CN106573374A - 用于操纵器结构的连杆结构和组件 - Google Patents

Abstract

一种机器人机械操纵器结构，包括第一连杆；可旋转地连接至第一连杆的第二连杆；第一线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间并且通过锚定于第一连杆的弹簧被连接至第一连杆、穿过第一连杆和第二连杆上的线缆引导件并且被锚定于第二连杆；以及第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间并且被锚定于第一连杆、穿过第一连杆和第二连杆上的线缆引导件并且被连接于致动器。线缆各自具有的长度被选择为，当致动器处于静止位置时，在相对于第一连杆处于选定角度的第二连杆之间提供选定的运动范围。线缆引导件由高硬度材料形成。

Description

用于操纵器结构的连杆结构和组件

相关申请的交叉引用

本国际专利申请要求2014年8月25日提交的题为“用于机器人机械操纵器结构的线缆引导系统”的美国临时专利申请第62/041,332号、2014年12月4日提交的题为“用于具有渐进式包装连杆的欠驱动机器人操纵器的腱构造”的临时专利申请第62/087,664号、2015年5月21日提交的题为“用于具有渐进式包装连杆的欠驱动机器人操纵器的腱构造”的临时专利申请第62/165,080号、2015年5月21日提交的题为“用于将装置附接于机器人手指的装置和方法”的临时专利申请第62/165,074号以及2015年8月24日提交的题为“包括用于机器人机械操纵器结构的线缆引导系统的连杆结构和组件”的美国实用新型申请第14/834,178号的权益，上述所有内容整体通过引用被包含于本发明中。

技术领域

本发明总体涉及用于机器人应用的机械操纵器和附件。

背景技术

工业机器人的机械操纵器通常被实现为利用旋转关节的串联连杆结构。连杆是通过关节彼此连接的刚性构件。关节(也称作轴)是机器人的可动部件，其能够在相邻的连杆之间相对运动。

通常通过马达、液压或气动致动器来驱动关节旋转。在较大的机械操纵器中，这些致动器能被直接连接至关节或关节内，以在被致动时直接施加扭矩。当机械操纵器变得非常小时，例如用于机械手中的“手指”时，由于尺寸限制及转动惯量上的质量影响，因此将马达、液压装置和气动装置设置为直接附接于关节是不切实际的。广泛使用的替代方案是利用线缆作为人造腱，其将旋转力传回位于远处的驱动装置，例如马达或气动致动器。

当线缆用于机械操纵器中时，线缆需要穿过连杆和关节被走线至位于远处的致动器。当机械操纵器运动时，线缆会在连杆和关节中运动。线缆穿过连杆和关节并且会在不同点处改变方向。在必须改变线缆方向的这些点处，重要的是尽可能的减小摩擦力，以使磨损最小化并且使通过线缆的产生的力最大化。

像上述那样使线缆在机械操纵器中走线需要在连杆的任何旋转过程中在引导线缆路径的同时克服摩擦力。存在用于使线缆在机械操纵器中走线的三种主要解决方案：基于滑轮的系统、使用鲍登(Bowden)线缆或使线缆越过销和轴承走线。

一种非常低摩擦力的构造利用滑轮来为线缆走线。然而，由于在线缆必须改变方向之处需要滑轮，因此这会产生大量的滑轮，这在机械上实施复杂、具有高成本并且占据大量体积。此外，如果线缆掉出滑轮，则系统被损坏。

一种更常用的构造利用了鲍登线缆，其是利用在柔性外壳内运动的细绞合线缆的线缆机构。鲍登线缆提供了使线缆穿过受限区域走线而较少考虑定位和障碍物的简单机构。然而，鲍登线缆有较高摩擦力，并且它们的性能随着时间显著降低。

另一种常用构造是使线缆越过金属销或轴承圈。这种方式通常不提供充分对齐的线缆，并且会允许线缆摩擦连杆主体。这会在机械操纵器中产生高摩擦和磨损，降低性能和操作寿命。

许多其他机械系统利用线缆来传递与基于连杆和关节的运动无关的运动部件之间的拉力。这些系统会经历上述那些系统相同的挑战，包括：摩擦、磨损、成本和重量。

陶瓷引导件已被广泛用于纺织工业，以使线和纱穿过机器走线。减少在纺织工厂中产生纤维屑已成为使用陶瓷引导件的主要原因。

在钓鱼竿中使用陶瓷引导件来减少鱼线和竿上的磨损。

发明内容

根据本发明的第一方面，用于传递机器人中的拉力的线缆穿过一系列高硬度线缆引导件走线，以引导线缆路径和力。

根据本发明的第二方面，能够被预装配的线缆组件包括：高硬度线缆引导件；末端环；弹簧，如果需要的话；以及完成的、校准的线缆中的其他部件。

根据本发明的第三方面，被预装配的线缆末端可具有绳结、环、块或其他方法，以允许线缆连接至连杆、致动器或其他线缆。

根据本发明的第四方面，每个连杆都可由两个或多个匹配的零件构成。该零件具有：用于孔眼的预模制的位置；并且额外地，如果需要的话，具有用于线缆的锚定点；用于弹簧的位置以及用于线缆横穿连杆的路径；关节硬件，诸如轴承；以及其他硬件，诸如传感器。当被连接时，零件牢固地将孔眼、弹簧、锚定点、线缆以及关节硬件嵌入其中。

根据本发明的第五方面，每个连杆都可由棒或条构成，线缆在该棒或条上引导和终结，并且可附加关节。

根据本发明的第六方面，线缆和线缆引导件一起可用于在结构的任意两点之间施加拉力，其中，在线缆中的中心点处的相对于该结构的线缆运动是可期的。

根据本发明的第七方面，线缆的走线可利用线缆引导件的组合以及其他方法来布置穿过特定结构的线缆张力，该特定结构包括滚珠轴承关节的外圈表面、柱或销、滑轮或其他任何方法。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的示意图，其中两个连杆通过关节被连接在一起，并且线缆已就位，以使连杆围绕关节旋转。

图2是示出本发明的实施方式的示意图，其中两根线缆被配置为装入图1所述的两个连杆和关节中。

图3是示出本发明的实施方式的示意图，其应用于斯坦福大学和喷气推进实验室开发的连杆、关节和线缆构造。

图4是示出本发明的实施方式的示意图，其中装配有高硬度线缆引导件和末端点的两根线缆被示出为实现图3中的构造。

图5是示出本发明的实施方式的示意图，其中单一的连杆组件被示出为部分未装配。在此幅图中没有示出线缆。

图6是示出本发明的实施方式的示意图，其中示出了两个装配的连杆。

图7是示出根据本发明的实施方式的示例性连杆的分解等距视图的示意图，其包括杆和两个端部零件。

图8是示出图7的连杆的装配等距视图的示意图，其包括端部零件的分解视图，以示出内部细节。

图9是示出在中心关节处连接在一起的图7和8所示类型的两个连杆的等距视图的示意图。

图10是示出本发明的说明性实施方式的装配等距视图的示意图，其中连杆包括杆、两个线缆引导件支架、两个端部零件以及线缆锚定零件。

图11是示出图10的实施方式的分解等距视图的示意图。

图12是示出在中心关节处连接在一起的图10和11所示类型的两个连杆的等距视图的示意图。

图13A至13I是示出本发明不同的说明性实施方式的示意图，其中两个连杆通过关节连接，并且被示出为使用不同的控制和/或贯通布线组合。

具体实施方式

本领域的一般技术人员会理解本发明的下述说明仅为说明性的，并且不以任何方式做出限制。本发明的其他实施方式自身将容易地对这种技术人员产生启发。

现在参考图1，示意图示出了本发明的说明性实施方式，其中两个连杆10和12通过关节14连接，并且通过两根线缆16和18来控制。连杆10和12围绕关节14旋转，关节14通过线缆16和18引入的扭矩来控制。线缆16和18具有末端配件20，其在锚定点22处被固定至连杆10和12。在本发明的一个实施方式中，附接点是附接环的形式，其嵌入连杆10和12中的锚定点22内。在线缆16和18需要被引导穿过连杆10和12的点处或在线缆16和18在连杆10和12上施力的点处，线缆16和18穿过固定至连杆10和12中的线缆引导件24。适于在本发明中使用的线缆材料的非限制性例子包括超强或低拉伸性合成材料，例如可从荷兰海尔伦的皇家帝斯曼(Royal DSM)公司购买的、以商标迪尼玛(Dyneema)销售的材料，以及可从新泽西州莫里斯城的霍尼韦尔国际(Honeywell International)有限公司购买的、以商标Spectra销售的超高分子量聚乙烯编织线。

在本发明的一个实施方式中，线缆引导件24是高硬度线缆引导件。作为本文所用，术语“高硬度”指的是具有比布氏硬度表上的600HB(HBW 10/3000)更高的硬度的材料。能使用多种非常坚硬的材料来制造高硬度线缆引导件。这些材料的非限制性例子包括超硬陶瓷，包括氧化铝、二氧化锆、二氧化钛、多晶蓝宝石以及碳化硅。

在本发明的不同的实施方式中，线缆引导件24可采用孔眼的形式，并且其替换包括但不限于开缝的、开槽的、有凸缘的、双凸缘的、管状以及其他构造。线缆引导件24还可采用其他类型引导件的形式，并且其替换包括但不限于横向件、格栅、狭缝、滚子、轴承滚子、猪尾圈(pigtails)、导纱钩(faller eyes)以及其他构造。适于在本发明中使用的说明性线缆引导件公开于Ascotex的出版物“陶瓷导纱器”中，可在网页http://www.ascotex.com/ Binder2.pdf获取。

在图1所示的示例性实施方式中，其中一根线缆18被附接于内联的弹簧26。另一根线缆16被连接至致动器28，该致动器28在线缆16上施加拉力，以产生连杆10和12围绕关节14的旋转运动。本领域的一般技术人员会理解可取消线缆18，并且弹簧26的端部可替代地被锚定于连杆10。这种技术人员还会理解可取消弹簧28，并且线缆18可通过与致动器28协同运作的第二致动器(未示出)来控制。

线缆16和18在它们的末端配件20之间传递力，该末端配件20可被附接于连杆10和12、弹簧26、致动器28或线缆16和18上的其他被动或主动的拉力源。线缆16和18因此被构造为连接至包括连杆10和12、致动器28以及弹簧26的结构的这些不同的点处，以通过该结构传递和施加力。线缆16和18的力将穿过其末端点22以及线缆通过线缆引导件24被重定向的位置被施加于连杆10和12以及关节14的结构。线缆16和18被重定向的这些点通常需要线缆相对于包括连杆10和12以及关节14的结构动态地运动。在这些点处，线缆引导件24用于提供低磨损和低阻力的方法，以改变线缆16和18的方向。线缆引导件24被牢固地附接于连杆10和12。在重定向的这些点处，力也被施加于包括连杆10和12以及关节14的结构。当施加于线缆16和18的拉力增大时，包括连杆10和12以及关节14的结构的刚度也增大。在这种构造中，当致动器28增大线缆16上的拉力时，左侧的连杆10会相对于右侧的连杆12逆时针旋转。当线缆16中的拉力通过致动器28减小时，弹簧26的力会使左侧的连杆10相对于右侧的连杆12顺时针旋转。

然而，在图1的特定实施方式中，锚定点22围绕关节14对称地定位，并且线缆引导件24围绕关节14对称，锚定点22和线缆引导件24的定位是完全取决于设计的，并且不需要围绕关节14对称或距关节14相同距离。用于线缆16和18的锚定点22的位置不需要在连杆10上彼此相邻。线缆16和18可被实施为共用连杆10上的锚定件。关节14可偏离连杆10和12的水平中线。如会被本领域的一般技术人员容易地理解的那样，线缆引导件24相对于关节14的定位影响通过线缆16和18施加的扭矩并且是取决于设计的。锚定点22的定位也影响施加于连杆10和12以及关节14的扭矩。

现在参考图2，示意图示出了本发明的一个方面，其中图1所示的线缆可在与连杆和关节进一步装配之前被预装配。根据本发明的一个说明性实施方式，线缆16和18包括末端配件20，其示出为连接至线缆16和18的端部的环的形式，但是本领域的一般技术人员会理解可在本发明中采用多种多样的其他末端配件。线缆引导件24通过将线缆16和18穿过其中而被以正确的顺序预装配在线缆16和18上。所使用的任意弹簧26也可被预装配在线缆16和18上，并且相对于线缆引导件24被以正确的顺序定位。图2所示的预装配的线缆16和18可被制造为在末端配件20之间具有预定长度。本领域的一般技术人员会理解图2所示的组件被配置为特别用于图1所示的连杆组件，并因此是说明性和非限制性的，因为不同的连杆布置会要求不同数量的线缆和特定的构造。

用于装配线缆12的一个方法是，例如，使用帕洛玛结(Palomar knot)将末端配件，例如末端配件20，附接于线缆12，将所需的线缆引导件24滑到线缆上，将线缆切割为适当长度，并且附接被附接于线缆的第二端的另一个末端环24。帕洛玛结14是尤为有用的，因为其能够以一致地提供线缆16和18的已知的长度消耗的方式被系紧。因此，线缆可被装配为所需的长度。将末端配件24系到线缆上是终止线缆的一种方法。终止线缆的其他选项可包括胶合、熔合、压折或其他方法，以将线缆末端配件24附接于线缆16和18的端部。附接弹簧26也可被包含为预装配线缆中的步骤。预配置的线缆可随后在与线缆装配分开的步骤中被装配在连杆和关节结构中。

现在参考图3，示意图示出了应用于斯坦福JPL线缆构造(J.K.Salisbury和J.J.Craig，铰接手：力控制和运动学问题，国际机器人研究杂志(IJRR)，1(1)，1982年春)的本发明的实施方式，其中机器人手30中的四个连杆32、34、36和38通过四根线缆46、48、50和52被连接在三个关节40、42和44处。在此示例构造中，每根线缆46、48、50和52都在独立的致动器54、56、58和60处终结。包括连杆32、34、36和38、关节40、42和44以及线缆46、48、50和52的这种构造允许每个连杆之间的相对关节角度的完全控制。

现在参考图4，示意图示出了在这种构造中多根线缆可共用一个或多个线缆引导件。图4是示出本发明的实施方式的示意图，其示出处于满足图3的需求(斯坦福JPL腱构造)的布置的预配置线缆的说明性示例。一共具有四根线缆46、48、50和52。仅有单一线缆52使用单一线缆引导件62并且不与其他线缆46、48和50共用任何线缆引导件。三根线缆46、48和50共用线缆引导件64和66的共同的子集。线缆50包括两个单一的线缆引导件62。

预装配三根线缆46、48和50的组合的方法包括装配单一线缆50、通过共用一些线缆引导件64来装配第二根线缆48，并且再次与其他两根线缆48和50共用一些线缆引导件64和66来装配第三根线缆46。一旦三根线缆46、48和50的装配完成，它们就构成了单一的、完成的预装配线缆组件。

现在参考图5，示意图示出了本发明的说明性实施方式，其中连杆70由预模制的匹配连杆部72和74构成。线缆引导件76紧贴地装入预形成的位置78。图5中没有示出线缆。在图5的说明性示例中，线缆引导件是孔眼或索环的形式。轴承80落座在连杆部72和74中适当形成的凹槽82中。螺杆84、86和88穿过连杆部72和74并且与螺母90配合，以将连杆部72和74彼此固定。如图5所示，螺母90可紧贴地装入连杆部74中预形成的位置92。示出了没有线缆的线缆末端环94。末端环94可通过使其中一个螺杆86穿过其中被锚定于连杆70，或者，例如，其可放置在其他一些实施方式中示出的凹陷区域中。在图5所示的实施方式中，穿过连杆的其中一个螺杆84作为用于支承下一个连杆(未示出)的轴。可直截了当地使用本文所述的线缆组件来装配连杆关节系统，避免了在已经装配了连杆、轴承、线缆引导件、末端环、螺杆以及螺母之后会在装配线缆时遇到的任何困难。

现在参考图6，示意图示出了本发明的实施方式，其中装配了图5所示类型的两个连杆。连杆70a和70b被示出为像上述参考图5所表示的那样被连接在一起。线缆94可见地穿过连杆70a与70b之间。仅示出了可见的线缆，并且通过附图标记96标示。线缆96穿过嵌入的线缆引导件76，在图6的视图中仅可见两个线缆引导件76。如前面参考图5所述，可采用螺杆84来提供用于连杆70a与70b之间的关节的轴。可以看见，轴承98位于连杆70a会被附接于其他连杆(未示出)的关节处。线缆96被示出为在箭头99处超出连杆70a和70b延续，以连接至致动器、弹簧、其他线缆或其他末端装置(未示出)。

现在参考图7，示意图示出了本发明的实施方式的分解视图，其中通过杆102和两个端部零件104和106来形成连杆100。盖108被示出为从端部零件104移除，并且盖110被示出为从端部零件106移除。线缆引导件112落座在预形成的凹槽114中(其中两个被示出为放置在凹槽114中之前)。

螺杆116和118分别用于使用螺母120和122将盖108固定至端部零件104。螺母120和122可装入预形成在盖108中的凹槽(其中一个以附图标记124示出)中。螺杆116还作为用于将连杆100连接至位于图左侧的另一个连杆的轴承(未示出)的轴。螺杆126用于使用螺母128将盖110固定至端部零件106。螺母128可装入预形成在盖110中的凹槽130。

位于端部零件106中所形成的轴承座134中的轴承132被用于将连杆100连接至位于图右侧的另一个连杆。该连杆会使用像图6左侧所示的螺杆116那样的螺杆在与肩部136相同的轴承肩部上被固定至连杆100。

现在参考图8，示意图示出了图7所示的连杆100的装配图。图7中使用的相同附图标记用于标示图8中的相应结构。连杆被示出为具有被紧固于两个端部零件104和106的杆102，例如通过胶合或使用其他已知的紧固技术。端部零件104和106被示出为装配的，以固定硬化的孔眼114。关节轴承132装入最右侧端部零件106中的模制肩部136(如图8左手侧所示)。最左侧端部零件104具有由肩部136中的螺杆116形成的轴(最容易地在图7中可见)，下一个连杆(未示出)中的轴承装配在该轴上。端部零件104及其盖(见图7)通过螺杆116和118以及螺母120和122被固定。最右侧端部零件106及其盖(见图7)通过螺杆126和螺母128被固定。螺母120、122和128装入预模制的位置(图7中的124)。

图8中有三根线缆138、140和142被示出为穿过连杆100。线缆138通过螺杆122被锚定在最左侧端部零件104中。线缆140被示出为穿过线缆引导件114。线缆142穿过在图中不可见的线缆引导件。

现在参考图9，示意图示出了本发明的实施方式，其中图7和8所示类型的两个连杆在中心关节144处被装配在一起。以附图标记标示的四根线缆被示出为离开最右侧端部零件106b。其中一根线缆通过螺杆146被锚定在最右侧端部零件102b中。在中心关节中，线缆(未示出)通过作为关节的轴的螺杆148被锚定。在中心关节中，线缆150穿过嵌入关节的线缆引导件152之间。以附图标记154标示的两根线缆离开最左侧端部零件104a。

现在参考图10，示意图示出了本发明的实施方式，其中通过杆162、两个线缆引导件支架164和166、两个端部零件168和170以及线缆锚定零件172来形成连杆160。线缆(未示出)穿过连杆。线缆穿过线缆引导件176，并且线缆中的一根或多根可通过线缆锚定零件172中的螺杆174被锚定。本领域的一般技术人员会理解，线缆锚定零件172可位于其中一个线缆引导件支架164与其中一个端部零件168或170之间。

现在参考图11，示意图示出了图10的连杆160的分解视图。通过将杆162插入端部零件168和170中的孔中，杆162被连接至端部零件168和170。在图10和11所示的说明性实施方式中，端部零件168和170是互补的。一个端部零件168容纳被螺母180保持的螺杆178。螺杆178向落座在另一个端部零件170中的轴承182提供轴。线缆引导件支架164和166穿过安装孔184被装在杆162上。线缆引导件176卡入线缆引导件支架164和166中的孔186中。关节轴承182卡入最右侧端部零件170中。最右侧端部零件170具有模制的肩部188，其保持关节轴承182外圈的边缘。这允许在腱越过外轴承圈时使用凹形关节轴承182来提供中心对准。线缆锚定件172通过螺杆190和螺母192被连接至杆162，以固定线缆。

现在参考图12，示意图示出了本发明的实施方式，其中图10和11所示类型的两个连杆在关节194处被装配在一起。线缆穿过线缆引导件176。线缆被示出为在附图标记190处被锚定。两根线缆被示出为越过关节轴承外圈188。本领域一般技术人员会理解，如果线缆锚定零件172在关节194处位于其中一个线缆引导件支架164与其中一个端部零件168或170之间，则锚定于该线缆锚定零件172的线缆不需要穿过连接至杆162a的线缆引导件。

现在参考图13A至13I，它们是示出本发明不同的说明性实施方式的示意图，其中两个连杆通过关节连接，并且被示出为使用不同的控制和/或贯通布线组合。

在图13A至13I所有附图中，两个连杆202和204被示出为通过关节206连接。连杆202和204围绕关节206旋转，并且可通过经由锚定于其中一个连杆的线缆引入的扭矩被控制。

在图13A所示的说明性实施方式中，线缆208和210分别在锚定点212和214处被固定至连杆202，锚定点212和214被示出为线缆208和210端部处的小方块。在线缆208和210需要被引导穿过连杆204的点处，线缆208和210穿过固定在连杆204中的线缆引导件216。由于锚定点212和214的不同位置，因此可通过选择性地在线缆208和210上设置拉力来在两个不同的方向上运动连杆202。

在图13B所示的说明性实施方式中，线缆208和210分别在锚定点212和214处被固定至连杆202，锚定点212和214被示出为线缆208和210端部处的小方块。在线缆208和210需要被引导穿过连杆204的点处，线缆208和210穿过固定在连杆204中的线缆引导件216。在图13B所示的实施方式中，第三线缆218穿过连杆204中的线缆引导件216，并且也穿过连杆202中的线缆引导件220。线缆218是“贯通”线缆并且不被锚定于连杆202或204中的任意一个，但是线缆218延续到定位在超出图13B的左边缘和右边缘的其他连杆(未示出)。

在图13C所示的说明性实施方式中，单一的线缆222在锚定点224处被固定至连杆202。在线缆222需要被引导穿过连杆204的点处，线缆222穿过固定在连杆204中的线缆引导件226。

在图13D所示的说明性实施方式中，线缆222具有在图13C中的锚定点224处被固定至连杆202的末端配件(未示出)。在线缆222需要被引导穿过连杆204的点处，线缆222穿过固定在连杆204中的线缆引导件226。另一根线缆228在锚定点230处被固定至连杆202。在线缆232需要被引导穿过连杆204的点处，线缆228穿过固定在连杆204中的线缆引导件232。

在图13E所示的说明性实施方式中，单一的贯通线缆234穿过连杆202和204。在线缆234需要被引导穿过连杆204的点处，线缆234穿过固定在连杆204中的线缆引导件236。在线缆234需要被引导穿过连杆202的点处，线缆234还穿过固定在连杆202中的线缆引导件238。线缆234延续到定位在超出图13E的左边缘和右边缘的其他连杆(未示出)。

在图13F所示的说明性实施方式中，与图13E相同的单一贯通线缆234穿过连杆202和204。在线缆234需要被引导穿过连杆204的点处，线缆234穿过固定在连杆204中的线缆引导件236。在线缆234需要被引导穿过连杆202的点处，线缆234还穿过固定在连杆202中的线缆引导件238。另一根贯通线缆240穿过连杆202和204。线缆240像线缆234那样穿过连杆202中的相同的线缆引导件236。线缆234和240延续到定位在超出图13F的左边缘和右边缘的其他连杆(未示出)。

在图13G所示的说明性实施方式中，与图13E和13F相同的单一贯通线缆234穿过连杆202和204。在线缆234需要被引导穿过连杆204的点处，线缆234穿过固定在连杆204中的线缆引导件236。在线缆234需要被引导穿过连杆202的点处，线缆234还穿过固定在连杆202中的线缆引导件238。第二根线缆242穿过连杆204并且在锚定点244处被锚定在连杆202中。线缆242像线缆234那样穿过固定在连杆202中的相同的线缆引导件236，但是不穿过连杆202中的线缆引导件238。

在图13H所示的说明性实施方式中，与图13E至13G相同的单一贯通线缆234穿过连杆202和204。在线缆234需要被引导穿过连杆204的点处，线缆234穿过固定在连杆204中的线缆引导件236。在线缆234需要被引导穿过连杆202的点处，线缆234还穿过固定在连杆202中的线缆引导件238。像图13G所示的实施方式中那样，第二根线缆242穿过连杆204并且在锚定点244处被锚定在连杆202中。线缆242不像线缆234那样穿过连杆204中相同的线缆引导件236，而是穿过连杆202中的第二个线缆引导件246。

现在参考图13I，示出了与图13A所示实施方式类似的另一个实施方式。与图13I所示的说明性实施方式相同，线缆208和210分别在锚定点212和214处被固定至连杆202，锚定点212和214被示出为线缆208和210端部处的小方块。在线缆208和210需要被引导穿过连杆204的点处，线缆208和210穿过固定在连杆204中的线缆引导件216。

除了图13A所示的线缆208和210之外，图13I所示的实施方式包括在锚定点250处被锚定于连杆202的第三根线缆248。在本实施方式的一个版本中，线缆248穿过线缆引导件216，并且在本实施方式的另一个版本中(以虚线示出的位置)，线缆248不穿过线缆引导件216。如会被本领域的一般技术人员理解的那样，线缆248可在机构中的该位置处穿过其他线缆引导件(未示出)或可不穿过线缆引导件。如会被本领域的一般技术人员理解的那样，由于锚定点212、214和250的不同位置，因此可通过选择性地在线缆208、210和248上设置拉力来在三个不同的方向上运动连杆202。

在图13A至13I示出的所有实施方式中，所有线缆引导件216、220、226、232、236、238和246都优选地为本文所教导的高硬度线缆引导件。使用高硬度线缆引导件明显减少了使用线缆腱的机器人操纵器的寿命期间线缆腱所经受的磨损。

本发明允许通过相比现有技术的下列优势来构建十分小型的机械操纵器：减少的部件成本、减少的组件成本、减少的零件数量、减少的摩擦、更长的耐磨寿命、良好的抗冲击性、轻量化以及降低的转动惯量。

本发明允许构建具有“腿部”或附属物的小型机器人、大型机器人，例如人形机器人以及改进的假手和机器人机械操纵器。本发明可被进一步应用于可使用鲍登线缆、线缆或绳索远距离施力以传递拉力的方面。

使用超硬陶瓷来实施高度抛光高硬度的线缆引导件并且使用超强合成编织线创建了十分低成本且坚固的线缆拉力系统，其使用少量容易装配的廉价的零件并且具有优良的耐磨和低摩擦特性。

减少的部件成本产生于硬陶瓷引导件和线缆的组合成本。高硬度线缆引导件是简单的部件，并且可通过比滑轮更少的费用获得。线缆，例如编织的迪尼玛(Dyneema)或类似材料，是广泛使用的廉价商品。

减少的组件成本可通过从连杆和关节结构的组件中将组件分为子系统来实现，该子系统例如包括线缆引导件和末端环的预配置线缆。

本发明提供了一种在线缆被重定向的点处具有减小的摩擦力的系统。与鲍登线缆解决方案相比线缆的摩擦力被减小。

本发明将制动器与连杆和关节分离，并且针对连杆使质量和转动惯量最小化，并且将质量和转动惯量运动至更好的位置(例如，在实施方式中的集中的主体)。连杆和关节可以更小。连杆和关节可以更抗冲击。

在不同的实施方式中，可以使用轴承、衬套、棒或类似元件来实施关节。本发明也可用在利用弹簧作为关节而非具有滑动或转动关节的机械操纵器中。例子包括金属或橡胶弹簧关节。

本发明可用在关节为多维关节，例如万向关节或橡胶关节。

本发明可应用于非机器人结构，例如自行车齿轮中的线缆致动系统以及制动器或其他利用鲍登线缆或滑轮的应用。

虽然已通过说明性实施方式详细描述了本发明，但应理解的是这种细节仅用于此目的，并且本发明不被限制于所公开的实施方式，而是相反地旨在覆盖变型和等同布置。例如，应理解的是，在可行的程度上，本发明考虑到任何实施方式的一个或多个特征可与任何其他实施方式的一个或多个特征相结合。

Claims (39)

1.一种机器人机械操纵器结构，其包括：

第一连杆；

第二连杆，其通过可旋转的关节被可旋转地连接至第一连杆；以及

第一线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第一线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且通过线缆引导件穿过第二连杆。

2.根据权利要求1所述的机器人机械操纵器结构，其中，第一锚定点和线缆引导件被定位为使第一连杆围绕关节沿第一方向旋转。

3.根据权利要求2所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第二方向运动，该第二线缆在第二锚定点处被锚定于第一连杆，并且在线缆引导件处穿过第二连杆。

4.一种机器人机械操纵器结构，其包括：

第一连杆；

第二连杆，其通过可旋转的关节被可旋转地连接至第一连杆；以及

第一线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第一线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且在第一线缆引导件处穿过第二连杆；以及

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第二方向运动，该第二线缆在第二锚定点处被锚定于第一连杆，并且在第二线缆引导件处穿过第二连杆。

5.根据权利要求1所述的机器人机械操纵器结构，其中：

第一线缆穿过第一连杆上的第一线缆引导件；并且

第二线缆穿过第一连杆上的第二线缆引导件。

6.根据权利要求1所述的机器人机械操纵器结构，其中，第一线缆通过弹簧被连接至第一连杆。

7.根据权利要求1所述的机器人机械操纵器结构，其中，线缆由超强且低拉伸性的合成材料形成。

8.根据权利要求7所述的机器人机械操纵器结构，其中，线缆由超高分子量聚乙烯编织线形成。

9.根据权利要求3所述的机器人机械操纵器结构，其中，线缆引导件由超硬陶瓷材料形成。

10.根据权利要求4所述的机器人机械操纵器结构，其中，线缆引导件由超硬陶瓷材料形成。

11.根据权利要求3所述的机器人机械操纵器结构，其中，线缆引导件由氧化铝、二氧化锆、二氧化钛、多晶蓝宝石以及碳化硅的其中之一形成。

12.一种用于机器人机械操纵器的预制线缆组件，其包括：

具有预选长度的线缆；

第一末端配件，其被连接至线缆的第一端；

第二末端配件，其被连接至线缆的第二端；以及

线缆穿过其中的至少一个线缆引导件。

13.根据权利要求12所述的预制线缆组件，其进一步包括弹簧，该弹簧与线缆串联连接，并且被定位在第一末端配件与第二末端配件之间。

14.根据权利要求12所述的预制线缆组件，其中，第一末端配件和第二末端配件是环或块的形式。

15.根据权利要求12所述的预制线缆组件，其中，第一末端配件和第二末端配件是绳结。

16.根据权利要求15所述的预制线缆组件，其中，第一末端配件和第二末端配件是帕洛玛结。

17.一种用于机器人机械操纵器的预制线缆组件，其包括：

第一线缆，其具有预选长度以及位于其第一端和第二端上的末端配件；

第二线缆，其具有预选长度以及位于其第一端和第二端上的末端配件；

第一线缆和第二线缆穿过其中的第一线缆引导件；以及

第一线缆穿过其中的第二线缆引导件。

18.根据权利要求17所述的预制线缆组件，其进一步包括：

第一线缆穿过其中的第三线缆引导件；以及

第二线缆穿过其中的第四线缆引导件。

19.根据权利要求18所述的预制线缆组件，其进一步包括：

第三线缆，其具有预选长度以及位于其第一端和第二端上的末端配件，该第三线缆穿过第一线缆引导件；以及

第三线缆穿过其中的第五线缆引导件。

20.一种用于机器人机械操纵器的连杆，其包括：

第一部；

第二部，其被配置为与第一部匹配；

轴承凹槽结构，其被设置于第一部和第二部各自的第一端处，并且被配置为将关节轴承保持到位；

轴承轴结构，其位于第一部和第二部各自的与第一端相对的第二端，并且被配置为将轴承轴保持到位；

至少一个线缆引导件孔，其被设置于第一部和第二部的至少一个中；以及至少一个线缆引导件固定件，其被设置于第一部和第二部的至少一个中，该至少一个线缆引导件固定件被配置为保持线缆引导件，该线缆引导件被定位为接收穿过至少一个线缆引导件孔的线缆。

21.根据权利要求20所述的连杆，其包括至少一个线缆锚定点。

22.根据权利要求20所述的连杆，其中，至少一个线缆引导件固定件包括孔隙，该孔隙被成形为接收线缆引导件。

23.根据权利要求22所述的连杆，其中，至少一个线缆引导件为孔眼，并且至少一个线缆引导件固定件包括孔隙，该孔隙被成形为接收线缆引导件孔眼。

24.一种用于机器人机械操纵器的连杆，其包括：

细长构件；

轴承支撑结构，其被配置为被安装在细长构件的第一端；

轴承轴支撑结构，其被配置为被安装在细长构件的与第一端相对的第二端；以及

至少一个线缆引导件支撑结构，其被配置为被安装在细长构件上。

25.根据权利要求24所述的连杆，其包括至少一个线缆锚定点，该线缆锚定点被配置为安装在细长构件上。

26.一种机器人机械操纵器结构，其包括：

第一连杆；

第二连杆，其通过可旋转的关节被可旋转地连接至第一连杆；

第一高硬度线缆引导件，其被设置于第二连杆中；以及

第一线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第一线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且穿过第二连杆中的第一高硬度线缆引导件。

27.根据权利要求26所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第二方向运动，该第二线缆在第二锚定点处被连接至第一连杆。

28.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其中，第二线缆穿过第二连杆中的第一高硬度线缆引导件。

29.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其中，第二线缆穿过第二连杆中的第二高硬度线缆引导件。

30.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第三线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第三方向运动，该第三线缆在第二锚定点处被连接至第一连杆。

31.根据权利要求30所述的机器人机械操纵器结构，其中，第三线缆穿过第二连杆中的第一高硬度线缆引导件。

32.根据权利要求30所述的机器人机械操纵器结构，其中，第三线缆穿过第二连杆中的第二高硬度线缆引导件。

33.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其中，第二线缆穿过第二连杆中的第三高硬度线缆引导件。

34.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其中，第二线缆穿过第二连杆中的第二高硬度线缆引导件。

35.根据权利要求27所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括穿过第一连杆和第二连杆的第三线缆，该第三线缆穿过第二连杆中的第一高硬度线缆引导件。

36.一种机器人机械操纵器结构，其包括：

第一连杆；

第二连杆，其通过可旋转的关节被可旋转地连接至第一连杆；

第一高硬度线缆引导件，其被设置在第一连杆中；

第二高硬度线缆引导件，其被设置在第二连杆中；以及

第一线缆，其穿过第一连杆中的第一高硬度线缆引导件以及第二连杆中的第二高硬度线缆引导件。

37.根据权利要求36所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第二线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且穿过第二连杆中的第二高硬度线缆引导件。

38.根据权利要求36所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第二连杆中的第三高硬度线缆引导件；以及

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第二线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且穿过第二连杆中的第三高硬度线缆引导件。

39.根据权利要求36所述的机器人机械操纵器结构，其进一步包括：

第二线缆，其被连接在第一连杆与第二连杆之间，以使第一连杆相对于第二连杆围绕关节沿第一方向运动，该第二线缆在第一锚定点处被连接至第一连杆，并且穿过第二连杆中的第二高硬度线缆引导件且不穿过第一连杆中的第一高硬度线缆引导件。