。

由于采用的是模块化系统，因此能以简单的方式任意组合，将关节1、1′以及连接元件6、6′插接在一起。

还可以在不违背本发明所述原理的情况下对上述实施例进行改进。

例如也可以使用其它牵引装置(如链条或皮带、尤其是齿形皮带)来替代以上所述的绳索或拉索。

连接元件6、6′本身同样也可以是空心的，以便能够穿过牵引装置。在连接元件的末端前面可以设置开口，以便向外引出牵引装置。替换地，连接元件也可以预先装配有内置的牵引装置，并且可以具有用来从外侧固定牵引装置的连接器。

也可以使用其它优选旋转对称的外壳形状来替代球形外壳10，例如可使用圆柱形外壳形状。也可以不使用将旋转关节26包围的外壳，而是使用被至少一个支承元件11固定的轴。这种情况类似于在远端关节段2中将传动元件16安装在轴上。

上述实施例所阐述的均为一种主动式多轴关节1，可将作用力或者运动传递给用来操纵载荷的远端关节段。然而，如果将摆动关节13的支承元件11以及旋转关节26的轴承设计成能自锁的摩擦轴承，或者设置能够用来固定轴承的止动装置，则也能以类似方式将多轴关节1用作被动关节。实现这一目的的方式例如有：使用止动元件替代执行器，并且这些止动元件固定牵引装置。

最后，可以按照上述结构的运动反转原理，将摆动关节13布置在旋转关节26之内。

Claims (19)

1.一种尤其用于机器人的多轴关节(1)，所述多轴关节(1)具有近端关节段(2)和远端关节段(4)，通过至少一个转动的旋转关节(26)和至少一个与所述旋转关节串联的转动的摆动关节(13)使所述近端关节段(2)和所述远端关节段(4)以能够彼此相对旋转和摆动的方式相连接，所述旋转关节(26)具有旋转轴线(P)，所述摆动关节(13)具有垂直于所述旋转轴线(P)的摆动轴线(R)，其特征在于，所述旋转关节(26)和所述摆动关节(13)套叠成为一个结构单元。

2.根据权利要求1所述的多轴关节，其特征在于，所述摆动轴线(R)垂直于所述近端和远端关节段(2，4)之间的连线(V)，并且所述旋转轴线(P)朝所述远端关节段(4)的方向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述摆动关节(13)具有叉形段(28)，所述叉形段(28)具有至少两个用于支承所述旋转关节(26)的支承元件(11)，所述旋转关节(26)以能够摆动的方式在所述支承元件(11)之间延伸。

4.根据权利要求3所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述支承元件(11)在所述摆动轴承(13)的所述旋转轴线(R)方向上彼此相隔一定的距离。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，设有至少一个环形轴承(12)形式的支承元件(11)，所述支承元件(11)至少局部包围所述旋转关节(26)。

6.根据权利要求5所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述旋转关节(26)穿过由所述环形轴承(12)定义的平面。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，通过可从所述关节之外操纵的牵引装置(20，34，36，38)来驱动所述旋转关节(26)和/或所述摆动关节(13)。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述旋转关节(26)和/或所述摆动关节(13)具有至少一个传动元件(16)，所述传动元件(16)具有至少一个固定件(18)，所述牵引装置在所述至少一个固定件(18)处以传递作用力的方式与传动元件(16)相连接。

9.根据权利要求8所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述传动元件(16)设有至少一个用于所述牵引装置(20，34，36，38)的支承区域(24)。

10.根据权利要求8或9所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述旋转关节(26)的所述传动元件(16)以能够转动的方式与所述远端关节段(4)连接成整体并且支承在所述摆动关节(13)之中。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述摆动关节(13)具有基本上呈球形的外壳，所述旋转关节(26)容纳于所述外壳中。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述旋转轴线(P)与所述摆动轴线(R)相交。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述近端关节段(2)与所述远端关节段(4)通过至少一个两端敞口的连贯通道(56，58，60，62，64)彼此相连接。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述摆动关节(13)和/或所述旋转关节(26)是能够被固定的。

15.根据权利要求1～14中任一项所述的多轴关节(1)，其特征在于，所述旋转关节(26)至少大部分处在由所述摆动关节(13)预定的外轮廓范围之内。

16.一种关节装置(15)，其特征在于具有根据权利要求1～16中任一项所述的第一多轴关节(1)，在所述第一多轴关节(1)的远端关节段(4)上安装有根据权利要求1～16中任一项所述的另一多轴关节(1′)。

17.根据权利要求17所述的关节装置(15)，其特征在于，所述多轴关节(1，1′)通过牵引装置(20，34，36，38；20′，34′，36′，38′)与执行器相连接，其中所述另一多轴关节(1′)的牵引装置(20′，34′，36′，38′)穿过所述第一多轴关节(1)。

18.根据权利要求17所述的关节装置(15)，其特征在于，所述另一多轴关节(1′)的相互作用的牵引装置(20′，34′，36′，38′)在所述第一多轴关节(1)中至少大致扭绞180°。

19.一种机器人的装配组件，其特征在于具有多个根据权利要求1～15中任一项所述的多轴关节(1，1′)以及其它结构元件，所述其它结构元件包括连接元件、牵引装置和/或执行器，其中所述零部件和所述多轴关节能够通过经模块化调整的接口相互连接。

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