一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节转让专利
申请号 : CN202011322209.1
文献号 : CN112356016B
文献日 : 2022-02-08
发明人 : 黄龙 , 刘北 , 张鹏 , 段超 , 尹来容
申请人 : 长沙理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,包括至少两个首尾相连的丝驱动关节(100)、串联各个丝驱动关节(100)的第一丝和第二丝;所述丝驱动关节(100)包括基座盘(1)、连杆(2)和末端盘(3),所述基座盘(1)与所述连杆(2)连接并形成第一转动副(8),所述第一转动副(8)的转动轴线与所述基座盘(1)的端面重合;所述末端盘(3)与所述连杆(2)连接并形成第二转动副(9),所述第二转动副(9)的转动轴线与所述末端盘(3)的端面重合;所述第一丝依次穿过各个丝驱动关节(100)并驱动第二转动副(9)转动,所述第二丝依次穿过各个丝驱动关节(100)并驱动第一转动副(8)转动;
所述基座盘(1)包括基座盘本体(11)、以及从所述基座盘本体(11)一端面向外侧凸起的第一凸起部(12);
所述连杆(2)包括连杆本体(21)、从所述连杆本体(21)第一端面(211)向外侧凸起的第二凸起部(22)、以及从所述连杆本体(21)第二端面(212)向外侧凸起的第三凸起部(23);所述第一端面(211)与所述第二端面(212)相对,所述第二凸起部(22)上设有朝向所述连杆本体(21)的第一凹陷部(221),所述第三凸起部(23)上设有朝向所述连杆本体(21)的第二凹陷部(231);
所述末端盘(3)包括末端盘本体(31)、以及从所述末端盘本体(31)一端面向外侧凸起的第四凸起部(32);
所述第一凸起部(12)与所述第一凹陷部(221)连接形成第一转动副(8),所述第一转动副(8)的转动轴线与基座盘本体(11)的端面重合;所述第四凸起部(32)与第二凹陷部(231)连接形成第二转动副(9),所述第二转动副(9)的转动轴线与末端盘本体(31)的端面重合;
所述第一凸起部(12)上开设有容纳所述第一丝穿过的第一槽(123),所述第一槽(123)的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所述基座盘本体(11)。
2.根据权利要求1所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述第一凸起部(12)包括半圆柱状凸起(122)和档环(121);所述档环(121)位于半圆柱状的侧面,用于阻挡第二凸起部(22)的径向移动。
3.根据权利要求1所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述第一槽(123)贯穿所述第一凸起部(12)的两侧,并且所述第一槽(123)的贯穿方向垂直于所述第二转动副(9)的转动轴线。
4.根据权利要求1所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述第四凸起部(32)上开设有容纳所述第二丝穿过的第二槽(321),所述第二槽(321)的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所述末端盘本体(31)。
5.根据权利要求4所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述第二槽(321)贯穿所述第二凸起部(22)的两侧,并且所述第二槽(321)的贯穿方向垂直于第一转动副(8)的转动轴线。
6.根据权利要求1所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述连杆(2)上开设有容纳所述第一丝穿过的第一孔(24),所述第一孔(24)贯穿所述连杆本体(21)和所述第二凸起部(22),所述第一孔(24)的径向截面为矩形,且所述矩形的长边垂直于第二转动副(9)的转动轴线。
7.根据权利要求1所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,所述连杆(2)上开设有容纳所述第二丝穿过的第二孔(25),所述第二孔(25)贯穿所述连杆本体(21)和所述第三凸起部(23),所述第二孔(25)的径向截面为矩形,且所述矩形的长边垂直于第一转动副(8)的转动轴线。
8.根据权利要求1~7任一项所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节,其特征在于,相邻的所述丝驱动关节(100)之间的末端盘(3)和基座盘(1)为一体成型。
说明书 :
一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动构节
技术领域
背景技术
人的关节类型丰富多样,根据关节自由度可分为单自由度或两自由度,其中常见的单自由
度关节包括单自由度定轴转动关节、柔性板和柱面滚动关节等;两自由度关节包括轴线相
交型(万向节/球关节)定轴转动关节、轴线不相交型定轴转动关节、柔性中心杆和球面滚动
关节等。
在机器人单方向弯曲时,需时时补偿另一方向驱动绳的长度变化量。
个自由度,并且可通过杆件驱动,但是在驱动机械臂弯曲的过程中,两个自由度的弯曲方向
上存在耦合,当弯曲一个方向上的杆件时,另一个方向上的杆件也会弯曲,这样将增加控制
的难度。
发明内容
具体技术方案如下。
基座盘与所述连杆连接并形成第一转动副,所述第一转动副的转动轴线与所述基座盘的端
面重合;所述末端盘与所述连杆连接并形成第二转动副,所述第二转动副的转动轴线与所
述末端盘的端面重合;所述第一丝依次穿过各个丝驱动关节并驱动第二转动副转动,所述
第二丝依次穿过各个丝驱动关节并驱动第一转动副转动。
对,所述第二凸起部上设有朝向所述连杆本体的第一凹陷部,所述第三凸起部上设有朝向
所述连杆本体的第二凹陷部;
第二转动副的转动轴线与末端盘本体的端面重合。
第二转动副的转动轴线。
第一转动副的转动轴线。
丝或第二丝即可实现该丝驱动构节在两个不同方向上的弯曲;对于单个关节来说,由于第
一转动副的转动轴线与基座盘的端面重合,第二转动副的转动轴线与末端盘的端面重合,
通过拉动第一丝可以驱动第二转动副发生转动,而此时第二丝的长度不会发生变化,同理,
通过拉动第二丝可以驱动第一转动副发生转动,而此时第一丝的长度不会发生变化;实现
了关节在两个自由度上的弯曲运动解耦,而丝驱动构节是由多个丝驱动关节首尾相连而成
的,因此丝驱动构节能够实现在两个自由度上的弯曲解耦运动,可有效简化机器人运动学
和降低控制难度。
接,得到具有两自由度的丝驱动关节,并且结构简单易于实现。
在第二转动副转动的过程中避免第二丝与第四凸起部接触,进一步保证关节在两个自由度
上的弯曲运动解耦。
接触,不会对连杆产生作用力,进一步保证关节在两个自由度上的弯曲运动解耦,同时保证
丝驱动过程中的控制精度。
附图说明
一槽;124‑限位槽;21‑连杆本体;211‑第一端面;212‑第二端面;22‑第二凸起部;23‑第三凸
起部;221‑第一凹陷部;231‑第二凹陷部;24‑第一孔;25‑第二孔;31‑末端盘本体;32‑第四
凸起部;321‑第二槽;100‑丝驱动关节。
具体实施方式
仅仅是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动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。
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;术语“第一”、“第二”、“第三”
仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;此外,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。
关节100包括基座盘1、连杆2和末端盘3,所述基座盘1与所述连杆2连接并形成第一转动副
8,所述第一转动副8的转动轴线与所述基座盘1的端面重合;所述末端盘3与所述连杆2连接
并形成第二转动副9,所述第二转动副9的转动轴线与所述末端盘3的端面重合;所述第一丝
依次穿过各个丝驱动关节100并驱动第二转动副9转动,所述第二丝依次穿过各个丝驱动关
节100并驱动第一转动副8转动。
的转动轴线互相错开;并且每个丝驱动关节100的第一转动副8的转动轴线都互相平行,每
个丝驱动关节100的第二转动副9的转动轴线也都互相平行。所述第一丝的一端与丝驱动构
节尾端的末端盘3固定连接后,另一端再依次穿过各个丝驱动关节100的末端盘3、连杆2、第
一转动副8和基座盘1;所述第二丝的一端与丝驱动构节尾端的末端盘3固定连接后,另一端
再依次穿过各个丝驱动关节100的末端盘3、第二转动副9、连杆2和基座盘1。通过拉动第一
丝可以使得所有丝驱动关节100上的第二转动副9受力而发生转动,由于在各个丝驱动关节
100中,其第一转动副8的转动轴线与基座盘1的端面重合、第二转动副9的转动轴线与基座
盘1的端面重合,第二丝的长度不会发生改变;通过拉动第二丝可以使得第一转动副8受力
而发生转动,同时由于在各个丝驱动关节100中,第一转动副8的转动轴线与基座盘1的端面
重合、第二转动副9的转动轴线与基座盘1的端面重合,第一丝的长度不会发生改变,因此实
现了丝驱动构节在两个自由度上的弯曲运动解耦,两个自由度弯曲方向上的丝不会再互相
影响,可有效简化机器人运动学和降低控制难度。
8的转动轴线共线;两个第二转动副9沿所在末端盘3的轴向中心对称,使得两个第二转动副
9的转动轴线共线,通过分别设置两个第一转动副8以及两个第二转动副9,能够丝驱动关节
100的稳定性。相应的所述第一丝的数量也为两条,分别为丝A4和丝C6,所述第二丝的数量
也为两条,分别为丝B5和丝D7。
性。
到L,以及丝D7的点S到Q的长度不发生改变,同时由于基座盘11和末端盘33的厚度未发生改
变,丝A4、丝B5、丝C6和丝D7与基座盘11或末端盘33的重叠区域长度不发生变化,因此当第
二转动副9转动时,丝A4和丝C6的长度会发生变化,而丝B5和丝D7的长度不会发生变化,各
个丝的长度分别如下所示:
末端盘3中心Oi+1之间连线的长度,t为基座盘本体11和末端盘本体31的厚度,在本实施例中
基座盘1和末端盘3的厚度相等。
每个丝驱动关节100所对应的第二丝的长度不改变。因此实现了丝驱动构节在两个自由度
上的弯曲运动解耦,两个自由度弯曲方向上的丝不会再互相影响,可有效简化机器人运动
学和降低控制难度。
关节100包括基座盘1、连杆2和末端盘3,所述基座盘1与所述连杆2连接并形成第一转动副
8,所述第一转动副8的转动轴线与所述基座盘1的端面重合;所述末端盘3与所述连杆2连接
并形成第二转动副9,所述第二转动副9的转动轴线与所述末端盘3的端面重合;所述第一丝
的一端与丝驱动构节尾端的末端盘3固定连接,另一端依次穿过各个丝驱动关节100的末端
盘3、连杆2、第一转动副8和基座盘1;所述第二丝的一端与丝驱动构节尾端的末端盘3固定
连接,另一端依次穿过各个丝驱动关节100的末端盘3、第二转动副9、连杆2和基座盘1。
211与所述第二端面212相对,所述第二凸起部22上设有朝向所述连杆本体21的第一凹陷部
221,所述第三凸起23部上设有朝向所述连杆本体21的第二凹陷部231;
二转动副9,所述第二转动副9的转动轴线与末端盘本体31的端面重合。
别为两个,两个第一凸起部12沿基座盘1的轴向中心对称,两个所述第二凸起部22沿连杆2
的轴向中心对称;每一个丝驱动关节100的第三凸起23部和第四凸起部32的数量分别为两
个,两个第三凸起23部沿连杆2的轴向中心对称,两个第四凸起部32沿末端盘3的轴向中心
对称。因此,对于每一个丝驱动关节100来说,两个第一转动副8的的转动轴线共线,两个第
二转动副9的转动轴线共线。通过分别设置两个第一转动副8以及两个第二转动副9,能够保
证丝驱动关节100的稳定性。所述第一丝也包括丝A4和丝C6,丝A4和丝C6分别穿过每个丝驱
动关节100的第一凸起部12和第二凸起部22,所述第二丝也包括丝B5和丝D7,所述丝B5和丝
D7分别穿过每个丝驱动关节100的第二凸起部22和第四凸起部32。
12的数量为两个,通过两个档环121可以完全阻挡第二凸起部22的径向移动,从而保证丝驱
动关节100在弯曲过程中的稳定性。如图5所示,在本实施例中所述第四凸起部32也包括半
圆柱状凸起122和档环121,所述档环121位于半圆柱状的侧面,通过档环121阻挡第三凸起
23部的径向移动,从而保证丝驱动关节100在弯曲过程中的稳定性。
起部12和第一凹陷部221的轴心线共线,第四凸起部32和第二凹陷部231的轴心线共线。
梯形的下底远离所述基座盘本体11。由于第一槽123的轴向截面为梯形,因此当第一转动副
8转动时,可以增大第一丝的转动间隙,在第一转动副8转动时,避免第一丝与第一凸起部12
接触而影响第一丝的长度,从而保证两个自由度上的弯曲运动解耦。所述第一槽123贯穿所
述第一凸起部12的两侧,并且所述第一槽123的贯穿方向垂直于所述第二转动副9的转动轴
线。当第二转动副9转动时,避免第一丝与第一凸起部12接触,而影响丝长与弯曲角度的运
动规律,降低了丝驱动关节100的控制难度。
梯形的下底远离所述末端盘本体31。由于第二槽321的轴向截面为梯形,因此当第二转动副
9转动时,可以增大第二丝的转动间隙,在第二转动副9转动时,避免第二丝与第四凸起部32
接触而影响第二丝的长度,从而保证两个自由度上的弯曲运动解耦。所述第二槽321贯穿所
述第四凸起部32的两侧,并且所述第二槽321的贯穿方向垂直于所述第一转动副8的转动轴
线。当第一转动副8转动时,避免第二丝与第四凸起部32接触,而影响丝长与弯曲角度的运
动规律,降低了丝驱动关节100的控制难度。
起部22,所述第一孔24的径向截面为矩形,且所述矩形的长边垂直于第二转动副9的转动轴
线。所述连杆2上还开设有容纳所述第二丝穿过的第二孔25,所述第二孔25贯穿所述连杆本
体21和所述第三凸起23部,所述第二孔25的径向截面为矩形,且所述矩形的长边垂直于第
一转动副8的转动轴线。
个自由度上的弯曲运动解耦,同时保证丝驱动过程中的控制精度。
轴向截面为梯形的第一槽123的配合可以得到合适的转动角度,彻底杜绝在第一转动副8转
动时第一丝与第一凸起部12的接触。如图4所示,所述第四凸起部32的两侧分别也分别形成
限位槽124,通过限位槽124与第二凹陷的配合限制第二转动副9的转动,从而避免转动过
度,通过限位槽124和轴向截面为梯形的第二槽321的配合可以得到合适的转动角度,彻底
杜绝在第二转动副9转动时第二丝与第四凸起部32的接触。
耦。
性;具体来说一体成型后的末端盘3和基座盘1,共用一个基座盘本体11或末端盘本体31;即
一体成型后的末端盘3和基座盘1,其连接部位的末端盘本体31加上基座盘本体11的厚度与
单独的基座盘本体11或末端盘本体31的厚度相等。
离本发明构思的前提下,还可以做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应
当视为属于本发明的保护范围之内。