CN117381843B - 一种具备万向缓冲能力的仿生关节、机械臂和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备万向缓冲能力的仿生关节、机械臂和机器人，属于仿生机械关节技术领域，包括固定座、运动座、三个第一滑轨、三个第一滑块和三个连杆，三个第一滑轨固定设置在固定座上且以一个第一中心点为圆心沿周向均匀分布；三个第一滑块分别滑动设置在三个第一滑轨上且能够沿对应的第一滑轨的延伸方向往复移动；任意相邻两个第一滑块均通过第一拉簧连接，第一拉簧用于牵引第一滑块以迫使三个第一滑块往第一中心点聚拢；三个连杆的第一端分别与三个第一滑块转动连接且第二端均与运动座转动连接。本发明的具备万向缓冲能力的仿生关节在轴向上具有缓冲能力，能够有效吸收轴向冲击力，大大提高仿生关节的轴向抗冲击性能。

Description

一种具备万向缓冲能力的仿生关节、机械臂和机器人

技术领域

本发明属于仿生机械关节技术领域，特别涉及一种具备万向缓冲能力的仿生关节、机械臂和机器人。

背景技术

人体关节除了可以实现肌肉驱动的多个自由度运动外，还存在被动自由度用于缓冲机体运动的惯性和外部的冲击，如急加速、急停、外部撞击等，以此避免损坏，同比之下，现有的机器人关节多为刚性连接，例如轴承连接、齿轮连接等，刚性连接能够提高机器人关节的运动精度但却降低了抗冲击能力，特别是无法承受来自轴向方向的冲击力，缺乏轴向缓冲能力的机器人关节在受到轴向冲击力时，往往容易导致内部结构损坏，以致其失去运动能力。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具备万向缓冲能力的仿生关节、机械臂和机器人，在轴向上具有缓冲能力，能够有效吸收轴向冲击力，大大提高仿生关节的轴向抗冲击性能。

第一方面，本发明提供一种具备万向缓冲能力的仿生关节，包括固定座和运动座，还包括：

三个第一滑轨，三个所述第一滑轨固定设置在所述固定座上且以一个第一中心点为圆心沿周向均匀分布，所有所述第一滑轨的轴线均穿过所述第一中心点；

三个第一滑块，三个所述第一滑块分别滑动设置在三个所述第一滑轨上且能够沿对应的所述第一滑轨的延伸方向往复移动；任意相邻两个第一滑块均通过第一拉簧连接，所述第一拉簧用于牵引所述第一滑块以迫使三个所述第一滑块往所述第一中心点聚拢；

三个连杆，三个所述连杆的第一端分别与三个所述第一滑块转动连接且第二端均与所述运动座转动连接。

本发明提供的具备万向缓冲能力的仿生关节，将滑块、滑轨和拉簧结合使用从而令仿生关节在轴向上实现缓冲，有效提高仿生关节的轴向抗冲击性能。

进一步的，还包括三个第一万向铰链，三个所述第一万向铰链分别固定设置在三个所述第一滑块上且能够随对应的所述第一滑块移动；

三个所述连杆的第一端分别与三个所述第一万向铰链铰接。

能够使仿生关节实现三个自由度的运动，有利于仿生关节实现更复杂的运动动作以此满足复杂的运动要求。

进一步的，还包括三个第二滑轨和三个第二滑块，三个所述第二滑轨固定设置在所述运动座上且以一个第二中心点为圆心沿周向均匀分布，所有所述第二滑轨的轴线均穿过所述第二中心点；三个所述第二滑块分别滑动设置在三个所述第二滑轨上且能够沿对应的所述第二滑轨的延伸方向往复移动；任意相邻两个第二滑块均通过第二拉簧连接，所述第二拉簧用于牵引所述第二滑块以迫使三个所述第二滑块往所述第二中心点聚拢；三个所述连杆的第二端分别与三个所述第二滑块转动连接。

配合第一滑块和第一拉簧，实现以更高的效率吸收轴向冲击力，进一步提升缓冲效果并使仿生关节具有更高的轴向抗冲击性能。

进一步的，还包括三个第二万向铰链，三个所述第二万向铰链分别固定设置在三个所述第二滑块上且能够随对应的所述第二滑块移动；

三个所述连杆的第二端分别与三个所述第二万向铰链铰接。

结合第一万向铰链和第一滑块，能够使仿生关节实现五个自由度的运动，进一步有利于仿生关节实现更复杂的运动动作以此满足更加复杂的运动要求。

进一步的，所述连杆包括固定杆和位于所述固定杆两端的端头，两个所述端头均朝同一横向方向与所述固定杆错位设置。

进一步的，所述固定座和所述运动座之间连接有多条驱动绳索，所述驱动绳索连接所述固定座的第一端以所述第一中心点为圆心沿周向均匀分布且连接所述运动座的第二端以所述第二中心点为圆心沿周向均匀分布；所述驱动绳索用于使所述运动座和所述固定座之间相对运动。

进一步的，所述驱动绳索的一端与所述运动座固定连接且另一端穿过所述固定座并与驱动电机连接，所述驱动电机用于拉动对应的所述驱动绳索以控制所述运动座和所述固定座之间相对运动。

进一步的，所述驱动绳索的一端与所述固定座固定连接且另一端穿过所述运动座并与驱动电机连接，所述驱动电机用于拉动对应的所述驱动绳索以控制所述运动座和所述固定座之间相对摆动、相对靠近和相对远离。

第二方面，本发明提供一种机械臂，包括上述的具备万向缓冲能力的仿生关节。

第三方面，本发明提供一种机器人，包括上述的机械臂。

由上可知，本发明的具备万向缓冲能力的仿生关节，利用滑块和滑轨使仿生关节具有沿轴向伸缩的能力，由此通过伸缩吸收部分轴向冲击力，同时，滑块之间连接有拉簧，随着仿生关节沿轴向伸缩，拉簧通过拉伸进一步吸收部分轴向冲击力，由此在轴向上实现缓冲，有效吸收轴向冲击力，大大提高仿生关节的轴向抗冲击性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种具备万向缓冲能力的仿生关节在其中一种视角下的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种具备万向缓冲能力的仿生关节在另一种视角下的结构示意图。

图3为本发明实施例中连杆的结构示意图。

标号说明：

100、固定座；200、运动座；300、第一滑轨；400、第一滑块；500、第一拉簧；600、连杆；610、固定杆；620、端头；700、第一万向铰链；800、第二滑轨；900、第二滑块；1000、第二拉簧；1100、第二万向铰链；1200、驱动绳索。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

参考附图1和附图2，本发明提供一种具备万向缓冲能力的仿生关节（以下简称为仿生关节），包括固定座100和运动座200，还包括：

三个第一滑轨300，三个第一滑轨300固定设置在固定座100上且以一个第一中心点为圆心沿周向均匀分布，所有第一滑轨300的轴线均穿过第一中心点；

三个第一滑块400，三个第一滑块400分别滑动设置在三个第一滑轨300上且能够沿对应的第一滑轨300的延伸方向往复移动；任意相邻两个第一滑块400均通过第一拉簧500连接，第一拉簧500用于牵引第一滑块400以迫使三个第一滑块400往第一中心点聚拢；

三个连杆600，三个连杆600的第一端分别与三个第一滑块400转动连接且第二端均与运动座200转动连接。

本实施例中，在实际应用时，当运动座200受到沿轴向方向的冲击时，运动座200将所受到的作用力经连杆600传递到第一滑块400上，以致第一滑块400在第一滑轨300上朝远离第一中心点的方向滑动，由于所有第一滑块400都朝远离第一中心点的方向发散，从而导致第一拉簧500拉伸并使连杆600通过摆动驱动运动座200沿轴向方向靠近固定座100，可见，冲击力带来的动能的一部分被消耗用于驱动第一滑块400和运动座200移动，且还有一部分被转化为第一拉簧500的弹性势能，有效吸收了轴向冲击力，实现缓冲效果，大大提高仿生关节的轴向抗冲击性能。

当运动座200不受外力作用时，储存在第一拉簧500中的弹性势能便会释放，使得所有第一拉簧500朝第一中心点聚拢并使连杆600通过摆动驱动运动座200沿轴向方向远离固定座100直至到达原位，达到自动复位的效果。需要说明的是，连杆600相对对应的第一滑轨300倾斜设置，使运动座200受到沿轴向方向的冲击时通过连杆600作用在第一滑块400上的作用力不与对应的第一滑轨300垂直，从而保证运动座200受到沿轴向方向的冲击时第一滑块400能够在第一滑轨300上滑动以形成缓冲。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，具备万向缓冲能力的仿生关节还包括三个第一万向铰链700，三个第一万向铰链700分别固定设置在三个第一滑块400上且能够随对应的第一滑块400移动；

三个连杆600的第一端分别与三个第一万向铰链700铰接且第二端均与运动座200转动连接。

本实施例中，利用第一万向铰链700连接第一滑块400和连杆600，能够使仿生关节实现三个自由度的运动（包括沿轴向方向移动和沿两个相互垂直的径向方向摆动），有利于仿生关节实现更复杂的运动动作以此满足复杂的运动要求。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，具备万向缓冲能力的仿生关节还包括三个第二滑轨800和三个第二滑块900，三个第二滑轨800固定设置在运动座200上且以一个第二中心点为圆心沿周向均匀分布，所有第二滑轨800的轴线均穿过第二中心点；三个第二滑块900分别滑动设置在三个第二滑轨800上且能够沿对应的第二滑轨800的延伸方向往复移动；任意相邻两个第二滑块900均通过第二拉簧1000连接，第二拉簧1000用于牵引第二滑块900以迫使三个第二滑块900往第二中心点聚拢；三个连杆600的第一端分别与三个第一万向铰链700铰接且第二端分别与三个第二滑块900转动连接。

本实施中，在实际应用时，当运动座200受到沿轴向方向的冲击时，除了通过第一滑块400和运动座200的移动，以及第一拉簧500的拉伸吸收轴向冲击力外，运动座200还会将所受到的作用力经连杆600传递到第二滑块900上，以致第二滑块900在第二滑轨800上朝远离第二中心点的方向滑动，由于所有第二滑块900都朝远离第二中心点的方向发散，从而导致第二拉簧1000拉伸并使连杆600通过摆动驱动运动座200沿轴向方向靠近固定座100，可见，冲击力带来的动能还有一部分被消耗用于驱动第二滑块900和运动座200移动，且还有一部分被转化为第二拉簧1000的弹性势能，结合第一滑块400和第一拉簧500，实现以更高的效率吸收轴向冲击力，进一步提升缓冲效果并使仿生关节具有更高的轴向抗冲击性能。

当运动座200不受外力作用时，储存在第二拉簧1000中的弹性势能便会释放，使得所有第二拉簧1000朝第二中心点聚拢并使连杆600通过摆动驱动运动座200沿轴向方向远离固定座100直至到达原位，配合第一拉簧500达到自动且快速复位的效果。需要说明的是，连杆600相对对应的第二滑轨800倾斜设置，使运动座200受到沿轴向方向的冲击时由连杆600作用在第二滑块900上的反作用力不与对应的第二滑轨800垂直，从而保证运动座200受到沿轴向方向的冲击时第二滑块900能够在第二滑轨800上滑动以形成缓冲。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，具备万向缓冲能力的仿生关节还包括三个第二万向铰链1100，三个第二万向铰链1100分别固定设置在三个第二滑块900上且能够随对应的第二滑块900移动；

三个连杆600的第一端分别与三个第一万向铰链700铰接且第二端分别与三个第二万向铰链1100铰接。

本实施例中，利用第二万向铰链1100连接第二滑块900和连杆600，结合第一万向铰链700和第一滑块400，能够使仿生关节实现五个自由度的运动（包括沿轴向方向移动、沿两个相互垂直的径向方向摆动，以及沿两个相互垂直的径向方向移动），进一步有利于仿生关节实现更复杂的运动动作以此满足更加复杂的运动要求，同时能够使仿生关节本身更接近于人体关节，更符合仿生的设计初衷。

在某些实施例中，参考附图3，连杆600包括固定杆610和位于固定杆610两端的端头620，两个端头620均朝同一横向方向与固定杆610错位设置。

本实施例中，将端头620和固定杆610错位设置使得在安装所有连杆600后，各个连杆600之间保持有较大的活动空间供各个连杆600进行摆动，以此避免各个连杆600之间相互干涉而影响仿生关节的伸缩，有利于确保仿生关节的轴向抗冲击性能。

在某些实施例中，参考附图1和附图2，固定座100和运动座200之间连接有多条驱动绳索1200，驱动绳索1200连接固定座100的第一端以第一中心点为圆心沿周向均匀分布且连接运动座200的第二端以第二中心点为圆心沿周向均匀分布；驱动绳索1200用于使运动座200和固定座100之间相对运动。

本实施例中，通过分别控制各条驱动绳索1200收缩和伸长就能够主动控制运动座200相对于固定座100进行运动，例如控制运动座200沿轴向方向往复移动，又例如控制运动座200沿两个相互垂直的径向方向摆动。

进一步的，各条驱动绳索1200通过一端固定且另一端连接驱动电机（未画出）的方式实现主动伸缩和伸长，由此驱动仿生关节实现不同的运动动作。

例如，驱动绳索1200的一端与运动座200固定连接且另一端穿过固定座100并与驱动电机连接，驱动电机用于拉动对应的驱动绳索1200以控制运动座200和固定座100之间相对运动。

又例如，驱动绳索1200的一端与固定座100固定连接且另一端穿过运动座200并与驱动电机连接，驱动电机用于拉动对应的驱动绳索1200以控制运动座200和固定座100之间相对摆动、相对靠近和相对远离。

在某些实施例中，驱动绳索1200之间采用拮抗驱动的方式能够有效减少驱动电机的用量且不妨碍仿生关节实现伸缩和多向摆动，例如设置有四条驱动绳索1200时，则只需要使用两个驱动电机即可使仿生关节实现伸缩和多向摆动。

在某些实施例中，为能够调节仿生关节的刚度，至少需要有三条驱动绳索1200分别连接有三个驱动电机。

本发明还提供一种机械臂，包括上述实施例中的具备万向缓冲能力的仿生关节。

在某些实施例中，仿生关节作为小臂关节设计时，可以通过在运动座200上安装手掌模型并通过设置驱动电机驱动手掌模型摆动，以此模拟出人体小臂和手掌的动作，但不仅限于此，仿生关节也可以作为小腿关节、腕部关节、颈部关节等人体关节进行设计，且此种设计均视作为本发明的机械臂，均属于本发明的保护范围。

本发明还提供一种机器人，包括上述实施例中的机械臂。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具备万向缓冲能力的仿生关节，包括固定座（100）和运动座（200），其特征在于，还包括：

三个第一滑轨（300），三个所述第一滑轨（300）固定设置在所述固定座（100）上且以一个第一中心点为圆心沿周向均匀分布，所有所述第一滑轨（300）的轴线均穿过所述第一中心点；

三个第一滑块（400），三个所述第一滑块（400）分别滑动设置在三个所述第一滑轨（300）上且能够沿对应的所述第一滑轨（300）的延伸方向往复移动；任意相邻两个第一滑块（400）均通过第一拉簧（500）连接，所述第一拉簧（500）用于牵引所述第一滑块（400）以迫使三个所述第一滑块（400）往所述第一中心点聚拢；

三个连杆（600），三个所述连杆（600）的第一端分别与三个所述第一滑块（400）转动连接且第二端均与所述运动座（200）转动连接；

还包括三个第二滑轨（800）和三个第二滑块（900），三个所述第二滑轨（800）固定设置在所述运动座（200）上且以一个第二中心点为圆心沿周向均匀分布，所有所述第二滑轨（800）的轴线均穿过所述第二中心点；三个所述第二滑块（900）分别滑动设置在三个所述第二滑轨（800）上且能够沿对应的所述第二滑轨（800）的延伸方向往复移动；任意相邻两个第二滑块（900）均通过第二拉簧（1000）连接，所述第二拉簧（1000）用于牵引所述第二滑块（900）以迫使三个所述第二滑块（900）往所述第二中心点聚拢；三个所述连杆（600）的第二端分别与三个所述第二滑块（900）转动连接；

连杆（600）相对对应的第一滑轨（300）倾斜设置，使运动座（200）受到沿轴向方向的冲击时通过连杆（600）作用在第一滑块（400）上的作用力不与对应的第一滑轨（300）垂直；

连杆（600）相对对应的第二滑轨（800）倾斜设置，使运动座（200）受到沿轴向方向的冲击时由连杆（600）作用在第二滑块（900）上的反作用力不与对应的第二滑轨（800）垂直。

2.根据权利要求1所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，还包括三个第一万向铰链（700），三个所述第一万向铰链（700）分别固定设置在三个所述第一滑块（400）上且能够随对应的所述第一滑块（400）移动；

三个所述连杆（600）的第一端分别与三个所述第一万向铰链（700）铰接。

3.根据权利要求1所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，还包括三个第二万向铰链（1100），三个所述第二万向铰链（1100）分别固定设置在三个所述第二滑块（900）上且能够随对应的所述第二滑块（900）移动；

三个所述连杆（600）的第二端分别与三个所述第二万向铰链（1100）铰接。

4.根据权利要求3所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，所述连杆（600）包括固定杆（610）和位于所述固定杆（610）两端的端头（620），两个所述端头（620）均朝同一横向方向与所述固定杆（610）错位设置。

5.根据权利要求3所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，所述固定座（100）和所述运动座（200）之间连接有多条驱动绳索（1200），所述驱动绳索（1200）连接所述固定座（100）的第一端以所述第一中心点为圆心沿周向均匀分布且连接所述运动座（200）的第二端以所述第二中心点为圆心沿周向均匀分布；所述驱动绳索（1200）用于使所述运动座（200）和所述固定座（100）之间相对运动。

6.根据权利要求5所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，所述驱动绳索（1200）的一端与所述运动座（200）固定连接且另一端穿过所述固定座（100）并与驱动电机连接，所述驱动电机用于拉动对应的所述驱动绳索（1200）以控制所述运动座（200）和所述固定座（100）之间相对运动。

7.根据权利要求5所述的具备万向缓冲能力的仿生关节，其特征在于，所述驱动绳索（1200）的一端与所述固定座（100）固定连接且另一端穿过所述运动座（200）并与驱动电机连接，所述驱动电机用于拉动对应的所述驱动绳索（1200）以控制所述运动座（200）和所述固定座（100）之间相对摆动、相对靠近和相对远离。

8.一种机械臂，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述具备万向缓冲能力的仿生关节。

9.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求8所述机械臂。