CN106625639A - 一种柔性臂联动关节段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，公开了一种柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件。本发明相对于现有技术可以减少电机的使用数量与机械臂的质量，从而可以提高响应速度；需要采用联动关节的方案，将关节段内的关节通过联动机构联结一起，实现等曲率等方向的关节运动；机械臂的刚性强，负载能力高，末端精度高。

Description

一种柔性臂联动关节段

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及组成柔性臂的关节段或者关节组。

背景技术

区别于传统的关节串联型机械臂，柔性机械臂具有灵活度高，避障能力强等优点，在受限空间或危险环境下的运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。

现有技术中，柔性机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，虽可以提高整臂的冗余度，但相应的也会增加驱动电机的数目，既会提高机械臂的控制难度，同时还会增加整臂的重量和成本。

为解决驱动电机数目较多这一问题，现有的方案是在关节之间增加弹簧等弹性元件，把一段臂做为一个控制单元进行控制，或者直接用镍钛合金或弹性材料等柔性结构体作为臂基体进行控制，实现类圆弧变形运动，但此种机械臂实际运动过程中的形状与圆弧形状之间存在偏差，末端精度不高，同时负载能力不强，难以满足人们的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种柔性臂联动关节段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件，其中

第一端部关节与第一端部连接件固接；沿第一方向，第一中心关节的两端分别与第一端部连接件、第一中心连接件转动连接；第三中心关节的两端分别与第二中心连接件、第三中心连接件转动连接；第二中心关节的两端与第一中心连接件、第二中心连接件之间，以及第四中心关节与第三中心连接件之间相对固定；

第一端部连接件与第一中心连接件之间，以及第二中心连接件与第三连接件之间分别通过短联动绳连接，第一端部连接件与第三中心连接件之间通过长联动绳连接，以使从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间可发生沿第一方向的同向且同角度的转动。

作为上述方案的进一步改进方式，第一端部连接件与第一中心连接件上沿第一方向各设有线槽，连接第一端部连接件与第一中心连接件的短联动绳至少为两根且相互对称设置，短联动绳的两端分别与第一端部连接件、第一中心连接件固定连接，其绕过第一端部连接件上的线槽后再反向绕过第一中心连接件上的线槽，以使第一端部连接件与第一中心连接件的转动方向相反。

作为上述方案的进一步改进方式，第二中心连接件与第三中心连接件上沿第一方向各设有线槽，连接第二中心连接件与第三中心连接件的短联动绳至少为两根且相互对称设置，短联动绳的两端分别与第二中心连接件、第三中心连接件固定连接，其绕过第二中心连接件上的线槽后再反向绕过第三中心连接件上的线槽，以使第二中心连接件与第三中心连接件的转动方向相反。

作为上述方案的进一步改进方式，第一端部连接件与第三中心连接件上沿第一方向各设有线槽，连接第一端部关节与第三中心连接件的长联动绳至少为两根且相互对称设置，长联动绳的两端分别与第一端部关节、第三中心连接件固定连接，其绕过第一端部连接件上的线槽后再反向绕过第三中心连接件上的线槽，以使第一端部连接件与第三中心连接件的转动方向相反。

作为上述方案的进一步改进方式，包括第二端部关节与第二端部连接件，第二端部关节通过第二端部连接件与第四中心关节连接，其中

第二端部关节与第二端部连接件固接；沿与第一方向垂直的第二方向，第二中心关节的两端分别与第一中心连接件、第二中心连接件转动连接；第四中心关节的两端分别与第三中心连接件、第二端部连接件转动连接；第一中心关节的两端与第一端部连接件、第一中心连接件之间，以及第三中心关节与第二中心连接件、第三中心连接件之间相对固定；

第一中心连接件与第二中心连接件之间，以及第三中心连接件与第二端部连接件之间分别通过短联动绳连接，第二端部关节与第一中心关节之间通过长联动绳连接，以使从第二端部关节至第一中心关节，相邻关节之间可发生沿第二方向的同向且同角度的转动。

作为上述方案的进一步改进方式，第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节、第四中心关节与第二端部关节的两端均设有铰接座，相邻关节上的铰接座相互垂直。

作为上述方案的进一步改进方式，包括用于调节短联动绳张紧程度的张紧装置，张紧装置包括沿关节段长度方向设置的导杆，以及可沿导杆滑动的导套，导套上设有过孔，短联动绳穿设在过孔内，过孔与短联动绳之间还设有可降低摩擦力的滑套。

作为上述方案的进一步改进方式，包括用于调节长联动绳张紧程度的张紧装置，张紧装置包括螺杆、调节螺母与顶筒，螺杆沿关节段的长度方向固定在第一端部关节上，顶筒套接在螺杆上，调节螺母旋在螺杆上并位于顶筒的下方，长联动绳的端部相对顶筒固定。

作为上述方案的进一步改进方式，包括至少三根独立运动的驱动绳，驱动绳沿圆周方向分布，第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节、第四中心关节与第二端部关节各包括有过线盘，过线盘上沿周向设有若干的过线孔，驱动绳至少从第一中心关节至第四中心关节之中的任意一组相邻关节的连接部位穿过，并与第三中心关节至第一端部关节中的任意一个关节固接。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳依次穿设在第四中心关节、第三中心关节、第二中心关节与第一中心关节的过线孔内，并与第一端部关节固接。

本发明的有益效果是：

相对于现有技术可以减少电机的使用数量与机械臂的质量，从而可以提高响应速度；需要采用联动关节的方案，将关节段内的关节通过联动机构联结一起，实现等曲率等方向的关节运动；机械臂的刚性强，负载能力高，末端精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的立体示意图；

图2是本发明一个实施例的正视图；

图3是本发明第一端部关节、第一中心关节与第一端部连接件的连接示意图；

图4是本发明显示短联动绳与关节之间连接关系的剖视图；

图5是图2中的后视图；

图6是本发明第二个实施例的正视图；

图7是图6中的后视图；

图8是本发明关节与驱动绳的连接示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。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。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1、图2，分别示出了本发明第一个实施例的立体示意图与正视图。如图所示，本发明包括依次串联的第一端部关节11、第一中心关节21、第二中心关节22、第三中心关节23、第四中心关节24、短联动绳31、短联动绳32、短联动绳33与短联动绳34，且从第一端部关节11至第四中心关节24，相邻关节之间依次设有第一端部连接件41、第一中心连接件51、第二中心连接件52与第三中心连接件53。在上述短联动绳以及未示出的长联动绳的连接作用下，整个关节段处于联动状态中，即任何一个关节运动均能引起相邻关节之间发生同向且同角度的转动。

具体的，第一端部关节11与第一端部连接件41固接，即第一端部关节11与第一端部连接件41可一体运动。沿第一方向（第一方向即绕图中转轴L1的转动方向），第一中心关节21的两端分别与第一端部连接件41、第一中心连接件51转动连接；第三中心关节23的两端分别与第二中心连接件52、第三中心连接件53转动连接。第二中心关节22的两端与第一中心连接件51、第二中心连接件52之间，以及第四中心关节24与第三中心连接件之间相对固定。

为进一步说明关节之间如何通过连接件进行连接，参照图3，示出了本发明第一端部关节、第一中心关节与第一端部连接件的连接示意图。如图所示，第一端部连接件41包括矩形的框体411，框体411的四周侧壁上设有一体式的圆盘412，圆盘412上设有线槽以及转轴孔和/或安装孔。第一端部关节11、第一中心关节21的主体结构相同，均包括一圆柱形的主体，主体两端伸出铰接座，主体两端的外周设有过线盘，过线盘上沿圆周方向设有过线孔，过线孔一方面可以供下述驱动绳穿过，对驱动绳进行限位，另一方面也可以作为驱动绳与关节之间的连接结构。第一端部关节11上的铰接座相对框体411的两相对侧壁设置，并通过销钉与对应的圆盘412固定连接；第一中心关节21上的铰接座相对框体411的另外两相对侧壁设置，并通过销钉与对应的圆盘412转动连接。

优选的，本发明中的第一端部关节11、第一中心关节21、第二中心关节22、第三中心关节23与第四中心关节24可以采用完全相同的结构，类似的，第一端部连接件41、第一中心连接件51、第二中心连接件52与第三中心连接件53也可以采用完全相同的结构，以增加互换性。

参照图4并结合图2，图4示出了本发明显示短联动绳与关节之间连接关系的剖视图。如图所示，

短联动绳31的顶端a与第一端部连接件41的左侧固定连接，底端b则与第一中心连接件51的右侧固定连接，短联动绳31首先沿图中顺时针的方向绕在第一端部连接件41上的圆盘412的线槽内，然后再沿图中逆时针的方向绕在第一中心连接件51上的圆盘412的线槽内；短联动绳32的顶端c与第一端部连接件41的右侧固定连接，底端d则与第一中心连接件51的左侧固定连接，短联动绳32首先沿图中逆时针的方向绕在第一端部连接件41上的圆盘412的线槽内，然后再沿图中顺时针的方向绕在第一中心连接件51上的圆盘412的线槽内。短联动绳31与短联动绳32的对称分布并相互交叉，二者的连接关系、运动关系相同，故以短联动绳31为例说明第一端部关节11、第一端部连接件41、第一中心关节21、第一中心连接件51与第二中心关节22通过短联动绳31实现联动的工作原理：

由于短联动绳31的顶端a与第一端部连接件41固定连接，故顶端a可随第一端部连接件41的转动而沿圆周方向运动，当第一端部连接件41朝左侧转动时，顶端a下降，同时拉动第一中心连接件51相对第一中心关节21朝左侧转动，也可以视作第一中心关节21相对第一中心连接件51朝左侧转动，如此便实现了第一端部连接件41与第一中心关节21之间，以及第一中心关节21至第一中心连接件51之间的同向转动，又由于第一端部关节11沿第一方向相对第一端部连接件41固定，第一中心关节22沿第一方向相对第一中心连接件51固定，故可以实现第一端部关节11、第一中心关节21与第二中心关节22的同向转动；此外，由于短联动绳31的总长一定，故第一端部连接件41的转动角度等于第一中心连接件51的转动角度。综上，第一端部关节11、第一中心关节21与第二中心关节22间可以发生同向且同角度的转动。

作为短联动绳与连接件的一种优选连接方式，连接件（即上述的第一端部连接件与第一中心连接件）上设有螺纹孔，螺纹孔内旋有螺钉，螺钉上设有径向的通孔，短联动绳穿过通孔后通过端部的金属球头卡接在销钉上。

作为短联动绳与连接件的另一种优选连接方式，连接件上同样设有螺纹孔，螺纹孔内旋有螺钉，螺钉上设有轴向的螺纹孔，以及与该轴向螺纹孔连通的径向通孔，短联动绳穿过径向通孔，由旋在轴向螺纹孔内的顶丝顶紧固定。优选的，径向通孔内还设有薄壁金属管，短联动绳穿设在薄壁金属管内，顶丝挤压薄壁金属管发生变形直至顶紧短联动绳，薄壁金属管可以对绳索起到一定保护作用，避免顶丝拧入的过程中损坏绳索，同时金属筒被压紧变形后也可以增强对绳索的固定作用。

在关节段另一端，短联动绳33、短联动绳34分别连接第二中心连接件52以及第三中心连接件53，其连接方式、布置方式均与上述的短联动绳31、短联动绳32相同，在此就不一一赘述。在短联动绳33、短联动绳34的联动作用下，第二中心关节22、第三中心关节23与第四中心关节24之间也可以发生沿第一方向的同向且同角度的转动。

参照图5，示出了图2中的后视图。如图所示，本发明除联动绳之外还设有长联动绳，长联动绳61的顶端e固定在第一端部关节11的左侧，底部f固定在第三中心连接件53的右侧，长联动绳61通过线槽沿图中顺时针的方向绕过第一端部连接件41上的圆盘412，然后再通过线槽沿图中逆时针的方向绕过第三中心连接件53上的圆盘412，长联动绳62与长联动绳61优选对称设置且相互交叉，优选的，长联动绳62与长联动绳61穿设在软管之内，以避免联动绳之间以及联动绳与关节之间发生摩擦。如此，当第一端部关节11相对第一中心关节21转动时，还可以带动第三中心连接件53相对第三中心关节23转动，结合第一端部关节11、第一中心关节21与第二中心关节22之间的联动，以及第二中心关节22、第三中心关节23与第四中心关节24之间的联动，整个关节段可以朝一个方向等曲率弯曲。

本发明包括用于调节短联动绳张紧程度的张紧装置，如图4所示，张紧装置包括设于第一中心关节21与第三中心关节23上的导杆71以及可沿导杆71滑动的导套72，导套72上旋有螺钉，螺钉的端部穿过导套后与导杆71抵持，从而将导套72固定在导杆71上。导套72上设有过孔，联动绳穿设在过孔内，通过导套72沿导杆71的滑动便可以调整联动绳的张紧程度。过孔与短联动绳之间还设有可降低摩擦力的滑套，避免短联动绳与孔壁摩擦而降低联动绳的使用寿命，本实施例中的滑套优选采用特氟龙套管。

本发明包括用于调节长联动绳张紧程度的张紧装置，如图5所示，张紧装置包括螺杆73、调节螺母74与顶筒75，螺杆73沿关节段的长度方向固定在第一端部关节11上，顶筒75套接在螺杆73上，调节螺母74旋在螺杆73上并位于顶筒75的下方，长联动绳的端部穿过顶筒75后与一端子固定。通过旋动调节螺母74便可以推动顶筒75升降，进而推动长联动绳的端部升降以达到张紧长联动绳的作用。

上述实施例中的关节段仅在第一方向上可以实现联动转动，进一步的，本发明还公开了一种可以在两个方向上实现联动转动的实施例。参照图6，示出了本发明第二个实施例的正视图，其与第一个实施例的区别在于还包括有第二端部关节12、第二端部连接件42以及沿第二方向设置的短联动绳35、短联动绳36、短联动绳37、短联动绳38、长联动绳63与长联动绳64。其中，第二方向（第二方向即绕图1中转轴L2的转动方向）与第一方向垂直，图6可以视为图2增加第二端部关节12、第二端部连接件42后的左视图。

如图所示，第二端部关节12与第二端部连接件42固接。沿第二方向，第二中心关节22的两端分别与第一中心连接件51、第二中心连接件52转动连接；第四中心关节24的两端分别与第三中心连接件53、第二端部连接件42转动连接。第一中心关节21的两端与第一端部连接件41、第一中心连接件51之间，以及第三中心关节23与第二中心连接件52、第三中心连接件53之间相对固定。

按照与上述短联动绳相同的连接方式，短联动绳35、短联动绳36用于连接第一中心连接件51与第二中心连接件52，从而实现第一中心关节21、第二中心关节22与第三中心关节23之间沿第二方向的同向同曲率转动。短联动绳37、短联动绳38用于连接第二端部连接件42与第三中心连接件53，从而实现第二端部关节12、第四中心关节24与第三中心关节23之间沿第二方向的同向同曲率转动。

参照图7，示出了图6中的后视图。如图所示，长联动绳63、长联动绳64按照上述长联动绳的连接方式连接第二端部关节12与第一中心连接件51。如此，当第二端部关节12相对第四中心关节24转动时，还可以带动第一中心连接件51相对第一中心关节21转动，结合第二端部关节12、第四中心关节24与第三中心关节23之间的联动，以及第一中心关节21、第二中心关节22与第三中心关节23之间的联动，从第一中心关节21至第二端部关节12间均可以实现沿第二方向的同向且同角度的转动。

综上，本实施例中的关节段可以实现沿第一方向与第二方向的等曲率弯曲。

本发明还设有驱动关节运动的驱动绳，参照图8，示出了本发明关节与驱动绳的连接示意图，图中隐藏了第二端部关节。如图所示，针对第二实施例，本发明包括至少三根独立运动的驱动绳81，驱动绳沿圆周方向分布。驱动绳81至少从第一中心关节21至第四中心关节24之中的任意一组相邻关节的连接部位穿过，并与从第三中心关节23至第一端部关节11中的任意一个关节固接。由于整个关节段处于联动状态，故驱动其中一个关节运动便可以实现整个关节段的运动。

作为驱动绳的一种优选连接方式，驱动绳依次穿过第二端部关节12、第四中心关节24、第三中心关节23、第二中心关节22与第一中心关节21的过线孔，并最后与第一端部关节11的固接。如此，驱动绳一方面可以直接驱动第一中心关节21，另一方面驱动绳在其它关节的过线孔内滑动的过程中也可以通过接触部位的相互作用力间接的驱动相应的关节，实现关节段的同向等曲率弯曲。

作为驱动绳的另一种优选连接方式，驱动绳无需穿过所有关节的过线孔，只需从第一中心关节21至第四中心关节24中挑选任意一组相邻关节，驱动绳从该组相邻关节的连接部位穿过，并与第三中心关节23至第一端部关节11中的任意一个关节固接，如驱动绳仅穿过第四中心关节24、第三中心关节23相邻端部的过线孔，然后固接在第三中心关节23之上，驱动绳的剩余部分穿在金属软管之内，由金属软管导向至关节段根部关节后再与驱动模块连接。金属软管可以发生弯曲，但在轴向上不会因挤压而发生长度变化。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种柔性臂联动关节段，其特征在于，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从所述第一端部关节至所述第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件，其中

所述第一端部关节与第一端部连接件固接；沿第一方向，所述第一中心关节的两端分别与所述第一端部连接件、第一中心连接件转动连接；所述第三中心关节的两端分别与所述第二中心连接件、第三中心连接件转动连接；所述第二中心关节的两端与所述第一中心连接件、第二中心连接件之间，以及所述第四中心关节与所述第三中心连接件之间相对固定；

所述第一端部连接件与所述第一中心连接件之间，以及所述第二中心连接件与所述第三连接件之间分别通过所述短联动绳连接，所述第一端部连接件与第三中心连接件之间通过所述长联动绳连接，以使从所述第一端部关节至所述第四中心关节，相邻关节之间可发生沿所述第一方向的同向且同角度的转动。

2.根据权利要求1所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，所述第一端部连接件与第一中心连接件上沿所述第一方向各设有线槽，连接所述第一端部连接件与所述第一中心连接件的所述短联动绳为两根且相互对称设置，所述短联动绳的两端分别与所述第一端部连接件、第一中心连接件固定连接，其绕过所述第一端部连接件上的线槽后再反向绕过所述第一中心连接件上的线槽，以使所述第一端部连接件与第一中心连接件的转动方向相反。

3.根据权利要求1所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，所述第二中心连接件与第三中心连接件上沿所述第一方向各设有线槽，连接所述第二中心连接件与所述第三中心连接件的所述短联动绳为两根且相互对称设置，所述短联动绳的两端分别与所述第二中心连接件、第三中心连接件固定连接，其绕过所述第二中心连接件上的线槽后再反向绕过所述第三中心连接件上的线槽，以使所述第二中心连接件与第三中心连接件的转动方向相反。

4.根据权利要求1所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，所述第一端部连接件与第三中心连接件上沿所述第一方向各设有线槽，连接所述第一端部关节与所述第三中心连接件的所述长联动绳为两根且相互对称设置，所述长联动绳的两端分别与所述第一端部关节、第三中心连接件固定连接，其绕过所述第一端部连接件上的线槽后再反向绕过所述第三中心连接件上的线槽，以使所述第一端部连接件与第三中心连接件的转动方向相反。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，包括第二端部关节与第二端部连接件，所述第二端部关节通过所述第二端部连接件与所述第四中心关节连接，其中

所述第二端部关节与第二端部连接件固接；沿与所述第一方向垂直的第二方向，所述第二中心关节的两端分别与所述第一中心连接件、第二中心连接件转动连接；所述第四中心关节的两端分别与所述第三中心连接件、第二端部连接件转动连接；所述第一中心关节的两端与所述第一端部连接件、第一中心连接件之间，以及所述第三中心关节与所述第二中心连接件、第三中心连接件之间相对固定；

所述第一中心连接件与所述第二中心连接件之间，以及所述第三中心连接件与所述第二端部连接件之间分别通过所述短联动绳连接，所述第二端部关节与第一中心关节之间通过所述长联动绳连接，以使从所述第二端部关节至所述第一中心关节，相邻关节之间可发生沿所述第二方向的同向且同角度的转动。

6.根据权利要求5所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，所述第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节、第四中心关节与第二端部关节的两端均设有铰接座，安装后相邻关节上的铰接座相互垂直。

7.根据权利要求2或3所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，包括用于调节所述短联动绳张紧程度的张紧装置，所述张紧装置包括沿所述关节段长度方向设置的导杆，以及可沿所述导杆滑动的导套，所述导套上设有过孔，所述短联动绳穿设在所述过孔内，所述过孔与短联动绳之间还设有可降低摩擦力的滑套。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，包括用于调节所述长联动绳张紧程度的张紧装置，所述张紧装置包括螺杆、调节螺母与顶筒，所述螺杆沿所述关节段的长度方向固定在所述第一端部关节上，所述顶筒套接在所述螺杆上，所述调节螺母旋在所述螺杆上并位于所述顶筒的下方，所述长联动绳的端部相对所述顶筒固定。

9.根据权利要求5所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，包括至少三根独立运动的驱动绳，所述驱动绳沿圆周方向分布，所述第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节、第四中心关节与第二端部关节各包括有过线盘，所述过线盘上沿周向设有若干的过线孔，所述驱动绳至少从所述第一中心关节至第四中心关节之中的任意一组相邻关节的连接部位穿过，并与所述第三中心关节至第一端部关节中的任意一个关节固接。

10.根据权利要求9所述的柔性臂联动关节段，其特征在于，所述驱动绳依次穿设在所述第二端部关节、第四中心关节、第三中心关节、第二中心关节与第一中心关节的所述过线孔内，并与所述第一端部关节固接。