CN220241523U - 关节驱动装置及机械手 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种关节驱动装置，用于驱动关节，所述关节驱动装置包括致动器和腱，所述致动器的输出端具有一绞腱元件；所述腱包括驱动腱和复位腱；所述驱动腱的第一端与所述转动端连接，所述驱动腱的第二端与所述绞腱元件连接；所述复位腱的第一端与所述转动端连接，所述复位腱的第二端与所述绞腱元件连接或者所述复位腱的第二端固定设置；所述弹性机构被配置为作用于所述腱并对所述腱调节张力。本申请还公开了一种机械手，包括如上所述的关节驱动装置。

Description

关节驱动装置及机械手

技术领域

本申请属于关节驱动技术领域，更具体地说，是涉及一种关节驱动装置及机械手。

背景技术

新一代的机器人需要具备较多的自由度(DOF)以实现更加灵活精细地操作物体，例如，机械手是新一代的机器人身上具有最多自由度的部分，为了更加灵活精细地操作加工工具或者操作物体，需要具备相对较高自由度(DOF)。

由于机械手的有限封装空间，腱传动的设计方案被应用在具有相对较高自由度(DOF)的机械手上,如图1所示。为了满足较高自由度(DOF)，需要设置数量较多的致动器，这导致致动器的总体体积占用大、重量大、以及控制系统复杂、成本较昂贵等问题。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种关节驱动装置及机械手，以解决现有技术的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供了一种关节驱动装置，用于驱动关节，所述关节包括基座和转动端，所述转动端可相对于所述基座转动；所述关节驱动装置包括致动器和腱，所述致动器的输出端具有一绞腱元件；所述腱包括驱动腱和复位腱；所述驱动腱的第一端与所述转动端连接，所述驱动腱的第二端与所述绞腱元件连接；所述复位腱的第一端与所述转动端连接；所述复位腱的第二端与所述绞腱元件连接，或者，所述复位腱的第二端固定设置。

本申请的一种实施例中，所述关节驱动装置还包括安装舱体组件，所述安装舱体组件包括间隔设置的第一固定板和第二固定板；

所述致动器安装在所述第一固定板上，所述绞腱元件位于所述第一固定板一侧，所述驱动腱与所述绞腱元件连接并经所述第一固定板一侧后与所述转动端连接；

所述复位腱与所述绞腱元件连接并经过至少一个第二导向装置后沿着所述第二固定板一侧布置，或者，所述复位腱的第二端固定设置在所述第二固定板上。

本申请的一种实施例中，所述关节驱动装置还包括腱鞘和腱鞘固定组件；所述腱鞘固定组件包括第一腱鞘固定组件和第二腱鞘固定组件；所述腱鞘的一端设置在第一腱鞘固定组件处，另一端设置在关节的第二腱鞘固定组件处；所述第一腱鞘固定组件安装在所述安装舱体组件上；所述腱鞘为可挠性弯曲件，所述腱鞘包括腱鞘一和腱鞘二，所述腱一和所述腱二分别穿过所述腱鞘一和所述腱鞘二后与所述转动端连接。

本申请的一种实施例中，所述驱动腱的第二端和所述复位腱的第二端分别与所述绞腱元件连接；所述驱动腱和所述复位腱被配置为在所述绞腱元件上的卷绕方向相反；

所述驱动腱和所述复位腱相连，且均为所述腱上的一部分，所述绞腱元件上具有一个绕线部，所述腱绕在所述绕线部上；或者，所述绞腱元件上具有两个绕线部，所述驱动腱和复位腱分别绕在两个绕线部上。

本申请的一种实施例中，所述关节驱动装置还包括弹性机构，所述弹性机构被配置为作用于所述腱并对所述腱调节张力。

本申请的一种实施例中，所述弹性机构包括第一弹性元件以及偏置元件；所述第一弹性元件被配置为可直接或者间接施加扭力于所述偏置元件并可带动所述偏置元件转动，所述腱经过所述偏置元件。

本申请的一种实施例中，所述关节驱动装置还包括安装座和第一限位单元，所述第一弹性元件和所述偏置元件均安装在所述安装座处；

所述第一弹性元件的一端相对所述安装座固定，所述第一弹性元件的另一端连接所述偏置元件并带动所述偏置元件运动；

所述第一限位单元被配置为对所述偏置元件的运动幅度或运动轨迹进行限制。

本申请的一种实施例中，所述弹性机构包括第二弹性元件以及偏置元件；所述第二弹性元件被配置为可直接或者间接施加弹力于所述偏置元件并可带动所述偏置元件移动，所述腱经过所述偏置元件；所述关节驱动装置还包括安装座，所述第二弹性元件和所述偏置元件均安装在所述安装座处。

本申请的一种实施例中，所述弹性机构包括第三弹性元件；所述第三弹性元件设置在所述驱动腱上，或者，所述第三弹性元件设置在所述驱动腱上。

本申请还提供了一种机械手，包括掌部单元和至少一个手指单元，还包括如上所述的关节驱动装置。

本申请的有益效果在于：

本申请提供的关节驱动装置，一个关节的自由度能够通过使用一个致动器来进行控制。所述致动器的输出端具有一个绞腱元件,关节驱动装置的设计结构简单，布局紧促，解决了致动器的总体积占用大、重量大、控制系统复杂、成本较昂贵等问题。另外，本申请还设置了弹性机构，其作用于所述腱并为其提供张力，以解决使用一个致动器对关节进行驱动时腱容易松弛的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的一种关节驱动装置的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的第一种关节驱动装置的结构示意图；

图3为本申请实施例一提供的第二种关节驱动装置的结构示意图；

图4为本申请实施例一提供的第三种关节驱动装置的结构示意图；

图5为本申请实施例一提供的一种具有安装舱体组件的关节驱动装置的结构示意图；

图6为本申请实施例一提供的一种具有腱鞘和腱鞘固定组件的关节驱动装置的结构示意图；

图7为本申请实施例一提供的另一种具有腱鞘和腱鞘固定组件的关节驱动装置的结构示意图；

图8为本申请实施例二提供的一种关节驱动装置的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

关节10、腱20、致动器30、绞腱元件31、弹性机构40、驱动腱21、复位腱22、第一弹性元件41、第一中间元件42、偏置元件43、第二弹性元件44、第二中间元件45、第三弹性元件46、第一导向装置51、第二导向装置52、第一固定板61、第二固定板62、腱鞘70、腱鞘固定组件80、固定座82、压板81。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。

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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图2-图8，现对本申请实施例提供的关节驱动装置及机械手进行说明。

实施例一

如图2-图7所示，本申请提供的一种关节驱动装置，用于驱动关节10。所述关节10包括基座和转动端，所述转动端可相对于所述基座转动。

如图2-图4所示，本申请实施例提供的关节驱动装置包括腱20和致动器30。所述腱20包括驱动腱21和复位腱22。所述致动器30包括一个输出端，所述输出端具有一个绞腱元件31。所述驱动腱21的第一端与所述转动端连接，所述驱动腱21的第二端与所述绞腱元件31连接。所述复位腱22的第一端与所述转动端连接，所述复位腱22的第二端与所述绞腱元件31连接。所述驱动腱21和所述复位腱22被配置为在所述绞腱元件31上的卷绕方向相反。所述致动器30为旋转型致动器30，并可正反转。

当所述致动器30正转时，其通过绞腱元件31的转动，使所述驱动腱21被牵拉，所述复位腱22被释放，所述关节10朝第一方向转动。当所述致动器30反转时，其通过绞腱元件31的转动，使所述复位腱22被牵拉，使所述驱动腱21被释放，所述关节10的转动端相对于基座朝第二方向转动。其中，在上述过程中，所述驱动腱21和所述复位腱22的牵拉和释放的长度大致相同。在其中一个具体应用的实施例中，当所述关节10为手指关节10时，所述关节10朝第一方向转动时手指向手心侧弯曲，所述关节10朝第二方向转动时手指向手背侧伸展。

在所述驱动腱21或者所述复位腱22处可设置第一导向装置51，第一导向装置51可以为导向轮。

所述驱动腱21和所述复位腱22均由所述致动器30正反转进行控制，在传动的过程中可能出现松弛，不能完全保持牵拉和释放的同步。为了进一步解决该问题，本申请的关节驱动装置还包括弹性机构40，所述弹性机构40被配置为作用于所述腱20并对所述腱20调节张力。

图2所示包括所述弹性机构40的第一个实施方案。所述弹性机构40包括第一弹性元件41、第一中间元件42、以及偏置元件43。其中，所述第一弹性元件41被配置为可施加扭力于所述第一中间元件42，并可带动第一中间元件42转动。所述第一中间元件42与所述偏置元件43连接，所述第一弹性元件41通过所述第一中间元件42间接施加扭力于所述偏置元件43并可带动所述偏置元件43转动。所述第一中间元件42可以为如图2所示的摇臂、也可以为杆件，或者为其它结构形式。所述偏置元件43被配置为用于偏置腱20以对所述腱20调节张力，所述偏置元件43包括但不限于第一滑轮。所述腱20经过所述偏置元件43。例如，所述腱20与所述偏置元件43接触并绕过所述偏置元件43的滑槽或者滑道，所述腱可在所述偏置元件43的滑槽或者滑道内滑动。

所述关节驱动装置还包括安装座，所述第一弹性元件41、所述第一中间元件42和所述偏置元件43均可安装在所述安装座处。所述第一弹性元件41选用可施加扭力的弹性元件，可以为扭转弹簧、卷簧、盘簧等其中的一种或几种的组合。例如，当第一弹性元件41为卷簧时，所述第一弹性元件41的一端相对所述安装座固定，所述第一弹性元件41的另一端可施力于所述第一中间元件42如摇臂，通过第一中间元件42带动所述偏置元件43运动，从而对所述腱20调节张力。

为了对所述偏置元件43运动幅度和/或运动轨迹进行限制，可设置第一限位单元。所述第一限位单元可包括滑轨或者滑槽，所述偏置元件43可在第一限位单元内进行运动。第一限位单元可安装在所述安装座处。

所述弹性机构40的第一个实施方案，可被配置为作用于所述复位腱22并对所述复位腱22调节张力；或者，还可被配置为作用于所述驱动腱21并对所述驱动腱21调节张力。

作为所述弹性机构40的第一个实施方案的替代方案，所述弹性机构40还可以去掉第一中间元件42，并通过所述第一弹性元件41直接施加扭力于所述偏置元件43并可带动所述偏置元件43转动。例如，所述第一弹性元件41可选用扭转弹簧，所述扭转弹簧的一端相对所述安装座固定，所述扭转弹簧的另一端可连接所述偏置元件43，从而对所述腱20调节张力。

图3所示包括所述弹性机构40的第二个实施方案。所述弹性机构40包括第二弹性元件44、第二中间元件45以及偏置元件43；其中，所述第二弹性元件44被配置为可施加弹力于所述第二中间元件45并可带动所述第二中间元件45移动，所述第二中间元件45与所述偏置元件43连接。本具体实施例中，所述第二弹性元件44被配置为可施加弹力于所述第二中间元件45并可带动所述第二中间元件45线性移动。所述第二弹性元件44相当于间接施加弹力于所述偏置元件43并可带动所述偏置元件43移动。所述腱20经过所述偏置元件43。所述关节驱动装置还包括安装座，所述第二弹性元件44、所述第二中间元件45和所述偏置元件43均可安装在所述安装座处。可以理解的，所述安装座具有安装部或者安装元件，用于对所述第二弹性元件44进行安装固定；所述安装座处具有限位结构或者限位元件，如限位孔或者限位轴，用于对所述第二弹性元件44及所述第二中间元件45的移动进行限位。所述第二弹性元件44选用可施加推力或者拉力的弹性元件，可以为拉簧、压簧、片簧、板簧等弹簧中的一种或几种的组合。所述第二弹性元件44的一端可抵接所述安装部或者相对于所述安装座固定，所述第二弹性元件44的另一端可抵接所述第二中间元件45，从而对所述腱20调节张力。

所述弹性机构40的第二个实施方案，可被配置为作用于所述复位腱22并对所述复位腱22调节张力；或者，还可被配置为作用于所述驱动腱21并对所述驱动腱21调节张力。

作为所述弹性机构40的第二个实施方案的替代方案，所述弹性机构40还可以去掉第二中间元件45，并通过所述第二弹性元件44直接施加推力或者拉力的弹力于所述偏置元件43并可带动所述偏置元件43移动。

本实施例还提供了所述弹性机构40的第三个实施方案，图4所示，所述弹性机构40包括第三弹性元件46.

所述第三弹性元件46可安装在任何一个所述腱20上，所述第三弹性元件46的两端分别与相应所述腱20相连接。所述第三弹性元件46可选用可施加推力或者拉力的弹性元件，例如弹簧。

所述弹性机构40的第三个实施方案，所述第三弹性元件46设置在所述复位腱22上，所述第三弹性元件46被配置为作用于所述复位腱22并对所述复位腱22调节张力；或者，所述第三弹性元件46设置在所述驱动腱21上，可被配置为作用于所述驱动腱21并对所述驱动腱21调节张力；又或者，两个所述第三弹性元件46还可配置为分别对所述驱动腱21和所述复位腱22调节张力。

作为进一步优选的方案，所述第三弹性元件46被配置为作用于所述复位腱22并为所述复位腱22调节张力。所述复位腱22包括第一复位腱22和第二复位腱22，所述第三弹性元件46连接在所述第一复位腱22和所述第二复位腱22之间。

本申请的所述关节驱动装置，一个关节10的自由度能够通过一个致动器30来进行控制，这已经减少了致动器30的总的数量。但可以理解的，对于具有相对较高自由度(DOF)的机械手，仍然需要在有限的物理空间内布置较多的致动器30。

为了进一步改进，本申请的所述关节驱动装置，还包括安装舱体组件，如图5所示，所述安装舱体组件包括间隔设置的第一固定板61和第二固定板62。在一个具体实施例中，所述致动器30可安装在所述第一固定板61上，所述致动器30的主体部分位于所述第一固定板61和第二固定板62之间。所述致动器30的输出端朝向所述第一固定板61，所述绞腱元件31位于所述第一固定板61一侧，所述驱动腱21从所述绞腱元件31出来后，经所述第一固定板61一侧后与所述转动端连接。所述复位腱22从所述绞腱元件31出来后，经过至少一个第二导向装置52后沿着所述第二固定板62一侧布置，所述复位腱22经所述第二固定板62一侧后与所述转动端连接。所述驱动腱21和所述复位腱22分别在所述第一固定板61一侧和所述第二固定板62一侧布局。所述第二导向装置52用于为所述腱20提供换向，所述第二导向装置52可以是导向轮、导向杆、或者其它较为光滑的导向机构如导轨等。

本申请的这种布局方式在具有多个致动器30时尤其具有优势。如，可将多个致动器30分组，具体可分为第一致动器30和第二致动器30。如图7所示，其中，将多个所述第一致动器30分别安装在所述第一固定板61上，与所述第一致动器30相对应的所述绞腱元件31、所述驱动腱21、所述第二导向装置52、所述复位腱22均按上述的方式安装。将多个所述第二致动器30分别安装在所述第二固定板62上；在安装舱体的两侧，使所述第二致动器30的输出端与所述第一致动器30的输出端朝相反方向设置。与所述第二致动器30相对应的所述绞腱元件31、所述驱动腱21设置在所述第二固定板62一侧，与所述第二致动器30相对应的所述复位腱22设置在所述第一固定板61一侧。

如图7所示，通过将且多个所述第一致动器30分别安装在所述第一固定板61上，多个所述第二致动器30分别安装在所述第二固定板62上，将多个所述驱动腱21和多个所述复位腱22分别在所述第一固定板61一侧和所述第二固定板62一侧布局，使得安装舱体处的整个空间的布局更加紧促合理。

本申请所提供的所述关节驱动装置，如图6所示，还包括腱鞘70和腱鞘固定组件80。其中，所述腱鞘固定组件80包括第一腱鞘固定组件80和第二腱鞘固定组件80。所述腱鞘70的一端设置在第一腱鞘固定组件80处，另一端设置在关节10的第二腱鞘固定组件80处。所述第一腱鞘固定组件80安装在所述安装舱体组件上，例如，两个所述第一腱鞘固定组件80分别位于所述第一固定板61一侧和所述第二固定板62一侧。腱20在所述腱鞘70中可沿腱鞘70的轴向滑动。图6所示的所述第一腱鞘固定组件80包括固定座82和压板81。所述腱鞘70为可挠性弯曲件，可引导腱20的走向，并对腱20进行保护。腱20在所述腱鞘70中的部分，可随着腱鞘70挠性弯曲。所述腱鞘70包括腱鞘70一和腱鞘70二。所述腱一和所述腱二分别在穿过所述腱鞘70一和所述腱鞘70二后与所述转动端连接。

所述绞腱元件31可以为绞盘、或者其它可对所述腱20进行缠绕并释放的结构。本申请所提供的所述关节驱动装置，在一个具体实施例中，所述绞腱元件31上具有两个绕线部，所述驱动腱21和复位腱22分别绕在两个绕线部上；或者，在另一个具体实施例中，所述驱动腱21和所述复位腱22相连，且均为所述腱20上的一部分，所述绞腱元件31上具有一个绕线部，所述腱20绕在所述绕线部上。

本申请的关节驱动装置，还包括控制装置，所述致动器30与所述控制装置连接。

实施例二

本实施例二是实施例一的一种改进和替代方案。与实施例一不同的是，在实施例一中，所述复位腱22的第二端与所述绞腱元件31连接，而在本实施例中，所述复位腱22的第二端固定设置。

在本实施例中，所述复位腱22的第二端可固定设置在所述第二固定板62上。如图8所示，所述复位腱22的第一端与所述转动端连接，所述复位腱22的第二端固定设置在所述第二固定板62上，所述复位腱22经所述第二固定板62一侧后与所述转动端连接。本实施例中无需设置第二导向装置52。

所述复位腱22上可设置如实施例一所述的第三弹性元件46。所述复位腱22包括第一复位腱22和第二复位腱22，所述第三弹性元件46连接在所述第一复位腱22和所述第二复位腱22之间。

或者，在另一具体实施例中，所述复位腱22的第二端还可以固定设置在靠近关节的位置处。

实施例三

本申请还提供了一种机械手，包括掌部单元和至少一个手指单元，还包括如上所述的关节驱动装置。所述手指单元的关节，或者所述掌部单元的关节，可通过所述的关节驱动装置进行驱动。

本申请提供的有益效果在于：

本申请提供的关节驱动装置及机械手，一个关节的自由度能够通过使用一个致动器来进行控制。所述致动器具有一个输出端，所述输出端具有一个绞腱元件,关节驱动装置的设计结构简单，布局紧促，解决了致动器的总体积占用大、重量大、控制系统复杂、成本较昂贵等问题。同时，本申请还设置了弹性机构，其作用于所述腱并为其提供张力，以解决使用一个致动器对关节进行驱动时腱容易松弛的问题。

可以理解的，本申请所提供的关节驱动装置，不仅可用于机器人如机械手的相关关节，还可用于机器人的其它关节位置处。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节驱动装置，用于驱动关节，所述关节包括基座和转动端，所述转动端可相对于所述基座转动；其特征在于，所述关节驱动装置包括致动器和腱，所述致动器的输出端具有一绞腱元件；所述腱包括驱动腱和复位腱；所述驱动腱的第一端与所述转动端连接，所述驱动腱的第二端与所述绞腱元件连接；所述复位腱的第一端与所述转动端连接；所述复位腱的第二端与所述绞腱元件连接，或者，所述复位腱的第二端固定设置。

2.如权利要求1所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述关节驱动装置还包括安装舱体组件，所述安装舱体组件包括间隔设置的第一固定板和第二固定板；

所述致动器安装在所述第一固定板上，所述绞腱元件位于所述第一固定板一侧，所述驱动腱与所述绞腱元件连接并经所述第一固定板一侧后与所述转动端连接；

所述复位腱与所述绞腱元件连接并经过至少一个第二导向装置后沿着所述第二固定板一侧布置，或者，所述复位腱的第二端固定设置在所述第二固定板上。

3.如权利要求2所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述关节驱动装置还包括腱鞘和腱鞘固定组件；所述腱鞘固定组件包括第一腱鞘固定组件和第二腱鞘固定组件；所述腱鞘的一端设置在第一腱鞘固定组件处，另一端设置在关节的第二腱鞘固定组件处；所述第一腱鞘固定组件安装在所述安装舱体组件上；所述腱鞘为可挠性弯曲件，所述腱鞘包括腱鞘一和腱鞘二，所述腱一和所述腱二分别穿过所述腱鞘一和所述腱鞘二后与所述转动端连接。

4.如权利要求1所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述驱动腱的第二端和所述复位腱的第二端分别与所述绞腱元件连接；所述驱动腱和所述复位腱被配置为在所述绞腱元件上的卷绕方向相反；

所述驱动腱和所述复位腱相连，且均为所述腱上的一部分，所述绞腱元件上具有一个绕线部，所述腱绕在所述绕线部上；或者，所述绞腱元件上具有两个绕线部，所述驱动腱和复位腱分别绕在两个绕线部上。

5.如权利要求1所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述关节驱动装置还包括弹性机构，所述弹性机构被配置为作用于所述腱并对所述腱调节张力。

6.如权利要求5所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述弹性机构包括第一弹性元件以及偏置元件；所述第一弹性元件被配置为可直接或者间接施加扭力于所述偏置元件并可带动所述偏置元件转动，所述腱经过所述偏置元件。

7.如权利要求6所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述关节驱动装置还包括安装座和第一限位单元，所述第一弹性元件和所述偏置元件均安装在所述安装座处；

所述第一弹性元件的一端相对所述安装座固定，所述第一弹性元件的另一端连接所述偏置元件并带动所述偏置元件运动；

所述第一限位单元被配置为对所述偏置元件的运动幅度或运动轨迹进行限制。

8.如权利要求5所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述弹性机构包括第二弹性元件以及偏置元件；所述第二弹性元件被配置为可直接或者间接施加弹力于所述偏置元件并可带动所述偏置元件移动，所述腱经过所述偏置元件；所述关节驱动装置还包括安装座，所述第二弹性元件和所述偏置元件均安装在所述安装座处。

9.如权利要求5所述的一种关节驱动装置，其特征在于，所述弹性机构包括第三弹性元件；所述第三弹性元件设置在所述驱动腱上，或者，所述第三弹性元件设置在所述驱动腱上。

10.一种机械手，包括掌部单元和至少一个手指单元，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的关节驱动装置。