CN113977627B - 一种柔性关节及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种柔性关节及机器人，涉及机器人技术领域，其技术方案要点是：包括动力部件、使用第一张拉部件连接的固定端和活动端，还包括：芯轴，所述芯轴与所述固定端之间通过闭环的第二张拉部件连接，所述芯轴与所述活动端之间通过另一个闭环的所述第二张拉部件连接，所述动力部件驱动所述固定端与所述活动端之间的所述第一张拉部件，进而使所述活动端动作。本申请提供的一种柔性关节及机器人具有抗冲击性能强的优点。

Description

一种柔性关节及机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种柔性关节及机器人。

背景技术

目前，随着科技发展，机器人的技术也在日益革新，目前机器人的腕部关节经常采用的是刚性连接，刚性连接具有运动精度高的优点，但是不符合仿生机械的要求，不具备良好的抗冲击能力，很难满足实际使用要求。

针对上述问题，申请人提出了一种新的解决方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种柔性关节及机器人，具有抗冲击性能强的优点。

第一方面，本申请提供了一种柔性关节，技术方案如下：

包括动力部件、使用第一张拉部件连接的固定端和活动端，还包括：

芯轴，所述芯轴与所述固定端之间通过闭环的第二张拉部件连接，所述芯轴与所述活动端之间通过另一个闭环的第二张拉部件连接，所述动力部件驱动所述固定端与所述活动端之间的所述第一张拉部件，进而使所述活动端动作。

利用动力部件驱动第一张拉部件来控制活动端动作，在此基础上，固定端与活动端之间设置有芯轴，芯轴与固定端之间通过闭环的第二张拉部件进行连接，与活动端之间通过闭环的第二张拉部件进行连接，由于第二张拉部件为闭环结构，并且作为芯轴与固定端、芯轴与活动端之间的连接件，在活动端受到第一张拉部件的牵引时，第二张拉部件可以在形状变化过程中始终能找到能量最低的状态，并保持各部分的张力一致，进而保持平衡状态，因此具有抗冲击性能强的特点，并且可以保持良好的柔顺性。

进一步地，在本申请中，所述芯轴上设有第一滑轮组以及第二滑轮组，所述固定端上设有第三滑轮组，所述活动端上设有第四滑轮组，闭环的所述第二张拉部件缠绕在所述第一滑轮组与所述第三滑轮组上，另一个闭环的所述第二张拉部件缠绕在所述第二滑轮组与所述第四滑轮组上。

通过上述设置，可以减少摩擦力，使活动端的动作更加顺滑。

进一步地，在本申请中，所述第一滑轮组以及所述第二滑轮组铰接设置在所述芯轴上，所述第三滑轮组铰接设置在所述固定端上，所述第四滑轮组铰接设置在所述活动端上。

通过上述设置，可以使第二张拉部件不会脱轨，保证工作稳定性。

进一步地，在本申请中，所述芯轴的两端均设置有连接杆，两端的所述连接杆呈对称设置，位于两端的所述连接杆呈向内收拢状，所述第一滑轮组与所述第二滑轮组分别对应设置在两端的所述连接杆上。

进一步地，在本申请中，每一端的所述连接杆沿所述芯轴的周向均匀设置有四个，所述第一滑轮组对应包括四个第一滚轮，所述第二滑轮组对应包括四个第二滚轮，所述第三滑轮组对应包括四个第三滚轮，所述第四滑轮组对应包括四个第四滚轮，闭环的所述第二张拉部件交替缠绕在所述第一滚轮与所述第三滚轮上，另一个闭环的所述第二张拉部件交替缠绕在所述第二滚轮与所述第四滚轮上。

进一步地，在本申请中，所述第三滑轮组还包括与所述第三滚轮一一对应设置的第五滚轮，所述第四滑轮组还包括与所述第四滚轮一一对应设置的第六滚轮，所述第五滚轮与所述第六滚轮之间连接有所述第一张拉部件，且所述第一张拉部件对应连接在所述动力部件上。

进一步地，在本申请中，所述动力部件至少包括第一电机以及第二电机，所述第一电机与所述第二电机均卷绕有所述第一张拉部件，所述第一电机上的所述第一张拉部件连接至两个相对方向上的所述第五滚轮上，所述第二电机上的所述第一张拉部件连接至另外两个相对方向上的所述第五滚轮上。

进一步地，在本申请中，所述动力部件与所述第五滚轮之间还设置有转向滚轮。

进一步地，在本申请中，所述第三滑轮组还包括转动设置在所述固定端的第一转动支架，所述第三滚轮与所述第五滚轮均设置在所述第一转动支架上，所述第四滑轮组还包括转动设置在所述活动端的第二转动支架，所述第四滚轮与所述第六滚轮均设置在所述第二转动支架上。

第二方面，本申请还提供一种机器人，所述机器人上设置有如上所述的柔性关节。

由上可知，本申请提供的一种柔性关节及机器人，利用动力部件驱动第一张拉部件来控制活动端动作，在此基础上，固定端与活动端之间设置有芯轴，芯轴与固定端之间通过闭环的第二张拉部件进行连接，与活动端之间通过闭环的第二张拉部件进行连接，由于第二张拉部件为闭环结构，并且作为芯轴与固定端、芯轴与活动端之间的连接件，在活动端受到第一张拉部件的牵引时，第二张拉部件可以在形状变化过程中始终能找到能量最低的状态，并保持各部分的张力一致，进而保持平衡状态，因此具有抗冲击性能强的特点，并且可以保持良好的柔顺性。

本申请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，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、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为本申请提供的一种柔性关节结构示意图。

图2为本申请提供的芯轴结构示意图。

图3为本申请提供的一种柔性关节处于工作状态的结构示意图。

图4为本申请提供的一种柔性关节处于工作状态的结构示意图。

图5为本申请提供的一种柔性关节处于工作状态的结构示意图。

图6为本申请提供的一种柔性关节结构示意图。

图7为本申请提供的一种柔性关节的内部结构示意图。

图8为本申请提供的一种柔性关节的内部结构示意图。

图中：100、动力部件；200、第一张拉部件；300、固定端；400、活动端；500、芯轴；600、第二张拉部件；700、转向滚轮；110、第一电机；120、第二电机；310、第三滑轮组；320、第一转动支架；311、第三滚轮；312、第五滚轮；410、第四滑轮组；420、第二转动支架；411、第四滚轮；412、第六滚轮；510、第一滑轮组；520、第二滑轮组；530、连接杆；511、第一滚轮；521、第二滚轮。

具体实施方式

下面将结合本申请中附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，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。

请参照图1至图8，一种柔性关节，技术方案具体包括：

动力部件100、固定端300以及活动端400，固定端300与活动端400之间通过第一张拉部件200连接，还包括芯轴500，芯轴500与固定端300之间通过闭环的第二张拉部件600连接，芯轴500与活动端400之间通过另一个闭环的第二张拉部件600连接，动力部件100驱动固定端300与活动端400之间的第一张拉部件200，进而使活动端400动作。

其中，第一张拉部件200以及第二张拉部件600可以是具备弹性的腱绳，在第一张拉部件200以及第二张拉部件600的连接作用下，固定端300、活动端400以及芯轴500构成了张拉整体结构。

通过上述技术方案，利用动力部件100驱动第一张拉部件200来控制活动端400动作，在此基础上，固定端300与活动端400之间设置有芯轴500，芯轴500与固定端300之间通过闭环的第二张拉部件600进行连接，与活动端400之间通过闭环的第二张拉部件600进行连接，即，通过第一张拉部件200以及第二张拉部件600实现固定端300与活动端400的柔性连接，因此具有良好的抗冲击性能。在此基础上，第二张拉部件600为闭环结构，并且作为芯轴500与固定端300、芯轴500与活动端400之间的连接件，在活动端400受到第一张拉部件200的牵引时，第二张拉部件600可以在形状变化过程中始终能找到能量最低的状态，并保持各部分的张力一致，进而保持平衡状态，因此具有抗冲击性能强的特点，并且可以保持良好的柔顺性。

进一步地，参照图2和图3，在其中一些实施例中，芯轴500上设有第一滑轮组510以及第二滑轮组520，固定端300上设有第三滑轮组310，活动端400上设有第四滑轮组410，闭环的第二张拉部件600缠绕在第一滑轮组510与第三滑轮组310上，另一个闭环的第二张拉部件600缠绕在第二滑轮组520与第四滑轮组410上。

通过上述技术方案，使第二张拉部件600直接与滑轮接触，一方面可以减少摩擦力，减少第二张拉部件600的损耗，另一方面是为了使得闭环的第二张拉部件600可以在第一滑轮组510和第三滑轮组310中、第二滑轮组520和第四滑轮组410中较为顺滑的滑动，进而使第二张拉部件600各处的张力保持一致，并且能量处于最低点的状态，使其具有更强的抗冲击能力，通过上述滑轮组的设置可以有利于第二张拉部件600内部张力的传导，使各部分张力保持一致，如果第二张拉部件600各部分的张力不一致，则会导致张拉大的部分更容易发生磨损断裂。

进一步地，在其中一些实施例中，第一滑轮组510以及第二滑轮组520铰接设置在芯轴500上，第三滑轮组310铰接设置在固定端300上，第四滑轮组410铰接设置在活动端400上。

通过上述技术方案，使第一滑轮组510、第二滑轮组520、第三滑轮组310以及第四滑轮组410均可以进行摆动，由于活动端400是受第一张拉部件200的牵引而发生动作，并且活动端400需要朝向各个方向进行摆动，在活动端400发生摆动的过程中，受到第四滑轮组410以及第二张拉部件600的牵扯，芯轴500上的第一滑轮组510、第二滑轮组520也会受到相应的影响，将第一滑轮组510、第二滑轮组520、第三滑轮组310以及第四滑轮组410设置成可以进行摆动，便可以适应性的跟随活动端400进行动作，一方面，可以使活动端400在动作时受到的阻碍更小，使其动作更加顺畅，可以确保其运动精度。另一方面，第一滑轮组510、第二滑轮组520、第三滑轮组310以及第四滑轮组410可以在活动端400动作时做出相应的摆动位置调整，可以使第二张拉部件600自适应的调整位置以及角度，保证不会脱轨，因此具有良好的工作稳定性。

进一步地，参照图2，在其中一些实施例中，芯轴500的两端均设置有连接杆530，两端的连接杆500呈对称设置，位于两端的连接杆530呈向内收拢状，第一滑轮组510与第二滑轮组520分别对应设置在两端的连接杆530上。

通过上述技术方案，可以减小力臂的距离，从而减小对芯轴500产生的倾覆力矩，提高耐用性。因为固定端300与活动端400之间连接有第一张拉部件200，固定端300与活动端400之间存在有相互的拉扯力，这个拉扯力会作用在芯轴500上，即固定端300与活动端400分别通过第三滑轮组310以及第四滑轮组410拉扯第二张拉部件600，位于芯轴500两端的第二张拉部件600分别对第一滑轮组510以及第二滑轮组520产生拉扯效果，该拉扯力会对芯轴500、连接杆530、第一滑轮组510以及第二滑轮组520产生倾覆力矩，由于芯轴500的两端均受到这样的作用，芯轴500的中点即为支点，因此将两端的连接杆530设置为呈向内收拢的状态，可以缩短倾覆力矩的力臂，进而减少倾覆力矩。

进一步地，在其中一些实施例中，每一端的连接杆530沿芯轴500的周向均匀设置有四个，第一滑轮组510对应包括四个第一滚轮511，第二滑轮组520对应包括四个第二滚轮521，第三滑轮组310对应包括四个第三滚轮311，第四滑轮组410对应包括四个第四滚轮411，闭环的第二张拉部件600交替缠绕在第一滚轮511与第三滚轮311上，另一个闭环的第二张拉部件600交替缠绕在第二滚轮521与第四滚轮411上。

其中，从俯视的二维平面上看，芯轴500两端连接杆530的四个方向分别重合，四个方向中相邻的两个方向之间相互垂直，从三维立体上看，由于芯轴500两端的连杆530呈向内收拢状，具有倾斜的方向，因此每个连接杆530均为不同的方向，即八个连接杆530对应有八个方向。

其中，从俯视的二维平面上看，四个第三滚轮311与四个第四滚轮411的方向重合，并且四个方向中相邻的两个方向之间相互垂直，从三维立体上看，由于各自受到第二张拉部件600的作用，具有倾斜方向，因此每个第三滚轮311与第四滚轮411均为不同的方向，并且，从平面上看，第三滚轮311与第一滚轮511相互交错，第四滚轮411与第二滚轮521相互交错。

通过上述技术方案，四个第一滚轮511与四个第三滚轮311对应，四个第二滚轮521与四个第四滚轮411对应，一方面可以使力的分布更加均匀，另一方面可以使芯轴500更好的配合活动端400进行动作。

进一步地，参照图3，在其中一些实施例中，第三滑轮组310还包括与第三滚轮311一一对应设置的第五滚轮312，第四滑轮组410还包括与第四滚轮411一一对应设置的第六滚轮412，第五滚轮312与第六滚轮412之间连接有第一张拉部件200，且第一张拉部件200对应连接在动力部件100上。

通过上述技术方案，由于第三滑轮组310铰接设置在固定端300上，第四滑轮组410铰接设置在活动端400上，因此第五滚轮312与第六滚轮412都可以进行摆动，当动力部件100驱动第一张拉部件200使活动端400动作时，活动端400可以在各个方向进行摆动，由于第五滚轮312与第六滚轮412均可以进行摆动，因此第一张拉部件200可以跟随第五滚轮312以及第六滚轮412进行位置以及角度的调整，可以适应性的跟随活动端400进行动作，一方面，可以使活动端400在动作时受到的阻碍更小，使其动作更加顺畅，可以确保其运动精度。另一方面，保证第一张拉部件200不会脱轨，因此具有良好的工作稳定性。

进一步地，在其中一些实施例中，动力部件100至少包括第一电机110以及第二电机120，第一电机110与第二电机120均卷绕有第一张拉部件200，第一电机110上的第一张拉部件200连接至两个相对方向上的第五滚轮312上，第二电机120上的第一张拉部件200连接至另外两个相对方向上的第五滚轮312上。

通过上述技术方案，第一电机110可以控制活动端400在两个方向上进行动作，第二电机120可以控制活动端400在另外两个方向上进行动作，且第一电机110控制活动端400动作的两个方向与第二电机120控制活动端400动作的两个方向相垂直，因此，在第一电机110与第二电机120的配合下可以实现活动端400的万向转动。

而在目前现有的一些柔性关节的方案中，如果想要实现柔性关节的万向转动，则至少需要使用三个驱动电机，通过三个驱动电机的配合才能实现在各个方向上的转动，而本申请通过上述技术方案，只需要第一电机110和第二电机120即可实现活动端400的万向转动，不仅降低了制造成本，更关键的是可以减轻重量，对于机器人的小型化具有重要意义。

进一步地，在其中一些实施例中，动力部件100与第五滚轮312之间还设置有转向滚轮700。

通过上述技术方案，利用转向滚轮700将卷绕在第一电机110以及第二电机120上的第一张拉部件200可以顺滑的连接在处于不同方向上的第五滚轮312以及第六滚轮412，减小控制活动端400动作时的阻碍，使活动端400的动作更加顺畅，保证活动端400的运动精度。

除此之外，转向滚轮700也可以用来提高第一张拉部件200的张力，使整体结构更加紧凑，保证整体刚度。

具体的，在一些实施方式中，转向滚轮700的位置可以调整，例如设置U形槽等方式来调整转向滚轮700的位置，通过调整转向滚轮700的位置来对第一张拉部件200的张力进行调整，也可以另外设置专门的张力调节机构来调节张力，第一张拉部件200部件的张力越高，整体就越紧凑，其刚度也就越高。

进一步地，在其中一些实施例中，第三滑轮组310还包括转动设置在固定端300的第一转动支架320，第三滚轮311与第五滚轮312均设置在第一转动支架320上，第四滑轮组410还包括转动设置在活动端400的第二转动支架420，第四滚轮411与第六滚轮412均设置在第二转动支架420上。

通过上述技术方案，第三滚轮311与第五滚轮312均设置在第一转动支架320上，第四滚轮411与第六滚轮412均设置在第二转动支架420上，第三滚轮311与第五滚轮312保持同步摆动，第四滚轮411与第六滚轮412保持同步转动，动力部件100通过驱动第一张拉部件200，进而牵引第五滚轮312以及第六滚轮412来使活动端400进行动作，当第五滚轮312与第六滚轮412发生摆动后，直接带动第三滚轮311与第四滚轮411动作，使整体的动作更加顺滑，减少活动端400在动作时受到的阻碍，降低动作延时，提高运动精度。

具体的，本申请提出的柔性关节的具体动作过程为，柔性关节的默认状态如图1所示，当第一电机110驱动第一张拉部件200，使第一张拉部件200牵扯活动端400进行动作时，通过第一电机110的转动圈数或角度可以使活动端400向一侧弯曲，如图3所示，其中图3至图5未示意第一张拉部件200以及第二张拉部件600，图4为图3状态下的俯视示意图，由于固定端300与活动端400受到的力对称的，因此，固定端300与活动端400相对于芯轴500位置和角度保持对称，如图3和图4所示，活动端400被驱动至极限位置时，其中一个方向上第二转动支架420与第一转动支架320之间的距离最近，芯轴500距离该方向上的第二转动支架420和第一转动支架320的位置最远，此时第二张拉部件600由于其闭环结构，处于对称状态，保持各处张力一致，具体如图4所示。

当第一电机110与第二电机120均驱动活动端400至极限位置时，此时如图5所示，芯轴500距离两个方向上的第二转动支架420和第一转动支架320的位置相等，第二张拉部件600由于其闭环结构，处于对称状态，保持各处张力一致。

通过第一电机110与第二电机120的正反转相互配合，可以使活动端400万向转动，同样的，第二张拉部件600由于其闭环结构，处于对称状态，可以保持各处张力一致，在第二张拉部件600张力平衡下，始终会使第二张拉部件600保持能量最低的状态。

第二方面，本申请还提供一种机器人，该机器人上设置有上述的柔性关节。

通过上述技术方案，将上述的柔性关节运用在机器人上，可以提高机器人的抗冲击性以及柔顺性，并且可以使机器人小型化和轻量化，具有重大的现实推广意义。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性关节，包括动力部件(100)、使用第一张拉部件(200)连接的固定端(300)和活动端(400)，其特征在于，还包括：

芯轴(500)，所述芯轴(500)与所述固定端(300)之间通过闭环的第二张拉部件(600)连接，所述芯轴(500)与所述活动端(400)之间通过另一个闭环的第二张拉部件(600)连接，所述动力部件(100)驱动所述固定端(300)与所述活动端(400)之间的所述第一张拉部件(200)，进而使所述活动端(400)动作。

2.根据权利要求1所述的一种柔性关节，其特征在于，所述芯轴(500)上设有第一滑轮组(510)以及第二滑轮组(520)，所述固定端(300)上设有第三滑轮组(310)，所述活动端(400)上设有第四滑轮组(410)，闭环的所述第二张拉部件(600)缠绕在所述第一滑轮组(510)与所述第三滑轮组(310)上，另一个闭环的所述第二张拉部件(600)缠绕在所述第二滑轮组(520)与所述第四滑轮组(410)上。

3.根据权利要求2所述的一种柔性关节，其特征在于，所述第一滑轮组(510)以及所述第二滑轮组(520)铰接设置在所述芯轴(500)上，所述第三滑轮组(310)铰接设置在所述固定端(300)上，所述第四滑轮组(410)铰接设置在所述活动端(400)上。

4.根据权利要求3所述的一种柔性关节，其特征在于，所述芯轴(500)的两端均设置有连接杆(530)，两端的所述连接杆(530)呈对称设置，位于两端的所述连接杆(530)呈向内收拢状，所述第一滑轮组(510)与所述第二滑轮组(520)分别对应设置在两端的所述连接杆(530)上。

5.根据权利要求4所述的一种柔性关节，其特征在于，每一端的所述连接杆(530)沿所述芯轴（500）的周向均匀设置有四个，所述第一滑轮组(510)对应包括四个第一滚轮(511)，所述第二滑轮组(520)对应包括四个第二滚轮(521)，所述第三滑轮组(310)对应包括四个第三滚轮(311)，所述第四滑轮组(410)对应包括四个第四滚轮(411)，闭环的所述第二张拉部件(600)交替缠绕在所述第一滚轮(511)与所述第三滚轮(311)上，另一个闭环的所述第二张拉部件(600)交替缠绕在所述第二滚轮(521)与所述第四滚轮(411)上。

6.根据权利要求5所述的一种柔性关节，其特征在于，所述第三滑轮组(310)还包括与所述第三滚轮（311）一一对应设置的第五滚轮(312)，所述第四滑轮组(410)还包括与所述第四滚轮(411)一一对应设置的第六滚轮(412)，所述第五滚轮(312)与所述第六滚轮(412)之间连接有所述第一张拉部件(200)，且所述第一张拉部件(200)对应连接在所述动力部件(100)上。

7.根据权利要求6所述的一种柔性关节，其特征在于，所述动力部件(100)至少包括第一电机(110)以及第二电机(120)，所述第一电机(110)与所述第二电机(120)均卷绕有所述第一张拉部件(200)，所述第一电机(110)上的所述第一张拉部件(200)连接至两个相对方向上的所述第五滚轮(312)上，所述第二电机(120)上的所述第一张拉部件(200)连接至另外两个相对方向上的所述第五滚轮(312)上。

8.根据权利要求6所述的一种柔性关节，其特征在于，所述动力部件(100)与所述第五滚轮(312)之间还设置有转向滚轮(700)。

9.根据权利要求6所述的一种柔性关节，其特征在于，所述第三滑轮组(310)还包括转动设置在所述固定端(300)的第一转动支架(320)，所述第三滚轮(311)与所述第五滚轮(312)均设置在所述第一转动支架(320)上，所述第四滑轮组(410)还包括转动设置在所述活动端(400)的第二转动支架(420)，所述第四滚轮(411)与所述第六滚轮(412)均设置在所述第二转动支架(420)上。

10.一种机器人，其特征在于，所述机器人上设置有如权利要求1至9任一项所述的柔性关节。

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