一種柔性臂聯動關節段的製作方法

2023-06-28 20:21:21

本發明涉及機器人技術領域，尤其是涉及組成柔性臂的關節段或者關節組。

背景技術：

區別於傳統的關節串聯型機械臂，柔性機械臂具有靈活度高，避障能力強等優點，在受限空間或危險環境下的運動和操作能力強，在航空航天製造、大型裝備檢測維護等領域具有重要的應用價值。

現有技術中，柔性機械臂的每個關節連接處均為獨立驅動，雖可以提高整臂的冗餘度，但相應的也會增加驅動電機的數目，既會提高機械臂的控制難度，同時還會增加整臂的重量和成本。

為解決驅動電機數目較多這一問題，現有的方案是在關節之間增加彈簧等彈性元件，把一段臂做為一個控制單元進行控制，或者直接用鎳鈦合金或彈性材料等柔性結構體作為臂基體進行控制，實現類圓弧變形運動，但此種機械臂實際運動過程中的形狀與圓弧形狀之間存在偏差，末端精度不高，同時負載能力不強，難以滿足人們的需求。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種柔性臂聯動關節段。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種柔性臂聯動關節段，包括短聯動繩、長聯動繩以及依次串聯的第一端部關節、第一中心關節、第二中心關節、第三中心關節與第四中心關節，且從第一端部關節至第四中心關節，相鄰關節之間依次設有第一端部連接件、第一中心連接件、第二中心連接件與第三中心連接件，其中

第一端部關節與第一端部連接件固接；沿第一方向，第一中心關節的兩端分別與第一端部連接件、第一中心連接件轉動連接；第三中心關節的兩端分別與第二中心連接件、第三中心連接件轉動連接；第二中心關節的兩端與第一中心連接件、第二中心連接件之間，以及第四中心關節與第三中心連接件之間相對固定；

第一端部連接件與第一中心連接件之間，以及第二中心連接件與第三連接件之間分別通過短聯動繩連接，第一端部連接件與第三中心連接件之間通過長聯動繩連接，以使從第一端部關節至第四中心關節，相鄰關節之間可發生沿第一方向的同向且同角度的轉動。

作為上述方案的進一步改進方式，第一端部連接件與第一中心連接件上沿第一方向各設有線槽，連接第一端部連接件與第一中心連接件的短聯動繩至少為兩根且相互對稱設置，短聯動繩的兩端分別與第一端部連接件、第一中心連接件固定連接，其繞過第一端部連接件上的線槽後再反向繞過第一中心連接件上的線槽，以使第一端部連接件與第一中心連接件的轉動方向相反。

作為上述方案的進一步改進方式，第二中心連接件與第三中心連接件上沿第一方向各設有線槽，連接第二中心連接件與第三中心連接件的短聯動繩至少為兩根且相互對稱設置，短聯動繩的兩端分別與第二中心連接件、第三中心連接件固定連接，其繞過第二中心連接件上的線槽後再反向繞過第三中心連接件上的線槽，以使第二中心連接件與第三中心連接件的轉動方向相反。

作為上述方案的進一步改進方式，第一端部連接件與第三中心連接件上沿第一方向各設有線槽，連接第一端部關節與第三中心連接件的長聯動繩至少為兩根且相互對稱設置，長聯動繩的兩端分別與第一端部關節、第三中心連接件固定連接，其繞過第一端部連接件上的線槽後再反向繞過第三中心連接件上的線槽，以使第一端部連接件與第三中心連接件的轉動方向相反。

作為上述方案的進一步改進方式，包括第二端部關節與第二端部連接件，第二端部關節通過第二端部連接件與第四中心關節連接，其中

第二端部關節與第二端部連接件固接；沿與第一方向垂直的第二方向，第二中心關節的兩端分別與第一中心連接件、第二中心連接件轉動連接；第四中心關節的兩端分別與第三中心連接件、第二端部連接件轉動連接；第一中心關節的兩端與第一端部連接件、第一中心連接件之間，以及第三中心關節與第二中心連接件、第三中心連接件之間相對固定；

第一中心連接件與第二中心連接件之間，以及第三中心連接件與第二端部連接件之間分別通過短聯動繩連接，第二端部關節與第一中心關節之間通過長聯動繩連接，以使從第二端部關節至第一中心關節，相鄰關節之間可發生沿第二方向的同向且同角度的轉動。

作為上述方案的進一步改進方式，第一端部關節、第一中心關節、第二中心關節、第三中心關節、第四中心關節與第二端部關節的兩端均設有鉸接座，相鄰關節上的鉸接座相互垂直。

作為上述方案的進一步改進方式，包括用於調節短聯動繩張緊程度的張緊裝置，張緊裝置包括沿關節段長度方向設置的導杆，以及可沿導杆滑動的導套，導套上設有過孔，短聯動繩穿設在過孔內，過孔與短聯動繩之間還設有可降低摩擦力的滑套。

作為上述方案的進一步改進方式，包括用於調節長聯動繩張緊程度的張緊裝置，張緊裝置包括螺杆、調節螺母與頂筒，螺杆沿關節段的長度方向固定在第一端部關節上，頂筒套接在螺杆上，調節螺母旋在螺杆上並位於頂筒的下方，長聯動繩的端部相對頂筒固定。

作為上述方案的進一步改進方式，包括至少三根獨立運動的驅動繩，驅動繩沿圓周方向分布，第一端部關節、第一中心關節、第二中心關節、第三中心關節、第四中心關節與第二端部關節各包括有過線盤，過線盤上沿周向設有若干的過線孔，驅動繩至少從第一中心關節至第四中心關節之中的任意一組相鄰關節的連接部位穿過，並與第三中心關節至第一端部關節中的任意一個關節固接。

作為上述方案的進一步改進方式，驅動繩依次穿設在第四中心關節、第三中心關節、第二中心關節與第一中心關節的過線孔內，並與第一端部關節固接。

本發明的有益效果是：

相對於現有技術可以減少電機的使用數量與機械臂的質量，從而可以提高響應速度；需要採用聯動關節的方案，將關節段內的關節通過聯動機構聯結一起，實現等曲率等方向的關節運動；機械臂的剛性強，負載能力高，末端精度高。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明一個實施例的立體示意圖；

圖2是本發明一個實施例的正視圖；

圖3是本發明第一端部關節、第一中心關節與第一端部連接件的連接示意圖；

圖4是本發明顯示短聯動繩與關節之間連接關係的剖視圖；

圖5是圖2中的後視圖；

圖6是本發明第二個實施例的正視圖；

圖7是圖6中的後視圖；

圖8是本發明關節與驅動繩的連接示意圖。

具體實施方式

以下將結合實施例和附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整的描述，以充分地理解本發明的目的、方案和效果。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

需要說明的是，如無特殊說明，當某一特徵被稱為「固定」、「連接」在另一個特徵，它可以直接固定、連接在另一個特徵上，也可以間接地固定、連接在另一個特徵上。此外，本發明中所使用的上、下、左、右等描述僅僅是相對於附圖中本發明各組成部分的相互位置關係來說的。

此外，除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與本技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例，而不是為了限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的組合。

參照圖1、圖2，分別示出了本發明第一個實施例的立體示意圖與正視圖。如圖所示，本發明包括依次串聯的第一端部關節11、第一中心關節21、第二中心關節22、第三中心關節23、第四中心關節24、短聯動繩31、短聯動繩32、短聯動繩33與短聯動繩34，且從第一端部關節11至第四中心關節24，相鄰關節之間依次設有第一端部連接件41、第一中心連接件51、第二中心連接件52與第三中心連接件53。在上述短聯動繩以及未示出的長聯動繩的連接作用下，整個關節段處於聯動狀態中，即任何一個關節運動均能引起相鄰關節之間發生同向且同角度的轉動。

具體的，第一端部關節11與第一端部連接件41固接，即第一端部關節11與第一端部連接件41可一體運動。沿第一方向（第一方向即繞圖中轉軸L1的轉動方向），第一中心關節21的兩端分別與第一端部連接件41、第一中心連接件51轉動連接；第三中心關節23的兩端分別與第二中心連接件52、第三中心連接件53轉動連接。第二中心關節22的兩端與第一中心連接件51、第二中心連接件52之間，以及第四中心關節24與第三中心連接件之間相對固定。

為進一步說明關節之間如何通過連接件進行連接，參照圖3，示出了本發明第一端部關節、第一中心關節與第一端部連接件的連接示意圖。如圖所示，第一端部連接件41包括矩形的框體411，框體411的四周側壁上設有一體式的圓盤412，圓盤412上設有線槽以及轉軸孔和/或安裝孔。第一端部關節11、第一中心關節21的主體結構相同，均包括一圓柱形的主體，主體兩端伸出鉸接座，主體兩端的外周設有過線盤，過線盤上沿圓周方向設有過線孔，過線孔一方面可以供下述驅動繩穿過，對驅動繩進行限位，另一方面也可以作為驅動繩與關節之間的連接結構。第一端部關節11上的鉸接座相對框體411的兩相對側壁設置，並通過銷釘與對應的圓盤412固定連接；第一中心關節21上的鉸接座相對框體411的另外兩相對側壁設置，並通過銷釘與對應的圓盤412轉動連接。

優選的，本發明中的第一端部關節11、第一中心關節21、第二中心關節22、第三中心關節23與第四中心關節24可以採用完全相同的結構，類似的，第一端部連接件41、第一中心連接件51、第二中心連接件52與第三中心連接件53也可以採用完全相同的結構，以增加互換性。

參照圖4並結合圖2，圖4示出了本發明顯示短聯動繩與關節之間連接關係的剖視圖。如圖所示，

短聯動繩31的頂端a與第一端部連接件41的左側固定連接，底端b則與第一中心連接件51的右側固定連接，短聯動繩31首先沿圖中順時針的方向繞在第一端部連接件41上的圓盤412的線槽內，然後再沿圖中逆時針的方向繞在第一中心連接件51上的圓盤412的線槽內；短聯動繩32的頂端c與第一端部連接件41的右側固定連接，底端d則與第一中心連接件51的左側固定連接，短聯動繩32首先沿圖中逆時針的方向繞在第一端部連接件41上的圓盤412的線槽內，然後再沿圖中順時針的方向繞在第一中心連接件51上的圓盤412的線槽內。短聯動繩31與短聯動繩32的對稱分布並相互交叉，二者的連接關係、運動關係相同，故以短聯動繩31為例說明第一端部關節11、第一端部連接件41、第一中心關節21、第一中心連接件51與第二中心關節22通過短聯動繩31實現聯動的工作原理：

由於短聯動繩31的頂端a與第一端部連接件41固定連接，故頂端a可隨第一端部連接件41的轉動而沿圓周方向運動，當第一端部連接件41朝左側轉動時，頂端a下降，同時拉動第一中心連接件51相對第一中心關節21朝左側轉動，也可以視作第一中心關節21相對第一中心連接件51朝左側轉動，如此便實現了第一端部連接件41與第一中心關節21之間，以及第一中心關節21至第一中心連接件51之間的同向轉動，又由於第一端部關節11沿第一方向相對第一端部連接件41固定，第一中心關節22沿第一方向相對第一中心連接件51固定，故可以實現第一端部關節11、第一中心關節21與第二中心關節22的同向轉動；此外，由於短聯動繩31的總長一定，故第一端部連接件41的轉動角度等於第一中心連接件51的轉動角度。綜上，第一端部關節11、第一中心關節21與第二中心關節22間可以發生同向且同角度的轉動。

作為短聯動繩與連接件的一種優選連接方式，連接件（即上述的第一端部連接件與第一中心連接件）上設有螺紋孔，螺紋孔內旋有螺釘，螺釘上設有徑向的通孔，短聯動繩穿過通孔後通過端部的金屬球頭卡接在銷釘上。

作為短聯動繩與連接件的另一種優選連接方式，連接件上同樣設有螺紋孔，螺紋孔內旋有螺釘，螺釘上設有軸向的螺紋孔，以及與該軸向螺紋孔連通的徑向通孔，短聯動繩穿過徑向通孔，由旋在軸向螺紋孔內的頂絲頂緊固定。優選的，徑向通孔內還設有薄壁金屬管，短聯動繩穿設在薄壁金屬管內，頂絲擠壓薄壁金屬管發生變形直至頂緊短聯動繩，薄壁金屬管可以對繩索起到一定保護作用，避免頂絲擰入的過程中損壞繩索，同時金屬筒被壓緊變形後也可以增強對繩索的固定作用。

在關節段另一端，短聯動繩33、短聯動繩34分別連接第二中心連接件52以及第三中心連接件53，其連接方式、布置方式均與上述的短聯動繩31、短聯動繩32相同，在此就不一一贅述。在短聯動繩33、短聯動繩34的聯動作用下，第二中心關節22、第三中心關節23與第四中心關節24之間也可以發生沿第一方向的同向且同角度的轉動。

參照圖5，示出了圖2中的後視圖。如圖所示，本發明除聯動繩之外還設有長聯動繩，長聯動繩61的頂端e固定在第一端部關節11的左側，底部f固定在第三中心連接件53的右側，長聯動繩61通過線槽沿圖中順時針的方向繞過第一端部連接件41上的圓盤412，然後再通過線槽沿圖中逆時針的方向繞過第三中心連接件53上的圓盤412，長聯動繩62與長聯動繩61優選對稱設置且相互交叉，優選的，長聯動繩62與長聯動繩61穿設在軟管之內，以避免聯動繩之間以及聯動繩與關節之間發生摩擦。如此，當第一端部關節11相對第一中心關節21轉動時，還可以帶動第三中心連接件53相對第三中心關節23轉動，結合第一端部關節11、第一中心關節21與第二中心關節22之間的聯動，以及第二中心關節22、第三中心關節23與第四中心關節24之間的聯動，整個關節段可以朝一個方向等曲率彎曲。

本發明包括用於調節短聯動繩張緊程度的張緊裝置，如圖4所示，張緊裝置包括設於第一中心關節21與第三中心關節23上的導杆71以及可沿導杆71滑動的導套72，導套72上旋有螺釘，螺釘的端部穿過導套後與導杆71抵持，從而將導套72固定在導杆71上。導套72上設有過孔，聯動繩穿設在過孔內，通過導套72沿導杆71的滑動便可以調整聯動繩的張緊程度。過孔與短聯動繩之間還設有可降低摩擦力的滑套，避免短聯動繩與孔壁摩擦而降低聯動繩的使用壽命，本實施例中的滑套優選採用特氟龍套管。

本發明包括用於調節長聯動繩張緊程度的張緊裝置，如圖5所示，張緊裝置包括螺杆73、調節螺母74與頂筒75，螺杆73沿關節段的長度方向固定在第一端部關節11上，頂筒75套接在螺杆73上，調節螺母74旋在螺杆73上並位於頂筒75的下方，長聯動繩的端部穿過頂筒75後與一端子固定。通過旋動調節螺母74便可以推動頂筒75升降，進而推動長聯動繩的端部升降以達到張緊長聯動繩的作用。

上述實施例中的關節段僅在第一方向上可以實現聯動轉動，進一步的，本發明還公開了一種可以在兩個方向上實現聯動轉動的實施例。參照圖6，示出了本發明第二個實施例的正視圖，其與第一個實施例的區別在於還包括有第二端部關節12、第二端部連接件42以及沿第二方向設置的短聯動繩35、短聯動繩36、短聯動繩37、短聯動繩38、長聯動繩63與長聯動繩64。其中，第二方向（第二方向即繞圖1中轉軸L2的轉動方向）與第一方向垂直，圖6可以視為圖2增加第二端部關節12、第二端部連接件42後的左視圖。

如圖所示，第二端部關節12與第二端部連接件42固接。沿第二方向，第二中心關節22的兩端分別與第一中心連接件51、第二中心連接件52轉動連接；第四中心關節24的兩端分別與第三中心連接件53、第二端部連接件42轉動連接。第一中心關節21的兩端與第一端部連接件41、第一中心連接件51之間，以及第三中心關節23與第二中心連接件52、第三中心連接件53之間相對固定。

按照與上述短聯動繩相同的連接方式，短聯動繩35、短聯動繩36用於連接第一中心連接件51與第二中心連接件52，從而實現第一中心關節21、第二中心關節22與第三中心關節23之間沿第二方向的同向同曲率轉動。短聯動繩37、短聯動繩38用於連接第二端部連接件42與第三中心連接件53，從而實現第二端部關節12、第四中心關節24與第三中心關節23之間沿第二方向的同向同曲率轉動。

參照圖7，示出了圖6中的後視圖。如圖所示，長聯動繩63、長聯動繩64按照上述長聯動繩的連接方式連接第二端部關節12與第一中心連接件51。如此，當第二端部關節12相對第四中心關節24轉動時，還可以帶動第一中心連接件51相對第一中心關節21轉動，結合第二端部關節12、第四中心關節24與第三中心關節23之間的聯動，以及第一中心關節21、第二中心關節22與第三中心關節23之間的聯動，從第一中心關節21至第二端部關節12間均可以實現沿第二方向的同向且同角度的轉動。

綜上，本實施例中的關節段可以實現沿第一方向與第二方向的等曲率彎曲。

本發明還設有驅動關節運動的驅動繩，參照圖8，示出了本發明關節與驅動繩的連接示意圖，圖中隱藏了第二端部關節。如圖所示，針對第二實施例，本發明包括至少三根獨立運動的驅動繩81，驅動繩沿圓周方向分布。驅動繩81至少從第一中心關節21至第四中心關節24之中的任意一組相鄰關節的連接部位穿過，並與從第三中心關節23至第一端部關節11中的任意一個關節固接。由於整個關節段處於聯動狀態，故驅動其中一個關節運動便可以實現整個關節段的運動。

作為驅動繩的一種優選連接方式，驅動繩依次穿過第二端部關節12、第四中心關節24、第三中心關節23、第二中心關節22與第一中心關節21的過線孔，並最後與第一端部關節11的固接。如此，驅動繩一方面可以直接驅動第一中心關節21，另一方面驅動繩在其它關節的過線孔內滑動的過程中也可以通過接觸部位的相互作用力間接的驅動相應的關節，實現關節段的同向等曲率彎曲。

作為驅動繩的另一種優選連接方式，驅動繩無需穿過所有關節的過線孔，只需從第一中心關節21至第四中心關節24中挑選任意一組相鄰關節，驅動繩從該組相鄰關節的連接部位穿過，並與第三中心關節23至第一端部關節11中的任意一個關節固接，如驅動繩僅穿過第四中心關節24、第三中心關節23相鄰端部的過線孔，然後固接在第三中心關節23之上，驅動繩的剩餘部分穿在金屬軟管之內，由金屬軟管導向至關節段根部關節後再與驅動模塊連接。金屬軟管可以發生彎曲，但在軸向上不會因擠壓而發生長度變化。

以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。