CN105313135B - 一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以均匀弯曲的串联机器人手臂关节，包括关节本体、骨架丝和驱动丝，其中：关节本体包含多个串联的结构相同的关节组件和夹紧块，关节组件和夹紧块上开有多个通孔；驱动丝包含本关节驱动丝和非本关节驱动丝，骨架丝和非本关节驱动丝成排穿过通孔并延伸至其它关节，本关节驱动丝穿过通孔并由夹紧块组件夹紧；驱动丝可在通孔内自由滑动，本关节驱动丝运动时带动夹紧块一起运动，并使得关节组件发生被迫运动，从而产生关节的弯曲变形；非本关节驱动丝在通孔内的运动对关节本体无影响。本发明在保证机器人关节运动范围和精度要求的同时，降低机构复杂程度，方便机器人拆装及维护，降低成本。

Description

一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构

技术领域

本发明涉及机械设备，尤其是涉及一种串联机器人，具体的，涉及一种绳驱动的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构。

背景技术

绳驱动是对传统机器人驱动方式的一种发展。相比于常规的串联机器臂，采用绳驱动可以有效减少机器人手臂的自重，并提高速度和加速度。同时由于降低了关节或者传动机构的复杂程度，也有助于减小机器人手臂的外形尺寸。

在一些空间尺寸狭小且对机器人自由度要求较高的场合，采用绳驱动是一种简便有效的方法。机器人手臂的自由度主要由机器人的关节所决定，在尺寸足够小的前提下如何设计机器人关节的结构也是一个关键问题。

经检索，公开号为103251458A的中国发明专利，涉及一种手术机器人，用于空间狭小且操作复杂的环境，其手臂为刚性杆多关节手臂。但该专利中涉及的机器人手臂关节结构仍较为复杂，且单个关节的可动范围显得不足。

发明内容

针对现有技术中的机器人手臂结构复杂的问题，本发明的目的是提供一种结构简单可靠的可均匀弯曲的串联机器人关节机构，在保证机器人关节运动范围和精度要求的同时，尽量降低机构复杂程度，方便机器人拆装及维护，降低成本。

本发明为解决上述目标技术问题所采取的方案为：

本发明提供一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，所述机构由关节本体、骨架丝和驱动丝组成，其中：

所述机构由关节本体、骨架丝和驱动丝组成，其中：

所述关节本体包含多个结构相同且串联在一起的关节组件和一个夹紧块，且关节组件和夹紧块上均开有相对于关节组件中心轴线对称分布的多个通孔；

所述驱动丝分为本关节驱动丝和非本关节驱动丝；

所述骨架丝从关节组件和夹紧块所开的通孔穿过，用作关节的支撑；所述本关节驱动丝从关节组件所开的通孔穿过并由夹紧块锁紧；所述非本关节驱动丝成排从关节组件和夹紧块所开的通孔穿过后延伸至其它关节处；本关节驱动丝在所述通孔内运动，运动时带动夹紧块一起运动，并使得关节组件发生被迫运动，从而产生关节的弯曲变形。

优选地，所述关节组件上所开通孔位置呈十字状轴对称分布，分别供骨架丝和驱动丝穿过；其中：在纵向上下两侧各有一个通孔，供本关节驱动丝穿过，然后由夹紧块锁紧；横向分布多个通孔，最外侧左右两个通孔分别穿过两根骨架丝，然后从夹紧块上所开的通孔中穿出，并延伸至其它关节处；横向连线上还分布有X个通孔，供非本关节驱动丝并排穿过。

优选地，所述关节组件为2-5个，关节可弯曲角度在0～125°范围内，可弯曲角度范围的上限随关节组件数量不同而有所差别。

优选地，所述多个结构相同的关节组件之间在边缘棱线处紧密贴合，类似铰链的功能。

优选地，所述骨架丝为并行的两根可弹性变形的合金丝。

优选地，所述驱动丝为医用钢丝绳，其中：本关节驱动丝为两根；非本关节驱动丝的数量则为2×X根，X为要连接在所述串联机器人关节机构末端的关节的数量。

优选地，所述夹紧块位于所述串联机器人关节机构的末端，分为两部分：与关节组件直接接触的一部分的构造与关节组件相同，另一部分为压块。

本发明所述机构能够作出均匀的弯曲动作，其实现方式是：夹紧块及其相邻的几个关节组件不受限制，离夹紧块最远的一个关节组件固定或者相对固定，拉动本关节驱动丝中的一根，使其在关节组件所开的通孔内滑动，则其固连在夹紧块中的部分会带动夹紧块向受拉的一侧发生偏转，也使骨架丝开始弯曲，骨架丝在弯曲的同时会使相邻的关节组件发生被迫运动而向一侧偏转，其余关节组件情况相同；骨架丝会迫使所有关节组件向同一侧运动，从而形成整个关节的弯曲动作；另一根本关节驱动丝则在通孔内反方向滑动，两根本关节驱动丝的运动形成一个回路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所涉及的机器人关节机构结构简单可靠，易于加工实现，便于组装及拆卸、更换和维护；在关节运动范围和关节尺寸方面的选择也更加灵活，可以显著降低制造和维护成本。本发明适用于空间狭小但精度要求较高、操作复杂的场合，也可用于其它受力不大的装置中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a、图1b为本发明一实施例外观及构成示意图；

图2为本发明一实施例中关节组件开孔和骨架丝、驱动丝分布示意图；

图3a-图3c为本发明一实施例中关节运动示意图；

图中：压块1，夹紧块组件2，关节组件3，骨架丝4，非本关节驱动丝5，本关节驱动丝6，紧固销7。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属本发明的保护范围。

如图1a、图1b所示，一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，包括关节本体、骨架丝4和驱动丝，其中：所述关节本体包括三个相同且串联在一起的关节组件3和一个夹紧块；所述骨架丝4从所述关节组件和夹紧块内部所开的通孔穿过，用作关节的支撑；所述驱动丝包含本关节驱动丝6和非本关节驱动丝5，所述本关节驱动丝6从所述关节组件内部通孔穿过，并由夹紧块锁紧；所述非本关节驱动丝5从所述关节组件和夹紧块内的通孔穿过后延伸至其它关节处。本关节驱动丝6在所述通孔内运动，运动时带动夹紧块一起运动，并使得关节组件发生被迫运动，从而产生关节的弯曲变形。

所述本关节驱动丝6和非本关节驱动丝5均能在通孔内自由滑动；非本关节驱动丝5在通孔内的运动不会对本关节驱动丝发生影响，即对关节本体无影响；本关节驱动丝6的运动也不会对非本关节驱动丝的长度产生影响。

所述夹紧块由压块1、夹紧块组件2和紧固销7组成，关节组件3、夹紧块组件2和压块1串联，其中压块1位于所述串联机器人关节机构的末端，其与夹紧块组件2贴合，并由紧固销7固连(可拆卸)。

结合图2，在一具体实施例中，多个结构相同的所述关节组件3和压块1上均开有八个通孔，八个通孔呈十字状轴对称分布，其中：纵向上下各一个、横向分布有六个；骨架丝4为两根弹性合金丝，分别穿过关节组件3上横向左右最外侧的两个通孔，然后从压块1上所开的通孔中穿出，并延伸至其它关节处；驱动丝包括八根非本关节驱动丝5和两根本关节驱动丝6，其中：八根非本关节驱动钢丝5每两根一组并排穿过关节组件3上横向位于中间的四个通孔，两根本关节驱动钢丝6则分别穿过关节组件3纵向上下位置两个通孔，并延伸至夹紧块组件2处，再由压块1和紧固销7固定。

在所述通孔内运动，带动夹紧块以及各个关节组件活动，从而使所述关节做出弯曲动作。所述关节组件可预先根据需要选择数量，由此数量决定所述关节机构所能产生的关节角范围上限。在一优选实施例中，为保证关节运动的精确性并减小运动摩擦的影响，关节组件的数量不宜超过5个，优选2-5个。比如：只使用2个关节组件，则所述关节机构可产生的最大关节角理论值为50°，使用5个关节组件，则所述关节结构可产生的最大关节角为125°。

在一优选实施例中，所述骨架丝为2根Φ0.3mm的可弹性变形的合金丝；所述驱动丝包含多根Φ0.3mm医用钢丝绳，其中：所述本关节驱动丝为2根医用钢丝绳，所述非本关节驱动丝的数量则为2×X根，X为要连接在所述串联机器人关节机构末端的关节的数量。

在一优选实施例中，所述夹紧块分为两部分，其中与所述关节组件直接接触的一部分，其构造与关节组件相同，另一部分则是压块。

在一优选实施例中，三个所述关节组件之间在边缘棱线处紧密贴合，类似铰链的功能。

如图3a-图3c所示，本发明所述关节机构能够作出均匀的弯曲动作，具体的实现方式是：令距夹紧块组件2最远的一个关节组件固定，拉动所述本关节驱动丝6位于下方的一根，则其会带动压块1、紧固销7和夹紧块组件2一起向下偏转，同时骨架丝4也会随之弯曲，并迫使相邻的关节组件3依次发生偏转，完成整个关节的弯曲动作。反之，若拉动所述本关节驱动丝6中位于上方的一根，则关节的弯曲动作相同，仅方向相反。并排的两根所述骨架丝4也具有防止所述关节组件3之间发生扭转，保证运动的精确可靠，同时所述骨架丝4在弹性变形时对关节组件提供弹性力保证关节变形均匀外。

本发明所述关节的外径不限尺寸，关节外径可根据需要缩减至8mm以下，或者适当放大。

本发明是一种结构简单可靠的可均匀弯曲的串联机器人关节机构，在保证机器人关节运动范围和精度要求的同时，尽量降低机构复杂程度，方便机器人拆装及维护，降低成本。相比专利103251458A，本发明所涉及的机器人手臂关节采用了多个相同组件堆叠的形式，即使用多铰链串联代替单一刚性铰，可以发生均匀的弯曲变形，其运动方式类似于某些昆虫幼虫遇到危险时身体蜷缩的情况。本发明涉及的关节结构简单可靠，可根据关节角度范围的需求选择关节组件数量，拆装维护方便，极大地降低了成本，易于实现。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述机构由关节本体、骨架丝和驱动丝组成，其中：

所述关节本体包含多个结构相同且串联在一起的关节组件和一个夹紧块，且关节组件和夹紧块上均开有相对于关节组件中心轴线对称分布的多个通孔；

所述驱动丝分为本关节驱动丝和非本关节驱动丝；

所述骨架丝从关节组件和夹紧块所开的通孔穿过，用作关节的支撑；所述本关节驱动丝从关节组件所开的通孔穿过并由夹紧块锁紧；所述非本关节驱动丝成排从关节组件和夹紧块所开的通孔穿过后延伸至其它关节处；本关节驱动丝在所述通孔内运动，运动时带动夹紧块一起运动，并使得关节组件发生被迫运动，从而产生关节的弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述关节组件上所开通孔位置呈十字状轴对称分布，分别供骨架丝和驱动丝穿过；其中：在纵向上下两侧各有一个通孔，供本关节驱动丝穿过，然后由夹紧块锁紧；横向分布多个通孔，最外侧左右两个通孔分别穿过骨架丝，然后从夹紧块上所开的通孔中穿出，并延伸至其它关节处；横向连线上还分布有多个通孔，供非本关节驱动丝并排穿过。

3.根据权利要求1所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述关节组件数量为2-5个，关节可弯曲角度在0～125°范围内，所述关节机构所能产生的弯曲角度范围的上限随关节组件数量不同而有所差别。

4.根据权利要求3所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述关节组件数量为2个时，则所述关节机构产生的最大关节角理论值为50°；所述关节组件数量为5个时，则所述关节机构产生的最大关节角为125°。

5.根据权利要求3所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述关节组件之间在边缘棱线处紧密贴合。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述骨架丝为并行的两根可弹性变形的合金丝。

7.根据权利要求6所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：离所述夹紧块最远的关节组件固定或者相对固定，拉动所述本关节驱动丝中的一根，则其会带动夹紧块向受拉的一侧偏转，同时迫使相邻的关节组件依次产生偏转，形成整个关节的弯曲动作；另一根本关节驱动丝则在通孔内反方向滑动，两根所述本关节驱动丝的运动形成一个回路。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述驱动丝为医用钢丝绳，其中：本关节驱动丝为两根；非本关节驱动丝的数量则为2×X根，X为要连接在所述串联机器人关节机构末端的关节的数量。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述夹紧块位于所述串联机器人关节机构的末端，分为两部分：与所述关节组件直接接触的一部分的构造与关节组件相同，另一部分为压块。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种可均匀弯曲的串联机器人关节机构，其特征是：所述本关节驱动丝和非本关节驱动丝均能在通孔内自由滑动；非本关节驱动丝在通孔内的运动不会对本关节驱动丝发生影响，即对关节本体无影响；本关节驱动丝的运动也不会对非本关节驱动丝的长度产生影响。