CN115488871A - 一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置 - Google Patents

Abstract

一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置，包括旋转关节、吊杆、两个臂杆、驱动模块和驱动绳索，旋转关节包括两个转轴，其沿垂直于吊杆方向偏置地设置在吊杆中间部分的两侧，两个臂杆的一端分别连接两个转轴，驱动绳索以拮抗驱动的方式布线于两个臂杆的另一端与吊杆的两端之间，驱动模块连接驱动绳索并控制其收放长度，驱动绳索的张力作用至吊杆的两端，进而驱动旋转关节以及两个臂杆同步转动。本发明的关节结构有助于降低建模复杂度，提高控制精度，弱化或者避免各关节间的运动耦合，且具大角度运动范围。吊杆可增加驱动力臂，提高输出力矩。绳索拮抗控制可改变关节刚度特性。超轻的质量和优异的展收比，可实现快速布置与应用。

Description

一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置

技术领域

本发明涉及大型机械臂构建技术领域，特别是涉及一种机械关节装置。

背景技术

构建大型机械臂或大型多足机器人需要解决的关键问题之一是设计满足需求的关节。关节是决定机器人运动范围、精度和平稳性，机器人刚度和载荷能力等一系列问题的关键部件之一。为了实现机器人的集成化、模块化和可更换等设计要求，人们常采用模块化旋转关节设计理念。传统关节模块在关节空间内集成电机驱动、传动齿轮、减速器、力矩传感器、编码器、控制器和电气线束等设备，打造一个高度集成化的机电部件。但是此类关节模块结构较为复杂，关节空间拥挤，增加关机体积与质量，并对其中的关键零部件质量要求较高。

绳索驱动关节相较于传统关节可以实现旋转关节与驱动装置分离，使关节质量和体积大幅减小。但是以往的绳索驱动关节结构存在运动耦合，控制精度不高，装配工艺复杂，运动范围小，输出力矩弱等问题。人类可以通过大脑运动控制机制激活运动肌肉，进行灵巧柔顺的身体运动。如何将人类的优良的运动特性移植赋予到机器人身体是许多研究人员迫切追求的目标。人类的关节运动存在动态冗余，即每个关节是由多对激动肌和拮抗肌驱动，如手臂肘关节由肱二头肌、肱三头肌，肱肌和肱桡肌，其中肱二头肌和肱三头肌依靠拮抗肌腱驱动方式控制决定肘关节运动角度，刚度与柔顺度。

美国航天局为了满足小行星采矿、卫星服务和空间站服务等新任务和应用，提出了一种肌腱驱动轻型空间机械臂(TALISMAN)，来改进目前空间机械臂的不足。TALISMAN结构包含一个肌腱驱动关节和一个新型铰链，该铰链允许连接杆之间360度旋转，并且包含辅助和被动张力张紧装置。肌腱驱动装置依靠吊具以在张紧肌腱施加的力和关节旋转轴之间获得更长的力矩臂，从而获得产生驱动关节力矩的机械优势。TALISMAN采用模块化设计，具备良好的运动范围、灵活性和展收比。

TALISMAN采用的铰链结构存在4个转轴，关节左右转动时工作情况需要分别考虑，分析复杂，增加了建立关节模型的难度，降低了关节可控度，并且关节处配置传感器(角度编码器、力矩传感器等)、关节联动装置困难。

发明内容

本发明的目的是在于解决现有绳索驱动关节存在的运动耦合，控制精度不高，模型复杂，装配工艺复杂，运动范围小，输出力矩弱等问题，以及解决如何实现大型机械关节的超轻质量、优异刚度与柔顺特性和高展收比等的技术问题。

为此，本发明提出一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置，包括旋转关节、吊杆、两个臂杆、驱动模块和驱动绳索，所述旋转关节包括两个转轴，所述两个转轴沿垂直于所述吊杆的方向偏置地设置在所述吊杆的中间部分的两侧，所述两个臂杆的一端分别连接所述两个转轴，所述驱动绳索以拮抗驱动的方式布线于所述两个臂杆的另一端与所述吊杆的两端之间，其中，所述驱动模块连接所述驱动绳索并控制所述绳索的收放长度，所述驱动绳索的张力作用至所述吊杆的两端，进而驱动所述旋转关节以及所述两个臂杆同步转动。

在本发明的一些实施例中，所述两个转轴与所述吊杆的之间的距离确保所述两个臂杆在所述转轴的轴向上不存在偏置的情况下获得360°旋转运动范围。

在本发明的一些实施例中，其特征在于，所述吊杆的两端所受的绳索张力的合力沿所述吊杆的长度方向，即所述吊杆处于纯压缩状态。

在本发明的一些实施例中，还包括固定于所述吊杆上的转轴偏置机构，所述两个转轴安装在所述转轴偏置机构上。

在本发明的一些实施例中，所述臂杆和/或所述吊杆采用桁架结构拼接而成。

在本发明的一些实施例中，还包括与所述转轴联动设置的减速器、转轴编码器和力矩传感器中的任一种或多种。

在本发明的一些实施例中，所述驱动模块包括电机和与所述电机相耦合的绞盘，所述电机带动所述绞盘缠绕所述绳索以控制所述绳索的收放长度。

在本发明的一些实施例中，还包括弹簧张紧装置，所述绳索经过所述绞盘缠绕后，所述绳索的固定端连接至所述弹簧张紧装置，所述弹簧张紧装置的弹簧处于压缩状态，以补偿绳索变化量并提供被动绳索张力。

在本发明的一些实施例中，所述驱动模块包括电机和与所述电机相耦合的卷筒，所述电机带动所述卷筒缠绕所述绳索以控制所述绳索的收放长度。

在本发明的一些实施例中，所述驱动模块安装在所述吊杆或所述臂杆上，或设置在所述吊杆与所述臂杆之外。

本发明具有如下有益效果：

相较于传统刚性关节在关节处的高度集成化，导致此类关节模块结构较为复杂，关节空间拥挤，本发明提出的绳索驱动结构设计实现了大型机器人需求的轻量化高扭矩大柔顺模块化关节。其中，关节结构的两个旋转轴在左右转动过程中，旋转关节以及两个臂杆同步转动，关节运动状况一致，有助于降低建模复杂度，并提高控制精度，有助于组装使用。且该关节模块弱化或者避免了各关节间的运动耦合。绳索采用拮抗驱动策略，类似生物肌肉关节而具有良好的刚度和柔顺特性。本发明的机械关节装置在机器人运动关节设计上具备类似仿生学的动态冗余结构，从而实现运动控制和调节关节阻抗特性的能力，执行平滑和灵巧的动作。

本发明的关节采用绳索与吊杆结构相结合的驱动方式，具有大扭矩的优点，吊杆结构对驱动模块如电机的输出力矩进行放大，使用较小功率的轻型电机就可以获得很高的输出扭矩，可以进一步降低驱动模块如电机的复杂性和成本。这可以确保该关节模块组成的机械臂或多足机器人可以携带运输重载荷，具有较强的作业能力，满足不同负载作业需求。

本发明的关节具有很好的刚度调节能力，通过绳索拮抗控制可大幅改变关节刚度特性，实现“刚柔并济”。此外，在臂杆结构上可以设计非常轻的被动张力绳索来大幅提高机械臂刚度，保证机械臂末端的操作力输出。即使在承载一定质量的载荷的情况下，也能调节自身在降低长跨度运动过程自身颤动，保持良好的端部精度。

本发明的关节绳索驱动具备柔顺性的特点，因为绳索具备弹性，即柔顺性。对于绳索固定的部件，当外力作用在具有弹性的物体时，可以降低冲量，减小破坏力。在执行部件组装或者行星表面行走时，可以实现与其它物体的柔顺接触，避免刚度接触对关节自身和被接触物体产生的破坏力。

本发明中臂杆与关节集成一体化设计，关节模块具有大角度运动范围，优选方案达到360°的运动范围，确保其优异的运动空间，灵活的操作能力。

本发明的关节通过轻质绳索和结构件的设计，极大降低机械臂整体质量，并获得高展收比。超轻的质量可以降低对载具运载能力要求，而优异的展收比更便于存储运输，实现快速布置与应用。

附图说明

图1是本发明实施例中平面单自由度关节模块的结构示意图；

图2是本发明实施例中平面1-DOF旋转关节结构示意图；

图3a是本发明实施例中平面单自由度关节中1个转轴的旋转范围示意图；.

图3b是本发明实施例中平面单自由度关节中2个转轴的旋转范围示意图；

图3c是本发明实施例中平面单自由度关节360°旋转范围示意图；

图4是本发明实施例中吊杆结构示意图；

图5是本发明实施例中臂杆结构示意图；

图6a是本发明实施例中关节扭矩到绞盘转角传动比的变化曲线图；

图6b是本发明实施例中关节转角到绞盘转角传动比的变化曲线图；

图7是本发明实施例中绳索驱动机构示意图；

图8是本发明实施例中模块化关节多种配置方案的示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。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，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本发明实施例提供一种机械关节装置，包括旋转关节1、吊杆2、两个臂杆3、驱动模块和驱动绳索4，所述旋转关节1包括两个转轴11，所述两个转轴11沿垂直于所述吊杆2的方向偏置地设置在所述吊杆2的中间部分的两侧，所述两个臂杆3的一端分别连接所述两个转轴11，所述驱动绳索4以拮抗驱动的方式布线于所述两个臂杆3的另一端与所述吊杆2的两端之间，其中，所述驱动模块连接所述驱动绳索4并控制所述绳索的收放长度，所述驱动绳索4的张力作用至所述吊杆2的两端，进而驱动所述旋转关节1以及所述两个臂杆2同步转动。

本发明实施例的机械关节装置在机器人运动关节设计上具备类似仿生学的动态冗余结构，从而实现运动控制和调节关节阻抗特性的能力，执行平滑和灵巧的动作。

并且，本发明实施例机械关节重现生物关节的功能，赋予机械关节堪比肘关节的优良运动性能。肌肉往往具有多个头，分别连接不同的骨骼位置，并且多头最后汇聚在一起连接到被驱动关节附近位置。这种多头连接机制赋予了肌肉更加强大的运动能力，但是末端关节处的附着点导致驱动力臂较小，输出力较弱。本发明实施例采用多头驱动绳索，分别连接不同臂杆位置处。这样可以根据驱动任务需求设计不同的驱动顺序，减少能量消耗，并在各绳索的最大出力工作条件有效发挥收缩力。分布放置的驱动绳索实现肌肉的拮抗收缩，可通过电机控制一侧绳索主动收缩，另一侧拮抗绳索也相应收缩，控制关节运动和稳定动作。此外，针对关节处附着点驱动力臂小的弊端，本发明实施例在关节处引入吊杆结构，扩展驱动力臂，从而实现更大扭矩输出。

本发明下述实施例提出了一种机械关节装置，介绍如下：

1、总体关节模块概述

本发明实施例创新关节结构设计，采用绳索驱动方式实现大型机器人需求的轻量化高扭矩大柔顺模块化关节，原理样机见图1所示。它主要包括具有360°运动范围的旋转关节1、力臂放大吊杆2、模块化臂杆3、电机与绞盘驱动模块7、绳索张紧装置5、电机驱动器6和驱动绳索4等设备。其中旋转关节1具备360°运动范围，可以确保臂杆3在不偏置的情况小下实现完全折叠，具备高展收比。关节处吊杆2可以有效增加驱动力臂，提高关节输出力矩。关节结构存在两个旋转轴11，原理较为简单，左右转动过程中关节运动状况一致，有助于降低建模复杂度，并提高控制精度。该关节模块弱化或者避免了各关节间的运动耦合，并且臂杆3、吊杆2都可以采用桁架结构拼接而成，可以有效减轻关节质量，此外模块化设计使其便于装配使用。绳索采用拮抗驱动策略，类似生物肌肉关节一般具有良好的刚度和柔顺特性。下面就其中关键部件进行详细阐述。

2、360°旋转关节设计

人类运动关节处相邻的骨骼近似为共线布局，这就导致关节处的骨骼和肌肉组织限制了关节运动范围。传统机械臂结构采取相邻臂杆之间沿关节转轴方向偏置的布局策略，从而实现了360°运动范围。本发明实施例则采用了一种新的关节结构，可以在仿生人类关节两侧骨骼的共线布局的同时，实现360°运动范围。

图2为平面1-DOF旋转关节结构示意图，它内部包括两个旋转转轴11，每个转轴都具备±90°的旋转范围，图3(a)所示的是一个转轴11单独转动的运动空间。为了简化转轴11运动控制和减少吊杆2承受的弯曲载荷，本发明实施例将对两个转轴11施加相同控制，使得转轴11运动角度一致，这样两个转轴11联合运动就可以实现平面内360°运动，图3(b、c)为该关节360°运动演示图。转轴11安装在固定于吊杆2上的转轴偏置机构13上，两个臂杆3分别连接在两个转轴11上，见图2所示。两个转轴11之间的距离保持不变，其距离大小需要确保关节处臂杆3和吊杆2不会限制关节旋转范围，即确保关节转角可以到达0°或360°。此外，在这种情况下要求臂杆3和吊杆2之间不存在加大间隔，以减小折叠时所占用空间。由于旋转关节1沿垂直于吊杆2中间部分的两侧布置偏置关节转轴11，可令关节两侧臂杆3在关节转轴方向上不存在偏置的情况下获得360°旋转运动范围，实现两侧臂杆3的完全折叠。

这种改进设计只需在关节处布置两个旋转轴11就可以实现平面360°运动范围，可以很好再现人类手臂生理机构。此外，该结构简单，并且整体转动过程中关节运动状况一致，克服了TALISMAN运行过程中存在多种状况变化的问题，分析与建立模型更加简便与精确，可以有效提高关节可控度。此外，为了提高控制精度，该关节简单的结构布局可以方便增添转轴联动机构、减速器8、转轴编码器9和力矩传感器10等辅助设备，拓展关节应用功能。

3、吊杆和臂杆整体结构设计

人类肌肉末端附着点在其驱动关节处附近，存在驱动力臂较小，限制了关节输出力矩。为了解决这个问题，本发明实施例受斜拉桥结构的启发，在关节1处固定一个吊杆2作为驱动绳索4的固定物，其端部设计有绳索固定端或绳索过孔21，考虑到绳索弯曲半径的限制，当用作绳索过孔时会在该位置安装滑轮过渡。绳索张力作用于吊杆2端部，进而驱动关节1转动，其中吊杆2可以起到增加关节驱动力臂的作用，提高关节1输出扭矩。参考斜拉桥吊塔结构，本发明实施例设计的吊杆结构如图4所示，在确保力学性能满足的条件下，有效减小吊杆2质量。吊杆2的结构使得其可以承受较高的压缩载荷，却不易承受弯曲载荷。因此为了避免吊杆2因弯曲载荷导致变形，要求吊杆2两端所受绳索张力的合力沿吊杆2长度方向，即吊杆2处于纯压缩状态。假定吊杆2两侧臂杆3、绳索4布置状态一致，这就要求吊杆2两侧的转轴11的转角一致，才能有效避免弯曲载荷。

吊杆2可以调整关节1输出扭矩，还可以调整绞盘74转速与关节角速度之间的传动比，如图6a、图6b所示。假设驱动绳索4的绞盘扭矩为60Nm，绞盘半径25mm，图6a表示出随着关节1角的变化，关节1输出扭矩的变化，并且吊杆2高度越大，关节1输出扭矩也越大。图6b表示出随着关节1角的变化，关节1转角到绞盘74转角的传动比在变化，且吊杆2高度越大，传动比变化越大。

臂杆桁架结构需要确保提供臂杆适当刚度的同时有效减小臂杆质量。此外，为了集成控制器、驱动器和其它辅助设备，减小关节整体体积，臂杆内部设计还有考虑如何安装机械臂运动、控制和感知需要的设备。本发明实施例设计的臂杆结构示意图如图5所示，主要包括桁架31和轴承支架32，设计的功能架可以方便安装电机与绞盘驱动机构7、电机驱动器6或弹簧张紧机构75等装置。臂杆3可由模块化桁架31拼接而成，根据任务空间确定所需长度，桁架31的宽和高则需要根据电机驱动器6或电机与绞盘驱动机构7确定。

4、绳索驱动机构

关节由驱动绳索4运动控制，因此绳索驱动装置可以集成放置在关节之外。包括电机71、联轴器、行星减速器72、蜗轮蜗杆减速器73和绞盘74等在内的驱动转换机构组装在一起，如图7所示。其中蜗轮蜗杆减速器73转换电机转动方向，并实现绞盘74自锁功能，从而在电机不工作时也能保持关节1形状。

绳索4可以通过绞盘74连接至该驱动装置，由于绞盘74通过摩擦力束缚绳索4，并且收放绳索4长度比例固定，则为了弥补绞盘74两侧绳索4长度变化不一致以及提供绳索4适当的张力以确保绳索与绞盘74的摩擦力，本发明实施例在绳索另一端连接绳索张紧装置5。如图7所示，绳索4固定端连接至弹簧装置5上，弹簧75处于压缩状态，可以补偿绳索变化量并提供被动绳索张力。绳索换向轴安装在臂杆上，标志着绳索4在臂杆3上的作用位置。

绳索连接至弹簧会限制绳索的刚度，并且弹簧长度的不确定变化引入控制误差，降低了系统的可控度。因此，绞盘74可以替换为卷筒，通过卷筒缠绕控制绳索长度变化，这时就不需要绳索张紧装置5。但是卷筒需要考虑缠绕绳索的布局，结构设计相较绞盘复杂。因此，绞盘或卷筒的配置可以根据应用做出选择。

5、变形实施例

基于上述关节功能与机理的分析，包括电机/驱动系统的位置与数量、收放绳索的绞盘/卷筒、绳索选型与路线、吊杆位置与结构、多自由度关节等多种可选项，本发明实施例可以根据不同的任务需求进行组合配置，实现重量、体积、成本、扭矩、刚度以及可控性等指标的平衡。图8列举了平面单自由度旋转关节模块的几种不同设计方案，各方案臂杆编号一致，为使图清晰，仅在方案1中标注编号，其它各方案的臂杆和吊杆编号同方案1，则：

方案1：一个绳索驱动机构，采用电机和绞盘的驱动策略，安装在臂杆a，而两个弹簧张紧装置安装在臂杆b。绳索布线为一端连接至弹簧张紧装置，穿过吊杆顶部绳索过孔位置处安装的滑轮，缠绕绞盘几圈后再穿过吊杆另一顶部绳索过孔位置处安装的滑轮，另一端连接至另一个弹簧张紧装置。通过绞盘控制两侧绳索长度，一根绳索驱动整个关节运动。

方案2：两个绳索驱动机构，采用电机和卷筒的驱动策略，分别安装在两个臂杆上。绳索布线为一端连接在臂杆b(a)，穿过吊杆顶部绳索过孔位置处安装的滑轮，另一端连接在臂杆a(b)的卷筒上。通过卷筒缠绕绳索控制绳索长度，两根绳索驱动关节运动。

方案3：两个绳索驱动机构，采用电机和绞盘的驱动策略，分别安装在两个臂杆上。四个弹簧张紧装置安装在吊杆上。绳索布线为一端连接至吊杆一侧的弹簧张紧装置，穿过吊杆顶部的滑轮连接至绞盘，经绞盘卷出再穿过吊杆另一端顶部滑轮，连接至该一侧的弹簧张紧装置。通过绞盘控制两侧绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案4：两个绳索驱动机构，采用电机和绞盘的驱动策略，分别安装在吊杆两端。四个弹簧张紧装置安装在臂杆上，每根臂杆装有两个弹簧张紧装置。绳索布线为一端连接在臂杆a(b)的一个弹簧张紧装置上，穿过臂杆a(b)端部的滑轮连接至吊杆顶部的绞盘，经绞盘卷出穿过吊杆内部连接至另一顶部的绞盘，经绞盘卷出再穿过臂杆a(b)端部的滑轮连接至另一个弹簧张紧装置上。通过绞盘控制两侧绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案5：两个绳索驱动机构，采用电机和卷筒的驱动策略，分别安装在吊杆两端。绳索布线为两端连接在臂杆a、b的端部，中间缠绕连接至吊杆顶部的卷筒。通过卷筒控制吊杆两侧绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案6：两个绳索驱动机构，采用电机和绞盘的驱动策略，分别安装在两个臂杆上。四个弹簧张紧装置安装在吊杆上。绳索布线为一端连接在吊杆上弹簧张紧装置，相继穿过安装在吊杆中间位置的滑轮，臂杆中间位置的滑轮，吊杆顶部位置的滑轮，连接在位于臂杆端部的绞盘，经绞盘卷出再相继穿过安装在吊杆顶部位置的滑轮，臂杆中间位置的滑轮，吊杆中间位置的滑轮，连接到吊杆另一侧对应的弹簧张紧装置。通过绞盘控制两侧绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案7：两个绳索驱动机构，采用电机和卷筒的驱动策略，分别安装在两个臂杆上。绳索布线为一端连接臂杆a(b)，相继穿过吊杆顶部的滑轮，臂杆a(b)中间位置的滑轮，吊杆中间位置的滑轮，臂杆b(a)中间位置的滑轮，吊杆顶部的滑轮，连接至臂杆b(a)上的卷筒。通过卷筒控制绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案8：两个绳索驱动机构，采用电机和卷筒的驱动策略，分别安装在吊杆中间位置两侧。绳索布线为两端连接在臂杆端部，中间绳索路径为相继穿过吊杆顶部的滑轮，臂杆中间位置的滑轮，连接缠绕位于吊杆中间位置的卷筒。通过卷筒控制吊杆两侧绳索长度，两根绳索驱动整个关节运动。

方案9：四个绳索驱动机构，采用电机和卷筒的驱动策略，安装在两个臂杆上，每个臂杆安装两个绳索驱动机构。绳索布线为一端固定在吊杆中间位置处，相继穿过臂杆中间位置的滑轮，吊杆顶部的滑轮，连接在臂杆上的卷筒。通过卷筒控制绳索长度，四根绳索驱动整个关节运动。

方案10：四个绳索驱动机构，安装在两个臂杆上，每个臂杆安装两个绳索驱动机构。绳索布线为一端固定在吊杆顶部，另一端连接臂杆上的卷筒。通过卷筒控制绳索长度，四根绳索驱动整个关节运动。

本发明实施例具有大扭矩。关节采用绳索与吊杆结构相结合的驱动方式，吊杆结构对电机输出力矩进行放大，使用较小功率的轻型电机就可以获得很高的输出扭矩，可以进一步降低电机的复杂性和成本。这可以确保该关节模块组成的机械臂或多足机器人可以携带运输重载荷，具有较强的作业能力，满足不同负载作业需求。

本发明实施例具有高刚度调节能力。通过绳索拮抗控制可大幅改变关节刚度特性，实现“刚柔并济”。此外，在臂杆结构上可以设计非常轻的被动张力绳索来大幅提高机械臂刚度，保证机械臂末端的操作力输出。即使在承载一定质量的载荷的情况下，也能调节自身在降低长跨度运动过程自身颤动，保持良好的端部精度。

本发明实施例具有柔顺度，绳索驱动具备柔顺性的特点，因为绳索具备弹性，即柔顺性。对于绳索固定的部件，当外力作用在具有弹性的物体时，可以降低冲量，减小破坏力。在执行部件组装或者行星表面行走时，可以实现与其它物体的柔顺接触，避免刚度接触对关节自身和被接触物体产生的破坏力。

本发明实施例具有大角度运动范围。臂杆与关节集成一体化设计，360°的运动范围确保其优异的运动空间，灵活的操作能力。

本发明实施例具有超轻质量和高展收比。关节通过轻质绳索和结构件代替传统笨重的齿轮机构，极大降低机械臂整体质量。超轻的质量可以降低对载具运载能力要求，优异的展收比更便于存储运输，实现快速布置与应用。

本发明实施例简单的结构不仅降低关节模块的复杂度，还有助于提高控制精度，也有助于组装使用。

本发明实施例还可以但不限于用到以下具体场景：

1、本发明依据仿生学原理，赋予机械关节堪比生物关节的优良运动性能，在输出载荷、运动空间、刚度调节和展收比方面具备突出优势，并且轻质的桁架结构使其可以应用于大跨度应用场景。

2、在地面需要大距离装载、运输和装配物品的场景，可以取代传统的吊车、吊塔等机械，使用该机械臂可以具有更加灵活和多功能的操作能力。

3、在复杂地形进行承载运输，本发明还可以作为足式机器人的长足，如仿蜘蛛足式机器人，具备优异的越障、承载和运输能力。

4、在太空大型航天器上，本发明可以应用于大跨度操作任务，如空间装配、维修和拆解，以及空间加等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置，其特征在于，包括旋转关节、吊杆、两个臂杆、驱动模块和驱动绳索，所述旋转关节包括两个转轴，所述两个转轴沿垂直于所述吊杆的方向偏置地设置在所述吊杆的中间部分的两侧，所述两个臂杆的一端分别连接所述两个转轴，所述驱动绳索以拮抗驱动的方式布线于所述两个臂杆的另一端与所述吊杆的两端之间，其中，所述驱动模块连接所述驱动绳索并控制所述绳索的收放长度，所述驱动绳索的张力作用至所述吊杆的两端，进而驱动所述旋转关节以及所述两个臂杆同步转动。

2.如权利要求1所述的机械关节装置，其特征在于，所述两个转轴与所述吊杆的之间的距离确保所述两个臂杆在所述转轴的轴向上不存在偏置的情况下获得360°旋转运动范围。

3.如权利要求1所述的机械关节装置，其特征在于，所述吊杆的两端所受的绳索张力的合力沿所述吊杆的长度方向，即所述吊杆处于纯压缩状态。

4.如权利要求1至3任一项所述的机械关节装置，其特征在于，还包括固定于所述吊杆上的转轴偏置机构，所述两个转轴安装在所述转轴偏置机构上。

5.如权利要求1至3任一项所述的机械关节装置，其特征在于，所述臂杆和/或所述吊杆采用桁架结构拼接而成。

6.如权利要求1至3任一项所述的机械关节装置，其特征在于，还包括与所述转轴联动设置的减速器、转轴编码器和力矩传感器中的任一种或多种。

7.如权利要求1至3任一项所述的机械关节装置，其特征在于，所述驱动模块包括电机和与所述电机相耦合的绞盘，所述电机带动所述绞盘缠绕所述绳索以控制所述绳索的收放长度。

8.如权利要求7所述的机械关节装置，其特征在于，还包括弹簧张紧装置，所述绳索经过所述绞盘缠绕后，所述绳索的固定端连接至所述弹簧张紧装置，所述弹簧张紧装置的弹簧处于压缩状态，以补偿绳索变化量并提供被动绳索张力。

9.如权利要求1至8任一项所述的机械关节装置，其特征在于，所述驱动模块包括电机和与所述电机相耦合的卷筒，所述电机带动所述卷筒缠绕所述绳索以控制所述绳索的收放长度。

10.如权利要求1至9任一项所述的机械关节装置，其特征在于，所述驱动模块安装在所述吊杆或所述臂杆上，或设置在所述吊杆与所述臂杆之外。

Images