一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人

摘要

本发明公开了一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，包括近端构节、远端构节、驱动丝和驱动装置，其中近端构节包括具有第一转动副和第二转动副的近端关节，第一转动副的转动轴线与近端基座盘的端面重合，第二转动副的转动轴线与近端末端盘的端面重合；远端构节包括具有第三转动副和第四转动副的远端关节，第三转动副的转动轴线与远端基座盘的端面重合，第四转动副的转动轴线与远端末端盘的端面重合，通过驱动装置控制各个驱动丝的伸长或缩短，从而控制丝驱动蛇形臂机器人的弯曲，在弯曲过程中实现了弯曲运动的解耦，可有效简化机器人运动学和降低控制难度。

权利要求

1.一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，其特征在于，包括近端构节(1)，包括近端关节(101)；所述近端关节(101)包括近端基座盘(11)、近端连杆(12)和近端末端盘(13)，所述近端基座盘(11)与近端连杆(12)连接形成第一转动副(14)，所述第一转动副(14)的转动轴线与近端基座盘(11)的端面重合；所述近端末端盘(13)与所述近端连杆(12)形成第二转动副(15)，所述第二转动副(15)的转动轴线与近端末端盘(13)的端面重合；

远端构节(2)，与近端构节(1)固定连接；所述远端构节(2)包括远端关节(102)，所述远端关节(102)包括远端基座盘(21)、远端连杆(22)和远端末端盘(23)，所述远端基座盘(21)与远端连杆(22)连接形成第三转动副(24)，所述第三转动副(24)的转动轴线与远端基座盘(21)的端面重合；所述远端末端盘(23)与所述远端连杆(22)连接形成第四转动副(25)，所述第四转动副(25)的转动轴线与远端末端盘(23)的端面重合；

驱动丝，包括驱动第二转动副(15)转动的第一驱动丝、驱动第一转动副(14)转动的第二驱动丝、同时驱动第二转动副(15)和第三转动副(24)转动的第三驱动丝、以及同时驱动第一转动副(14)和第四转动副(25)转动的第四驱动丝；以及驱动装置(3)，所述驱动装置(3)分别与各个驱动丝连接，用于控制各个驱动丝伸长或缩短；

所述近端基座盘(11)包括近端基座盘本体(111)、以及从所述近端基座盘本体(111)一端面向外侧凸起的第一凸起部(112)；

所述近端连杆(12)包括近端连杆本体(121)、从所述近端连杆本体(121)第一端面(1211)向外侧凸起的第二凸起部(122)、以及从所述近端连杆本体(121)第二端面(1212)向外侧凸起的第三凸起部(123)；所述第一端面(1211)与所述第二端面(1212)相对，所述第二凸起部(122)上设有朝向所述近端连杆本体(121)的第一凹陷部(124)，所述第三凸起部(123)上设有朝向所述近端连杆本体(121)的第二凹陷部(125)；

所述近端末端盘(13)包括近端末端盘本体(131)、以及从所述近端末端盘本体(131)一端面向外侧凸起的第四凸起部(132)；

所述第一凸起部(112)与所述第一凹陷部(124)连接形成第一转动副(14)，所述第一转动副(14)的转动轴线与近端基座盘本体(111)的端面重合；所述第四凸起部(132)与第二凹陷部(125)连接形成第二转动副(15)，所述第二转动副(15)的转动轴线与近端末端盘本体(131)的端面重合；

所述第一凸起部(112)上开设有容纳所述第一驱动丝和第三驱动丝穿过的第一槽(115)，所述第一槽(115)的轴向截面为梯形且梯形的下底远离所述近端基座盘本体(111)；

所述第四凸起部(132)上开设有容纳第二驱动丝和第四驱动丝穿过的第二槽(133)，所述第二槽(133)的轴向截面为梯形且梯形的下底远离所述近端末端盘(13)。

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蛇形臂机器人，其特征在于，

所述远端基座盘(21)包括远端基座盘本体(211)、以及从所述远端基座盘本体(211)一端面向外侧凸起的第五凸起部(212)；

所述远端连杆(22)包括远端连杆本体(221)、从所述远端连杆本体(221)第三端面(2211)向外侧凸起的第六凸起部(222)、以及从所述远端连杆本体(221)第四端面(2212)向外侧凸起的第七凸起部(223)；所述第三端面(2211)与所述第四端面(2212)相对，所述第六凸起部(222)上设有朝向所述远端连杆本体(221)的第三凹陷部(224)，所述第七凸起部(223)上设有朝向所述远端连杆本体(221)的第四凹陷部(225)；

所述远端末端盘(23)包括远端末端盘本体(231)、以及从所述远端末端盘本体(231)一端面向外侧凸起的第八凸起部(232)；

所述第五凸起部(212)与所述第三凹陷部(224)连接形成第三转动副(24)，所述第三转动副(24)的转动轴线与远端基座盘本体(211)的端面重合；所述第八凸起部(232)与第四凹陷部(225)连接形成第四转动副(25)，所述第四转动副(25)的转动轴线与远端末端盘本体(231)的端面重合。

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蛇形臂机器人，其特征在于，所述近端构节(1)包括至少两个近端关节(101)，相邻的所述近端关节(101)之间的近端末端盘(13)和近端基座盘(11)为一体成型；所述远端构节(2)包括至少两个远端关节(102)，相邻的所述远端关节(102)之间的远端末端盘(23)和远端基座盘(21)为一体成型。

4.根据权利要求3所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，其特征在于，

所述第一驱动丝的一端与靠近远端构节(2)的近端末端盘(13)固定连接，另一端与驱动装置(3)连接，并且所述第一驱动丝依次穿过各个近端关节(101)以及各个第一转动副(14)；

所述第二驱动丝的一端与靠近远端构节(2)的近端末端盘(13)固定连接，另一端与驱动装置(3)连接，并且所述第二驱动丝依次穿过各个近端关节(101)以及各个第二转动副(15)；

所述第三驱动丝的一端与远离近端构节(1)的远端末端盘(23)固定连接，另一端与驱动装置(3)连接，并且所述第三驱动丝依次穿过各个远端关节(102)和各个近端关节(101)以及各个第四转动副(25)和各个第一转动副(14)；

所述第四驱动丝的一端与远离近端构节(1)的远端末端盘(23)固定连接，另一端与驱动装置(3)连接，并且所述第四驱动丝依次穿过各个远端关节(102)和各个近端关节(101)以及各个第三转动副(24)和第二转动副(15)。

5.根据权利要求2所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，其特征在于，所述第五凸起部(212)上开设有容纳第四驱动丝穿过的第三槽(233)(213)，所述第三槽(233)(213)的轴向截面为梯形且梯形的下底远离所述远端基座盘(21)；所述第八凸起部(232)上开设有容纳第三驱动丝穿过的第四槽，所述第四槽的下底远离所述远端末端盘(23)。

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蛇形臂机器人，其特征在于，所述第一转动副(14)的转动轴线与第二转动副(15)的转动轴线垂直；所述第三转动副(24)的转动轴线与第四转动副(25)的转动轴线垂直；所述第一转动副(14)的转动轴线与第四转动副(25)的转动轴线平行；所述第二转动副(15)的转动轴线与第三转动副(24)的转动轴线平行。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，其特征在于，所述第一转动副(14)、第二转动副(15)、第三转动副(24)和第四转动副(25)的数量分别为两个且沿所述蛇形臂机器人的轴向对称；所述第一驱动丝、第二驱动丝、第三驱动丝和第四驱动丝的数量也分别为两条。

8.根据权利要求6所述的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，其特征在于，所述驱动装置(3)包括第一驱动装置(31)、第二驱动装置(32)、第三驱动装置(33)和第四驱动装置(34)，两条所述第一驱动丝连接且绕在第一驱动装置(31)的驱动轮上；两条所述第二驱动丝连接且绕在第二驱动装置(32)的驱动轮上；两条所述第三驱动丝连接且绕在第三驱动装置(33)的驱动轮上；两条所述第四驱动丝连接且绕在第四驱动装置(34)的驱动轮上。

说明书

一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人领域，具体涉及一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人。

背景技术

[0002] 由于丝驱动蛇形臂机器人可实现多自由度弯曲运动，在高度受限的复杂环境下能灵活工作，广泛应用于维修检测，微创手术等领域。近年来，可用于构建丝驱动蛇形臂机器
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。

[0003] 然而，现有的丝驱动蛇形臂机器人在任意方向转动时往往具有弯曲耦合效应，即机器人关节在某一个方向弯曲运动时，另一方向驱动绳的长度也会随弯曲角度变化。因此
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。

[0004] 徐凯，刘欢.多杆连续体机构：构型与应用[J].机械工程学报，2018年，第54卷第13期：25‑32。上述文献中公开了由末端盘、基座盘和间隔盘所构成的机械臂，该机械臂具有两
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

[0005] 为了解决丝驱动机器人的关节在驱动过程中，由于两个自由度上的丝会互相耦合，从而增加了控制难度的问题，本发明提供了一种实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机
器人。其具体技术方案如下。

[0006] 一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，包括

[0007] 近端构节，包括近端关节；所述近端关节包括近端基座盘、近端连杆和近端末端盘，所述近端基座盘与近端连杆连接形成第一转动副，所述第一转动副的转动轴线与近端
基座盘的端面重合；所述近端末端盘与所述近端连杆形成第二转动副，所述第二转动副的
转动轴线与近端末端盘的端面重合；

[0008] 远端构节，与近端构节固定连接；所述远端构节包括远端关节，所述远端关节包括远端基座盘、远端连杆和远端末端盘，所述远端基座盘与远端连杆连接形成第三转动副，所
述第三转动副的转动轴线与远端基座盘的端面重合；所述远端末端盘与所述远端连杆连接
形成第四转动副，所述第四转动副的转动轴线与远端末端盘的端面重合；

[0009] 驱动丝，包括驱动第二转动副转动的第一驱动丝、驱动第一转动副转动的第二驱动丝、同时驱动第二转动副和第三转动副转动的第三驱动丝、以及同时驱动第一转动副和
第四转动副转动的第四驱动丝；以及

[0010] 驱动装置，所述驱动装置分别与各个驱动丝连接，用于控制各个驱动丝伸长或缩短。

[0011] 进一步的，所述近端基座盘包括近端基座盘本体、以及从所述近端基座盘本体一端面向外侧凸起的第一凸起部；

[0012] 所述近端连杆包括近端连杆本体、从所述近端连杆本体第一端面向外侧凸起的第二凸起部、以及从所述近端连杆本体第二端面向外侧凸起的第三凸起部；所述第一端面与
所述第二端面相对，所述第二凸起部上设有朝向所述近端连杆本体的第一凹陷部，所述第
三凸起部上设有朝向所述近端连杆本体的第二凹陷部；

[0013] 所述近端末端盘包括近端末端盘本体、以及从所述近端末端盘本体一端面向外侧凸起的第四凸起部；

[0014] 所述第一凸起部与所述第一凹陷部连接形成第一转动副，所述第一转动副的转动轴线与近端基座盘本体的端面重合；所述第四凸起部与第二凹陷部连接形成第二转动副，
所述第二转动副的转动轴线与近端末端盘本体的端面重合。

[0015] 进一步的，所述远端基座盘包括远端基座盘本体、以及从所述远端基座盘本体一端面向外侧凸起的第五凸起部；

[0016] 所述远端连杆包括远端连杆本体、从所述远端连杆本体第三端面向外侧凸起的第六凸起部、以及从所述远端连杆本体第四端面向外侧凸起的第七凸起部；所述第三端面与
所述第四端面相对，所述第六凸起部上设有朝向所述远端连杆本体的第三凹陷部，所述第
七凸起部上设有朝向所述远端连杆本体的第四凹陷部；

[0017] 所述远端末端盘包括远端末端盘本体、以及从所述远端末端盘本体一端面向外侧凸起的第八凸起部；

[0018] 所述第五凸起部与所述第三凹陷部连接形成第三转动副，所述第三转动副的转动轴线与远端基座盘本体的端面重合；所述第八凸起部与第四凹陷部连接形成第四转动副，
所述第四转动副的转动轴线与远端末端盘本体的端面重合。

[0019] 进一步的，所述近端构节包括至少两个近端关节，相邻的所述近端关节之间的近端末端盘和近端基座盘为一体成型；所述远端构节包括至少两个远端关节，相邻的所述远
端关节之间的远端末端盘和远端基座盘为一体成型。

[0020] 进一步的，所述第一驱动丝的一端与靠近远端构节的近端末端盘固定连接，另一端与驱动装置连接，并且所述第一驱动丝依次穿过各个近端关节以及各个第一转动副；

[0021] 所述第二驱动丝的一端与靠近远端构节的近端末端盘固定连接，另一端与驱动装置连接，并且所述第二驱动丝依次穿过各个近端关节以及各个第二转动副；

[0022] 所述第三驱动丝的一端与远离近端构节的远端末端盘固定连接，另一端与驱动装置连接，并且所述第三驱动丝依次穿过各个远端关节和各个近端关节以及各个第四转动副
和各个第一转动副；

[0023] 所述第四驱动丝的一端与远离近端构节的远端末端盘固定连接，另一端与驱动装置连接，并且所述第四驱动丝依次穿过各个远端关节和各个近端关节以及各个第三转动副
和第二转动副。

[0024] 进一步的，所述第一凸起部上开设有容纳所述第一驱动丝和第三驱动丝穿过的第一槽，所述第一槽的轴向截面为梯形且梯形的下底远离所述近端基座盘本体；所述第四凸
起部上开设有容纳第二驱动丝和第四驱动丝穿过的第二槽，所述第二槽的轴向截面为梯形
且梯形的下底远离所述近端末端盘。

[0025] 进一步的，所述第五凸起部上开设有容纳第四驱动丝穿过的第三槽，所述第三槽的轴向截面为梯形且梯形的下底远离所述远端基座盘；所述第八凸起部上开设有容纳第三
驱动丝穿过的第四槽，所述第四槽的下底远离所述远端末端盘。

[0026] 进一步的，所述第一转动副的转动轴线与第二转动副的转动轴线垂直；所述第三转动副的转动轴线与第四转动副的转动轴线垂直；所述第一转动副的转动轴线与第四转动
副的转动轴线平行；所述第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。

[0027] 进一步的，所述第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副的数量分别为两个且沿所述蛇形臂机器人的轴向对称；所述第一驱动丝、第二驱动丝、第三驱动丝和第四
驱动丝的数量也分别为两条。

[0028] 进一步的，所述驱动装置包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置和第四转动装置，所述第一驱动装置通过驱动轮控制两条第一驱动丝的伸长或缩短，所述第二驱
动装置通过驱动轮控制两条第二驱动丝的伸长或缩短，所述第三驱动装置通过驱动轮控制
两条第三驱动丝的伸长或缩短，所述第四驱动装置通过驱动轮控制两条第四驱动丝的伸长
或缩短。

[0029] 有益效果：1.本发明提供的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，对于各个关节来说，由于各个转动副的转动轴线分别与相应的基座盘或末端盘的端面重合，
当该关节分别朝向某一个方向弯曲时不会引起另一个方向驱动丝的长度变化，实现了在两
个自由度上的弯曲解耦；而由各个关节组成的丝驱动蛇形臂机器人同样能够实现在两个自
由度上的弯曲解耦，可有效简化机器人运动学和降低控制难度。

[0030] 2.本发明提供的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，该机器人包括近端构节和远端构节，近端构节和远端构节分别具有两个自由度，通过驱动第二转动副转
动的第一驱动丝、驱动第一转动副转动的第二驱动丝、同时驱动第二转动副和第三转动副
转动的第三驱动丝、以及同时驱动第一转动副和第四转动副转动的第四驱动丝，从使蛇形
臂机器人具有四个自由度，并且通过四个驱动丝能够分别控制四个方向的弯曲，使得蛇形
臂机器人更加灵活。

[0031] 3.本发明提供的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，通过第一凸起和第一凹陷的配合、以及第四凸起和第二凹陷的配合，可以实现近端基座盘、近端连杆和近
端末端盘之间的连接；通过第五凸起和第三凹陷的配合、以及第八凸起和第四凹陷的配合，
可以实现远端基座盘、远端连杆和远端末端盘之间的连接；分别得到具有两个自由度的近
端关节和远端关节，并且结构简单易于实现。

[0032] 4.本发明提供的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，通过设置轴向截面为梯形的第一槽、第二槽、第三槽以及第四槽，避免各个转动副转动的过程中驱动丝与
所穿过的凸起部接触，进一步保证关节在两个自由度上的弯曲运动解耦。

[0033] 5.本发明提供的一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，在驱动装置控制驱动丝的缩短和伸长时，通过一个驱动装置即可控制一对驱动丝的缩短或伸长，可实现
驱动装置小型化设计，且可进一步简化机器人的运动学模型。

附图说明

[0034] 图1a为本发明实施例中丝驱动蛇形臂机器人的整体结构示意图之一，该图示中仅示出了第一驱动丝和第二驱动丝；

[0035] 图1b为本发明实施例中丝驱动蛇形臂机器人的整体结构示意图之二，该图示中仅示出了第三驱动丝和第四驱动丝；

[0036] 图2为本发明实施例中单个近端关节的结构示意图；

[0037] 图3为本发明实施例中近端基座盘的结构示意图；

[0038] 图4为本发明实施例中近端连杆的结构示意图；

[0039] 图5为本发明实施例中近端末端盘的结构示意图；

[0040] 图6为本发明实施例中单个远端关节的结构示意图；

[0041] 图7为本发明实施例中远端基座盘的结构示意图；

[0042] 图8为本发明实施例中远端连杆的结构示意图；

[0043] 图9为本发明实施例中远端末端盘的结构示意图；

[0044] 图10为本发明实施例中一体成型的近端末端盘和近端基座盘的结构示意图；

[0045] 图11为本发明实施例中一体成型的远端末端盘和远端基座盘的结构示意图；

[0046] 图12为本发明实施例中两自由度弯曲解耦原理图；

[0047] 图13为本发明实施例中驱动丝长度与弯曲角度的原始函数与拟合函数误差示意图；

[0048] 图14为本发明实施例中驱动装置的示意图。

[0049] 附图标记：1‑近端构节；2‑远端构节；3‑驱动装置；4‑中心通孔；101‑近端关节；102‑远端关节；11‑近端基座盘；12‑近端连杆；13‑近端末端盘；14‑第一转动副；15‑第二转
动副；111‑近端基座盘本体；112‑第一凸起部；113‑档环；114‑半圆柱状凸起；115‑第一槽；
121‑近端连杆本体；122‑第二凸起部；123‑第三凸起部；124‑第一凹陷部；125‑第二凹陷部；
126‑第一孔；127‑第二孔；1211‑第一端面；1212‑第二端面；131‑近端末端盘本体；132‑第四
凸起部；133‑第二槽；21‑远端基座盘；22‑远端连杆；23‑远端末端盘；24‑第三转动副；25‑第
四转动副；211‑远端基座盘本体；212‑第五凸起部；213‑第三槽；221‑远端连杆本体；222‑第
六凸起部；223‑第七凸起部；224‑第三凹陷部；225‑第四凹陷部；226‑第三孔；227‑第四孔；
2211‑第三端面；2212‑第四端面；231‑远端末端盘本体；232‑第八凸起部；233‑第三槽；31‑
第一驱动装置；32‑第二驱动装置；33‑第三驱动装置；34‑第四驱动装置；51‑丝A；52‑丝B；
53‑丝C；54‑丝D；55‑丝E；56‑丝F；57‑丝H；58‑丝G。

具体实施方式

[0050] 为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例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。

[0051] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。

[0052] 实施例1

[0053] 如图1～3所示，本实施例公开了一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，包括

[0054] 近端构节1，包括近端关节101；所述近端关节101包括近端基座盘11、近端连杆12和近端末端盘13，所述近端基座盘11与近端连杆12连接形成第一转动副14，所述第一转动
副14的转动轴线与近端基座盘11的端面重合；所述近端末端盘13与所述近端连杆12形成第
二转动副15，所述第二转动副15的转动轴线与近端末端盘13的端面重合；

[0055] 远端构节2，与近端构节1固定连接；所述远端构节2包括远端关节102，所述远端关节102包括远端基座盘21、远端连杆22和远端末端盘23，所述远端基座盘21与远端连杆22连
接形成第三转动副24，所述第三转动副24的转动轴线与远端基座盘21的端面重合；所述远
端末端盘23与所述远端连杆22连接形成第四转动副25，所述第四转动副25的转动轴线与远
端末端盘23的端面重合；

[0056] 驱动丝，包括驱动第二转动副15转动的第一驱动丝、驱动第一转动副14转动的第二驱动丝、同时驱动第二转动副15和第三转动副24转动的第三驱动丝、以及同时驱动第一
转动副14和第四转动副25转动的第四驱动丝；以及

[0057] 驱动装置3，所述驱动装置3分别与各个驱动丝连接，用于控制各个驱动丝伸长或缩短。

[0058] 具体来说，如图1a和图1b所示，本实施例所公开的丝驱动蛇形臂机器人包括近端构节1和远端构节2，所述近端构节1包括多个近端关节101，相邻的近端关节101之间的近端
末端盘13和近端基座盘11一体成型；对于单个近端关节101来说，其具有第一转动副14和第
二转动副15，使得近端关节101具有两个自由度，并且由于第一转动副14的转动轴线与近端
基座盘11的端面重合，第二转动副15的转动轴线与近端末端盘13的端面重合，当伸长或缩
短第一驱动丝来驱动第二转动副15转动时，不会影响第二驱动丝的长度变化，当伸长或缩
短第二驱动丝来驱动第一转动副14转动时，不会影响第一驱动丝的长度变化，从而实现了
近端关节101两个自由度的弯曲解耦；由多个近端关节101构成近端构节1，各个第一转动副
14的转动轴线互相平行，各个第二转动副15的转动轴线也互相平行，当驱动第一转动副14
转动时，不会影响第一驱动丝的长度变化，当驱动第二转动副15转动时，也不会影响第二驱
动丝的长度变化。因此近端构节1能够实现两个方向的弯曲解耦。

[0059] 同理，所述远端构节2包括多个远端关节102，相邻的远端关节102之间的远端末端盘23和远端基座盘21一体成型；对于单个远端关节102来说，其具有第三转动副24和第四转
动副25，第三转动副24的转动轴线与远端基座盘21的端面重合，第四转动副25的转动轴线
与远端末端盘23的端面重合；远端关节102也能够实现两个自由度的弯曲解耦；相应的，有
多个远端关节102构成的远端构节2，各个第三转动副24的转动轴线互相平行，各个第四转
动副25的转动轴线也互相平行，远端构节2能够实现两个弯曲方向的弯曲解耦。

[0060] 综上所述，由近端构节1和远端构节2固定连接形成丝驱动蛇形臂机器人，当伸长或缩短第三驱动丝来驱动第二转动副15和第三转动副24转动时，不会影响第四驱动丝的长
度变化；当伸长或缩短第四驱动丝来驱动第一转动副14和第四转动副25转动时，不会影响
第三驱动丝的长度变化。丝驱动蛇形臂机器人具有四个自由度，并且能够实现弯曲运动的
解耦，可有效简化机器人运动学和降低控制难度。

[0061] 在本实施例中，如图2所示，每一个近端关节101都包含有两个第一转动副14和两个第二转动副15，两个第一转动副14沿近端基座盘11的轴向中心对称布置，使得两个第一
转动副14的转动轴线共线，两个第二转动副15沿近端末端盘13的轴向中心对称布置，使得
两个第二转动副15的转动轴线共线，并且第一转动副14的转动轴线与第二转动副15的转动
轴线垂直；如图6所示，每一个远端关节102都包含有两个第三转动副24和两个第四转动副
25，两个第三转动副24沿远端基座盘21的轴向中心对称，使得两个第三转动副24的转动轴
线共线，两个第四转动副25沿远端末端盘23的轴向中心对称，使得两个四转动副的转动轴
线共线，并且第三转动副24的转动轴线与第四转动副25的转动轴线共线。

[0062] 在本实施例中，为了使第三驱动丝能够同时驱动第二转动副15和第三转动副24转动，第四驱动丝能够同时驱动第一转动副14与第四转动副25转动；所述第一驱动丝的一端
与靠近远端构节2的近端末端盘13固定连接，另一端与驱动装置3连接，并且所述第一驱动
丝依次穿过各个近端关节101以及各个第一转动副14；

[0063] 所述第二驱动丝的一端与靠近远端构节2的近端末端盘13固定连接，另一端与驱动装置3连接，并且所述第二驱动丝依次穿过各个近端关节101以及各个第二转动副15；

[0064] 所述第三驱动丝的一端与远离近端构节1的远端末端盘23固定连接，另一端与驱动装置3连接，并且所述第三驱动丝依次穿过各个远端关节102和各个近端关节101以及各
个第四转动副25和各个第一转动副14；

[0065] 所述第四驱动丝的一端与远离近端构节1的远端末端盘23固定连接，另一端与驱动装置3连接，并且所述第四驱动丝依次穿过各个远端关节102和各个近端关节101以及各
个第三转动副24和第二转动副15。

[0066] 具体来说，所述第一转动副14的转动轴线与第四转动副25的转动轴线平行；所述第二转动副15的转动轴线与第三转动副24的转动轴线平行。

[0067] 具体来说，所述第一驱动丝包括丝A51和丝C53，第二驱动丝包括丝B52和丝D54，第三驱动丝包括丝E55和丝H57，第四驱动丝包括丝G58和丝F56，丝A51、丝B52、丝C53和丝D54
分布在丝E55、丝F56、丝G58和丝H57的外侧，即丝A51、丝B52、丝C53和丝D54所构成的圆的半
径大于丝E55、丝F56、丝G58和丝H57所构成的圆的半径。

[0068] 以下为对本实施例中所提供的丝驱动蛇形臂机器人能够实现弯曲运动解耦的原理进行进一步的阐述。

[0069] 如图12所示，对于单个的近端关节101来说，当第二转动副15绕着第二转动副15的转动轴线w2转动θ角度时，丝A51的点M到N的距离伸长，丝C53的点K到T的距离缩短，而丝B52
的点V到L，以及丝D54的点S到Q的长度不发生改变，同时由于基座盘和末端盘的厚度未发生
改变，丝A51、丝B52、丝C53和丝D54与基座盘或末端盘的重叠区域长度不发生变化，因此当
第二转动副15转动时，丝A51和丝C53的长度会发生变化，而丝B52和丝D54的长度不会发生
变化，各个丝的长度分别如下所示：

[0070]2 2

[0071] 其中，P1＝2R +h， Φ1＝π/2‑arctan(R/h)；R表示丝A51、丝B52、丝C53和丝D54到近端连杆12中心的距离，其中各个丝到近端连杆12中心的距离相等，h表示基
座盘中心Oi和末端盘中心Oi+1之间连线的长度，t分别为近端基座盘本体111和近端末端盘
本体131的厚度，在本实施例中基座盘和末端盘的厚度相等。

[0072] 对于丝驱动蛇形臂机器人整体来说，当n个近端关节101上的第一转动副14绕轴线转动 角度，第二转动副15绕轴线转动θ角度时，根据几何结构可知：丝A51、丝B52、丝C53、丝
D54、丝E55、丝F56、丝H57和丝G58的长度变化分别如下所示：

[0073]2 2

[0074] 其中，P2＝2r+h ， Φ2＝π/2‑arctan(r/h)，r表示丝E55、丝F56、丝H57和丝G58到远端连杆22中心的距离，由于相邻的所述近端关节101之间的近端末端盘13
和近端基座盘11为一体成型，相邻的所述远端关节102之间的远端末端盘23和远端基座盘
21为一体成型，因此在本实施例中一体成型后的近端末端盘本体131和近端基座盘本体111
重合，厚度为t、以及一体成型后的远端末端盘本体231和远端基座盘本体211重合，厚度为
t。

[0075] 当m个远端关节102绕第三转动副24的转动轴线w3转动α角度，绕第四转动副25的转动轴线w4转动β角度时，根据几何结构可知丝E55、丝F56、丝G58和丝H57的长度分别为：

[0076]

[0077] 根据上述各个驱动丝的长度变化可知，丝A51和丝C53的长度变化仅与第二转动副15的转动角度θ相关，丝B52和丝D54的长度变化仅与第一转动副14的转动角度 相关。

[0078] 对于近端构节1中的丝E55和丝G58的长度变化仅与第二转动副15的转动角度θ相关，丝F56和丝H57的长度变化仅与第一转动副14的转动角度 相关，所述近端构节1和远端
构节2在弯曲运动时相互解耦。

[0079] 在本实施例中，如图14所示，所述驱动装置3包括第一驱动装置313、第二驱动装置323、第三驱动装置333和第四转动装置343，各个驱动装置3分别包括驱动电机和驱动轮，两
条所述第一驱动丝连接且绕在第一驱动装置313的驱动轮上；两条所述第二驱动丝连接且
绕在第二驱动装置323的驱动轮上；两条所述第三驱动丝连接且绕在第三驱动装置333的驱
动轮上；两条所述第四驱动丝连接且绕在第四驱动装置343的驱动轮上。

[0080] 以丝A51和丝C53为例，假设近端基座盘11和近端末端盘13的厚度t为2.5mm，轴线间的高度为h＝8mm，丝A51和丝C53分布圆半径为R＝4.25mm，且包含5个关节，根据公式(2)
和(3)且通过利用多项式拟合方法对丝长度与弯曲角度之间的函数关系进行拟合可知，构
节中的各相对的驱动丝长度与弯曲角度之间的函数关系为呈高度线性关系，其拟合函数表
达式为

[0081]

[0082] 根据式(1)和式(2)计算分析，如图13所示，两者的拟合误差小于1％。由于两自由度运动弯曲解耦，且根据线性关系可知，若丝A51和丝C53驱动近端构节1实现单自由度弯曲
运动，A侧丝的拉紧量等于C侧丝的释放量，因此通过一个驱动装置3即可驱动一对驱动丝，
实现驱动装置3的小型化。

[0083] 实施例2

[0084] 本实施例公开了一种可实现弯曲运动解耦的丝驱动蛇形臂机器人，包括近端构节1，包括近端关节101；所述近端关节101包括近端基座盘11、近端连杆12和近端末端盘13，所
述近端基座盘11与近端连杆12连接形成第一转动副14，所述第一转动副14的转动轴线与近
端基座盘11的端面重合；所述近端末端盘13与所述近端连杆12形成第二转动副15，所述第
二转动副15的转动轴线与近端末端盘13的端面重合；

[0085] 远端构节2，与近端构节1固定连接；所述远端构节2包括远端关节102，所述远端关节102包括远端基座盘21、远端连杆22和远端末端盘23，所述远端基座盘21与远端连杆22连
接形成第三转动副24，所述第三转动副24的转动轴线与远端基座盘21的端面重合；所述远
端末端盘23与所述远端连杆22连接形成第四转动副25，所述第四转动副25的转动轴线与远
端末端盘23的端面重合；

[0086] 驱动丝，包括驱动第二转动副15转动的第一驱动丝、驱动第一转动副14转动的第二驱动丝、同时驱动第二转动副15和第三转动副24转动的第三驱动丝、以及同时驱动第一
转动副14和第四转动副25转动的第四驱动丝；以及

[0087] 驱动装置3，所述驱动装置3分别与各个驱动丝连接，用于控制各个驱动丝伸长或缩短。具体来说，如图3到图5所示，所述近端基座盘11包括近端基座盘本体111、以及从所述
近端基座盘本体111一端面向外侧凸起的第一凸起部112；

[0088] 所述近端连杆12包括近端连杆本体121、从所述近端连杆本体121第一端面1211向外侧凸起的第二凸起部122、以及从所述近端连杆本体121第二端面1212向外侧凸起的第三
凸起部123；所述第一端面1211与所述第二端面1212相对，所述第二凸起部122上设有朝向
所述近端连杆本体121的第一凹陷部124，所述第三凸起部123上设有朝向所述近端连杆本
体121的第二凹陷部125；

[0089] 所述近端末端盘13包括近端末端盘本体134、以及从所述近端末端盘本体134一端面向外侧凸起的第四凸起部132；

[0090] 所述第一凸起部112与所述第一凹陷部124连接形成第一转动副14，所述第一转动副14的转动轴线与近端基座盘本体111的端面重合；所述第四凸起部132与第二凹陷部125
连接形成第二转动副15，所述第二转动副15的转动轴线与近端末端盘本体134的端面重合。

[0091] 具体来说，如图7到图9所示，所述远端基座盘21包括远端基座盘本体211、以及从所述远端基座盘本体211一端面向外侧凸起的第五凸起部212；

[0092] 所述远端连杆22包括远端连杆本体221、从所述远端连杆本体221第三端面2211向外侧凸起的第六凸起部222、以及从所述远端连杆本体221第四端面2212向外侧凸起的第七
凸起部223；所述第三端面2211与所述第四端面2212相对，所述第六凸起部222上设有朝向
所述远端连杆本体221的第三凹陷部224，所述第七凸起部223上设有朝向所述远端连杆本
体221的第四凹陷部225；

[0093] 所述远端末端盘23包括远端末端盘本体231、以及从所述远端末端盘本体231一端面向外侧凸起的第八凸起部232；

[0094] 所述第五凸起部212与所述第三凹陷部224连接形成第三转动副24，所述第三转动副24的转动轴线与远端基座盘本体211的端面重合；所述第八凸起部232与第四凹陷部225
连接形成第四转动副25，所述第四转动副55的转动轴线与远端末端盘本体231的端面重合。

[0095] 在本实施例中，如图2所示，第一转动副14由第一凸起部112和第一凹陷部124配合形成，第二转动副15由第四凸起部132和第二凹陷部125配合形成，其结构简单，易于实现。

[0096] 在本实施例中，如图2所示，在每一个近端关节101中，所述第一转动副14的数量为两个、所述第二转动副15的数量为两个；相应的，所述第一凸起部112和第二凸起部122的数
量分别为两个，两个第一凸起部112沿近端基座盘11的轴向中心对称，两个所述第二凸起部
122沿近端连杆12的轴向中心对称，所述第三凸起部123和第四凸起部132的数量分别为两
个，两个第三凸起部123沿近端连杆12的轴向中心对称，两个第四凸起部132沿近端末端盘
13的轴向中心对称。因此两个第一转动副14的的转动轴线共线，两个第二转动副15的转动
轴线共线。通过分别设置两个第一转动副14以及两个第二转动副15，能够保证近端关节101
的稳定性。所述第一驱动丝也包括丝A51和丝C53，丝A51和丝C53的一端分别与靠近远端构
节2的近端末端盘13固定连接，另一端分别与驱动装置3连接，并依次穿过各个近端构节1的
近端末端盘13、近端连杆12、第二凸起部122、第一凸起部112和近端基座盘11。所述第二驱
动丝也包括丝B52和丝D54，丝B52和丝D54的一端分别与靠近远端构节2的近端末端盘13固
定连接，另一端分别与驱动装置3连接，并依次穿过各个近端构节1的近端末端盘13、第四凸
起部132、第三凸起部123、近端连杆12、近端基座盘11。

[0097] 在本实施例中，如图3所示，所述第一凸起部112包括半圆柱状凸起114和档环113，所述档环113位于半圆柱状的侧面，由于第一凸起部112的数量为两个，通过两个档环113可
以完全阻挡第二凸起部122的径向移动，从而保证近端关节101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132也包括半圆柱状凸起114和档环113，所述档环
113位于半圆柱状的侧面，通过档环113阻挡第三凸起部123的径向移动，从而保证近端关节
101在弯曲过程中的稳定性。

[0098] 如图4所示，在本实施例中，所述第一凹陷部124和第二凹陷部125分别为与第一凸起部112或第四凸起部132相适配的原圆柱状，第一凸起部112和第一凹陷部124的轴心线共
线，第四凸起部132和第二凹陷部125的轴心线共线。

[0099] 在本实施例中，如图3所示，所述第一凸起部112上开设有容纳所述第一驱动丝和第三驱动丝穿过的第一槽115，所述第一槽115的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所
述近端基座盘本体111。由于第一槽115的轴向截面为梯形，因此当第一转动副14转动时，可
以增大第一驱动丝和第三驱动丝的转动间隙，在第一转动副14转动时，避免第一驱动丝、第
三驱动丝与第一凸起部112接触而影响第一驱动丝、第三驱动丝的长度，从而保证两个自由
度上的弯曲运动解耦。所述第一槽115贯穿所述第一凸起部112的两侧，并且所述第一槽115
的贯穿方向垂直于所述第二转动副15的转动轴线。当第二转动副15转动时，避免第一驱动
丝、第三驱动丝与第一凸起部112接触，而影响丝长与弯曲角度的运动规律，降低了丝驱动
关节的控制难度。

[0100] 在本实施例中，如图5所示，所述第四凸起部132上开设有容纳所述第二驱动丝、第四驱动丝穿过的第二槽133，所述第二槽133的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所述
近端末端盘本体134。由于第二槽133的轴向截面为梯形，因此当第二转动副15转动时，可以
增大第二驱动丝的转动间隙，在第二转动副15转动时，避免第二驱动丝、第四驱动丝与第四
凸起部132接触而影响第二驱动丝、第四驱动丝的长度，从而保证两个自由度上的弯曲运动
解耦。所述第二槽133贯穿所述第四凸起部132的两侧，并且所述第二槽133的贯穿方向垂直
于所述第一转动副14的转动轴线。当第一转动副14转动时，避免第二驱动丝、第四驱动丝与
第四凸起部132接触，而影响丝长与弯曲角度的运动规律，降低了丝驱动关节的控制难度。

[0101] 如图4所示，所述近端连杆12上开设有容纳所述第一驱动丝、第三驱动丝穿过的第一孔126，所述第一孔126贯穿所述近端连杆本体121和所述第二凸起部122，所述第一孔126
的径向截面为矩形，且所述矩形的长边垂直于第二转动副15的转动轴线。所述近端连杆12
上还开设有容纳所述第二驱动丝、第四驱动丝穿过的第二孔127，所述第二孔127贯穿所述
近端连杆本体121和所述第三凸起部123，所述第二孔127的径向截面为矩形，且所述矩形的
长边垂直于第一转动副14的转动轴线。

[0102] 通过设置矩形的第一孔126和第二孔127，使得在第一转动副14或第二转动副15转动的过程中，各个驱动丝不会与近端连杆12接触，不会对近端连杆12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。

[0103] 在本实施例中，如图6所示，在每一个远端关节102中，所述第三转动副24的数量为两个、所述第丝转动副的数量为两个；相应的，所述第五凸起部212和第六凸起部222的数量
分别为两个，两个第五凸起部212沿远端基座盘21的轴向中心对称，两个所述第六凸起部
222沿远端连杆22的轴向中心对称，所述第七凸起部223和第八凸起部232的数量分别为两
个，两个第七凸起部223沿远端连杆22的轴向中心对称，两个第八凸起部232沿远端末端盘
23的轴向中心对称。因此两个第三转动副24的转动轴线共线，两个第四转动副25的转动轴
线共线。通过分别设置两个第三转动副24以及两个第四转动副25能够保证远端关节102的
稳定性。所述第三驱动丝也包括丝E55和丝G58，丝E55和丝G58的一端分别与远离近端构节1
的远端末端盘23固定连接，另一端分别与驱动装置3连接，并依次穿过各个远端构节2的远
端末端盘23、第八凸起部232、第七凸起部223、远端连杆22、远端基座盘21以及各个近端构
节1的近端末端盘13、近端连杆12、第二凸起部122、第一凸起部112以及近端基座盘11。所述
第四驱动丝也包括丝F56和丝H57，丝F56和丝H57的一端分别与远离近端构节1的远端末端
盘23固定连接，另一端分别与驱动装置3连接，并依次穿过各个远端构节2的远端末端盘23、
远端连杆22、第六凸起部222、第五凸起部212、远端基座盘21以及各个近端构节1的近端末
端盘13、第四凸起部132、第三凸起部123、近端连杆12、近端基座盘11。

[0104] 在本实施例中，如图7所示，所述第五凸起部212包括半圆柱状凸起114和档环113，所述档环113位于半圆柱状的侧面，由于第五凸起部212的数量为两个，通过两个档环113可
以完全阻挡第六凸起部222的径向移动，从而保证远端关节102在弯曲过程中的稳定性。如
图9所示，在本实施例中所述第八凸起部232也包括半圆柱状凸起114和档环113，所述档环
113位于半圆柱状的侧面，通过档环113阻挡第七凸起部223的径向移动，从而保证远端关节
102在弯曲过程中的稳定性。

[0105] 如图8所示，在本实施例中，所述第三凹陷部224和第四凹陷部225分别为与第五凸起部212或第八凸起部232相适配的原圆柱状，第五凸起部212和第三凹陷部224的轴心线共
线，第八凸起部232和第四凹陷部225的轴心线共线。

[0106] 在本实施例中，如图7所示，所述第五凸起部212上开设有容纳所述第四驱动丝穿过的第三槽233213，所述第三槽233213的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所述远端
基座盘本体211。由于第三槽233213的轴向截面为梯形，因此当第三转动副24转动时，可以
增大第四驱动丝的转动间隙，在第三转动副24转动时，避免第四驱动丝与第五凸起部212接
触而影响第四驱动丝的长度，从而保证两个自由度上的弯曲运动解耦。所述第三槽233213
贯穿所述第五凸起部212的两侧，并且所述第三槽233213的贯穿方向垂直于所述第四转动
副25的转动轴线。当第四转动副25转动时，避免第四驱动丝与第五凸起部212接触，而影响
丝长与弯曲角度的运动规律，降低了丝驱动关节的控制难度。

[0107] 在本实施例中，如图9所示，所述第八凸起部232上开设有容纳所述第第三驱动丝穿过的第四槽，所述第四槽的轴向截面为梯形且所述梯形的下底远离所述远端末端盘本体
231。由于第四槽的轴向截面为梯形，因此当第四转动副25转动时，可以增大第三驱动丝的
转动间隙，在第二转动副15转动时，避免第三驱动丝与第八凸起部232接触而影响第三驱动
丝的长度，从而保证两个自由度上的弯曲运动解耦。所述第四槽贯穿所述第八凸起部232的
两侧，并且所述第四槽的贯穿方向垂直于所述第三转动副24的转动轴线。当第三转动副24
转动时，避免第三驱动丝与第八凸起部232接触，而影响丝长与弯曲角度的运动规律，降低
了丝驱动关节的控制难度。

[0108] 如图8所示，所述远端连杆22上开设有容纳所述第四驱动丝穿过的第三孔226，所述第三孔226贯穿所述远端连杆本体221和所述第六凸起部222，所述第三孔226的径向截面
为矩形，且所述矩形的长边垂直于第四转动副25的转动轴线。所述远端连杆22上还开设有
容纳所述第三驱动丝穿过的第四孔227，所述第四孔227贯穿所述远端连杆本体221和所述
第七凸起部223，所述第四孔227的径向截面为矩形，且所述矩形的长边垂直于第三转动副
24的转动轴线。

[0109] 通过设置矩形的第三孔226和第四孔227，使得在第三转动副24或第四转动副25转动的过程中，各个驱动丝不会与远端连杆22接触，不会对远端连杆22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。

[0110] 在本实施例中，如图3图5所示，所述近端基座盘11和近端末端盘13上分别开设有容纳丝A51、丝B52、丝C53和丝D54穿过的丝孔，以及容纳丝E55、丝F56、丝G58和丝H57穿过的
丝孔；如图7和9所示，所述远端基座盘21和远端末端盘23上分别开设有容纳丝E55、丝F56、
丝G58和丝H57穿过的丝孔。

[0111] 在本实施例中，所述近端连杆12和远端连杆22分别为刚性连杆，刚性连杆可以避免在近端关节101或远端关节102弯曲过程中发生形变，进一步保证丝驱动蛇形臂机器人工
作的稳定性以及弯曲运动解耦。

[0112] 在本实施例中，如图1a和图1b所示，所述丝驱动蛇形臂机器人的各个关节上开设有沿轴心布置的供检测工具穿过的中心通孔4，便于应用至单孔微创手术中。

[0113] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱
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。