CN116277137B - 一种机器人关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节结构，其包括：第一法兰；第二法兰，所述第二法兰与所述第一法兰转动连接；在初始状态时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度和第二线缆长度为第一长度；在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第二长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度为第三长度；调节机构，用于使得所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。本发明中，能够完全消除或补偿关节法兰旋转时导致的驱动缆绳松弛的现象，使得末端执行器在病人腔内的姿态精度得以维持，医生操作可以精准无误。

Description

一种机器人关节结构

技术领域

本发明涉及机器人关节技术领域，进一步地涉及一种机器人关节结构。

背景技术

现有的外科单孔手术机器人专用器械其末端执行器自身一般具有4+1个自由度，其中两个位置自由度（例如平行机构的俯仰和偏航）和两个姿态自由度（例如腕机构的俯仰和偏航），以及一个操作自由度（例如开合夹钳）。在常规单孔腔镜手术中，机器人器械末端执行器进入人体，结合末端执行器驱动单元提供的翻滚自由度以及Z向滑轨提供的伸缩自由度，使得末端执行器具有共计6+1个自由度，可以对病人腔内的目标病灶进行全自由度外科手术操作。

然而无论是腕机构还是平行机构，其现有的销轴连接铰接关节都存在问题，当相邻关节法兰相互旋转时，穿过关节法兰的驱动（被动约束）缆绳会发生松弛，从而导致器械主从映射不准确或部分失效，具体体现为腕机构或平行机构无法达到预定的姿态或达到的姿态存在一定的随机性，该问题严重影响了末端执行器的操作精度，并导致医生无法准确进行手术操作。

经发明人研究发现，现有铰链关节存在的问题其根本原因在于弧弦差问题的存在。因此，有必要设计一种机器人关节结构来解决上述问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种机器人关节结构，能够完全消除或补偿关节法兰旋转时导致的驱动缆绳松弛的现象，使得末端执行器在病人腔内的姿态精度得以维持，医生操作可以精准无误。

为了实现上述目的，本发明提供一种机器人关节结构，包括：

第一法兰，所述第一法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第一连接部和用于与第二线缆活动连接第二连接部；

第二法兰，所述第二法兰与所述第一法兰转动连接，所述第二法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第三连接部和用于与第二线缆活动连接的第四连接部；

在初始状态时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第一长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度也为第一长度；

在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第二长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度为第三长度，所述第二长度大于所述第一长度大于所述第三长度；

调节机构，用于调整所述第二长度与所述第一长度的差值，以及所述第一长度与所述第三长度的差值，使得所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

在一些实施方式中，所述调节机构为四连杆机构，所述四连杆机构分别与所述第一法兰和所述第二法兰连接，所述第一法兰和所述第二法兰通过所述四连杆机构转动连接，使得所述第二长度与所述第一长度的差值等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

在一些实施方式中，所述四连杆机构包括：

支撑件，所述支撑件包括连接杆和两个平行设置的支撑杆，所述连接杆的两端分别与对应侧的所述支撑杆垂直连接，所述支撑杆的两端分别为弧形面，所述第一法兰靠近所述第二法兰的端面设置有两个第一弧形槽，所述第二法兰靠近所述第一法兰的端面设置有两个第二弧形槽，所述支撑件设置于所述第一法兰和所述第二法兰之间，使得两个所述支撑杆的一端分别适配插设于对应的所述第一弧形槽内，两个所述支撑杆的另一端分别适配插设于对应的所述第二弧形槽内；

两个第一连杆，分别固定于所述第一法兰靠近所述第二法兰的端面上，两个所述第一连杆分别位于所述第一法兰的相对两侧；

两个第二连杆，分别固定于所述第二法兰靠近所述第一法兰的端面上，两个所述第二连杆分别位于所述第二法兰的相对两侧；

两个第三连杆，两个所述第三连杆的一端分别与对应侧的所述第一连杆转动连接，两个所述第三连杆的另一端分别与对应侧的所述第二连杆转动连接。

在一些实施方式中，所述弧形面为半球形面，所述第一弧形槽和所述第二弧形槽均为半球形槽，所述支撑杆分别与所述第一法兰的端面、所述第二法兰的端面垂直时，所述第一连杆与所述第二连杆平行设置。

在一些实施方式中，所述第一连杆与所述第三连杆经第一销轴转动连接，并以所述第一连杆与所述第一法兰的连接处作为旋转中心；

所述第二连杆与所述第三连杆经第二销轴转动连接，并以所述第二连杆与所述第二法兰的连接处作为旋转中心。

在一些实施方式中，所述第一连杆的端部设置有第一弧形凹槽，所述第二连杆的端部设置有第二弧形凹槽，所述第三连杆的两端分别设置有弧形凸起，所述第三连杆两端的所述弧形凸起分别适配设置于所述第一弧形凹槽和所述第二弧形凹槽内；

所述支撑件的两侧分别固定有滑杆，所述第三连杆的中部设置有滑槽，所述滑杆插设于所述滑槽内，所述滑杆远离所述支撑件的一端设置于限位环；

所述第一连杆与所述第三连杆经所述第一弧形凹槽和所述弧形凸起转动连接，并以所述第一连杆与所述第一法兰的连接处作为旋转中心；

所述第二连杆与所述第三连杆经所述第二弧形凹槽和所述弧形凸起转动连接，并以所述第二连杆与所述第二法兰的连接处作为旋转中心。

在一些实施方式中，所述第一法兰靠近所述第二法兰的一端设置有第一弧形凸台，所述第一弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；

所述第二法兰靠近所述第一法兰的一端设置有第二弧形凸台，所述第二弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；

所述第一凸齿与所述第二凸齿适配啮合，使得所述第一法兰与所述第二法兰转动连接。

在一些实施方式中，所述第一弧形凸台的两侧分别设置有第一端面，所述第一法兰远离所述第一弧形凸台的一端设置有第一锥形面，所述第一锥形面的顶端处作为所述第一法兰的旋转中心，所述第一锥形面的顶端处与所述第一端面之间的距离为第四长度；

所述第二弧形凸台的两侧分别设置有第二端面，所述第二法兰远离所述第二弧形凸台的一端设置有第二锥形面，所述第二锥形面的顶端处作为所述第二法兰的旋转中心，所述第二锥形面的顶端处与所述第二端面之间的距离为第四长度；

所述第一弧形凸台的外径等于所述第二弧形凸台的外径，所述第一连接部和所述第二连接部分别设置于所述第一端面与所述第一锥形面的连接处，所述第三连接部和所述第四连接部分别设置于所述第二端面与所述第二锥形面的连接处；

啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成所述调节机构，在初始状态时，所述第一端面与所述第二端面平行，在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第二长度与所述第一长度的差值大于所述第一长度与所述第三长度的差值。

在一些实施方式中，所述第一弧形凸台的两侧分别设置有第一端面，所述第一法兰远离所述第一弧形凸台的一端设置有第一平面，所述第一端面与所述第一平面平行设置且间隔预设距离；

所述第二弧形凸台的两侧分别设置有第二端面，所述第二法兰远离所述第二弧形凸台的一端设置有第二平面，所述第二端面与所述第二平面平行设置且间隔预设距离；

所述第一弧形凸台的外径等于所述第二弧形凸台的外径，所述第一弧形凸台的圆心作为所述第一法兰的理论旋转中心，所述第二弧形凸台的圆心作为所述第二法兰的理论旋转中心，所述第一法兰的实际旋转中心位于所述第一端面与所述第一平面之间，所述第二法兰的实际旋转中心位于所述第二端面与所述第二平面之间；

啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成所述调节机构，在初始状态时，所述第一端面与所述第二端面平行，在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

在一些实施方式中，所述第一法兰靠近所述第二法兰的一侧设置有第一凸台部，所述第一连接部和所述第二连接部设置于所述第一凸台部上；

所述第二法兰靠近所述第一法兰的一侧设置有第二凸台部，所述第三连接部和所述第四连接部设置于所述第二凸台部上，所述第一凸台部的高度与所述第二凸台部的高度相等。

在一些实施方式中，所述第一法兰靠近所述第二法兰的一侧设置有第一辅助弧形凸台，所述第二法兰靠近所述第一法兰的一侧设置有第二辅助弧形凸台；

啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成所述调节机构，在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动过程中，所述第一辅助弧形凸台与所述第二辅助弧形凸台抵接。

在一些实施方式中，所述第一法兰与所述第二法兰通过销轴转动连接，所述调节机构为绞盘，所述绞盘上间隔设置有第一绕线部和第二绕线部，所述第一绕线部和所述第二绕线部均为X型结构；

在初始状态时，所述第一线缆缠绕于所述第一绕线部的最小直径处，所述第二线缆缠绕于所述第二绕线部的最小直径处；

随着所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度增大，所述第一线缆缠绕于所述第一绕线部处的直径增大，所述第二线缆缠绕于所述第二绕线部处的直径增大。

与现有技术相比，本发明所提供的机器人关节结构具有以下有益效果：

本发明所提供的机器人关节结构，通过关节法兰铰接结构的设计来完全消除或补偿关节法兰旋转时导致的驱动（被动约束）缆绳松弛的现象，确保系统链路中线缆维持张紧状态，从而维持平行机构的平行功能，保证机构的精度，使得末端执行器在病人腔内的姿态精度得以维持，医生操作可以精准无误。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明关节结构产生弧弦差的原理图；

图2是本发明关节结构初始状态的原理图；

图3是本发明关节结构旋转预设角度的原理图；

图4是本发明实施例一的关节结构的结构示意图；

图5是本发明实施例一的关节结构的主视图；

图6是本发明实施例一的关节结构的原理图；

图7是本发明实施例一的关节结构的剖视图；

图8是本发明实施例二的关节结构的结构示意图；

图9是本发明实施例二的关节结构的主视图；

图10是本发明实施例二的关节结构的原理图；

图11是本发明实施例二的关节结构的剖视图；

图12是本发明实施例三的关节结构的原理图；

图13是本发明实施例三的关节结构的运动原理图；

图14是本发明实施例四的关节结构的原理图；

图15是本发明实施例四的关节结构的运动原理图；

图16是本发明实施例五的关节结构的原理图；

图17是本发明实施例五的关节结构的运动原理图；

图18是本发明实施例五的关节结构的结构示意图；

图19是本发明实施例六的关节结构的原理图；

图20是本发明实施例六的关节结构的运动原理图。

附图标号说明：

第一法兰1，第一连接部11，第二连接部12，第一弧形凸台13，第一端面14，第一锥形面15，第一平面16，第一凸台部17，第一辅助弧形凸台18，第二法兰2，第三连接部21，第四连接部22，第二弧形凸台23，第二端面24，第二锥形面25，第二平面26，第二凸台部27，第二辅助弧形凸台28，销轴31，套管32，第一线缆33，第二线缆34，调节机构4，支撑件41，滑杆411，限位环412，第一连杆42，第一销轴421，第二连杆43，第二销轴431，第三连杆44，滑槽441，绞盘45，第一绕线部451，第二绕线部452。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明设计旨在消除现有铰链关节存在的问题，即通过关节法兰铰接结构的设计来完全消除或补偿关节法兰旋转时导致的驱动（被动约束）缆绳松弛的现象，使得末端执行器在病人腔内的姿态精度得以维持，医生操作可以精准无误。弧弦差即弧长和弦长的差值，现有的旋转关节一般为铰链旋转关节，即上下两部分关节法兰绕着铰链销轴旋转。

参考说明书附图1，发明人经研究发现，市面现有设计的问题在于铰链旋转关节必然存在弧弦差，当第一法兰1、第二法兰2绕着销轴31旋转一个角度时，第一法兰1、第二法兰2一侧距离会增大，另一侧距离会减小，而对应法兰上两边端点连线距离也是一侧增大，另一侧减小。但是由于法兰上两侧端点虽然走过的路径是弧线，但实际对应点位的连线距离是直线（即弦长），因而导致即使法兰两侧旋转角度相同，但法兰两侧连线距离的增加量和减少量并不等且减少量大于增加量。

若在初始状态时，第一法兰1与第二法兰2之间的第一线缆长度为第一长度L1，第一法兰1与第二法兰2之间的第二线缆长度也为第一长度L1；在第一法兰1与第二法兰2相对转动预设角度时，第一法兰1与第二法兰2之间的第一线缆长度为第二长度L2，第一法兰1与第二法兰2之间的第二线缆长度为第三长度L3，即L2-L1＜L1-L3。

弧弦差对旋转关节带来的问题在于，实际法兰两侧端点连线为线缆连接（以钢丝为例），且一般平行机构的关节排布方式如图2、图3所示，为两个两组法兰中间用套管32连接，钢丝穿过上下两组法兰并通过中间的套管32，钢丝的两端分别固定在两端法兰的端面上。

当法兰两侧连线距离的增加量和减少量并不等且减少量大于增加量时，对应L2-L1＜L1-L3，即法兰两侧钢丝的伸长量和收缩量不等且收缩量大于伸长量，一根钢丝同时会通过伸长和缩短部分，则该钢丝的空间距离会变短，导致钢丝发生松弛，使得整个系统链路中的钢丝全部松弛，从而丢失其原有的限制性作用，使得产品功能性失效。

为了解决上述问题，参考说明书附图1至图20，本发明所提供的一种机器人关节结构，包括：第一法兰1、第二法兰2和调节机构4。第一法兰1的相对两侧分别设置有用于与第一线缆33活动连接的第一连接部11和用于与第二线缆34活动连接第二连接部12。第二法兰2与第一法兰1转动连接，第二法兰2的相对两侧分别设置有用于与第一线缆33活动连接的第三连接部21和用于与第二线缆34活动连接的第四连接部22。第一连接部11、第二连接部12、第三连接部21、第四连接部22可以为孔状结构或槽状结构等。

在初始状态时，第一法兰1与第二法兰2之间的第一线缆长度为第一长度L1，第一法兰1与第二法兰2之间的第二线缆长度也为第一长度L1。在第一法兰1与第二法兰2相对转动预设角度时，第一法兰1与第二法兰2之间的第一线缆长度为第二长度L2，第一法兰1与第二法兰2之间的第二线缆长度为第三长度L3，第二长度L2大于第一长度L1大于第三长度L3；调节机构4用于调整第二长度L2与第一长度L1的差值，以及第一长度L1与第三长度L3的差值，使得第二长度L2与第一长度L1的差值大于等于第一长度L1与第三长度L3的差值。通过关节法兰铰接结构的设计来完全消除或补偿关节法兰旋转时导致的驱动（被动约束）缆绳松弛的现象，确保系统链路中线缆维持张紧状态，从而维持平行机构的平行功能，保证机构的精度，使得末端执行器在病人腔内的姿态精度得以维持，医生操作可以精准无误。

在实施例一中，参考说明书附图4至图7，调节机构4为四连杆机构，四连杆机构分别与第一法兰1和第二法兰2连接，第一法兰1和第二法兰2通过四连杆机构转动连接，使得第二长度L2与第一长度L1的差值等于第一长度L1与第三长度L3的差值。

其中，四连杆机构包括：支撑件41、两个第一连杆42、两个第二连杆43、两个第三连杆44。支撑件41包括连接杆和两个平行设置的支撑杆，连接杆的两端分别与对应侧的支撑杆垂直连接，支撑杆的两端分别为弧形面，第一法兰1靠近第二法兰2的端面设置有两个第一弧形槽，第二法兰2靠近第一法兰1的端面设置有两个第二弧形槽，支撑件41设置于第一法兰1和第二法兰2之间，使得两个支撑杆的一端分别适配插设于对应的第一弧形槽内，两个支撑杆的另一端分别适配插设于对应的第二弧形槽内。两个第一连杆42分别固定于第一法兰1靠近第二法兰2的端面上，两个第一连杆42分别位于第一法兰1的相对两侧。两个第二连杆43分别固定于第二法兰2靠近第一法兰1的端面上，两个第二连杆43分别位于第二法兰2的相对两侧。两个第三连杆44的一端分别与对应侧的第一连杆42转动连接，两个第三连杆44的另一端分别与对应侧的第二连杆43转动连接。

进一步地，弧形面为半球形面，第一弧形槽和第二弧形槽均为半球形槽，支撑杆分别与第一法兰1的端面、第二法兰2的端面垂直时，第一连杆42与第二连杆43平行设置。第一连杆42与第三连杆44经第一销轴421转动连接，并以第一连杆42与第一法兰1的连接处作为旋转中心；第二连杆43与第三连杆44经第二销轴431转动连接，并以第二连杆43与第二法兰2的连接处作为旋转中心。

本实施例能够消除弧弦差，用四连杆机构来为两个法兰提供纯滚动运动，由于两个法兰的旋转中心和法兰端面重合，则钢丝附着点的运动轨迹为绕着旋转中心，半径定长的圆弧，由于两个法兰为纯滚动运动，故旋转角度相同，则对应两侧钢丝附着点运动轨迹相同，即两侧钢丝缩短和伸长长度相同，消除了弧弦差的存在。为保持旋转中心距离不变的结构，支撑件41与第一法兰1、第二法兰2分别采用圆柱面/槽接触，确保两个法兰旋转任意角度情况下，两个法兰旋转中心的中心距一致保持不变。

在实施例二中，参考说明书附图8至图11，调节机构4为四连杆机构，四连杆机构分别与第一法兰1和第二法兰2连接，第一法兰1和第二法兰2通过四连杆机构转动连接，使得第二长度L2与第一长度L1的差值等于第一长度L1与第三长度L3的差值。

其中，四连杆机构包括：支撑件41、两个第一连杆42、两个第二连杆43、两个第三连杆44。支撑件41包括连接杆和两个平行设置的支撑杆，连接杆的两端分别与对应侧的支撑杆垂直连接，支撑杆的两端分别为弧形面，第一法兰1靠近第二法兰2的端面设置有两个第一弧形槽，第二法兰2靠近第一法兰1的端面设置有两个第二弧形槽，支撑件41设置于第一法兰1和第二法兰2之间，使得两个支撑杆的一端分别适配插设于对应的第一弧形槽内，两个支撑杆的另一端分别适配插设于对应的第二弧形槽内。两个第一连杆42分别固定于第一法兰1靠近第二法兰2的端面上，两个第一连杆42分别位于第一法兰1的相对两侧。两个第二连杆43分别固定于第二法兰2靠近第一法兰1的端面上，两个第二连杆43分别位于第二法兰2的相对两侧。两个第三连杆44的一端分别与对应侧的第一连杆42转动连接，两个第三连杆44的另一端分别与对应侧的第二连杆43转动连接。

进一步地，第一连杆42的端部设置有第一弧形凹槽，第二连杆43的端部设置有第二弧形凹槽，第三连杆44的两端分别设置有弧形凸起，第三连杆44两端的弧形凸起分别适配设置于第一弧形凹槽和第二弧形凹槽内。支撑件41的两侧分别固定有滑杆411，第三连杆44的中部设置有滑槽441，滑杆411插设于滑槽441内，滑杆411远离支撑件41的一端设置于限位环412。第一连杆42与第三连杆44经第一弧形凹槽和弧形凸起转动连接，并以第一连杆42与第一法兰1的连接处作为旋转中心。第二连杆43与第三连杆44经第二弧形凹槽和弧形凸起转动连接，并以第二连杆43与第二法兰2的连接处作为旋转中心。

本实施例能够消除弧弦差，用四连杆机构来为两个法兰提供纯滚动运动，由于两个法兰的旋转中心和法兰端面重合，则钢丝附着点的运动轨迹为绕着旋转中心，半径定长的圆弧，由于两个法兰为纯滚动运动，故旋转角度相同，则对应两侧钢丝附着点运动轨迹相同，即两侧钢丝缩短和伸长长度相同，消除了弧弦差的存在。为保持旋转中心距离不变的结构，支撑件41与第一法兰1、第二法兰2分别采用圆柱面/槽接触，确保两个法兰旋转任意角度情况下，两个法兰旋转中心的中心距一致保持不变。

在实施例三中，参考说明书附图12、图13，第一法兰1靠近第二法兰2的一端设置有第一弧形凸台13，第一弧形凸台13的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；第二法兰2靠近第一法兰1的一端设置有第二弧形凸台23，第二弧形凸台23的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；第一凸齿与第二凸齿适配啮合，使得第一法兰1与第二法兰2转动连接。

第一弧形凸台13的两侧分别设置有第一端面14，第一法兰1远离第一弧形凸台13的一端设置有第一锥形面15，第一锥形面15的顶端处作为第一法兰1的旋转中心，第一锥形面15的顶端处与第一端面14之间的距离为第四长度L。第二弧形凸台23的两侧分别设置有第二端面24，第二法兰2远离第二弧形凸台23的一端设置有第二锥形面25，第二锥形面25的顶端处作为第二法兰2的旋转中心，第二锥形面25的顶端处与第二端面24之间的距离为第四长度L。

第一弧形凸台13的外径等于第二弧形凸台23的外径，第一连接部11和第二连接部12分别设置于第一端面14与第一锥形面15的连接处，第三连接部21和第四连接部22分别设置于第二端面24与第二锥形面25的连接处。啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成调节机构4，在初始状态时，第一端面14与第二端面24平行，在第一法兰1与第二法兰2相对转动预设角度时，第二长度L2与第一长度L1的差值大于第一长度L1与第三长度L3的差值。

本实施例能够补偿弧弦差，第一法兰1为远端法兰，第二法兰2为近端法兰，第一法兰1和第二法兰2通过相对纯滚动的方式进行啮合并产生相对运动，采用的方式结构包括齿轮连接等。远端法兰端面和近端法兰端面的外侧边顶点连线即为钢丝的连接，对应钢丝初始长度为远端法兰端面和近端法兰端面的距离L1。在初始状态时，远端法兰端面和近端法兰端面平行，两侧钢丝长度相等，均为L1。远端法兰啮合面的节圆半径为R1，近端法兰啮合面的节圆半径为R1，在初始状态时，远端法兰端面到近端法兰端面的距离为L1。远端法兰旋转中心到远端法兰端面有一个偏心距离L，近端法兰旋转中心到近端法兰端面有一个偏心距离L，即远端法兰旋转中心到远端法兰端面有一个偏心距离和近端法兰旋转中心到近端法兰端面有一个偏心距离相等。

当第一法兰1和第二法兰2发生相对转动时，远端法兰啮合面和近端法兰啮合面产生相对纯滚动的运动，即第一法兰1的旋转角度和第二法兰2相同，均为角度A。第一法兰1和第二法兰2两侧钢丝的初始长度均为L1，在旋转任意角度A之后，相互接近的第一法兰1和第二法兰2的一侧长度为L3，相互远离的第一法兰1和第二法兰2的一侧长度为L2，基于该机构的设计原理，则L2-L1＞L1-L3，即对应钢丝伸长的距离大于钢丝缩短的距离，则对于同一根钢丝，其伸长的部分比缩短的部分长，则这根钢丝会收到拉应力，从而保持其张紧状态，起到原有的限制性作用，保证了平行机构的功能性。

在实施例四中，参考说明书附图14、图15，第一法兰1靠近第二法兰2的一端设置有第一弧形凸台13，第一弧形凸台13的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；第二法兰2靠近第一法兰1的一端设置有第二弧形凸台23，第二弧形凸台23的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；第一凸齿与第二凸齿适配啮合，使得第一法兰1与第二法兰2转动连接。

第一弧形凸台13的两侧分别设置有第一端面14，第一法兰1远离第一弧形凸台13的一端设置有第一平面16，第一端面14与第一平面16平行设置且间隔预设距离。第二弧形凸台23的两侧分别设置有第二端面24，第二法兰2远离第二弧形凸台23的一端设置有第二平面26，第二端面24与第二平面26平行设置且间隔预设距离。

第一弧形凸台13的外径等于第二弧形凸台23的外径，第一弧形凸台13的圆心作为第一法兰1的理论旋转中心，第二弧形凸台23的圆心作为第二法兰2的理论旋转中心，第一法兰1的实际旋转中心位于第一端面14与第一平面16之间，第二法兰2的实际旋转中心位于第二端面24与第二平面26之间。啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成调节机构4，在初始状态时，第一端面14与第二端面24平行，在第一法兰1与第二法兰2相对转动预设角度时，第二长度L2与第一长度L1的差值大于等于第一长度L1与第三长度L3的差值。

本实施例能够补偿弧弦差，第一法兰1为远端法兰，第二法兰2为近端法兰，第一法兰1和第二法兰2通过相对纯滚动的方式进行啮合并产生相对运动，采用的方式结构包括齿轮连接等。其理论旋转半径R1，在初始状态时，第一法兰1与第二法兰2端面距离R1和理论旋转半径R1相等。在此状态下，法兰端面两侧的钢丝连接点的运动轨迹为沿着理论旋转中心，半径为理论旋转半径R1的圆弧，此状态下钢丝的伸长和缩短距离相等，因为两侧钢丝端点运动轨迹是相等旋转中心和相等旋转半径R1的圆弧，同时此状态下的纯滚动保证两侧旋转角度相等，则对应的弧长相等，即钢丝的伸长和缩短距离相等，则该状态下理论上不存在弧弦差。

但实际加工的产品，由于加工偏差等现实因素的存在，导致即使理论设计无弧弦差，实际产品仍然会存在一定的弧弦差，则引出图中的实际旋转中心和实际旋转半径R2的设计理念。实际旋转半径R2大于理论旋转半径R1，且只有在初始状态下实际旋转半径和理论旋转半径的轨迹重合，此时第一法兰1和第二法兰2两个端面之间的距离R1，和理论旋转半径R1相等。实际旋转半径的设计理念在于，当第一法兰1和第二法兰2发生相对旋转运动时，则第一法兰1和第二法兰2之间的旋转半径逐渐变大，即实际旋转半径轨迹和理论旋转半径轨迹的偏差逐渐变大。对于理论设计无弧弦差状态但实际加工会存在弧弦差的问题，实际旋转半径由于逐渐大于理论的旋转半径，即等同于将第一法兰1和第二法兰2端面理论缩短的距离变小，因为第一法兰1和第二法兰2旋转半径的变大，即两个法兰相对分离，对应法兰端面相对分离，则可以将理论缩短的距离通过中心距变大的方式撑开，则可以减少理论缩短的距离，继而补偿弧弦差。

当第一法兰1和第二法兰2发生相对转动，在初始状态起始时，第一法兰1和第二法兰2的实际旋转半径和理论旋转半径轨迹重合，继续转动任意角度之后，第一法兰1和第二法兰2的实际旋转半径轨迹分离，实际旋转半径轨迹大于理论旋转半径轨迹。第一法兰1和第二法兰2两侧钢丝的初始长度均为L1，在旋转任意角度之后，相互接近的第一法兰1和第二法兰2的一侧长度为L3（L3的长度是由理论缩短的距离减去实际旋转半径增大补偿的距离），相互远离的第一法兰1和第二法兰2的一侧长度为L2，基于该机构的设计原理，则L2-L1≥L1-L3，即对应钢丝伸长的距离大于或等于钢丝缩短的距离，则根据上图所示一般平行机构的关节排布方式，则对于同一根钢丝，其伸长的部分比缩短的部分长，则这根钢丝会收到拉应力，从而保持其张紧状态，起到原有的限制性作用，保证了平行机构的功能性。

在实施例五中，参考说明书附图16至图18，第一法兰1靠近第二法兰2的一端设置有第一弧形凸台13，第一弧形凸台13的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；第二法兰2靠近第一法兰1的一端设置有第二弧形凸台23，第二弧形凸台23的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；第一凸齿与第二凸齿适配啮合，使得第一法兰1与第二法兰2转动连接。

第一法兰1靠近第二法兰2的一侧设置有第一凸台部17，第一连接部11和第二连接部12设置于第一凸台部17上。第二法兰2靠近第一法兰1的一侧设置有第二凸台部27，第三连接部21和第四连接部22设置于第二凸台部27上，第一凸台部17的高度与第二凸台部27的高度相等。

进一步地，第一法兰1靠近第二法兰2的一侧设置有第一辅助弧形凸台18，第二法兰2靠近第一法兰1的一侧设置有第二辅助弧形凸台28。啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成调节机构4，在第一法兰1与第二法兰2相对转动过程中，第一辅助弧形凸台18与第二辅助弧形凸台28抵接。

本实施例能够补偿弧弦差，通过增加两个法兰的高度改变钢丝弯曲位置，进而减小由于加工等因素导致的弧弦差。在两法兰呈现一定角度时，未增加钢丝孔所在位置的高度时，两侧钢丝绳的长度为m和n。在两法兰面上增加钢丝孔所在位置的高度L1，则此时两侧的钢丝长度分别为a+2L1和b+2L1，可以有效的撑起钢丝增加长度，进而补偿弧弦差，即对应钢丝伸长的距离大于钢丝缩短的距离，则根据本实施例平行机构的关节排布方式，则对于同一根钢丝，其伸长的部分比缩短的部分长，则这根钢丝会收到拉应力，从而保持其张紧状态，起到原有的限制性作用，保证了平行机构的功能性。如图18所示，两侧为纯滚动的啮合面，采用倒角面的形式增加钢丝孔位的高度，在补偿弧弦差的同时不会影响关节的运动角度，并且相比于单个孔位增加高度的方式更易于加工。

在实施例六中，参考说明书附图19、图20，第一法兰1与第二法兰2通过销轴31转动连接，调节机构4包括绞盘45，绞盘45上间隔设置有第一绕线部451和第二绕线部452，第一绕线部451和第二绕线部452均为X型结构。在初始状态时，第一线缆33缠绕于第一绕线部451的最小直径处，第二线缆34缠绕于第二绕线部452的最小直径处。随着第一法兰1与第二法兰2相对转动预设角度增大，第一线缆33缠绕于第一绕线部451处的直径增大，第二线缆34缠绕于第二绕线部452处的直径增大。

本实施例能够补偿弧弦差，采用典型的旋转法兰关节，法兰两侧的钢丝分别连接在同一个绞盘45上，在初始状态时，钢丝连接在绞盘45的最小直径处。第一法兰1与第二法兰2相对旋转任意角度时，法兰一端距离变短，另一端距离边长，缩短的距离多于伸长的距离，会导致钢丝松弛。但在该机构中，松弛的钢丝连接在绞盘45上，当绞盘45转动带动钢丝时，由于钢丝缠绕绞盘45直径的增大，故对钢丝产生额外的拉紧作用，为钢丝提供一定张力，使得钢丝一直保持张紧状态，即对应钢丝伸长的距离大于钢丝缩短的距离，则根据如图所示一般平行机构的关节排布方式，则对于同一根钢丝，其伸长的部分比缩短的部分长，则这根钢丝会收到拉应力，从而保持其张紧状态，起到原有的限制性作用，保证了平行机构的功能性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人关节结构，其特征在于，包括：

第一法兰，所述第一法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第一连接部和用于与第二线缆活动连接第二连接部；

第二法兰，所述第二法兰与所述第一法兰转动连接，所述第二法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第三连接部和用于与第二线缆活动连接的第四连接部；

在初始状态时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第一长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度也为第一长度；

在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第二长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度为第三长度，所述第二长度大于所述第一长度大于所述第三长度；

调节机构，所述第一法兰和所述第二法兰通过相对纯滚动的方式产生相对运动，第一法兰端面和第二法兰端面的外侧边顶点连线即为线缆的连接，通过所述调节机构将第一法兰旋转中心到第一法兰端面设置一个偏心距离，以及第二法兰旋转中心到第二法兰端面设置一个偏心距离；

进而用于调整所述第二长度与所述第一长度的差值，以及所述第一长度与所述第三长度的差值，使得所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

2.根据权利要求1所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一法兰靠近所述第二法兰的一端设置有第一弧形凸台，所述第一弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；

所述第二法兰靠近所述第一法兰的一端设置有第二弧形凸台，所述第二弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；

所述第一凸齿与所述第二凸齿适配啮合，使得所述第一法兰与所述第二法兰转动连接。

3.根据权利要求2所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一弧形凸台的两侧分别设置有第一端面，所述第一法兰远离所述第一弧形凸台的一端设置有第一锥形面，所述第一锥形面的顶端处作为所述第一法兰的旋转中心，所述第一锥形面的顶端处与所述第一端面之间的距离为第四长度；

所述第二弧形凸台的两侧分别设置有第二端面，所述第二法兰远离所述第二弧形凸台的一端设置有第二锥形面，所述第二锥形面的顶端处作为所述第二法兰的旋转中心，所述第二锥形面的顶端处与所述第二端面之间的距离为第四长度；

所述第一弧形凸台的外径等于所述第二弧形凸台的外径，所述第一连接部和所述第二连接部分别设置于所述第一端面与所述第一锥形面的连接处，所述第三连接部和所述第四连接部分别设置于所述第二端面与所述第二锥形面的连接处；

啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成所述调节机构，在初始状态时，所述第一端面与所述第二端面平行，在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第二长度与所述第一长度的差值大于所述第一长度与所述第三长度的差值。

4.一种机器人关节结构，其特征在于，包括：

第一法兰，所述第一法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第一连接部和用于与第二线缆活动连接第二连接部；

第二法兰，所述第二法兰与所述第一法兰转动连接，所述第二法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第三连接部和用于与第二线缆活动连接的第四连接部；

在初始状态时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第一长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度也为第一长度；

在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第二长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度为第三长度，所述第二长度大于所述第一长度大于所述第三长度；

调节机构，所述第一法兰靠近所述第二法兰的一端设置有第一弧形凸台，所述第二法兰靠近所述第一法兰的一端设置有第二弧形凸台，所述第一法兰和所述第二法兰通过相对纯滚动的方式产生相对运动，所述第一弧形凸台的圆心作为所述第一法兰的理论旋转中心，所述第二弧形凸台的圆心作为所述第二法兰的理论旋转中心，当所述第一法兰和所述第二法兰发生相对旋转运动时，通过所述调节机构将所述第一法兰和所述第二法兰之间的旋转半径逐渐变大，使得实际旋转半径轨迹和理论旋转半径轨迹的偏差逐渐变大；

进而用于调整所述第二长度与所述第一长度的差值，以及所述第一长度与所述第三长度的差值，使得所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

5.根据权利要求4所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第一凸齿；

所述第二弧形凸台的边缘设置有若干个间隔布置的第二凸齿；

所述第一凸齿与所述第二凸齿适配啮合，使得所述第一法兰与所述第二法兰转动连接。

6.根据权利要求5所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一弧形凸台的两侧分别设置有第一端面，所述第一法兰远离所述第一弧形凸台的一端设置有第一平面，所述第一端面与所述第一平面平行设置且间隔预设距离；

所述第二弧形凸台的两侧分别设置有第二端面，所述第二法兰远离所述第二弧形凸台的一端设置有第二平面，所述第二端面与所述第二平面平行设置且间隔预设距离；

所述第一弧形凸台的外径等于所述第二弧形凸台的外径，所述第一弧形凸台的圆心作为所述第一法兰的理论旋转中心，所述第二弧形凸台的圆心作为所述第二法兰的理论旋转中心，所述第一法兰的实际旋转中心位于所述第一端面与所述第一平面之间，所述第二法兰的实际旋转中心位于所述第二端面与所述第二平面之间；

啮合结构、第一法兰结构及第二法兰结构形成所述调节机构，在初始状态时，所述第一端面与所述第二端面平行，在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值。

7.一种机器人关节结构，其特征在于，包括：

第一法兰，所述第一法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第一连接部和用于与第二线缆活动连接第二连接部；

第二法兰，所述第二法兰与所述第一法兰转动连接，所述第二法兰的相对两侧分别设置有用于与第一线缆活动连接的第三连接部和用于与第二线缆活动连接的第四连接部；

在初始状态时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第一长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度也为第一长度；

在所述第一法兰与所述第二法兰相对转动预设角度时，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第一线缆长度为第二长度，所述第一法兰与所述第二法兰之间的第二线缆长度为第三长度，所述第二长度大于所述第一长度大于所述第三长度；

调节机构，用于调整所述第二长度与所述第一长度的差值，以及所述第一长度与所述第三长度的差值，使得所述第二长度与所述第一长度的差值大于等于所述第一长度与所述第三长度的差值；

所述调节机构为四连杆机构，所述四连杆机构分别与所述第一法兰和所述第二法兰连接，所述第一法兰和所述第二法兰通过所述四连杆机构转动连接，使得所述第二长度与所述第一长度的差值等于所述第一长度与所述第三长度的差值；

所述四连杆机构包括：

支撑件，所述支撑件包括连接杆和两个平行设置的支撑杆，所述连接杆的两端分别与对应侧的所述支撑杆垂直连接，所述支撑杆的两端分别为弧形面，所述第一法兰靠近所述第二法兰的端面设置有两个第一弧形槽，所述第二法兰靠近所述第一法兰的端面设置有两个第二弧形槽，所述支撑件设置于所述第一法兰和所述第二法兰之间，使得两个所述支撑杆的一端分别适配插设于对应的所述第一弧形槽内，两个所述支撑杆的另一端分别适配插设于对应的所述第二弧形槽内；

两个第一连杆，分别固定于所述第一法兰靠近所述第二法兰的端面上，两个所述第一连杆分别位于所述第一法兰的相对两侧；

两个第二连杆，分别固定于所述第二法兰靠近所述第一法兰的端面上，两个所述第二连杆分别位于所述第二法兰的相对两侧；

两个第三连杆，两个所述第三连杆的一端分别与对应侧的所述第一连杆转动连接，两个所述第三连杆的另一端分别与对应侧的所述第二连杆转动连接。

8.根据权利要求7所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述弧形面为半球形面，所述第一弧形槽和所述第二弧形槽均为半球形槽，所述支撑杆分别与所述第一法兰的端面、所述第二法兰的端面垂直时，所述第一连杆与所述第二连杆平行设置。

9.根据权利要求8所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一连杆与所述第三连杆经第一销轴转动连接，并以所述第一连杆与所述第一法兰的连接处作为旋转中心；

所述第二连杆与所述第三连杆经第二销轴转动连接，并以所述第二连杆与所述第二法兰的连接处作为旋转中心。

10.根据权利要求8所述的机器人关节结构，其特征在于，

所述第一连杆的端部设置有第一弧形凹槽，所述第二连杆的端部设置有第二弧形凹槽，所述第三连杆的两端分别设置有弧形凸起，所述第三连杆两端的所述弧形凸起分别适配设置于所述第一弧形凹槽和所述第二弧形凹槽内；

所述支撑件的两侧分别固定有滑杆，所述第三连杆的中部设置有滑槽，所述滑杆插设于所述滑槽内，所述滑杆远离所述支撑件的一端设置于限位环；

所述第一连杆与所述第三连杆经所述第一弧形凹槽和所述弧形凸起转动连接，并以所述第一连杆与所述第一法兰的连接处作为旋转中心；

所述第二连杆与所述第三连杆经所述第二弧形凹槽和所述弧形凸起转动连接，并以所述第二连杆与所述第二法兰的连接处作为旋转中心。