CN108177160A - 一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组与机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，公开了一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组与机械臂，其中关节组包括使联动关节组在偏航方向上联动的第一联动组件，以及使联动关节组在俯仰方向上联动的第二联动组件，第一联动组件包括两根对称设置的第一联动绳，以及沿偏航方向设置在第一臂段的首端的第一导向盘、设置在第一连接件上的第一联动盘以及设置在第三连接件上的第三联动盘；第一联动绳的首端与第一联动盘固定连接，并依次绕过第一联动盘、第一导向盘与第三联动盘，第一联动绳的尾端与第三联动盘固定连接，第一联动绳的尾端与首端分别位于该第一联动盘、第三联动盘的中心连线的同一侧。本发明以实现整个关节组的连续弯曲，有助于提升机械臂的柔顺性。

Description

一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组与机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，以及应用该联动关节组的柔性机械臂。

背景技术

当前，大量高效率、高精度的工业级机器人已经在电气、化工、机械等制造业领域取得较为广阔的应用，但是传统的工业机器人受限于其结构过大或刚性过高，无法适应于极端狭窄与极端危险的工作环境，如管道清洁等。

与传统机械臂相比，柔性机械臂由于其固有的超冗余度特性，可以实现多个连续部分的弯曲、伸缩、扭转，在受限空间中的运动和操作能力远高于传统的多关节刚性连接杆机器人。为了使柔性机械臂的弯曲精度更为可控，现有的柔性机械臂通常由多个关节组依次连接而成，关节组内的各个臂段之间通常联动绳联动，关节组之间也通过联动绳联动，然而在现有的联动绳连接方案中，关节组端部臂段的弯曲是不连续的，影响了整个机械臂弯曲的柔顺性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，用于解决现有技术中关节组端部臂段的弯曲不连续的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，

包括依次串联的第一臂段、第二臂段、第三臂段、第四臂段，且从第一臂段至第四臂段，相邻臂段之间依次转动连接有第一连接件、第二连接件与第三连接件，第四臂段的尾端转动连接有第四连接件；

还包括使联动关节组在偏航方向上联动的第一联动组件，以及使联动关节组在俯仰方向上联动的第二联动组件，第一联动组件包括两根对称设置的第一联动绳，以及沿偏航方向设置在第一臂段的首端的第一导向盘、设置在第一连接件上的第一联动盘以及设置在第三连接件上的第三联动盘；

第一联动绳的首端与第一联动盘固定连接，并依次绕过第一联动盘、第一导向盘与第三联动盘，第一联动绳的尾端与第三联动盘固定连接，第一联动绳的尾端与首端分别位于该第一联动盘、第三联动盘的中心连线的同一侧。

作为上述方案的进一步改进方式，第一联动绳的首端与第一联动盘的第一侧固定连接，绕过第一联动盘后从第一联动盘上相对第一侧的第二侧伸出，然后从第一导向盘的第三侧绕过第一导向盘，并从第一导向盘上相对第三侧的第四侧伸出，然后从第三联动盘的第五侧绕过第三联动盘，并与第三联动盘上相对第五侧的第六侧固定连接，其中，第一侧、第三侧与第六侧位于同一侧，第二侧、第四侧与第五侧位于同一侧。

作为上述方案的进一步改进方式，第一联动组件还包括两根对称第二联动绳，其中一根第二联动绳分别绕过第二联动盘、第三联动盘，该第二联动绳的两端分别与第二联动盘、第三联动盘固定连接，且该短联动绳的两端分别位于第二联动盘、第三联动盘的中心连线的不同侧。

作为上述方案的进一步改进方式，沿俯仰方向，第一连接件上也设有第一联动盘，第三连接件上也设有第三联动盘，第二连接件上设有第二联动盘，第四连接件上设有第四联动盘。

作为上述方案的进一步改进方式，第二联动组件包括两根对称设置的第三联动绳，第三联动绳分别绕过俯仰方向上的第一联动盘、第二联动盘，第三联动绳的两端分别与该第一联动盘、第二联动盘固定连接，且该第三联动绳的两端分别位于该第一联动盘、第二联动盘的中心连线的不同侧；

作为上述方案的进一步改进方式，第二联动组件包括两根对称设置的第四联动绳，第四联动绳分别绕过俯仰方向上的第三联动盘、第四联动盘，第四联动绳的两端分别与该第三联动盘、第四联动盘固定连接，且第四联动绳的两端分别位于该第三联动盘、第四联动盘的中心连线的不同侧。

作为上述方案的进一步改进方式，第二联动组件包括两根对称设置的第五联动绳，第五联动绳分别绕过俯仰方向上的第一联动盘、第四联动盘，第五联动绳的两端分别与该第一联动盘、第四联动盘固定连接，且第五联动绳的两端分别位于该第一联动盘、第四联动盘的中心连线的不同侧。

作为上述方案的进一步改进方式，第一臂段、第二臂段、第三臂段、第四臂段的侧壁上均设有开口，

第一联动绳从第一臂段上的开口穿入第一臂段的内部，经过第二臂段的内部后再从第三臂段上的开口穿出；

第五联动绳从第二臂段上的开口穿入第二臂段的内部，经过第三臂段的内部后再从第四臂段上的开口穿出。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括包覆在第一联动绳与第五联动绳外侧的软管。

一种机械臂，包括驱动绳，还包括若干依次串联的上述可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，相邻联动关节组之间通过两根对称设置的第六联动绳联动，后一联动关节组的第一臂段与前一关节组的第四连接件转动连接，其中

驱动绳与位于机械臂最前端的联动关节组的第一臂段固定连接，除位于机械臂最前端的联动关节组之外，其他联动关节组的第一臂段的尾端还设有第二导向盘；

在相邻两关节组中，第六联动绳的尾端与前一第四连接件上的第四联动盘固定连接，并依次绕过前一第四连接件上的第四联动盘、后一第一臂段上的第二导向盘与前一第二连接件上的第二联动盘，第六联动绳的首端与前一第二连接件上的第二联动盘固定连接，六联动绳的尾端与首端分别位于该第二联动盘、第四联动盘的中心连线的同一侧。

本发明的有益效果是：

本发明的关节组可以实现俯仰方向与偏航方向上的联动，由于第一臂段的端部通过导向盘联入至整个联动系统中，故可以实现整个关节组的连续弯曲，有助于提升机械臂的柔顺性。

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是本发明联动关节组一个实施例的正视图；

图2是图1中的后视图；

图3是图1中的左视图；

图4是图1中的右视图；

图5是本发明联动关节组一个实施例的立体示意图；

图6是本发明机械臂一个实施例的部分结构示意图。

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、前、后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5，示出了本发明联动关节组一个实施例的正视图与立体示意图。如图所示，联动关节组包括依次串联的第一臂段11、第二臂段12、第三臂段13、第四臂段14，且从第一臂段11至第四臂段14，相邻臂段之间依次转动连接有第一连接件21、第二连接件22与第三连接件23，第四臂段14的尾端转动连接有第四连接件24。

上述连接件结构均为相同的矩形块结构，矩形块结构的四个侧壁上分别伸出有转轴，相对侧伸出的转轴同轴。相邻的臂段之间的转动方向相互垂直。

将图1中箭头的方向规定为偏航方向，图中显示了使联动关节组在偏航方向上联动的第一联动组件的部分结构，具体包括两根对称设置的第一联动绳31，以及沿偏航方向设置在第一臂段11的首端的第一导向盘111、设置在第一连接件21上的第一联动盘211以及设置在第三连接件23上的第三联动盘231。

本文中的导向盘通过一转轴可以相对第一臂段11转动，即导向盘的作用在于改变联动绳的方向，而不传递动力，联动盘则与对应的连接件固定连接，用于动力的传递。

本文中的导向盘与联动盘的周向上均设有环形的绳槽，用于对联动绳进行限位，文中所称的绕过联动盘，指绕设在联动盘的绳槽中，后文不在细述。

优选地，第一连接件21的四周均设有第一联动盘211，第二连接件22的四周均设有第二联动盘221，第三连接件23的四周均设有第三联动盘231，第四连接件24的四周均设有第四联动盘241。本文虽然对各连接件和联动盘分别赋予了不同的附图标记，但其目的只是为了方便说明方案，本文中的各连接件与各联动盘的结构实质相同。

第一联动绳31的首端与第一联动盘211固定连接，并依次绕过第一联动盘211、第一导向盘111与第三联动盘231，第一联动绳31的尾端与第三联动盘231固定连接，第一联动绳31的尾端与首端分别位于该第一联动盘211、第三联动盘231的中心连线的同一侧。

本文所称的“前一”、“首端”、“前端”均指远离柔性臂驱动装置的方向，“后一”、“尾端”、“后端”均指靠近柔性臂驱动装置的方向。

图中位于第一臂段11上的呈交叉分布的绳段分别隶属于两根第一联动绳31。

具体地，以其中一根第一联动绳31为例，该第一联动绳首端311与第一联动盘211的第一侧(图中为右侧)固定连接，从第一联动盘211的下半圆周绕过后从第一联动盘211上相对第一侧的第二侧(图中为左侧)向右上方伸出，然后从第一导向盘111的第三侧(图中为右侧)并由第一导向盘111的上半圆周绕过第一导向盘111，并从第一导向盘111上相对第三侧的第四侧(图中为左侧)向左下方伸出，最后从第三联动盘231的第五侧(图中为左侧)并由第三联动盘231的下半圆周绕过第三联动盘231，并与第三联动盘231上相对第五侧的第六侧(图中为右侧)固定连接，如此，当第一臂段11朝图中逆时针方向转动时，第一连接件21同步朝逆时针方向转动，上述第一联动绳31拉动第三连接件23朝顺时针方向转动，第三连接件23带动第四臂段24朝顺时针方向转动，从而使关节组整体朝一个方向弯曲，由于第一连接件21的转动量通过联动绳完全传递至第三连接件23，故臂段的曲率也相同，从而实现联动，本文中的联动均依照上述原理，后文不再详述。

另一根第一联动绳31为上述第一联动绳31的镜像，用于实现关节组另一个方向上的联动，其连接方式相似，在此不作详述。

由于第一联动绳31的长度较长，为了避免对机械臂的运动造成干扰，第一联动绳31从第一臂段11上的开口112穿入第一臂段11的内部，经过第二臂段12的内部后再从第三臂段13上的开口131穿出。为了进一步避免联动绳在开口处发生摩擦，本发明还设置有套接在联动绳外侧的软管41，软管41的首端411与第一臂段12上的卡箍固定连接，尾端412与第三臂段13上的凸缘固定连接，尾端412从软管41内伸出后，穿过凸缘上未示出的绳孔到达固接位置。

图1所示的第一联动组件仅能实现第一臂段11与第二臂段12之间，以及第三臂段13与第四臂段14之间的联动，第二臂段12与第三臂段13还不存在联动关系，基于此，参照图2，示出了图1的后视图，第一联动组件还包括两根对称的第二联动绳32，两根第二联动绳32的连接关系类似，以其中一根第二联动绳32为例，该第二联动绳32分别绕过第二联动盘221、第三联动盘231，该第二联动绳32的两端分别与第二联动盘221、第三联动盘231固定连接，且该短联动绳32的两端分别位于第二联动盘221、第三联动盘231的中心连线的不同侧。如此，当图1中的第一臂段11朝逆时针方向转动时，第三连接件23带动第四臂段24朝顺时针方向转动，从图2中看，则第一臂段11朝顺时针方向转动，第三连接件23带动第四臂段24朝逆时针方向转动，其中一侧第二联动绳32则拉动第二连接件12朝顺时针方向转动，进而第二连接件12带动第二臂段12朝顺时针方向转动，即整个关节组内的各个臂段均实现了联动。

上述描述了关节组在偏航方向上的联动，本发明还包括有使联动关节组在俯仰方向上联动的第二联动组件，参照图3、图4并结合图5，图3示出了图1中的左视图，图4示出了图1中的右视图。

如图所示，第二联动组件包括两根对称设置的第三联动绳33，两根第三联动绳33的连接关系类似，以其中一根第三联动绳33为例，第三联动绳33分别绕过俯仰方向上的第一联动盘211、第二联动盘221，第三联动绳33的两端分别与该第一联动盘211、第二联动盘221固定连接，且该第三联动绳33的两端分别位于该第一联动盘211、第二联动盘221的中心连线的不同侧。

第二联动组件还包括两根对称设置的第四联动绳34，两根第四联动绳34的连接关系类似，以其中一根第四联动绳34为例，第四联动绳34分别绕过俯仰方向上的第三联动盘231、第四联动盘241，第四联动绳34的两端分别与该第三联动盘231、第四联动盘241固定连接，且第四联动绳34的两端分别位于该第三联动盘231、第四联动盘241的中心连线的不同侧。

第二联动组件还包括两根对称设置的第五联动绳(未示出)，两根第五联动绳的连接关系类似，以其中一根第五联动绳为例，第五联动绳分别绕过俯仰方向上的第一联动盘211、第四联动盘241，第五联动绳的两端分别与该第一联动盘211、第四联动盘241固定连接，且第五联动绳的两端分别位于该第一联动盘211、第四联动盘241的中心连线的不同侧。

由于第五联动绳的长度较长，为了避免对机械臂的运动造成干扰，第五联动绳从第二臂段12上的开口121穿入第二臂段12的内部，经过第三臂段13的内部后再从第四臂段14上的开口141穿出。

为了进一步避免第五联动绳在开口处发生摩擦，本发明还设置有套接在第五联动绳外侧的软管42，软管42的首端421与第二臂段12上的凸缘固定连接，尾端422与第四臂段14上的凸缘固定连接，第五联动绳从软管41的两端伸出后，穿过凸缘上未示出的绳孔到达相应的固接位置。

结合图3、图4，关节组在俯仰方向上的联动原理为：当图3中的第一臂段11朝逆时针方向转动时，第一连接件21通过第三联动绳33拉动第二连接件22(第三臂段13)朝顺时针方向转动，与此同时，第一连接件21通过第五联动绳拉动第四连接件24朝顺时针方向转动(显示在图4中则是第一连接件21通过第五联动绳拉动第四连接件24朝逆时针方向转动)，回到图3，当第四连接件24朝顺时针方向转动时，又通过第四联动绳34拉动第三连接件23(第三臂段13)朝逆时针方向转动时，从而实现整个关节组内的各个臂段的联动。

综上，本发明的关节组可以实现俯仰方向与偏航方向上的联动，由于第一臂段的端部通过导向盘联入至整个联动系统中，故可以实现整个关节组的连续弯曲，有助于提升机械臂的柔顺性。

参照图6，本发明还公开了一种机械臂，图中仅示出了位于机械臂最前端的联动关节组1，以及与之连接的关节组的第一臂段11a，且图1中第一臂段11a首端的第一导向盘隐藏在第一臂段11a的后面。除位于机械臂最前端的联动关节组1之外，其他联动关节组的第一臂段11a的尾端还设有第二导向盘113。

机械臂包括未示出的驱动绳，驱动绳与联动关节组1的第一臂段11固定连接，即第一臂段11作为整个机械臂的主动臂段。第一臂段11a与第四连接件24之间转动连接。

相邻联动关节组之间通过两根对称设置的第六联动绳36联动，第六联动绳36的绕线方式与第一联动绳31类似，具体地，第六联动绳36的尾端361与第四连接件24上的第四联动盘241固定连接，并依次绕过第四联动盘241、第二导向盘113与第二连接件22上的第二联动盘221，第六联动绳36的首端362与第二联动盘221固定连接，第六联动绳36的尾端与首端分别位于该第二联动盘221、第四联动盘241的中心连线的同一侧。

优选地，第六联动绳36的外侧也包覆有软管43，软管43的首端431与第三臂段13上的凸缘固定连接，尾端432与第一臂段11a上的卡箍固定连接。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，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)

1.一种可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，

包括依次串联的第一臂段、第二臂段、第三臂段、第四臂段，且从所述第一臂段至所述第四臂段，相邻臂段之间依次转动连接有第一连接件、第二连接件与第三连接件，所述第四臂段的尾端转动连接有第四连接件；

还包括使所述联动关节组在偏航方向上联动的第一联动组件，以及使所述联动关节组在俯仰方向上联动的第二联动组件，所述第一联动组件包括两根对称设置的第一联动绳，以及沿所述偏航方向设置在所述第一臂段的首端的第一导向盘、设置在所述第一连接件上的第一联动盘以及设置在第三连接件上的第三联动盘；

所述第一联动绳的首端与所述第一联动盘固定连接，并依次绕过所述第一联动盘、第一导向盘与第三联动盘，所述第一联动绳的尾端与所述第三联动盘固定连接，所述第一联动绳的尾端与首端分别位于该第一联动盘、第三联动盘的中心连线的同一侧。

2.根据权利要求1所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第一联动绳的首端与所述第一联动盘的第一侧固定连接，绕过所述第一联动盘后从所述第一联动盘上相对所述第一侧的第二侧伸出，然后从所述第一导向盘的第三侧绕过所述第一导向盘，并从所述第一导向盘上相对所述第三侧的第四侧伸出，然后从所述第三联动盘的第五侧绕过所述第三联动盘，并与所述第三联动盘上相对所述第五侧的第六侧固定连接，其中，所述第一侧、第三侧与第六侧位于同一侧，所述第二侧、第四侧与第五侧位于同一侧。

3.根据权利要求1或2所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第一联动组件还包括两根对称第二联动绳，其中一根所述第二联动绳分别绕过所述第二联动盘、第三联动盘，该第二联动绳的两端分别与所述第二联动盘、第三联动盘固定连接，且该短联动绳的两端分别位于所述第二联动盘、第三联动盘的中心连线的不同侧。

4.根据权利要求1或2所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，沿所述俯仰方向，所述第一连接件上也设有所述第一联动盘，所述第三连接件上也设有所述第三联动盘，所述第二连接件上设有第二联动盘，所述第四连接件上设有第四联动盘。

5.根据权利要求4所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第二联动组件包括两根对称设置的第三联动绳，所述第三联动绳分别绕过俯仰方向上的所述第一联动盘、第二联动盘，所述第三联动绳的两端分别与该第一联动盘、第二联动盘固定连接，且该第三联动绳的两端分别位于该第一联动盘、第二联动盘的中心连线的不同侧。

6.根据权利要求4所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第二联动组件包括两根对称设置的第四联动绳，所述第四联动绳分别绕过俯仰方向上的所述第三联动盘、第四联动盘，所述第四联动绳的两端分别与该第三联动盘、第四联动盘固定连接，且所述第四联动绳的两端分别位于该第三联动盘、第四联动盘的中心连线的不同侧。

7.根据权利要求4所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第二联动组件包括两根对称设置的第五联动绳，所述第五联动绳分别绕过俯仰方向上的所述第一联动盘、第四联动盘，所述第五联动绳的两端分别与该第一联动盘、第四联动盘固定连接，且所述第五联动绳的两端分别位于该第一联动盘、第四联动盘的中心连线的不同侧。

8.根据权利要求7所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，所述第一臂段、第二臂段、第三臂段、第四臂段的侧壁上均设有开口，

所述第一联动绳从所述第一臂段上的开口穿入所述第一臂段的内部，经过所述第二臂段的内部后再从所述第三臂段上的开口穿出；

所述第五联动绳从所述第二臂段上的开口穿入所述第二臂段的内部，经过所述第三臂段的内部后再从所述第四臂段上的开口穿出。

9.根据权利要求8所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，其特征在于，还包括包覆在所述第一联动绳与第五联动绳外侧的软管。

10.一种机械臂，包括驱动绳，其特征在于，还包括若干依次串联的如权利要求1至9中任一项所述的可实现连续等曲率弯曲的联动关节组，相邻所述联动关节组之间通过两根对称设置的第六联动绳联动，后一所述联动关节组的第一臂段与前一所述关节组的所述第四连接件转动连接，其中

所述驱动绳与位于所述机械臂最前端的所述联动关节组的所述第一臂段固定连接，除位于所述机械臂最前端的所述联动关节组之外，其他所述联动关节组的第一臂段的尾端还设有第二导向盘；

在相邻两关节组中，所述第六联动绳的尾端与前一所述第四连接件上的第四联动盘固定连接，并依次绕过前一所述第四连接件上的第四联动盘、后一所述第一臂段上的第二导向盘与前一所述第二连接件上的第二联动盘，所述第六联动绳的首端与前一所述第二连接件上的第二联动盘固定连接，所述六联动绳的尾端与首端分别位于该第二联动盘、第四联动盘的中心连线的同一侧。