柔性臂的柔性关节结构的制作方法

本发明涉及智能柔性臂技术领域，具体而言，涉及一种柔性臂的柔性关节结构。

背景技术：

工业机器人由于其高刚度和大结构尺寸的特点，在狭窄作业空间环境下的应用受到极大的制约。柔性臂机器人由于具有长径比大、自由度多、动作灵活、环境适应能力强等优点，易于在狭窄空间内灵活地调整位姿、扩展工作空间、回避障碍物和克服奇异点。相关技术中的柔性臂的关节采用十字万向节结构，利用刚性关节的折弯自由度来获得整臂的弯曲角度；刚性关节质量比较笨重，故导致整臂自身过重，需要驱动功率大；同时，利用刚性关节绕轴旋转自由度获得的弯曲曲率小，整臂柔性弯曲效果差。另外，医疗柔性臂设计采用柔性材料制作，但直径极小，通常在几毫米范围内，负载也极小，没法在工业应用上普及。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种柔性臂的柔性关节结构，该柔性臂的柔性关节结构具有质量轻、弯曲性能好和负载能力强等优点。

为实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种柔性臂的柔性关节结构，所述柔性臂的柔性关节结构包括：上连接段；下连接段，所述下连接段适于与所述柔性臂上相邻的所述柔性关节结构的上连接段配合连接；连接环，所述连接环套设在所述上连接段和所述下连接段的连接处且所述柔性臂的绳索适于穿过所述连接环；变形段，所述上连接段和所述下连接段分别与所述变形段的两端相连，所述变形段包括多个相互连接的工字型梁，多个所述工字型梁在所述变形段的轴向上排列成依次连接的多对，每对包括在所述变形段的周向上相对设置的两个相互连接的所述工字型梁。

根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构，具有质量轻、弯曲性能好和负载能力强等优点。

另外，根据本发明上述实施例的柔性臂的柔性关节结构还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述工字型梁包括：上横梁；下横梁，所述上横梁和所述下横梁均沿所述变形段的周向延伸且在所述变形段的轴向上间隔设置；纵梁，所述纵梁沿所述变形段的轴向延伸且分别与所述上横梁和所述下横梁相连。这样便于所述工字型梁的成形。

进一步地，每个所述工字型梁的上横梁和与其在所述变形段的轴向上相邻的工字型梁的下横梁相连。这样便于所述变形段的形成。

可选地，在所述变形段的轴向上相邻的两个纵梁在所述变形段的周向上错开90度。这样可以使所述变形段能够向互成90的两个自由度弯曲。

根据本发明进一步的实施例，每个所述上横梁的上表面设有凸台。这样可以限制所述工字型梁的最大变形幅度。

根据本发明的又一个实施例，所述上连接段过盈配合在相邻的所述柔性关节结构的下连接段内。这样便于提高所述上连接段和相邻的所述下连接段的连接可靠性。

根据本发明进一步的实施例，所述上连接段和所述下连接段均设有沿柔性关节结构的径向贯通所述柔性关节结构的销轴孔，所述连接环上设有螺纹孔，所述上连接段、所述下连接段和所述连接环通过配合在所述销轴孔和所述螺纹孔内的螺纹销钉相互连接。这样便于提高连接准确性和稳定性。

进一步地，所述销轴孔与所述纵梁在所述柔性关节结构的周向上错开45度。这样可以避免所述销轴孔与所述纵梁距离过近而影响所述变形段的结构强度。

根据本发明的再一个实施例，所述连接环上设有适于所述柔性臂的绳索穿过的多个过线孔，多个过线孔沿所述连接环的轴向贯通所述连接环且沿所述连接环的周向间隔设置。这样便于所述柔性臂的绳索的设置。

可选地，所述变形段由柔性管状材料件镂空切割而成。这样便于提高所述变形段的弯曲变形能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构的剖视图。

图3是根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构的局部结构示意图。

图4是根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构的局部结构示意图。

附图标记：柔性臂的柔性关节结构1、上连接段100、销轴孔110、下连接段200、连接环300、过线孔310、螺纹孔320、变形段400、工字型梁410、上横梁411、凸台4111、下横梁412、纵梁413。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1。

如图1-图4所示，根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1包括上连接段100、下连接段200、连接环300和变形段400。

下连接段200适于与所述柔性臂上相邻的柔性关节结构1的上连接段100配合连接(上下方向如图1-图4中的箭头a所示)。连接环300套设在上连接段100和下连接段200的连接处且所述柔性臂的绳索适于穿过连接环300。上连接段100和下连接段200分别与变形段400的两端相连，变形段400包括多个相互连接的工字型梁410，多个工字型梁410在变形段400的轴向上排列成依次连接的多对，每对包括在变形段400的周向上相对设置的两个相互连接的工字型梁410。

具体而言，如图3所示，第一个工字型梁1-410和第二个工字型梁2-410沿变形段400的周向成对相对设置，第三个工字型梁3-410和第四个工字型梁4-410沿变形段400的周向成对相对设置，第一个工字型梁1-410、第二个工字型梁2-410、第三个工字型梁3-410和第四个工字型梁4-410沿变形段400的轴向上下依次排列，其他工字型梁410依照此种规律设置。

根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1，通过设置上连接段100、下连接段200、连接环300和变形段400，突破相关技术中柔性臂使用刚性关节转动和传统柔性材料臂微型化、极低负载的限制，在增大柔性关节结构1尺寸，增大柔性关节结构1刚度和提升柔性关节结构1负载的同时，提高柔性关节结构1柔性弯曲性能，进一步扩大所述柔性臂的性能和使用范围。

并且，通过设置多个工字型梁410，大大提高了柔性关节结构1的柔性功能。变形段400中采用多对“工”字型的工字型梁410结构，可使得柔性关节结构1在绳索驱动下，变形更接近于圆弧状，曲率更好，克服了相关技术中刚性十字万向轴关节的曲率差的缺点。

因此，根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1具有质量轻、弯曲性能好和负载能力强等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的柔性臂的柔性关节结构1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图4所示，根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1包括上连接段100、下连接段200、连接环300和变形段400。

具体地，如图2所示，工字型梁410包括上横梁411、下横梁412和纵梁413，上横梁411和下横梁412均沿变形段400的周向延伸且在变形段400的轴向上间隔设置。纵梁413沿变形段400的轴向延伸且分别与上横梁411和下横梁413相连。这样便于工字型梁410的成形。

更为具体地，如图1所示，每个工字型梁410的上横梁411和与其在变形段400的轴向上相邻的工字型梁410的下横梁412相连。这样便于变形段400的形成，使柔性关节的结构1更加合理。

可选地，如图1所示，在变形段400的轴向上相邻的两个纵梁413在变形段400的周向上错开90度。这样可以使变形段400能够向互成90的两个自由度弯曲，提高变形段400的变形能力。

本发明的柔性臂的柔性关节结构1巧妙的将柔性关节结构1成具有多对成90度交错切割成“工”字型的工字型梁410结构，抑制了柔性关节结构1的其它变形，从而使得柔性关节结构1具有两个自由度，可实现俯仰以及偏航两个方向的自由度弯曲，大大提高了柔性关节结构1的柔性功能。

进一步地，如图2所示，每个上横梁411的上表面设有凸台4111。这样可以限制工字型梁410的最大变形幅度，避免其变形过大导致结构发生损坏，提高工字型梁410的强度和刚性。

本发明的柔性臂的柔性关节结构1，创新性的在工字型梁410的端面上设计有凸台4111，在扩大工字型梁410的“工”字型间距、延长柔性关节结构1长度、降低柔性关节结构1质量的同时，凸台4111可抑制柔性关节结构1的最大变形量，避免超出材料屈服强度的变形，使得柔性关节结构1在变形过程中顶到凸台4111后变形停止，起到保护柔性关节结构1的作用。

具体而言，柔性臂的柔性关节结构1具有中空结构的设计，一方面扩大了柔性关节结构1的设计直径、增大了柔性关节结构1的刚度，打破了柔性材料只能使用在极小直径下的柔性臂的限制，扩大了使用范围。另一方面，可减轻柔性关节结构1的质量，同时也方便电路和管气在柔性关节结构1内的走线。

图1-图4示出了根据本发明的柔性臂的柔性关节结构1。上连接段100过盈配合在相邻的柔性关节结构1的下连接段200内。这样便于提高上连接段100和相邻的下连接段200的连接可靠性。

具体而言，上连接段100设计成与变形部400相配合的阶梯轴结构，下连接段200设计成与变形段400相配合的内沉头的结构，这样便于上连接段100、下连接段200分别和变形段400的连接。

具体地，如图2所示，上连接段100和下连接段200均设有沿柔性关节结构1的径向贯通柔性关节结构1的销轴孔110，连接环300上设有螺纹孔320，上连接段100、下连接段200和连接环300通过配合在销轴孔110和螺纹孔320内的所述螺纹销钉相互连接。具体而言，销轴孔110和螺纹孔320均为4个且在周向上等间隔设置。这样便于对上连接段100、下连接段200和连接环300的连接进行定位，便于提高连接准确性和稳定性。

更为具体地，如图3所示，销轴孔110与纵梁413在柔性关节结构1的周向上错开45度。这样可以避免销轴孔110与纵梁413距离过近而影响变形段400的结构强度。

可选地，如图1所示，连接环300上设有适于所述柔性臂的绳索穿过的多个过线孔310，多个过线孔310沿连接环300的轴向贯通连接环300且沿连接环300的周向间隔设置。这样便于所述柔性臂的绳索的设置。

具体地，变形段400由柔性管状材料件镂空切割而成。这样便于提高变形段400的弯曲变形能力，便于制造，便于提高变形段400的整体性。

根据本发明实施例的柔性臂的柔性关节结构1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。