CN116834055A - 机械臂的腕关节、机械臂以及机器人 - Google Patents

Abstract

提供了机械臂的腕关节、机械臂和机器人。腕关节可以包括：末端固定板，用于固定末端执行器；中心轴固定座，连接到末端固定板；第一线轮组件和第二线轮组件，对称设置在中心轴固定座的第一相对两侧且相对于中心轴固定座的轴线转动，并且分别根据基于线状组件的驱动力转动；以及连接机构，与第一线轮组件和第二线轮组件连接，用于将第一线轮组件和第二线轮组件分别连接到末端固定板，使得末端固定板根据第一线轮组件和第二线轮组件的转动而转动。通过将至少一部分驱动模块设置在大臂端而不是设置在关节处，可以使机械臂末端的转动惯量较低，能实现较快地转动速度，且腕关节具有更大的运动范围和灵活性。

Description

机械臂的腕关节、机械臂以及机器人

技术领域

本申请涉及机器人领域，更具体地，涉及一种机械臂的腕关节、机械臂以及机器人。

背景技术

随着机器人技术的发展，类人型机器人一直是机器人发展的一个主要方向，比如DLR类人机械手臂、HRP系列人形机器人等等。这些机器人都有一些共性，都是通过模仿人体结构设计的，并在制造业、医疗、服务等领域有广泛的应用前景。

目前，这些类人型机器人的机械臂存在多个关节，并且每个关节处设置有驱动模块(例如，驱动电机和减速器)，并且驱动模块的重量一般都是较大的，例如，可能占机械臂的总重量的60％左右，因此，可能会造成机械臂的末端转动惯量偏大，从而导致机械臂的末端速度受到了限制，无法进行高速运动，并且可能失控。另一方面，类人型机器人可以应用于人机交互的场景，此时如果机械臂由于转动惯量过大，则可能会造成与其交互的人员伤害。

因此，需要一种末端转动惯量较低的机械臂，从而提高机器人的可靠性并和安全性。

发明内容

根据本申请的一方面，提供了一种机械臂中的腕关节。该腕关节包括末端固定板，用于固定末端执行器；中心轴固定座，连接到所述末端固定板；第一线轮组件和第二线轮组件，对称设置在所述中心轴固定座的第一相对两侧且相对于所述中心轴固定座的轴线转动，并且分别根据基于线状组件的驱动力转动；以及连接机构，与所述第一线轮组件和所述第二线轮组件连接，用于将所述第一线轮组件和所述第二线轮组件分别连接到所述末端固定板，使得所述末端固定板根据所述第一线轮组件和所述第二线轮组件的转动而转动。

根据一些实施例，所述第一线轮组件和第二线轮组件中的每一者包括：线轮，所述线轮的线轮轴上设置有以相反方向缠绕的两条线状组件，并且每条线状组件的第一端固定在所述线轮轴上，第二端与外部驱动模块连接，用于根据来自外部驱动模块的基于线状组件的驱动力转动。

根据一些实施例，在所述第一线轮组件和所述第二线轮组件均沿着相同旋转方向转动的情况下，所述末端固定板能够沿着侧倾方向转动；并且，在所述第一线轮组件和所述第二线轮组件沿着不同旋转方向转动的情况下，所述末端固定板能够沿着俯仰方向转动。

根据一些实施例，所述连接机构包括多个连杆，所述第一线轮组件和所述第二线轮组件对应的连杆集合相对于所述中心轴固定座是对称的，并且每个连杆集合包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，其中：所述第一连杆连接在对应的一个线轮组件和所述第二连杆之间；所述第二连杆连接在所述第一连杆和所述第三连杆之间；所述第三连杆连接在所述第二连杆和所述末端固定板之间；所述连接机构中的两个第四连杆的第一端分别连接到垂直于所述末端固定板的方向上所述中心轴固定座除了所述第一相对两侧的第二相对两侧，第二端分别连接到所述末端固定板。

根据一些实施例，所述第一线轮组件和第二线轮组件中的每一者还包括：转速传感器，与所述线轮相关联地设置，用于检测所述线轮的转速，以提供给处理装置。

根据本申请的另一方面，还提供了一种机械臂。该机械臂，包括：腕关节、肘关节和肩关节，其中所述腕关节为根据如上所述的腕关节；第一机臂和第二机臂，其中，所述肩关节与肘关节之间的为第一机臂，肘关节与腕关节之间的为第二机臂；驱动模块，用于驱动所述腕关节、所述肘关节、和所述肩关节。

根据一些实施例，所述驱动模块包括：第一驱动模块，设置在所述第一机臂靠近所述肩关节的一端，并且用于通过驱动第一组线状组件的收放来控制所述腕关节；第二驱动模块，用于驱动所述肘关节；以及第三驱动模块，与所述肩关节集成设置，用于驱动或实现所述肩关节。

根据一些实施例，所述肘关节包括：第一连接座，用于与所述第一机臂连接；第二连接座，用于与所述第二机臂连接；滑轮机构，与所述第一连接座和所述第二连接座连接，用于基于第二组线状组件的收放来分别使所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向移动和远离所述第一机臂的方向转动，其中，所述第二组线状组件与多个线轮形成动滑轮组。

根据一些实施例，所述多个线轮包括一个中心大线轮和多个小线轮，所述多个小线轮中的第一部分小线轮、所述中心大线轮和所述第二组线状组件中的第一条线状组件用于形成第一动滑轮组，所述多个小线轮中的第二部分小线轮、所述中心大线轮和所述述第二组线状组件中的第二条线状组件用于形成第二动滑轮组，其中，当所述第一条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向转动；并且当所述第二条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向远离所述第一机臂的方向转动。

根据一些实施例，所述第二驱动模块设置在所述第一机臂靠近所述肩关节的一端，并且与所述第一驱动模块集成设置或者非集成设置。

根据一些实施例，所述第一驱动模块包括与所述第一线轮组件和所述第二线轮组件分别对应的两个线轮驱动子模块，所述第二驱动模块包括一个线轮驱动子模块，其中，每个线轮驱动子模块包括线轮驱动电机和线轮驱动轴，所述第一组线状组件或所述第二组线状组件中的两条线状组件以相反方向缠绕在对应的线轮驱动轴上，并且每个线轮驱动子模块包括的线轮驱动轴被对应的线轮驱动电机驱动，用于驱动所述第一组线状组件或所述第二组线状组件中的两条线状组件的收紧。

根据一些实施例，所述第一组线状组件中的每条线状组件的第一端固定在对应的线轮驱动轴上，第二端经过所述肘关节在所述腕关节的第一线轮组件和第二线轮组件中的一者的线轮轴上缠绕后固定在所述线轮轴上。

根据一些实施例，所述肩关节由所述第三驱动模块直接驱动，所述第三驱动模块包括与三个自由度对应的、相互垂直设置的第一驱动子模块、第二驱动子模块和第三驱动子模块，并且所述第一驱动子模块与所述第一机臂靠近所述肩关节的一端连接；所述第二驱动子模块通过第一驱动连接座与所述第一机臂连接，并且所述第三驱动子模块通过第二驱动连接座与所述第二驱动子模块连接。

根据一些实施例，第一驱动子模块、第二驱动子模块和第三驱动子模块中的每一者包括驱动电机和所述驱动电机对应的电动轴，所述第一驱动连接座的第一端连接到所述第一驱动子模块的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第二驱动子模块的驱动电机对应的电动轴；所述第二驱动连接座的第一端连接到所述第二驱动子模块的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第三驱动子模块的驱动电机对应的电动轴。

根据本申请的另一方面，还提供了一种机器人，该机器人包括如上所述的机械臂。

根据本申请的实施例提供的腕关节、机械臂和机器人，其通过将至少一部分驱动模块设置在大臂端而不是设置在关节处，其中采用用线状组件来驱动的具有连杆机构的腕关节，可以使机械臂末端的转动惯量较低，能实现较快地转动速度，且腕关节具有更大的运动范围和灵活性。此外，还可选地采用用线状组件来驱动的结合了动滑轮组的肘关节，进一步可以降低机械臂末端的转动惯量，并且增加机械臂肘关节的承载。此外，肩关节采用了直接驱动结构，且满足三自由度的情况下控制十分简单。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在没有做出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本公开的主旨。

图1示出了根据本申请的实施例的机械臂的正面视图。

图2示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的腕关节的整体视图。为了便于说明腕关节的各个构件.

图3是图2所示的腕关节在水平面上水平翻转180°后的爆炸视图。

图4示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的示例肘关节的正面视图。

图5示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的示例肘关节的背面视图。

图6示出了图4-5所示的肘关节的爆炸视图。

图7和图8示出了滑轮机构的动滑轮组的示意图。

图9示出了第一机臂在放置第一驱动模块或第二驱动模块的预定空间处的剖面示意图。

图10示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的示例肩关节的视图。

附图标记说明：1、200-腕关节；2、400-肘关节；3、1000-肩关节；11-第一机臂；12-第二机臂；220-中间轴固定座；230、235-线轮组件；210-末端固定座；240-连接机构；240-1(245-1)-第一连杆；240-2(245-2)-第二连杆；240-3(245-3)-第三连杆；250-连接件；255-第一挡边轴承；260-第一垫片；265-第一螺钉；270-下鱼眼轴承；275-上鱼眼轴承；280-第二挡边轴承；285-第二垫片；290-第二螺钉；295-大挡边轴承；410-第一连接座；420-第二连接座；430-滑轮机构；R1-R10-小线轮；RW-中心大线轮；440-螺杆；450-中心支撑板；430-1-连接轴；430-2-卡簧；430-3-挡边轴承；910-线轮驱动电机；920-线轮驱动轴；930-轴承；1070-轴承盖板；1010-第一驱动子模块；1020-第二驱动子模块；1030-第三驱动子模块；C1-第一驱动连接座；C2-第二驱动连接座；1050-连接件；1060-固定座

具体实施方式

下面将结合附图对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例仅仅是本公开的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开实施例，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，也属于本公开保护的范围。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

此外，以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明中所提到的方向用语，例如，“长”、“左右”、“上下”等，仅是参考附加图式的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”等等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；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说明体含义。

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。

如前面所述，为了提高机器人的可靠性和安全性，需要一种末端转动惯量较低的机械臂。

一种方式是在各个关节处用减速电机来替换驱动电机和减速器的组合，用减速电机直接控制关节的转动，从而可以在一定程度下降低重量，从而降低机械臂末端的转动惯量。但是，这种方式需要选用专用的减速电机，成本会有增加，并且减速电机仍然存在重量稍大的问题。

另一种方式可以包括采用气动人工肌肉纤维和仿生机械臂，这种机械臂是使用气动人工肌肉束进行驱动，具有变刚度的功能，在与其它物体碰撞时，由于气动肌肉的柔性特点，碰撞时会卸掉一部分力，在应用于人机交互领域时，可以提高人机交互的安全性。但是，这种方式仍然会使得机器人整体刚度下降，控制精度降低，并且仍然存在成本过高的问题。

在应用于人机交互领域时，还有一种方式是通过增加关节力传感器的方法，来获知外部的交互信息，在与人发生接触或者在交互过程中采取相应的调整策略，但是这种方法会受到控制响应速度以及传感器可靠性的限制。

此外，机械臂的关节的运动范围和灵活性以及承载能力也是考量机器人的性能的一个重要因素。

因此，为了解决现有方式存在的问题，本申请的实施例提供了一种机械臂，其通过将至少一部分驱动模块设置在大臂端而不是设置在关节处，其中采用用线状组件来驱动的具有连杆机构的腕关节，可以使机械臂末端的转动惯量较低，能实现较快地转动速度，且腕关节具有更大的运动范围和灵活性。此外，还可选地利用采用用线状组件来驱动的结合了动滑轮组的肘关节，进一步可以降低机械臂末端的转动惯量，并且增加机械臂肘关节的承载。此外，肩关节采用了直接驱动结构，且满足三自由度的情况下控制十分简单。

以下结合附图来对本申请的机械臂的腕关节、机械臂以及机器人的更多细节。

图1示出了根据本申请的实施例的机械臂的正面视图。

如图1所示，机械臂100包括：腕关节1、肘关节2、肩关节3、第一机臂11和第二机臂12以及驱动模块(图1中未示出)。其中，肩关节3与肘关节2之间的为第一机臂，并且肘关节2与腕关节1之间的为第二机臂；驱动模块用于驱动所述腕关节、所述肘关节、和所述肩关节。

可选地，第一机臂和第二机臂可以为管状零件，并通过螺钉将腕关节1、肘关节2、肩关节3连接在一起。

可选地，驱动模块可以包括第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块，分别用于控制腕关节1、肘关节2、肩关节3。

以下结合附图2-8对机械臂的各部分进行详细描述。应理解，下文虽然分别对腕关节、肘关节以及肩关节的细节进行了描述，但是这不一定要求机械臂的腕关节1、肘关节2、肩关节3需要同时采用如下结构，而是可以仅采用如下描述的腕关节、肘关节以及肩关节中的至少一个，而其余关节可以采用现有技术的结构。

图2示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的腕关节的整体视图。为了便于说明腕关节的各个构件，图3是图2所示的腕关节在水平面上水平翻转180°后的爆炸视图。

如图2所示，机械臂中的腕关节200(对应图1中的腕关节1)包括：末端固定板210，中心轴固定座220，第一线轮组件230和第二线轮组件235，以及连接机构240。

末端固定板210用于固定末端执行器。例如，末端执行器可以是与机器人的机械臂的末端连接用于执行特定任务的工具，诸如包括但不限于机器人抓手、机器人电焊焊枪等等，例如可以将用于执行特定任务的机器人抓手、机器人电焊焊枪等等固定到该末端固定板210与第一线轮组件220和第二线轮组件225相反的一侧。

结合图3，中心轴固定座220连接到所述末端固定座210。例如，中心轴固定座220本身是对称结构，具有用于设置第一线轮组件230和第二线轮组件235的第一相对两侧(一对侧面)，以及用于连接末端固定座210的第二相对两侧(一对侧面)，轴线与末端固定板210是平行的。可以各自经由一个连杆将中心轴固定座的第二相对侧连接到末端固定板210。例如，每个连杆的第一端连接到中心座固定座的所述第二相对侧中的对应一侧，第二端连接到末端固定板210。

第一线轮组件230和第二线轮组件235相对于所述中心轴固定座对称，两者结构完全相同，对称设置在所述中心轴固定座的相对两侧且相对于所述中心轴固定座的轴线转动，并且分别根据基于线状组件的驱动力转动。

可选地，第一线轮组件230和第二线轮组件235中的每一者包括：线轮，该线轮的线轮轴上设置有以相反方向缠绕的两个线状组件，并且每个线状组件的第一端固定在所述线轮上，第二端与外部驱动模块连接，用于根据来自外部驱动模块的基于线状组件的驱动力转动。

例如，线轮的线轮轴可以是中空的。

例如，腕关节处的线状组件可以为线绳、皮带、链条等。

可选地，为了实现对线轮组件的转速的控制，以提高控制精度，线轮组件还可以包括转速传感器，用于检测线轮组件包括的转轮的转速，以提供给控制装置，从而控制装置可以根据感测的转速来(经由驱动模块)提供对应的基于线状组件的驱动力。在一些示例中，转速传感器可以是光电编码器，并且被设置为与所述线轮轴同轴同速转动。

此外，在腕关节基于来自外部驱动模块的基于线状组件的驱动力转动的情况下，用于驱动腕关节的第一驱动模块可以被设置在第一机臂(即大臂)靠近所述肩关节的一端，并且可以用于通过驱动第一组线状组件(例如，与线轮上以相反方向缠绕的两个线状组件相对应)的收放来控制所述腕关节。例如，第一组线状组件中的每条线状组件可以与在线轮的线轮轴上缠绕的对应线状组件为同一条线状组件，或者第一组线状组件中的每条线状组件与在线轮的线轮轴上缠绕的对应线状组件连接。可选地，第一组线状组件中的线状组件为线绳。

连接机构240与第一线轮组件230和第二线轮组件235连接，用于将所述第一线轮组件230和第二线轮组件235分别连接到所述末端固定板210，使得所述末端固定板根据所述第一线轮组件和所述第二线轮组件包括的线轮的转动而转动。

可选地，在第一线轮组件230和第二线轮组件235包括的线轮均沿着相同旋转方向(例如，均顺时针或者逆时针方向)转动的情况下，末端固定板210能够沿着侧倾方向转动；并且在第一线轮组件230和第二线轮组件235包括的线轮沿着不同旋转方向转动的情况下，末端固定板220能够沿着俯仰方向转动。

例如，在第一线轮组件230包括的线轮沿着顺时针转动，且第二线轮组件235包括的线轮沿着逆时针转动时，由于第一线轮组件230和第二线轮组件235均经由连接机构连接到末端固定板，因此第一线轮组件230可经由连接机构向末端固定板提供上仰的力，第二线轮组件235也可经由连接机构向末端固定板提供上仰的力，因此此时第一线轮组件230和第二线轮组件235共同使末端固定板在第一侧(图2)上仰。相反，在第一线轮组件230包括的线轮沿着逆时针转动，且第二线轮组件235包括的线轮沿着顺时针转动时，第一线轮组件230和第二线轮组件235共同向末端固定板提供下俯的力，使末端固定板在第一侧下俯(与第一侧相对的第二侧上仰)。

又例如，在第一线轮组件230和第二线轮组件235包括的线轮均沿着顺时针转动时，由于第一线轮组件230和第二线轮组件235均经由连接机构连接到末端固定板，因此第一线轮组件230可经由连接机构向末端固定板提供上仰的力，第二线轮组件235可经由连接机构向末端固定板提供下俯的力，因此此这两个力的力矩叠加之后能够使末端固定板在第三侧上仰(右侧倾)。相反，在第一线轮组件230和第二线轮组件235包括的线轮均沿着逆时针转动时，第一线轮组件230和第二线轮组件235能够使末端固定板在第四侧(与第三侧相对)上仰(左侧倾)。

这样，腕关节的末端固定板可以沿着俯仰方向和侧倾方向上转动，具有为两自由度结构，并且具有很大的运动范围角，例如侧倾角为-75°到+75°，俯仰角为-120°到+110°。

可选地，所述连接机构可以包括多个连杆，第一线轮组件230和第二线轮组件235对应的连杆集合相对于所述中心轴固定座是对称的，并且每个连杆集合包括第一连杆240-1(或未示出的245-1)、第二连杆240-2(或未示出的245-2)和第三连杆240-3(或未示出的245-3)，所述第一连杆240-1(或未示出的245-1)连接在所述第一线轮组件和第二线轮组件中的对应的一个线轮组件和第二连杆之间；所述第二连杆240-2(或未示出的245-2)连接在所述第一连杆240-1(或未示出的245-1)和所述第三连杆240-3(或未示出的245-3)之间；并且所述第三连杆240-3(或未示出的245-3)的第一端连接到所述第二连杆240-2(或未示出的245-2)，第二端连接到所述末端固定板210。

此外，如前面所述，连杆可以用于将中心轴固定座连接到末端固定板210，因此连接机构240中的两个第四连杆240-4或未示出的245-4的第一端对称连接到垂直于末端固定板210的方向上所述中心轴固定座除了所述相对两侧的剩余相对两侧，且第二端分别连接到末端固定板210。

可选地，第一连杆可以包括两个部分，一部分可以具有环状结构用于固定到线轮轴，并且另一部分为从环状结构上延伸的结构，用于与第二连杆连接；第二连杆可以包括三部分，中间部分相对于两端部分存在夹角，两端部分相对于中间部分朝同一侧弯折，以方便分别与第一连杆和第三连杆连接；第三连杆包括两个部分，一个部分与末端固定板平行以连接到所述末端固定板，另一个部分向上弯折以方便分别与第二连杆连接。可选地，连杆之间的连接处设置有鱼眼轴承，可以支撑机械旋转体(连杆)和/或降低在转动过程中的机械载荷摩擦系数。当然，这些连杆的结构和尺寸可以根据实际需要来进行设置，本申请对此不进行限制。

这样的连接机构、每个线轮组件、末端固定板、中心轴固定座可以视为一个球面连杆机构，其中，末端固定板的运动可以同时在俯仰方向和侧倾方向上，且对于同一个旋转中心(中心轴固定座的轴线上第一相对侧面连线的中心)而转动，因此可以视为在球面上旋转，且球心为该旋转中心。

当然，连接机构并不限于如图2和3中所示的球面连杆机构，而其他的连接机构也是可行的，例如，可以是一种并联连杆机构，即对于每个线轮组件，设置平行的连杆将线轮组件连接到末端固定板，也可以实现使末端固定板同时在俯仰方向和侧倾方向上运动。

此外，可选地，该腕关节200还可以包括连接件250，用于与机械臂的第二机臂连接，并且腕关节上还应当设置有用于从第二机臂传送到线轮的线状组件的通孔，根据外部驱动模块的基于线状组件的驱动力来带动线轮转动。

另外，参考图2-3，该腕关节还可以包括：第一挡边轴承255、第一垫片260、第一螺钉265、下鱼眼轴承270、上鱼眼轴承275、第二挡边轴承280、第二垫片285、第二螺钉290、大挡边轴承295。

在本申请的实施例的上下文中，为了避免模糊对本申请的发明构思和想突出的重点，省略了对腕关节中的部分元件的详细描述，仅示意性的标注了这些元件的名称，例如螺钉、轴承等等，但是本领域人员应当理解，为了实施如上面参考图2-3描述的腕关节的相关特征，可以适应地设置或者省略部分相关元件，并且相应的设置这些元件的形状和尺寸，以实现所需要的功能，而这些仍然未脱离本申请要求保护的范围。

通过参考图2-3描述的腕关节，在用于机械臂中时，由于未将驱动模块设置在腕关节处，可以使机械臂末端的转动惯量降低，并且采用了两个线轮组件共同作用来带动末端固定板的转动，末端固定板可以沿着俯仰方向和侧倾方向上转动，为两自由度结构，并且具有很大的运动范围角。

以下结合图4-8对肘关节2的更多细节进行描述。

图4示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的示例肘关节的正面视图。图5是图4所示的肘关节的背面视图。为了便于说明肘关节的各个构件，图6示出了图4-5所示的肘关节的爆炸视图。图7和图8示出了滑轮机构的动滑轮组的示意图。

如图4-6所示，机械臂中的肘关节400(对应图1中的腕关节2)包括包括：第一连接座410、第二连接座420和滑轮机构430。

第一连接座410用于与所述第一机臂连接，第二连接座420用于与所述第二机臂连接；并且滑轮机构430与所述第一连接座410和所述第二连接座420连接，用于基于第二组线状组件(例如两条线状组件(L1和L2))的收放来分别使所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向移动和远离所述第一机臂的方向转动，其中，该第二组线状组件与多个线轮形成动滑轮组。

可选地，在肘关节采用滑轮机构430的情况下，此时，用于驱动肘关节的第二驱动模块也被设置在所述第一机臂靠近所述肩关节的一端，可以与所述第一驱动模块集成设置或者非集成设置，并且第二驱动模块用于通过驱动第二组线状组件(两条线状组件)的收放来控制所述肘关节。

更进一步，用于和该两条线状组件形成动滑轮组的多个线轮可以包括一个中心大线轮和多个小线轮，并且多个小线轮中的第一部分小线轮、所述中心大线轮和所述两条线状组件中的第一条线状组件用于形成第一动滑轮组，所述多个小线轮中的第二部分小线轮、所述中心大线轮和所述两条线状组件中的第二条线状组件用于形成第二动滑轮组，其中，并且当所述第一条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向转动；并且当所述第二条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向远离所述第一机臂的方向转动。

例如，肘关节中可以包括的多个小线轮可以布置在螺杆、第一连接座、第二连接座、中心支撑板等等上。

例如，如图6所示，第一部分小线轮(用于形成第一动滑轮组)可以包括布置在第一连接座410上的一个小线轮、螺杆440上的四个小线轮、中心支撑板(例如固定碳板)450上的两个小线轮；并且，第二部分小线轮(用于形成第二动滑轮组)可以包括布置在第一连接座410上的另一个小线轮和布置在第二连接座420上的两个小线轮。

第二组线状组件中的第一条线状组件在中心大线轮和第一部分小线轮之间缠绕，当所述第一条线状组件收紧时(相应地第二条组件也会松放)，中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向转动；第二组线状组件中的第二条线状组件在中心大线轮和第二部分小线轮之间缠绕，当所述第二条线状组件收紧时(相应地第一条组件也会松放)，中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向转动。

当然，图4-6中所示出的动滑轮组的设置方式以及小线轮的位置和数量仅仅是示意性的，可以根据实际需要而进行改变。例如，如果需要更大的承载，可以进一步增加小线轮的数量。

图7示出了参考图4-6描述的肘关节中的滑轮机构的第一动滑轮组的示意图。在图7和图8中，为了清楚，将第一连接座和第二连接座进行了简化处理。

如前面所述，第一部分小线轮(包括布置在第一连接座410上的一个小线轮、螺杆440上的四个小线轮、中心支撑板(例如固定碳板)450上的两个小线轮)、中心大线轮以及第一线状组件形成第一动滑轮组，图7示出了该第一动滑轮组示意图。

如图7所示，布置在第一连接座410上的一个小线轮表示为R1、螺杆440上的四个小线轮表示为R2-R5、中心支撑板(例如固定碳板)450上的两个小线轮表示为R6-R7。

图7示出的是正面视图，与图4所示的正面视图相对应，其中，第一线状组件L1从第二驱动模块经由第一连接座410到达螺杆440上的第一个小线轮R2(从小线轮的背面绕线)，然后从中心大线轮的正面(即，第一机臂和第二机臂形成为0到180°角度时，包括在第一机臂和第二机臂之间的一部分)绕线到中心大线轮的背面，并经过中心支撑板(例如固定碳板)450上的第一个小线轮R6，然后再从中心大线轮的背面绕线到中心大线轮的正面并继续绕线到螺杆440上的第二个小线轮R3(从小线轮的背面绕线)，再绕线到第一连接座410上的小线轮R1，然后从小线轮R1再次绕线到螺杆440上的第三个小线轮R4，再从中心大线轮的正面绕线到中心大线轮的背面，并经过中心支撑板(例如固定碳板)450上的第二个小线轮R7，最后再从中心大线轮的背面绕线到中心大线轮的正面并继续绕线到螺杆440上的第四个小线轮R5，最终固定到第一固定座上的特定位置。

在图7以及后面的图8中，黑色实线示出能够观察到的绕线和元件，而黑色虚线示出不能观察到的绕线和元件，例如，在正面视图中，在中心大线轮背面的绕线将无法被观察到。

这样，当第二驱动模块将第一线状组件收紧时，如图7中左右侧面示意图所示，第一机臂作为参考位置，第一线状组件通过以上形成的第一动滑轮组将使中心大线轮沿着图示箭头方向转动，从而可以第二机臂向朝着第一机臂的方向转动。

图8示出了参考图4-6描述的肘关节中的滑轮机构的第二动滑轮组的示意图。

如前面所述，第二部分小线轮(包括布置在第一连接座410上的另一个小线轮和布置在第二连接座420上的两个小线轮)、中心大线轮以及第二线状组件形成第一动滑轮组，图8示出了该第二动滑轮组的示意图。

如图8所示，布置在第一连接座410上的另一个小线轮表示为R8布置在第二连接座420的两个小线轮表示为R9-R10。

图8示出的是背面视图，与图5所示的背面视图相对应，图5中的视图示出了外壳，并且小线轮被固定到外壳上。

在图8中，第二线状组件L2从第二驱动模块经由第一连接座410从中心大线轮的背面绕线到第二连接座420的第一个小线轮R9，然后再从中心大线轮的背面绕线到第一连接座410上的小线轮R8，再从中心大线轮的背面绕线到第二连接座420的第二个小线轮R10，最终在小线轮R10绕线之后，固定到第一固定座上的特定位置。

这样，如图7中左右侧面示意图所示，第一机臂作为参考位置，当第二驱动模块将第一线状组件收紧时，第二线状组件通过以上形成的第二动滑轮组将使中心大线轮沿着图示箭头方向转动，从而可以第二机臂向远离第一机臂的方向转动。

此时，在图7和图8所示的绕线结构中，第一线状组件和第二线状组件的状态是相反的，即在收紧第一线状组件时，第二线状组件相应的是松放的；在收紧第二线状组件时，第一线状组件相应的是松放的。

当然，图7和图8中仅仅是示例，根据实际需要，可以设置以其他方式设置动滑轮组的具体方式，可以不同的线轮组合来形成不同形式的动滑轮组，并且动滑轮组可以包括更多或更少的线轮，且以匹配不同的承载要求。

另外，参考图4-6，该腕关节的滑轮机构还可以包括连接轴430-1、卡簧430-2、挡边轴承430-3等等元件，用于将第一连接座和第二连接座连接，以及将中心大线轮固定在第二连接座上、或固定在第一连接座上、或固定在第一机臂上、或固定在第二机臂上等等。

可选地，第二连接座(第二机臂(小臂)侧)与第一连接座(第一机臂(大臂)侧)之间可以通过连接轴、挡边轴承以及卡簧进行限位，以确保实现第一机臂与第二机臂之间的旋转自由度。

另外，由于如前面所述，腕关节所需要的线状组件也通过肘关节，因此中心大线轮左右两侧可以设置线槽，用来传递用于腕关节的线状组件。

在本申请的实施例的上下文中，为了避免模糊对本申请的发明构思和想突出的重点，省略了对肘关节中的部分元件或者其详细描述，但是本领域人员应当理解，为了实施如上面参考图4-8描述的肘关节的相关特征，可以适应地设置或者省略部分相关元件，并且相应的设置这些元件的形状和尺寸，以实现所需要的功能，而这些仍然未脱离本申请要求保护的范围。

通过参考图4-8描述的肘关节，在用于机械臂中时，由于未将驱动模块设置在肘关节处，可以使机械臂末端的转动惯量降低，并且采用了多个线轮构成的动滑轮组，可以提高机械臂的承载能力，并且具有很大的运动范围角，例如可以达到150°。

在一些示例中，如前面所述，第一驱动模块或第二驱动模块中的至少一个可以设置在第一机臂靠近肩关节处，因此第一机臂具有预定空间来放置第一驱动模块或第二驱动模块中的所述至少一个。并且，用于驱动图2-4所示的腕关节的第一驱动模块可以包括与所述第一线轮组件和所述第二线轮组件分别对应的两个线轮驱动子模块，用于驱动肘关节的第二驱动模块包括一个线轮驱动子模块。

图9示出了第一机臂在放置第一驱动模块或第二驱动模块的预定空间处的剖面示意图。

图9示出了预定空间内的一个线轮驱动子模块，并与将在后文参考图10描述的肩关节一同示出。如图9所示，该线轮驱动子模块包括线轮驱动电机910和线轮驱动轴920，线轮驱动轴上可以以相反方向缠绕有两条线状组件，线轮驱动轴转动被对应的驱动电机驱动，用于驱动每条线状组件的收放。

虽然图9未示出可能存在的三个线轮驱动子模块，但是容易理解，其他两个线轮驱动子模块也是基于相同的原理。

例如，在线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上的两个线状组件同时还作为腕关节的线轮上以相反方向缠绕的线状组件时，该两个线状组件中的每一者的一端固定在腕关节的线轮轴上并在该线轮轴上缠绕，另一端固定到线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上并在该线轮驱动轴上缠绕。

例如，在线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上的两个线状组件未作为腕关节的线轮上的线状组件时，该两个线状组件中的每一者的一端将与在腕关节的线轮轴上并在该线轮轴上缠绕的其他线状组件连接，另一端固定到线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上并在该线轮驱动轴上缠绕。

例如，在驱动肘关节时，线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上的两个线状组件的每一者一端例如可以固定在肘关节中的第一连接座的特定位置处，并按照上述方式利用多个小线轮和中心大线轮形成动滑轮组，另一端固定到该线轮驱动子模块中的线轮驱动轴上并在该线轮驱动轴上缠绕。

此外，在图9中，线轮驱动子模块中的线轮驱动轴920一端与线轮驱动电机910直连，用于使线轮驱动电机910控制其转动，另一端通过轴承930和轴承盖板(图10中的1070)固定在第一机臂上。

这样，可以利用在第一机臂的一端处设置的较为简单的线轮驱动子模块，实现对腕关节和肘关节中的至少一者的驱动，可以通过降低腕关节和肘关节中的至少一者的重量来降低机械臂末端的转动惯量。

以下结合图10对肩关节3的更多细节进行描述。

图10示出了根据本申请的实施例的用于机械臂的示例肩关节的视图。

如图10所示，肩关节1000(对应图1中的肩关节3)要实现三个自由度，可以由三个驱动子模块来分别驱动。肩关节可以由所述第三驱动模块直接驱动，即可以由第三驱动模块包括的能够实现三个自由度的三个驱动子模块来直接构成，因此此时也可以认为肩关节由第三驱动模块来实现。

可选地，第三驱动模块可以包括与三个自由度对应的、相互垂直设置的第一驱动子模块1010、第二驱动子模块1020和第三驱动子模块1030，并且第一驱动子模块1010与第一机臂11靠近肩关节的一端连接；第二驱动子模块1020通过第一驱动连接座C1与第一机臂连接(例如，可以经由连接件或者直接连接)，并且第三驱动子模块1020通过第二驱动连接座C2与第二驱动子模块1020连接。

可选地，第一驱动子模块1010、第二驱动子模块1020和第三驱动子模块1030中的每一者可以包括驱动电机和所述驱动电机对应的电动轴，所述第一驱动连接座C1的第一端连接到所述第一驱动子模块1010的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第二驱动子模块1020的驱动电机对应的电动轴；所述第二驱动连接座C2的第一端连接到所述第二驱动子模块1020的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第三驱动子模块1030的驱动电机对应的电动轴。

例如，第一驱动连接座和第二驱动连接座均为直角形状的连接件。当第一驱动子模块1010的驱动电机对应的电动轴转动时，由于该第一驱动子模块1010(的驱动电机对应的电动轴)连接到第一机臂11，因此将带动第一机臂根据该第一驱动子模块1010的驱动电机对应的电动轴的转动方向而转动；当第二驱动子模块内的电动轴转动时，由于第一驱动连接座C1的力传导作用，该电动轴将带动第一机臂根据第二驱动子模块1020的驱动电机对应的电动轴的转动方向而转动；以及当第三驱动子模块1030的驱动电机对应的电动轴的转动时，由于第一驱动连接座C1和第二驱动连接座C2的力传导作用，该电动轴将带动第一机臂根据第三驱动子模块1030的驱动电机对应的电动轴的转动方向而转动。

可选地，第一驱动子模块1010和第一机臂11之间可以设置有连接件1050，以方便第一驱动子模块中的驱动电机对第一机臂的驱动。每个驱动子模块还可以包括固定座1060，固定座设置在驱动电机的外周和/或上表面，用于将驱动电机固定到所述固定座内，以防止磨损。

因此，参考图10描述的肩关节的结构，可以通过驱动电机来进行直接驱动即能实现三个自由度，形成三个自由度上均能旋转360°的肩关节，因此结构设计和控制过程均相对简单。

根据本申请的另一方面，还公开了一种机器人，其中该机器人具有机械臂，该机械臂可以为具有如前面参考图2-3描述的腕关节、参考图4-9描述的肘关节和参考图10描述的肩关节中的至少一者的机械臂。

此外，可选地，机器人还可以配置有相关联的处理装置，设置在机器人本体的本地或者外部，用于向机械臂中的驱动装置提供驱动控制指令。

处理装置可以包括处理器(例如，中央处理器CPU、数字处理电路DSP、专用集成电路ASIC等等))，其可以解析机器人内的各类指令(包括机械臂的驱动控制指令)以及处理机器人的各类数据。此外，处理装置还可以包括存储器，用于存放程序和数据，例如，可以存储于一计算机可读存储介质中，可读存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器ROM、随机存取器RAM、磁盘或光盘等。可以理解的是，此处的存储器既可以包括机器人的内置存储器，当然也可以包括机器人所支持的扩展存储器。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims (15)

1.一种机械臂中的腕关节，包括：

末端固定板，用于固定末端执行器；

中心轴固定座，连接到所述末端固定板；

第一线轮组件和第二线轮组件，对称设置在所述中心轴固定座的第一相对两侧且相对于所述中心轴固定座的轴线转动，并且分别根据基于线状组件的驱动力转动；以及

连接机构，与所述第一线轮组件和所述第二线轮组件连接，用于将所述第一线轮组件和所述第二线轮组件分别连接到所述末端固定板，使得所述末端固定板根据所述第一线轮组件和所述第二线轮组件的转动而转动。

2.根据权利要求1所述的腕关节，其中，所述第一线轮组件和第二线轮组件中的每一者包括：

线轮，所述线轮的线轮轴上设置有以相反方向缠绕的两条线状组件，并且每条线状组件的第一端固定在所述线轮轴上，第二端与外部驱动模块连接，用于根据来自外部驱动模块的基于线状组件的驱动力转动。

3.根据权利要求1或2所述的腕关节，其中，在所述第一线轮组件包括的线轮和所述第二线轮组件包括的线轮均沿着相同旋转方向转动的情况下，所述末端固定板能够沿着侧倾方向转动；并且

其中，在所述第一线轮组件包括的线轮和所述第二线轮组件包括的线轮沿着不同旋转方向转动的情况下，所述末端固定板能够沿着俯仰方向转动。

4.根据权利要求1所述的腕关节，其中，所述连接机构包括多个连杆，

所述第一线轮组件和所述第二线轮组件对应的连杆集合相对于所述中心轴固定座是对称的，并且每个连杆集合包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，其中：

所述第一连杆连接在对应的一个线轮组件和所述第二连杆之间；

所述第二连杆连接在所述第一连杆和所述第三连杆之间；

所述第三连杆连接在所述第二连杆和所述末端固定板之间；

所述连接机构中的两个第四连杆的第一端分别连接到垂直于所述末端固定板的方向上所述中心轴固定座除了所述第一相对两侧的第二相对两侧，第二端分别连接到所述末端固定板。

5.根据权利要求2所述的腕关节，其中，所述第一线轮组件和第二线轮组件中的每一者还包括：

转速传感器，与所述线轮相关联地设置，用于检测所述线轮的转速，以提供给处理装置。

6.一种机械臂，包括：

腕关节、肘关节和肩关节，其中所述腕关节为根据权利要求1-5任一项所述的腕关节；

第一机臂和第二机臂，其中，所述肩关节与肘关节之间的为第一机臂，肘关节与腕关节之间的为第二机臂；

驱动模块，用于驱动所述腕关节、所述肘关节、和所述肩关节。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其中，所述驱动模块包括：

第一驱动模块，设置在所述第一机臂靠近所述肩关节的一端，并且用于通过驱动第一组线状组件的收放来控制所述腕关节；

第二驱动模块，用于驱动所述肘关节；以及

第三驱动模块，与所述肩关节集成设置，用于驱动或实现所述肩关节。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其中，所述肘关节包括：

第一连接座，用于与所述第一机臂连接；

第二连接座，用于与所述第二机臂连接；

滑轮机构，与所述第一连接座和所述第二连接座连接，用于基于第二组线状组件的收放来分别使所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向移动和远离所述第一机臂的方向转动，

其中，所述第二组线状组件与多个线轮形成动滑轮组。

9.根据权利要求8所述的机械臂，其中，所述多个线轮包括一个中心大线轮和多个小线轮，

所述多个小线轮中的第一部分小线轮、所述中心大线轮和所述第二组线状组件中的第一条线状组件用于形成第一动滑轮组，

所述多个小线轮中的第二部分小线轮、所述中心大线轮和所述述第二组线状组件中的第二条线状组件用于形成第二动滑轮组，

其中，当所述第一条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向朝着所述第一机臂的方向转动；并且当所述第二条线状组件收紧时，所述中心大线轮绕着转轴转动使得所述第二机臂向远离所述第一机臂的方向转动。

10.根据权利要求8所述的机械臂，其中，所述第二驱动模块设置在所述第一机臂靠近所述肩关节的一端，并且与所述第一驱动模块集成设置或者非集成设置。

11.根据权利要求9或10所述的机械臂，其中，所述第一驱动模块包括与所述第一线轮组件和所述第二线轮组件分别对应的两个线轮驱动子模块，所述第二驱动模块包括一个线轮驱动子模块，

其中，每个线轮驱动子模块包括线轮驱动电机和线轮驱动轴，所述第一组线状组件或所述第二组线状组件中的两条线状组件以相反方向缠绕在对应的线轮驱动轴上，并且

每个线轮驱动子模块包括的线轮驱动轴被对应的线轮驱动电机驱动，用于驱动所述第一组线状组件或所述第二组线状组件中的两条线状组件的收紧。

12.根据权利要求11所述的机械臂，其中，所述第一组线状组件中的每条线状组件的第一端固定在对应的线轮驱动轴上，第二端经过所述肘关节在所述腕关节的第一线轮组件和第二线轮组件中的一者的线轮轴上缠绕后固定在所述线轮轴上。

13.根据权利要求9所述的机械臂，其中，所述肩关节由所述第三驱动模块直接驱动，

所述第三驱动模块包括与三个自由度对应的、相互垂直设置的第一驱动子模块、第二驱动子模块和第三驱动子模块，并且

所述第一驱动子模块与所述第一机臂靠近所述肩关节的一端连接；所述第二驱动子模块通过第一驱动连接座与所述第一机臂连接，并且所述第三驱动子模块通过第二驱动连接座与所述第二驱动子模块连接。

14.根据权利要求13所述的机械臂，其中，

第一驱动子模块、第二驱动子模块和第三驱动子模块中的每一者包括驱动电机和所述驱动电机对应的电动轴，

所述第一驱动连接座的第一端连接到所述第一驱动子模块的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第二驱动子模块的驱动电机对应的电动轴；

所述第二驱动连接座的第一端连接到所述第二驱动子模块的驱动电机对应的电动轴，并且第二端连接到所述第三驱动子模块的驱动电机对应的电动轴。

15.一种机器人，包括权利要求6至14任一项所述的机械臂。