CN116021550A - 弯曲结构、机械臂及机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弯曲结构、机械臂及机械臂系统，所述弯曲结构，包括多个动力线缆组以及多个依次可转动连接的基本弯曲组件；动力线缆组与基本弯曲组件一一对应；动力线缆组能够带动对应的基本弯曲组件运动；基本弯曲组件包括第一圆柱接头、第二圆柱接头、第一外壳以及第一内管；动力线缆组的一端与第一外壳连接；动力线缆组的另一端通过外界驱动结构进行推拉操作，以实现动力线缆组带动第一外壳运动。本发明结构简单，组装方便，并且增大了弯曲结构的弯曲角度。减小了弯曲结构的重量，提高了弯曲结构及机械臂的灵活性。除此以外，本发明占用空间小，各关节独立控制，有助于克服链式肌腱驱动系统中常见的耦合问题。

Description

弯曲结构、机械臂及机械臂系统

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地，涉及一种弯曲结构、机械臂及机械臂系统。

背景技术

传统机械臂的弯曲结构大都由刚性结构组成，机械臂能够快速、精确、牢固、重复地执行任务，已在制造、装配、物流等领域发挥重要作用。但此类机械臂通常是在结构化环境中工作，难以适应动态、未知、非结构化的复杂环境。

因此以类肌腱结构制成的连续体机械臂，由于其存在柔性，具有很强的避障能力，能够更好的适应非结构环境，但目前市面上大多的柔性多自由度的机械臂，都存在不易维修、弯曲角度小、因整体重量大引起灵活性不足等技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种弯曲结构、机械臂及机械臂系统。

根据本发明提供的一种弯曲结构，包括多个动力线缆组以及多个依次可转动连接的基本弯曲组件；所述动力线缆组与基本弯曲组件一一对应；

多个基本弯曲组件的长度相同或不相同；多个动力线缆组的总长度不相同；

动力线缆组的一端与所述基本弯曲组件连接，通过在动力线缆组的另一端进行驱动能够带动对应的所述基本弯曲组件运动；

所述基本弯曲组件包括第一圆柱接头、第二圆柱接头、第一外壳以及第一内管；

所述第一内管位于所述第一外壳内侧，且与所述第一外壳同轴布置；所述第一圆柱接头可转动安装在所述第一外壳上，且与所述第一外壳的轴线相垂直；

所述第二圆柱接头贯穿所述第一内管，第二圆柱接头的两端均可转动安装在所述第一外壳上，

相邻基本弯曲组件之间，位于后端的基本弯曲组件中的第一圆柱接头可转动连接位于前端的前端基本弯曲组件；

优选的，第一圆柱接头包括管结构；

管结构上设置有中心孔与第一通孔；所述第一通孔的数量为多个，均匀分布在所述中心孔的两侧；所述第一通孔用于固定动力线缆组；

所述第一圆柱接头与第二圆柱接头的结构相同。

优选的，所述第一外壳上设置有柱体接触弧部、第一弧部、第二通孔以及第三通孔；

第一外壳的顶部设置有两个柱体接触弧部与两个第一弧部，所述柱体接触弧部与第一弧部依次交替连接；第一外壳的底部设置有两个柱体接触弧部与两个第一弧部，所述柱体接触弧部与第一弧部依次交替连接；所述柱体接触弧部与所述第一圆柱接头相匹配；

所述第三通孔的数量为2个，对称布置在所述第一外壳上，第三通孔用于安装所述第二圆柱接头。

优选的，所述第一内管上设置有柱体接触弧部、第三通孔以及第一切口；

第一内管的顶部设置有两个柱体接触弧部与两个第一切口，所述柱体接触弧部与第一切口依次交替连接；第一内管的底部设置有两个柱体接触弧部与两个第一切口，所述柱体接触弧部与第一切口依次交替连接；所述柱体接触弧部与所述第一圆柱接头相匹配；

所述第三通孔的数量为2个，对称布置在所述第一内管上，第三通孔用于安装所述第二圆柱接头。

优选的，动力线缆组包括第一钢丝以及第一卷簧；

所述第一卷簧套装在所述第一钢丝上；

所述第一钢丝与第一卷簧的数量均为2个；两个第一卷簧的端部分别穿过对应的基本弯曲组件的前一个基本弯曲组件中的第二圆柱接头上对称布置的两个第一通孔，且第一卷簧与前一个基本弯曲组件中所述第二圆柱接头紧固连接；

所述第一钢丝的一端穿过所述第一卷簧，通过第二通孔安装在对应的所述第一外壳上。

根据本发明提供的一种机械臂，采用所述的弯曲结构，还包括末端执行器，所述弯曲结构与末端执行器通过中间连接组件连接。

优选的，

所述中间连接组件包括第一圆柱接头、第二圆柱接头、第二外壳以及第二内管；

中间连接组件中的第一圆柱接头、第二圆柱接头、第二外壳、第二内管的连接方式与基本弯曲组件中第一圆柱接头、第二圆柱接头、第一外壳以及第一内管之间的连接方式相同；

最末端的基本弯曲组件中的第一外壳与中间连接组件通过中间连接组件中的第一圆柱接头可转动连接；

所述第二外壳与第一外壳的形状区别在于，第二外壳的一端为平面；所述第二内管与第一内管的形状区别在于，第二内管的一端为平面，且在第二内管上还设置有两个对称布置的环形切口；

所述机械臂还包括末端线缆组，所述末端线缆组与所述动力线缆组的结构相同，长度不同；

末端线缆组所具有的两个末端卷簧与所述最末端的一个基本弯曲组件中的第二圆柱接头紧固连接；所述末端线缆组所具有的末端钢丝安装在所述中间连接组件所具有的的第二外壳上。

优选的，所述末端执行器为机械爪结构；

所述机械臂还包括第二钢丝以及第二卷簧；所述第二卷簧套装在所述第二钢丝上；所述第二卷簧的端部穿过所述中心孔，所述第二卷簧的端部连接安装板，安装板与连接头连接，安装板与连接头之间还设置有第一弹簧；

连接头与机械爪结构相连。

优选的，定义所述弯曲结构为腕部关节，所述动力线缆组为腕部线缆组，多个依次可转动连接的基本弯曲组件为腕部骨架；

所述机械臂还包括底座、肩部关节以及肘部关节；

所述肩部关节包括肩部骨架与肩部线缆组；所述肘部关节包括肘部骨架与肘部线缆组；

所述底座、肩部骨架、肘部骨架、腕部骨架、末端执行器依次可转动连接；

所述肩部线缆组的端部穿过所述底座，与所述肩部骨架紧固连接；所述肘部线缆组的端部穿过所述底座与肩部骨架，且与所述肘部骨架紧固连接；所述末端线缆组的端部穿过所述底座、肩部骨架、肘部骨架与腕部骨架，且与所述末端执行器紧固连接。

优选的，所述腕部关节中的所述基本弯曲组件的数量为4个，分别为第一基本弯曲组件、第二基本弯曲组件、第三基本弯曲组件、第四基本弯曲组件；

所述第一基本弯曲组件与第二基本弯曲组件的长度相同，所述第三基本弯曲组件与第四基本弯曲组件的长度相同；

动力线缆组的数量为4个，分别为第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组；

第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组分别与第一基本弯曲组件、第二基本弯曲组件、所述第三基本弯曲组件与第四基本弯曲组件一一对应。

优选的，所述肘部骨架包括第三内管、第三外壳、第一圆柱接头、第二圆柱接头；

所述肘部骨架中的第一圆柱接头、第二圆柱接头、第三内管、第三外壳的连接方式与基本弯曲组件中第一圆柱接头、第二圆柱接头、第一外壳以及第一内管之间的连接方式相同；

第三外壳与第四基本弯曲组件通过第四基本弯曲组件中的第一圆柱接头可转动连接；

所述第三外壳与第一外壳的形状区别在于，第三外壳具有3对第三通孔；所述第三内管与第一外壳的形状区别在于，第三外壳具有3对第三通孔；

所述肘部线缆组包括肘部钢丝与肘部卷簧；

所述肘部卷簧套装在所述肘部钢丝上；

所述肘部钢丝与肘部卷簧的数量均为2个；两个肘部卷簧的端部分别穿过肩部骨架且肘部卷簧与所述肩部骨架紧固连接；所述肘部钢丝的端部穿过所述肘部卷簧，通过所述第三外壳中的第二通孔安装在所述第三外壳上。

优选的，所述肩部骨架除了第二圆柱接头被第三圆柱接头取代外，其他所有部件的结构都与基本弯曲组件相同；

所述第三圆柱接头是第二圆柱接头的拉长形式，且与第二圆柱接头相比，多了两个沿中心孔对称的第一通孔；

所述肩部线缆组的结构与肘部线缆组的结构相同，长度不同，肩部线缆组所具有的两个肩部卷簧均与所述底座具有紧固连接点；所述肩部线缆组所具有的肩部钢丝穿过所述底座安装在所述肩部骨架所具有的的第一外壳上。

优选的，所述为底座用于容纳腕部线缆组、末端线缆组、肩部线缆组、肘部线缆组；

所述底座包括第二圆柱接头、第三圆柱接头、第四外壳与第四内管；第四内管安装在所述第四外壳内；

第四外壳上设置有线槽、第三通孔；第四外壳的一端由两个柱体接触弧部与两个第二弧部组成，所述柱体接触弧部与第二弧部依次交替连接，第四外壳的另一端为平面端；

第四内管上设置有第三通孔，四内管的一端由两个柱体接触弧部与两个第二切口组成，所述柱体接触弧部与第二切口依次交替连接，四内管的另一端为平面端；

所述第二圆柱接头、第三圆柱接头分别布置在不同的第三通孔中。

根据本发明提供的一种机械臂系统，采用所述的机械臂，还包括驱动单元；

所述驱动单元包括驱动电机与旋转轴；

驱动电机能够带动所述旋转轴旋转；

同一组动力线缆组中的两根第一钢丝的另一端部相互一体连接，形成第一线圈结构，所述第一线圈结构缠绕在所述旋转轴上；

随着旋转轴的旋转，第一线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组动力线缆组中的两根第一钢丝沿相反方向运动。

优选的，所述驱动电机与旋转轴的数量均为多个，且一一对应；

同一组末端线缆组中的两根末端钢丝的另一端部相互一体连接，形成第二线圈结构，所述第二线圈结构缠绕在所述旋转轴上；随着旋转轴的旋转，第二线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组末端线缆组中的两根末端钢丝沿相反方向运动；

同一组肩部线缆组中的两根肩部钢丝的另一端部相互一体连接，形成第三线圈结构，所述第三线圈结构缠绕在所述旋转轴上；随着旋转轴的旋转，第三线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肩部线缆组中的两根肩部钢丝沿相反方向运动；

同一组肘部线缆组中的两根肘部钢丝的另一端部相互一体连接，形成第四线圈结构，所述第四线圈结构缠绕在所述旋转轴上；随着旋转轴的旋转，第四线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肘部线缆组中的两根肘部钢丝沿相反方向运动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用，不同第一外壳之间通过第一圆柱接头可转动连接的设计，及第一圆柱接头与柱体接触弧部相匹配的设计，增大了弯曲结构的弯曲角度。

2、本发明通过第一外壳、第一内管均为空心结构的设计，减小了弯曲结构的重量，提高了弯曲结构及机械臂的灵活性。

3、本发明利用动力线缆组与基本弯曲组件一一对应的设计，实现了当单个自由度损坏时，仅需更换该自由度对应的动力线缆组或基本弯曲组件，而无需拆卸其他自由度对应的零部件的方式，实现了便于维修效果。

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1为本发明第一圆柱接头结构示意图；

图2为本发明第一圆柱接头外形轮廓示意图；

图3为第一外壳立体示意图；

图4为第一外壳轴侧示意图；

图5为第一内管立体示意图；

图6为第一内管外形轮廓示意图；

图7为基本弯曲组件立体示意图；

图8为图7轴侧示意图；

图9为中间连接组件立体示意图；

图10为图9倒放图；

图11为第二内管外形轮廓示意图；

图12为第二内管立体示意图；

图13为第二外壳立体示意图；

图14为第二外壳外轮廓示意图；

图15为腕关节与末端执行器装配示意图；

图16为图15的俯视图；

图17为图15剖视图；

图18为图17局部结构示意图；

图19为图15弯曲示意图；

图19b为图19局部示意图；

图20为腕部关节结构示意图；

图21为第三基本弯曲组件、第四基本弯曲组件结构示意图；

图22为图21倒放图；

图23第三基本弯曲组件、第四基本弯曲组件中的外壳示意图；

图24第三基本弯曲组件、第四基本弯曲组件中的内管示意图；

图25为图20的局部示意图；

图26为腕部关节弯曲时的结构示意图；

图26b为图26的局部示意图；

图27为腕部关节另一种弯曲状态时的结构示意图；

图28为图27的局部示意图；

图29为底座、肩部关节以及肘部关节的装配示意图；

图30为底座示意图；

图31为肩部骨架示意图；

图32为第四外壳示意图；

图33为第三圆柱接头示意图；

图34为图33外轮廓示意图；

图35为第四内管立体示意图；

图36为第四内管轴侧示意图；

图37为肘部骨架示意图；

图38为第三外壳立体示意图；

图39为图38外轮廓示意图；

图40为第三内管示意图；

图41为图29局部示意图；

图42为图29弯曲时的示意图；

图43为图42局部示意图；

图44为机械臂的结构示意图；

图45为图44弯曲时的示意图；

图46为图44的局部结构示意图；

图47为机械臂另一弯曲状态的结构示意图；

图48为驱动单元结构示意图；

图49为驱动机构结构示意图；

图50为驱动系统结构示意图。

图中示出：

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参考图20、图25至图28，本发明提供了一种弯曲结构，包括多个动力线缆组301以及多个依次可转动连接的基本弯曲组件100；所述动力线缆组301与基本弯曲组件100一一对应；多个基本弯曲组件100的长度相同或不相同；多个动力线缆组301的长度不相同；动力线缆组301的一端与所述基本弯曲组件100连接，通过在动力线缆组301的另一端进行驱动能够带动对应的所述基本弯曲组件100运动；；在图26中，弯曲度为55+55度，因为弯曲方向是相同的，所以我们得到的总弯曲度为110。图27显示了所有基本弯曲组件100弯曲55度，沿俯仰和偏航位置扭曲旋转160度。

如图7与图8所示，所述基本弯曲组件100包括第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第一外壳11以及第一内管12；所述第一内管12位于所述第一外壳11内侧，且与所述第一外壳11同轴布置；所述第一圆柱接头10可转动安装在所述第一外壳11的一端，且与所述第一外壳11的轴线相垂直；所述第二圆柱接头101贯穿所述第一内管12，第二圆柱接头101的两端均可转动安装在所述第一外壳11上，且第二圆柱接头101与第一圆柱接头10相互平行；所述第一外壳11、第一内管12均为空心结构；相邻基本弯曲组件100之间，位于后端的基本弯曲组件(100)中的第一圆柱接头(10)可转动连接位于前端的基本弯曲组件(100)；具体的，不同第一外壳11之间，通过第一圆柱接头10可转动连接；不同第一内管12之间，通过第一圆柱接头10可转动连接，在一个优选例中，相邻第一圆柱接头10之间，垂直或平行布置。参考图20，所述动力线缆组301的一端与所述第一外壳11连接；所述动力线缆组301的另一端通过外界驱动结构进行推拉操作，以实现动力线缆组301带动第一外壳11运动；所述动力线缆组301的长度由所述弯曲结构与外界驱动结构的距离决定，优选的，所述弯曲结构与外界驱动结构的为0.5至3米。在一个优选例中，所述第一外壳11的外径为8mm，厚度为0.2mm；

如图1与图2所示，第一圆柱接头10包括管结构5，优选的，所述管结构5的外径为3mm，厚度为0.5～0.7mm；管结构5上设置有中心孔1、第一通孔2以及弧面4；所述中心孔1为椭圆孔，所述第一通孔2的数量为多个，优选的，为2个，且孔径为1.7mm，多个第一通孔2均匀分布在所述中心孔1的两侧；所述弧面4位于所述管结构5的两端，优选的，弧面4为圆形切口结构，且外径8.1mm；所述第一通孔2用于固定动力线缆组301；所述第一圆柱接头10与第二圆柱接头101的结构相同；优选的，所述管结构5为不锈钢管结构。在一个优选例中，所述管结构5还包括预留通孔3，所述预留通孔3横向贯穿所述管结构5，预留通孔3的设置能够方便第一圆柱接头10与其他零件(如动力线缆301)的相互安装。

如图3与图4所示，所述第一外壳11上设置有柱体接触弧部6、第一弧部7、第三通孔8以及第二通孔9；第一外壳11的顶部设置有两个柱体接触弧部6与两个第一弧部7，所述柱体接触弧部6与第一弧部7依次交替连接；第一外壳11的底部设置有两个柱体接触弧部6与两个第一弧部7，所述柱体接触弧部6与第一弧部7依次交替连接；在一个优选例中，第一外壳11顶部柱体接触弧部6的位置与底部第一弧部7的位置相对应，第一外壳11顶部第一弧部7的位置与底部柱体接触弧部6的位置相对应；所述柱体接触弧部6与所述第一圆柱接头10相匹配，即柱体接触弧部6与所述第一圆柱接头10形成摩擦接头关系。所述第三通孔8的数量为2个，对称布置在所述第一外壳11上，第三通孔8用于安装所述第二圆柱接头101，用于保证结构稳定。优选的，所述第二通孔9的孔径为0.8毫米，第一外壳11的总长度为8mm。

如图5与图6所示，第一内管12上设置有柱体接触弧部6、第三通孔8以及第一切口14；第一内管12的顶部设置有两个柱体接触弧部6与两个第一切口14，所述第一切口14的设计是为了弯曲结构的弯曲方便，所述柱体接触弧部6与第一切口14依次交替连接；第一内管12的底部设置有两个柱体接触弧部6与两个第一切口14，所述柱体接触弧部6与第一切口14依次交替连接；在一个优选例中，第一内管12顶部柱体接触弧部6的位置与底部第一切口14的位置相对应，第一内管12顶部第一切口14的位置与底部柱体接触弧部6的位置相对应；所述柱体接触弧部6与所述第一圆柱接头10相匹配；所述第三通孔8的数量为2个，对称布置在所述第一内管12上，第三通孔8用于安装所述第二圆柱接头101。第一内管12外径为mm 15，厚度0.2mm。第一内管12的总长度为8mm。

如图20所示，所述动力线缆组301包括第一钢丝302以及第一卷簧303；

所述第一卷簧303套装在所述第一钢丝302上；所述第一钢丝302与第一卷簧303的数量均为2个；两个第一卷簧303的端部分别穿过对应的基本弯曲组件100的前一个基本弯曲组件100中的第二圆柱接头101上对称布置的两个第一通孔2，且第一卷簧303与前一个基本弯曲组件100中所述第二圆柱接头101紧固连接；所述第一钢丝302的一端穿过所述第一卷簧303，通过第二通孔9安装在对应的所述第一外壳11上；在一个优选例中，所述第一钢丝302与第一卷簧303均为不锈钢材料制成，外径为0.6mm，所述第一卷簧303与前一个基本弯曲组件100中所述第二圆柱接头101通过焊接工艺紧固连接，其焊点为36(参考图19b)，所述第一卷簧303的外径为1.5mm，厚度为0.3mm，长度为1米。在一个优选例中，钢丝的端部通过销钉结构28安装在外壳所具有的第二通孔9中。

本发明还提供了一种机械臂，如图1-图50所示，采用所述的弯曲结构，还包括末端执行器300，所述弯曲结构与末端执行器300通过中间连接组件110连接；

如图9与图10所示，所述中间连接组件110包括第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第二外壳19以及第二内管20(图9与图10中未画出第一圆柱接头10)；中间连接组件110中的第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第二外壳19、第二内管20的连接方式与基本弯曲组件100中第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第一外壳11以及第一内管12之间的连接方式相同；最末端的基本弯曲组件100中的第一外壳11与中间连接组件110通过中间连接组件110中的第一圆柱接头10可转动连接；

如图13与图14所示，在一个优选例中，第二外壳19厚度尺寸与第一外壳11相同，第二外壳19的长度为10mm。所述第二外壳19与第一外壳11的形状区别在于，第二外壳19的一端为平面；所如图11与图12所示，第二内管20与第一内管12的形状区别在于，第二内管20的一端为平面，且在第二内管20上还设置有两个对称布置的环形切口23；在一个优选例中，所述第二内管20的厚度为0.4mm，长度为15mm。

如图15至图20所示，所述机械臂还包括末端线缆组304，所述末端线缆组304与所述动力线缆组301的结构相同，长度不同；末端线缆组304所具有的两个末端卷簧30与所述最末端的一个基本弯曲组件100中的第二圆柱接头101紧固连接；所述末端线缆组304所具有的末端钢丝27安装在所述中间连接组件110所具有的的第二外壳19上。在一个优选例中，第二钢丝29以及第二卷簧31均为不锈钢材料制成。

在一个优选例中，所述括末端执行器300为机械爪结构，所述机械臂还包括第二钢丝29以及第二卷簧31；所述第一卷簧303、第一钢丝302、第二钢丝29以及第二卷簧31均具有弯曲弹性；所述第二卷簧31套装在所述第二钢丝29上；所述第二卷簧31的端部穿过所述中心孔1。如图18所示，所述第二卷簧31的端部连接安装板33，安装板33与连接头35连接，安装板33与连接头35之间还设置有第一弹簧34，连接头35与末端执行器300即机械爪结构相连接。具体的，所述第二卷簧31与第一弹簧34均与所述安装板33焊接连接，且安装板33安装于第二内管20的环形切口23中。推拉第二钢丝29能够实现机械爪结构的张开与开合，在一个优选例中，所述第二钢丝29通过连杆机构原理实现机械爪结构开合。

如图29、图41至图47所示，参考图44，定义所述弯曲结构为腕部关节305，所述动力线缆组301为腕部线缆组，多个依次可转动连接的基本弯曲组件100为腕部骨架；所述机械臂还包括底座190、肩部关节306以及肘部关节307；

所述肩部关节306包括肩部骨架200与肩部线缆组308；所述肘部关节307包括肘部骨架180与肘部线缆组309；

所述底座190、肩部骨架200、肘部骨架180、腕部骨架、末端执行器300依次可转动连接；所述肩部线缆组308的端部穿过所述底座190，与所述肩部骨架200紧固连接；所述肘部线缆组309的端部穿过所述底座190与肩部骨架200，且与所述肘部骨架180紧固连接；所述末端线缆组304的端部穿过所述底座190、肩部骨架200、肘部骨架180与腕部骨架，且与所述末端执行器300紧固连接。

如图20所示，腕部关节305中，所述基本弯曲组件100的数量为4个，分别为第一基本弯曲组件314、第二基本弯曲组件315、第三基本弯曲组件316、第四基本弯曲组件317；动力线缆组301的数量为4个，分别为第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组；第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组分别与第一基本弯曲组件314与第二基本弯曲组件315、所述第三基本弯曲组件316以及第四基本弯曲组件317一一对应。

如图20至图24所示，所述第一基本弯曲组件314与第二基本弯曲组件315的长度相同，所述第三基本弯曲组件316与第四基本弯曲组件317的长度相同；第三基本弯曲组件316与第四基本弯曲组件317的长度比第一基本弯曲组件314与第二基本弯曲组件315的长2mm，为10mm，这2毫米的差异能够使得弯曲拱更大。

如图37所示，肘部骨架180包括第三内管65、第三外壳64、第一圆柱接头10、第二圆柱接头101；所述肘部骨架180中的第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第三内管65、第三外壳64的连接方式与基本弯曲组件100中第一圆柱接头10、第二圆柱接头101、第一外壳11以及第一内管12之间的连接方式相同；第三外壳64与第四基本弯曲组件317通过第四基本弯曲组件317中的第一圆柱接头10可转动连接。优选的，所述肘部骨架180的总长度为40mm，第三外壳64的外径为8mm，厚度为0.2mm，其中第三外壳64所具有的第三弧部641的深度较大，便于容纳或导出更多线缆组，并使线缆组更便于弯曲；第三内管65外径也4毫米，厚度为0.2毫米，总长为40毫米。

所述肘部骨架180中第一外壳11的另一端与第四基本弯曲组件317通过第四基本弯曲组件317中的第一圆柱接头10可转动连接；

如图38、图39所示，所述第三外壳64与第一外壳11的形状区别在于，第三外壳64具有3对第三通孔8；如图40所示，所述第三内管65与第一外壳11的形状区别在于，第三外壳64具有3对第三通孔8；

所述肘部线缆组309包括肘部钢丝313与肘部卷簧310；肘部钢丝313与肘部卷簧310均具有弯曲弹性；

所述肘部卷簧310套装在所述肘部钢丝313上；

所述肘部钢丝313与肘部卷簧310的数量均为2个；两个肘部卷簧310的端部分别穿过肩部骨架200且肘部卷簧310与所述肩部骨架200紧固连接；所述肘部钢丝313的一端穿过所述肘部卷簧310，通过所述第三外壳64中的第二通孔9安装在所述第三外壳64上。

如图31所示，肩部骨架200除了第二圆柱接头101被第三圆柱接头53取代外，其他所有部件的结构都与基本弯曲组件100相同；如图33与图34所示，所述第三圆柱接头53是第二圆柱接头101的拉长形式，所述第三圆柱接头53的长度为12.5毫米，且与第二圆柱接头101相比，多了两个沿中心孔1对称的第一通孔2；多出的两个第一通孔2能够便于其他线缆的走线与安装。

所述肩部线缆组308的结构与肘部线缆组309的结构相同，总长度不同，肩部线缆组308所具有的两个肩部卷簧311均与所述底座190具有紧固连接点；所述肩部线缆组308所具有的肩部钢丝312穿过所述底座190安装在所述肩部骨架200所具有的的第一外壳11上。

所述为底座190用于容纳腕部线缆组、末端线缆组304、肩部线缆组308、肘部线缆组309；如图30所示，所述底座190包括第二圆柱接头101、第三圆柱接头53、第四外壳51与第四内管52；第四内管52安装在所述第四外壳51内；如图32所示，第四外壳51上设置有线槽58、第三通孔8；第四外壳51的一端由两个柱体接触弧部6与两个第二弧部57组成，所述柱体接触弧部6与第二弧部57依次交替连接，第四外壳51的另一端为平面端；如图35与图36所示，四内管52上设置有第三通孔8，四内管52的一端由两个柱体接触弧部6与两个第二切口62组成，所述柱体接触弧部6与第二切口62依次交替连接，四内管52的另一端为平面端；所述第二圆柱接头101、第三圆柱接头53分别布置在不同的第三通孔8中。在一个优选例中，所述底座190的总长度为200mm，第四外壳51外径为8mm，厚度0.2mm。第四内管52外径4mm，厚度0.2mm，长度约45mm。

本发明还提供了一种机械臂系统，包括所述的弯曲结构，还包括驱动单元280，如图48所示，所述驱动单元280包括驱动电机76与旋转轴73；驱动电机76能够带动所述旋转轴73旋转；同一组动力线缆组301中的两根第一钢丝302的另一端部相互一体连接，形成第一线圈结构，所述第一线圈结构缠绕在所述旋转轴73上；随着旋转轴73的旋转，第一线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组动力线缆组301中的两根第一钢丝302沿相反方向运动。

在一个优选例中，对于所述机械臂，所述驱动单元280的数量为8个，即驱动电机76与旋转轴73的数量均为8个，且一一对应；如图49所示，4个驱动单元280组成一个驱动机构290,如图50所示，2个驱动机构290组成一组驱动系统400，其中控制机械爪开合的第一自由度的驱动单元280只有一根钢丝。

同一组末端线缆组304中的两根末端钢丝27的另一端部相互一体连接，形成第二线圈结构，所述第二线圈结构缠绕在所述旋转轴73上；随着旋转轴73的旋转，第二线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组末端线缆组304中的两根末端钢丝27沿相反方向运动。

同一组肩部线缆组308中的两根肩部钢丝312的另一端部相互一体连接，形成第三线圈结构，所述第三线圈结构缠绕在所述旋转轴73上；随着旋转轴73的旋转，第三线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肩部线缆组308中的两根肩部钢丝312沿相反方向运动。

同一组肘部线缆组309中的两根肘部钢丝313的另一端部相互一体连接，形成第四线圈结构，所述第四线圈结构缠绕在所述旋转轴73上；随着旋转轴73的旋转，第四线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肘部线缆组309中的两根肘部钢丝313沿相反方向运动。

第二钢丝29的一端连接安装板33，另一端连接缠绕在所述旋转轴73上，随着旋转轴73的正转反转，旋转轴73驱动第二钢丝29推拉，以实现机械爪结构的张开与开合。

在一个优选例中，参考图48，所述驱动单元280还包括张力调节装置410，所述张力调节装置410包括滑轮77、推臂78以及第二弹簧79。

本发明的工作原理如下：

驱动单元280的工作原理如下：参考图48，电机76产生的转动能量通过轴传递。当轴旋转时，由于该轴与线圈结构连接，线圈结构的一侧被拉，另一侧被推。钢丝通过由多个滑轮77组成的张力调节装置410，其中，在张力调节装置410中，由第二弹簧79驱动推臂78推动导线，推臂78沿着线圈结构施加相等的张力，从而减少关节运动中的跳跃。最后，线圈结构的一侧拉力，与另一侧推力，分别传递给同组线缆组中的两根钢丝上，以带动两根钢丝沿相反方向运动。

对于末端执行器300而言，第二钢丝29的一端连接安装板33，另一端连接缠绕在所述旋转轴73上，随着旋转轴73的正转反转，旋转轴73驱动第二钢丝29推拉，以实现机械爪结构的张开与闭合，完成第一个自由度的运动。除此以外，腕部关节305与末端执行器300能够相对弯曲，且可以实现+/-57.5度的最大角度，图19b展示了此时末端卷簧30、末端钢丝27、第二钢丝29、以及第二卷簧31以及的弯曲状态。腕部关节305与末端执行器300相对弯曲是通过驱动单元280中驱动电机76选择带动末端线缆组304实现的，比如，如图19所示，此时下方的末端钢丝27受拉力，上方的末端钢丝27受推力，以带动中间连接组件110中的第二外壳19转动，以实现腕部关节305与末端执行器300的相对弯曲，完成第二个自由度的运动。这种推拉效应被称为绞盘运动效应。

对于腕部关节来说，第一动力线缆组所具有的两根第一钢丝302的一端分别安装在所述第一基本弯曲组件314的第一外壳11的两侧，两根第一钢丝302的另一端相互一体连接，套装在旋转轴73上。随着旋转轴73的旋转，两根第一钢丝302的另一端受到相反方向力的作用(即一根第一钢丝302的另一端受拉力，另一根第一钢丝302的另一端受推力)，以带动相应第一外壳11，完成第三个自由度的运动。

对于腕部关节中，第二动力线缆组与第二基本弯曲组件315之间完成第四个自由度的工作原理、第三动力线缆组与第三基本弯曲组件316之间完成第五自由度的工作原理，第四动力线缆组与第四基本弯曲组件317之间完成第六自由度的工作原理，如第一动力线缆组第一基本弯曲组件314之间的原理，在此便不再赘述。

对于肘部关节307来说，肘部线缆组309所具有的两根肘部钢丝313的一端分别安装在所述肘部骨架180的第三外壳64的两侧，两根肘部钢丝313的另一端相互一体连接，套装在旋转轴73上。随着旋转轴73的旋转，两根肘部钢丝313的另一端受到相反方向力的作用即一根肘部钢丝313的另一端受拉力，另一根肘部钢丝313的另一端受推力，以带动第三外壳64，完成第七个自由度的运动。

对于肩部关节306，肩部线缆组308与第肩部骨架200之间完成第八自由度的工作原理，如肘部线缆组309与肘部骨架180之间的原理，在此便不再赘述。

综上所述，因为机械臂有8个自由度，所以需要8个驱动单元280。

本发明占用空间小，利用第一圆柱接头10可转动的连接不同第一外壳11的设计，在能够实现弯曲结构弯曲功能的同时，使第一外壳11的长度能够尽可能小，最小可小至7mm，减小了机械臂整体的长度；并且本发明由于采用柱体接触弧部6与所述圆柱接头10相匹配的设计，使每个关节可以轻松弯曲到+/-57.5度，弯曲角度还可以通过调整柱体接触弧部6的半径进行调整，最大可达65度。本发明通过动力线缆组301与基本弯曲组件100一一对应的设计，有助于克服链式肌腱驱动系统中常见的耦合问题，使每个基本弯曲组件100均为独立控制，进而使机械臂中的每个关节也能相对独立控制。

除此以外，现有技术常用的机械臂来说，现有的机械臂上具有孔径较小的孔，约0.6-0.8mm左右，不易加工，而本发明中的孔径较大，易于加工，加工效率高；并且本发明的弯曲结构，结构简单，对于机械臂来说可近似的认为是多个尺寸不同的弯曲结构叠加而成，由于各部分运动的原理相同，结构相似，因此一定程度上解决了现有机械臂制造困难的问题，使机械臂的制造变得简单快捷。

除此以外，目前大多数机械臂的驱动结构与手臂本体需要设置在同一空间中，造成机械臂整体体积过大，不适用于机械臂放置空间较小的环境。而本发明的机械臂系统采用分体式设计，即，机械臂主体部分与驱动单元中间仅通过线缆组连接，当机械臂系统的安装环境空间受限式，可将驱动单元与机械臂主体部分分开放置，驱动单元单独放置至外界大空间中，仍然不影响机械臂系统的正常工作。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (15)

1.一种弯曲结构，其特征在于，包括多个动力线缆组(301)以及多个依次可转动连接的基本弯曲组件(100)；所述动力线缆组(301)与基本弯曲组件(100)一一对应；

多个基本弯曲组件(100)的长度相同或不相同；多个动力线缆组(301)的总长度不相同；

动力线缆组(301)的一端与所述基本弯曲组件(100)连接，通过在动力线缆组(301)的另一端进行驱动能够带动对应的所述基本弯曲组件(100)运动；

所述基本弯曲组件(100)包括第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第一外壳(11)以及第一内管(12)；

所述第一内管(12)位于所述第一外壳(11)内侧，且与所述第一外壳(11)同轴布置；所述第一圆柱接头(10)可转动安装在所述第一外壳(11)上，且与所述第一外壳(11)的轴线相垂直；

所述第二圆柱接头(101)贯穿所述第一内管(12)，第二圆柱接头(101)的两端均可转动安装在所述第一外壳(11)上，

相邻基本弯曲组件(100)之间，位于后端的基本弯曲组件(100)中的第一圆柱接头(10)可转动连接位于前端的基本弯曲组件(100)。

2.根据权利要求1所述的弯曲结构，其特征在于，第一圆柱接头(10)包括管结构(5)；

管结构(5)上设置有中心孔(1)与第一通孔(2)；所述第一通孔(2)的数量为多个，均匀分布在所述中心孔(1)的两侧；所述第一通孔(2)用于固定动力线缆组(301)；

所述第一圆柱接头(10)与第二圆柱接头(101)的结构相同。

3.根据权利要求1所述的弯曲结构，其特征在于，

所述第一外壳(11)上设置有柱体接触弧部(6)、第一弧部(7)、第二通孔(9)以及第三通孔(8)；

第一外壳(11)的顶部设置有两个柱体接触弧部(6)与两个第一弧部(7)，所述柱体接触弧部(6)与第一弧部(7)依次交替连接；第一外壳(11)的底部设置有两个柱体接触弧部(6)与两个第一弧部(7)，所述柱体接触弧部(6)与第一弧部(7)依次交替连接；所述柱体接触弧部(6)与所述第一圆柱接头(10)相匹配；

所述第三通孔(8)的数量为2个，对称布置在所述第一外壳(11)上，第三通孔(8)用于安装所述第二圆柱接头(101)。

4.根据权利要求1所述的弯曲结构，其特征在于，所述第一内管(12)上设置有柱体接触弧部(6)、第三通孔(8)以及第一切口(14)；

第一内管(12)的顶部设置有两个柱体接触弧部(6)与两个第一切口(14)，所述柱体接触弧部(6)与第一切口(14)依次交替连接；第一内管(12)的底部设置有两个柱体接触弧部(6)与两个第一切口(14)，所述柱体接触弧部(6)与第一切口(14)依次交替连接；所述柱体接触弧部(6)与所述第一圆柱接头(10)相匹配；

所述第三通孔(8)的数量为2个，对称布置在所述第一内管(12)上，第三通孔(8)用于安装所述第二圆柱接头(101)。

5.根据权利要求1所述的弯曲结构，其特征在于，

动力线缆组(301)包括第一钢丝(302)以及第一卷簧(303)；

所述第一卷簧(303)套装在所述第一钢丝(302)上；

所述第一钢丝(302)与第一卷簧(303)的数量均为2个；两个第一卷簧(303)的端部分别穿过对应的基本弯曲组件(100)的前一个基本弯曲组件(100)中的第二圆柱接头(101)上对称布置的两个第一通孔(2)，且第一卷簧(303)与前一个基本弯曲组件(100)中所述第二圆柱接头(101)紧固连接；

所述第一钢丝(302)的一端穿过所述第一卷簧(303)，通过第二通孔(9)安装在对应的所述第一外壳(11)上。

6.一种机械臂，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的弯曲结构，还包括末端执行器(300)，所述弯曲结构与末端执行器(300)通过中间连接组件(110)连接。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，

所述中间连接组件(110)包括第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第二外壳(19)以及第二内管(20)；

中间连接组件(110)中的第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第二外壳(19)、第二内管(20)的连接方式与基本弯曲组件(100)中第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第一外壳(11)以及第一内管(12)之间的连接方式相同；

最末端的基本弯曲组件(100)中的第一外壳(11)与中间连接组件(110)通过中间连接组件(110)中的第一圆柱接头(10)可转动连接；

所述第二外壳(19)与第一外壳(11)的形状区别在于，第二外壳(19)的一端为平面；所述第二内管(20)与第一内管(12)的形状区别在于，第二内管(20)的一端为平面，且在第二内管(20)上还设置有两个对称布置的环形切口(23)；

所述机械臂还包括末端线缆组(304)，所述末端线缆组(304)与所述动力线缆组(301)的结构相同，长度不同；

末端线缆组(304)所具有的两个末端卷簧(30)与所述最末端的一个基本弯曲组件(100)中的第二圆柱接头(101)紧固连接；所述末端线缆组(304)所具有的末端钢丝(27)安装在所述中间连接组件(110)所具有的的第二外壳(19)上。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述末端执行器(300)为机械爪结构；

所述机械臂还包括第二钢丝(29)以及第二卷簧(31)；所述第二卷簧(31)套装在所述第二钢丝(29)上；所述第二卷簧(31)的端部穿过所述中心孔(1)，所述第二卷簧(31)的端部连接安装板(33)，安装板(33)与连接头(35)连接，安装板(33)与连接头(35)之间还设置有第一弹簧(34)；

连接头(35)与机械爪结构相连。

9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，定义所述弯曲结构为腕部关节(305)，所述动力线缆组(301)为腕部线缆组，多个依次可转动连接的基本弯曲组件(100)为腕部骨架；

所述机械臂还包括底座(190)、肩部关节(306)以及肘部关节(307)；

所述肩部关节(306)包括肩部骨架(200)与肩部线缆组(308)；所述肘部关节(307)包括肘部骨架(180)与肘部线缆组(309)；

所述底座(190)、肩部骨架(200)、肘部骨架(180)、腕部骨架、末端执行器(300)依次可转动连接；

所述肩部线缆组(308)的端部穿过所述底座(190)，与所述肩部骨架(200)紧固连接；所述肘部线缆组(309)的端部穿过所述底座(190)与肩部骨架(200)，且与所述肘部骨架(180)紧固连接；所述末端线缆组(304)的端部穿过所述底座(190)、肩部骨架(200)、肘部骨架(180)与腕部骨架，且与所述末端执行器(300)紧固连接。

10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述腕部关节(305)中的所述基本弯曲组件(100)的数量为4个，分别为第一基本弯曲组件(314)、第二基本弯曲组件(315)、第三基本弯曲组件(316)、第四基本弯曲组件(317)；

所述第一基本弯曲组件(314)与第二基本弯曲组件(315)的长度相同，所述第三基本弯曲组件(316)与第四基本弯曲组件(317)的长度相同；

动力线缆组(301)的数量为4个，分别为第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组；

第一动力线缆组、第二动力线缆组、第三动力线缆组以及第四动力线缆组分别与第一基本弯曲组件(314)、第二基本弯曲组件(315)、所述第三基本弯曲组件(316)与第四基本弯曲组件(317)一一对应。

11.根据权利要求10所述的机械臂，其特征在于，所述肘部骨架(180)包括第三内管(65)、第三外壳(64)、第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)；

所述肘部骨架(180)中的第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第三内管(65)、第三外壳(64)的连接方式与基本弯曲组件(100)中第一圆柱接头(10)、第二圆柱接头(101)、第一外壳(11)以及第一内管(12)之间的连接方式相同；

第三外壳(64)与第四基本弯曲组件(317)通过第四基本弯曲组件(317)中的第一圆柱接头(10)可转动连接；所述第三外壳(64)与第一外壳(11)的形状区别在于，第三外壳(64)具有3对第三通孔(8)；所述第三内管(65)与第一外壳(11)的形状区别在于，第三外壳(64)具有3对第三通孔(8)；

所述肘部线缆组(309)包括肘部钢丝(313)与肘部卷簧(310)；

所述肘部卷簧(310)套装在所述肘部钢丝(313)上；

所述肘部钢丝(313)与肘部卷簧(310)的数量均为2个；两个肘部卷簧(310)的端部分别穿过肩部骨架(200)且肘部卷簧(310)与所述肩部骨架(200)紧固连接；所述肘部钢丝(313)的端部穿过所述肘部卷簧(310)，通过所述第三外壳(64)中的第二通孔(9)安装在所述第三外壳(64)上。

12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述肩部骨架(200)除了第二圆柱接头(101)被第三圆柱接头(53)取代外，其他所有部件的结构都与基本弯曲组件(100)相同；

所述第三圆柱接头(53)是第二圆柱接头(101)的拉长形式，且与第二圆柱接头(101)相比，多了两个沿中心孔(1)对称的第一通孔(2)；

所述肩部线缆组(308)的结构与肘部线缆组(309)的结构相同，长度不同，肩部线缆组(308)所具有的两个肩部卷簧(311)均与所述底座(190)具有紧固连接点；所述肩部线缆组(308)所具有的肩部钢丝(312)穿过所述底座(190)安装在所述肩部骨架(200)所具有的的第一外壳(11)上。

13.根据权利要求12所述的机械臂，其特征在于，所述为底座(190)用于容纳腕部线缆组、末端线缆组(304)、肩部线缆组(308)、肘部线缆组(309)；

所述底座(190)包括第二圆柱接头(101)、第三圆柱接头(53)、第四外壳(51)与第四内管(52)；第四内管(52)安装在所述第四外壳(51)内；

第四外壳(51)上设置有线槽(58)、第三通孔(8)；第四外壳(51)的一端由两个柱体接触弧部(6)与两个第二弧部(57)组成，所述柱体接触弧部(6)与第二弧部(57)依次交替连接，第四外壳(51)的另一端为平面端；

第四内管(52)上设置有第三通孔(8)，第四内管(52)的一端由两个柱体接触弧部(6)与两个第二切口(62)组成，所述柱体接触弧部(6)与第二切口(62)依次交替连接，第四内管(52)的另一端为平面端；

所述第二圆柱接头(101)、第三圆柱接头(53)分别布置在不同的第三通孔(8)中。

14.一种机械臂系统，其特征在于，采用权利要求6-13所述机械臂，还包括驱动单元(280)；

所述驱动单元(280)包括驱动电机(76)与旋转轴(73)；

驱动电机(76)能够带动所述旋转轴(73)旋转；

同一组动力线缆组(301)中的两根第一钢丝(302)的另一端部相互一体连接，形成第一线圈结构，所述第一线圈结构缠绕在所述旋转轴(73)上；

随着旋转轴(73)的旋转，第一线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组动力线缆组(301)中的两根第一钢丝(302)沿相反方向运动。

15.根据权利要求14所述的机械臂系统，其特征在于，

所述驱动电机(76)与旋转轴(73)的数量均为多个，且一一对应；

同一组末端线缆组(304)中的两根末端钢丝(27)的另一端部相互一体连接，形成第二线圈结构，所述第二线圈结构缠绕在所述旋转轴(73)上；随着旋转轴(73)的旋转，第二线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组末端线缆组(304)中的两根末端钢丝(27)沿相反方向运动；

同一组肩部线缆组(308)中的两根肩部钢丝(312)的另一端部相互一体连接，形成第三线圈结构，所述第三线圈结构缠绕在所述旋转轴(73)上；随着旋转轴(73)的旋转，第三线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肩部线缆组(308)中的两根肩部钢丝(312)沿相反方向运动；

同一组肘部线缆组(309)中的两根肘部钢丝(313)的另一端部相互一体连接，形成第四线圈结构，所述第四线圈结构缠绕在所述旋转轴(73)上；随着旋转轴(73)的旋转，第四线圈结构两侧的运动方向相反，以带动同一组肘部线缆组(309)中的两根肘部钢丝(313)沿相反方向运动。

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