关节装置以及具有关节装置的机器人的制作方法

1.本公开涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种关节装置、具有这种关节装置的机器人、运动驱动装置以及具有这种运动驱动装置的机器人。


背景技术：

2.随着机器人技术的不断发展，各种人形机器人、特别是双足机器人越发地受各研究人员的关注。由于人形机器人具有其类似于人类的外观以及较低的机械感，能够提供良好的仿真的交互体验。因此，人形机器人越来越多地投入到智能服务、互动娱乐等领域中。在此，研究人员通常将人类肌体、特别是各种关节(如腿部的髋关节和踝关节)的构造作为灵感来源，对人形机器人的对应关节装置进行设计。在人行走过程中，踝关节的结构稳定性和灵敏程度决定了人的动态稳定性。无独有偶，在人形机器人的研制过程中，踝关节的设计和结构是至关重要的一环。在此，参考人类的踝关节，人形机器人的踝关节至少应当能够模拟人类的踝关节实现抬起放下脚面的俯仰运动以及脚面围绕其延伸方向的翻转运动。
3.因此，存在对一种关节装置的需求，所述关节装置能够实现高的传动精度、高的传动效率、良好的关节结构件承载能力并且易于进行模块化设计。


技术实现要素：

4.因此，本公开提供了一种关节装置，所述关节装置能够对机器人的机械臂末端进行双侧传动，实现对机械臂末端的准确可靠且高效的驱动；并且易于对其中组件进行模块化设计，方便后续进行拆卸替换以及维护。
5.此外，本公开还提供了一种具有这种关节装置的机器人，所述机器人具有上述关节装置的优点，其中的机械臂末端的动作准确高效，并且其中各组件易于拆卸替换以及维护。
6.此外，本公开还提供了一种运动驱动装置。除了上述踝关节所驱动的机械臂末端外，所述运动驱动装置还可以对人形机器人中的其他被驱动对象进行类似的多个自由度的运动驱动，实现对被驱动对象的准确高效的驱动，并且运动驱动装置中各组件易于拆卸替换以及维护。
7.此外，本公开还提供了一种具有这种运动驱动装置的机器人，所述机器人具有上述运动驱动装置的优点，其中的运动驱动装置动作准确高效，并且其中各组件易于拆卸替换以及维护。
8.本公开的第一方面涉及一种用于机器人的关节装置，用于驱动机器人的机械臂末端进行运动。所述关节装置包括：第一运动机构，所述第一运动机构包括：第一传动装置，其包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的下端部与所述机械臂末端的第一端部传动连接，第二连杆的下端部与所述机械臂末端的第二端部传动连接，其中，所述机械臂末端的第一端部和第二端部为所述机械臂末端的两个相对端并且具有相反的运动方向，通过所述第一连杆和第二连杆对所述机械臂末端进行双侧传动；以及第一驱动装置，被配置为驱动所
述第一连杆和第二连杆的运动，并通过所述第一连杆和第二连杆的双侧传动，驱动所述机械臂末端绕第一轴方向进行转动。
9.在本公开的意义上，机器人的机械臂末端可以包括机器人的脚掌机构以及手掌机构。在此，根据本公开的关节装置利用双侧传动来驱动机械臂末端，能够有效缓解驱动机械臂末端时用于传动的各个转动副中所存在的转动副间隙，提高了驱动机械臂末端时的传动准确性。
10.根据本公开的关节装置的一种实施方式，在所述关节装置中，所述第一驱动装置包括旋转驱动设备；以及所述第一传动装置包括第一输出法兰，其中，所述旋转驱动设备驱动所述第一输出法兰围绕其轴向方向进行旋转运动，并且所述第一输出法兰的第一端部与第一连杆的上端部传动连接、特别是转动连接，所述第一输出法兰的第二端部与第二连杆的上端部传动连接、特别是转动连接，其中，通过所述第一连杆和所述第二连杆对所述机械臂末端进行双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为所述机械臂末端绕第一轴方向的运动。
11.在此，利用所述第一连杆和所述第二连杆对所述机械臂末端进行运动方向相反且运动幅度对应的双侧传动(即例如在所述第一连杆在所述机械臂末端的一端推动所述机械臂末端向下旋转的同时，所述第二连杆在所述机械臂末端的相对一端拉动所述机械臂末端向上旋转)，一方面，能够有效缓解驱动机械臂末端时用于传动的各个转动副中所存在的转动副间隙，提高了所述关节装置驱动机械臂末端时的传动准确性，另一方面，由于第一连杆和第二连杆都能够对所述机械臂末端进行并列的传动，增强了所述关节装置的容错能力以及可靠性。
12.根据本公开的关节装置的一种实施方式，在所述关节装置中，所述第一驱动装置包括直线驱动装置，所述直线驱动装置和所述第一传动装置被共同配置为进行运动方向相反的双侧传动。
13.在此，利用运动方向相反且运动幅度对应的直线驱动装置、例如直线电机、液压杆直接在所述机械臂末端的两个相对端进行双侧传动，同样能够有效缓解驱动机械臂末端时用于传动的各个转动副中所存在的转动副间隙，提高了所述关节装置驱动机械臂末端时的传动准确性。并且由于直线驱动装置的冗余布置，增强了所述关节装置的容错能力以及可靠性。
14.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，在所述关节装置中，所述第一传动装置包括双环四连杆机构，所述第一传动装置被配置为通过双环四连杆机构中两个连杆在所述机械臂末端的不同位置处的运动方向相反的双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为踝关节运动，其中，所述第一输出法兰的旋转中心点与第一端部之间的部段、所述第一连杆、所述机械臂末端的第一端部与所述机械臂末端的旋转中心点之间的部段以及所述机械臂末端的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第一传动环，并且所述第一输出法兰的旋转中心点与第二端部之间的部段、所述第二连杆、所述机械臂末端的第二端部与所述机械臂末端的旋转中心点之间的部段以及所述机械臂末端的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第二传动环，其中，通过所述双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环进行双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为所述机械臂末端绕第一轴方向的
运动。
15.在此，利用所述双环四连杆机构中的第一传动环和第二传动环来分别对所述机械臂末端的两个相对端进行双侧传动。相较于单环四连杆机构，一方面，如上所述，通过双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环的双侧传动，有效缓解了转动副间隙且提高了传动的可靠性，另一方面，通过双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环都具有过约束的作用，还提高了所述关节装置的机械强度。
16.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述关节装置还包括：小腿架，所述小腿架被配置为用于将所述关节装置与机器人的小腿机构固定连接；以及连接架，所述连接架与所述小腿架固定连接，并且与所述机械臂末端的旋转中心点传动连接。
17.在此，通过所述连接架与所述机械臂末端的旋转中心点的传动连接，提供了所述连接架与所述机械臂末端的额外的连接点。由此，在所述额外的连接点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间构建了双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环的共用的连杆。由此，进一步提高了所述关节装置的机械强度。
18.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述关节装置还包括：支撑架，其中，所述第一连杆的下端部经由所述支撑架的第一端部与所述机械臂末端的第一端部传动连接，所述第二连杆的下端部经由所述支撑架的第二端部与所述机械臂末端的第二端部传动连接。
19.在此，所述关节装置中的第一传动装置可以经由所述支撑架实现与所述机械臂末端的传动连接。因此，在所述第一传动装置驱动所述机械臂末端进行运动时，同样驱动所述支撑架进行运动。因此，所述连接架可以与所述机械臂末端的旋转中心点的传动连接同样意味着所述连接架还可以与所述支撑架的旋转中心点的传动连接。由此，进一步提高了所述关节装置的机械强度。
20.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述关节装置还包括：第二运动机构，所述第二运动机构包括：第二驱动装置，并且所述支撑架用于容纳第二驱动装置，其中，所述第二驱动装置与所述机械臂末端驱动连接，并被配置为驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。
21.在此，第二运动机构可以以与所述第一运动机构以相同或不同的方式进行构造。通过多个运动机构，例如在第二轴方向与第一轴方向相同时，多个运动机构的偏转可以进一步提高关节装置的关节转角范围，使得所述关节装置更加灵巧。
22.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，在所述关节装置中，所述第一运动机构与所述第二运动机构串联布置，并且所述第一运动机构驱动所述机械臂末端绕第一轴运动，所述第二运动机构驱动所述机械臂末端绕第二轴运动，所述第一轴和第二轴具有预定夹角。
23.在此，所述第一轴和第二轴具有预定夹角，即意味着所述第一轴和第二轴的方向不同。例如可以将绕第一轴方向的运动定义为所述俯仰运动，将绕第二轴方向的运动定义为所述翻转运动。在该实施方式中，各个运动机构分别负责踝关节不同自由度上的运动，即所述第一运动机构负责绕第一轴方向的运动、即所谓的俯仰运动，同时所述第二运动机构负责绕第二轴方向的运动、即所谓的翻转运动。通过这种所述第一运动机构与所述第二运动机构串联布置，可以方便地模块化地设计、维护、维修、更换负责不同自由度上运动的运
动机构，结构简单且方便使用。
24.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述关节装置还包括输出架，在所述关节装置中，所述第二驱动装置的输出端与所述输出架传动连接，所述输出架与所述机械臂末端固定连接，所述第二驱动装置被配置为直接驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。
25.在此，由于将所述第二驱动装置直接容纳在靠近所述机械臂末端的支撑架中，使得所述第二驱动装置以直驱方式驱动所述机械臂末端。由此，进一步提高了所述第二驱动装置的传动效率以及传动精度。对应地，也进一步提高了所述关节装置在第二轴方向上的传动精度以及传动效率。
26.根据本公开的关节装置的另外的实施方式，所述第二运动机构还包括第二传动装置，所述第二驱动装置经由所述第二传动装置与所述机械臂末端传动连接。所述第二运动机构也可以以双侧传动的方式来驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。在此情况下，所述第二传动装置可以以与所述第一传动装置相同的方式来构建，即，经由两个连杆来对所述机械臂末端进行双侧传动以驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。
27.由此，对于第二运动机构，类似于第一运动机构，也能够有效缓解驱动机械臂末端绕第二轴方向进行运动时存在的转动副间隙，提高了传动准确性，并且由于双侧传动都能够对所述机械臂末端进行独立的传动，增强了所述关节装置绕第二轴方向进行运动时的容错能力以及可靠性。本公开的第二方面涉及一种机器人。所述机器人具有根据本发明第一方面的关节装置。因此，所述机器人具有与上述关节装置对应的优点，即，所述机器人的机械臂末端的动作准确高效，并且所述关节装置中的各组件易于拆卸、替换以及维护。
28.本公开的第三方面涉及一种运动驱动装置。所述运动驱动装置与被驱动对象连接并且用于驱动所述被驱动对象运动，包括：串联连接的第一运动机构和第二运动机构，其中，所述第二运动机构与所述被驱动对象连接，其用于驱动所述被驱动对象绕第二轴进行运动，其中，所述第一运动机构包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的下端部与所述第二运动机构的第一端部传动连接，第二连杆的下端部与所述第二运动机构的第二端部传动连接，其中，所述第二运动机构的第一端部和第二端部为所述第二运动机构的两个相对端并且具有相反的运动方向，通过所述第一连杆和第二连杆对所述被驱动对象进行双侧传动；以及第一驱动装置，被配置为驱动所述第一连杆和第二连杆的运动，并通过所述第一连杆和第二连杆的双侧传动，驱动所述被驱动对象绕第一轴方向进行转动。
29.在本公开的意义上，所述被驱动对象不再限于人形机器人的脚掌机构以及手掌机构，而是可以是任意种类机器人中的需要驱动其绕两个轴线方向(即，第一轴方向以及第二轴方向)进行转动的被驱动对象。在此，根据本公开的运动驱动装置同样利用双侧传动来驱动所述被驱动对象，由此能够有效缓解驱动所述被驱动对象时用于传动的各个转动副中所存在的转动副间隙，提高了驱动机械臂末端时的传动准确性。
30.根据本公开的运动驱动装置的更详细的实施方式，在所述运动驱动装置中，所述第一驱动装置包括旋转驱动设备；以及所述第一传动装置包括双环四连杆机构，所述第一传动装置被配置为通过双环四连杆机构中两个连杆在所述被驱动对象的不同位置处的运动方向相反的双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为被驱动对象的运动，其中，所述双环四连杆机构包括第一输出法兰，其中，所述旋转驱动设备驱动所述第一输出法兰
围绕其轴向方向进行旋转运动，并且所述第一输出法兰的第一端部与第一连杆的上端部传动连接，所述第一输出法兰的第二端部与第二连杆的上端部传动连接，其中，所述第一输出法兰的旋转中心点与第一端部之间的部段、所述第一连杆、所述被驱动对象的第一端部与所述被驱动对象的旋转中心点之间的部段以及所述被驱动对象的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第一传动环，并且所述第一输出法兰的旋转中心点与第二端部之间的部段、所述第二连杆、所述被驱动对象的第二端部与所述被驱动对象的旋转中心点之间的部段以及所述被驱动对象的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第二传动环，其中，通过所述双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环进行双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为所述被驱动对象绕第一轴方向的运动。
31.在此与根据本公开的关节装置类似，利用所述双环四连杆机构中的第一传动环和第二传动环来分别进行的双侧传动，一方面，有效缓解了转动副间隙且提高了传动的可靠性，另一方面，通过双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环分别具有的过约束的作用，还提高了所述运动驱动装置的机械强度。
32.根据本公开的运动驱动装置的更详细的实施方式，所述运动驱动装置还包括：固定架，所述固定架被配置为用于将运动驱动装置与另外的机构固定连接；以及连接架，所述连接架与所述固定架固定连接，并且与所述被驱动对象的旋转中心点传动连接。
33.在此，提供了所述连接架与所述被驱动对象的额外的连接点。并且，在所述额外的连接点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间构建了双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环的共用的连杆。由此，进一步提高了所述运动驱动装置的机械强度。
34.根据本公开的运动驱动装置的更详细的实施方式，在所述运动驱动装置中，所述第二运动机构的输出端与所述被驱动对象固定连接，所述第二运动机构被配置为直接驱动所述被驱动对象绕第二轴方向进行运动。
35.由此，通过直接驱动所述被驱动对象，进一步提高了所述第二驱动装置的传动效率以及传动精度。对应地，也进一步提高了所述运动驱动装置在第二轴方向上的传动精度以及传动效率。
36.本公开的第四方面涉及一种机器人。所述机器人具有根据本发明第三方面的运动驱动装置。因此，所述机器人具有与上述运动驱动装置对应的优点，即，所述机器人的运动驱动装置对被驱动对象的驱动准确高效，并且方便对所述运动驱动装置中的各运动机构进行模块化设计，易于对其进行拆卸、替换以及维护。
37.综上所述，本公开提供一种关节装置以及一种具有这种关节装置的机器人。其中，由于对机械臂末端的双侧传动、特别是由于所述双环四连杆机构中的第一传动环和第二传动环分别对所述机械臂末端的两个相对端进行的双侧传动，有效缓解了转动副间隙且提高了传动的可靠性并提高了所述关节装置的机械强度。此外，由于双侧传动、即能够对所述机械臂末端的两个相对端进行并列的传动，增强了所述关节装置的容错能力以及可靠性。此外，所述双环四连杆机构提供了多个承力的连接点，进一步提高了所述关节装置的机械强度。此外，由于所述关节装置中负责不同自由度上运动的运动机构的串联式的布置，方便对所述关节装置中的各运动机构进行模块化设计，易于对其进行拆卸、替换以及维护。
38.此外，本公开提供一种运动驱动装置以及一种具有这种运动驱动装置的机器人。
所述运动驱动装置以及所述具有这种运动驱动装置的机器人具有与上述关节装置相对应的优点。在此为简洁起见不再进行赘述。
附图说明
39.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
40.在此，附图中：
41.图1以立体图示出了根据本公开的关节装置；
42.图2示出了根据本公开的关节装置的爆炸图；
43.图3a和图3b以右视图示出了根据本公开的关节装置绕第一轴的不同运动状态；
44.图4a和图4b以后视图示出了根据本公开的关节装置绕第二轴的不同运动状态；
45.图5示出了具有根据本公开的关节装置的机器人的示意图；
46.图6以立体图出了根据本公开的运动驱动装置；
47.图7示出了具有根据本公开的运动驱动装置的机器人的示意图。
具体实施方式
48.为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
49.此外，在本说明书和附图中，具有基本上相同或相似步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
50.此外，在本说明书和附图中，根据实施例，元素以单数或复数的形式来描述。然而，单数和复数形式被适当地选择用于所提出的情况仅仅是为了方便解释而无意将本公开限制于此。因此，单数形式可以包括复数形式，并且复数形式也可以包括单数形式，除非上下文另有明确说明。
51.此外，在本说明书和附图中，所涉及的术语“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本公开实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
52.此外，在在本说明书和附图中，所使用的“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“前”等涉及方位或位置关系的术语仅用于方便描述根据本公开的实施例，而无意将本公开限制于此。因此不应理解为对本公开的限制。
53.此外，在本说明书和附图中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，在此，“连接”既可表示直接连接也可表示经由额外的机构的间接连接。
54.作为一个示例，本公开可以应用于与人工智能(artificial intelligence，ai)相结合的机器人领域。其中，人工智能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。
55.人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音处理技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习等几大方向。
56.当前，随着人工智能技术研究和进步，人工智能技术在多个领域展开研究和应用，例如常见的智能家居、智能穿戴设备、虚拟助理、智能音箱、智能营销、无人驾驶、自动驾驶、无人机、机器人、智能医疗、智能服务、互动娱乐等领域。当前，利用人工智能的感知、推理与决策功能，已经将人工智能与机器人、特别是人形机器人相结合并且应用到智能服务、互动娱乐等领域中，以例如实现代替人工提供良好的仿真的交互体验的目的。
57.关节装置的设计可以采用并联式设计或串联式设计。在并联式设计中，将踝关节设计为能够一体化地实现上述翻转运动以及俯仰运动的机械结构、如万向节等。然而，根据此种设计方式的机械结构相对复杂，可靠度较差且不利于后续对其进行拆卸以及维护。在串联式设计中，由不同的运动装置负责上述脚面的俯仰运动以及翻转运动。串联式踝关节的传动方式可以采用电机直驱、单环连杆传动和带传动等方式。这些传动方式往往存在有传动精度不高、效率低下、关节结构件承载力较差、关节转速较慢的缺点。此外，串联式踝关节以转轴连杆驱动和丝杆连杆驱动为主，均具有关节转角小、结构复杂、关节质量大的问题。
58.本公开的第一方面涉及一种关节装置100。图1以立体图示出了根据本公开的关节装置100。图2以爆炸图示出的根据本公开的关节装置100。在此，以踝关节装置作为示例，示出了根据本发明的关节装置100。以下为方便起见，结合图1和图2对本公开的实施例进行阐述。其中，相同构件采用相同附图标记来进行标记。
59.根据本公开的实施例，所述关节装置100用于驱动机器人的机械臂末端进行运动。在此，示例性地以脚掌机构示出所驱动的机械臂末端110。在此，所述关节装置100包括：第一运动机构120，所述第一运动机构包括第一传动装置，其包括第一连杆121和第二连杆122，所述第一连杆的下端部与所述机械臂末端110的第一端部传动连接，第二连杆的下端部与所述机械臂末端110的第二端部传动连接。图1中所述第一连杆的下端部以及所述第二连杆的下端部经由支撑架130与所述机械臂末端110传动连接(支撑架130的具体布置参见后文)。当然也可以想到，所述第一连杆121的下端部以及所述第二连杆122的下端部可以经由另外的元件或者直接与所述机械臂末端110传动连接。其中，所述机械臂末端110的第一端部和第二端部为所述机械臂末端110的两个相对端并且具有相反的运动方向，通过所述第一连杆和第二连杆对所述机械臂末端110进行双侧传动。此外，所述第一运动机构还包括第一驱动装置140，被配置为驱动所述第一连杆121和第二连杆122的运动，并通过所述第一连杆121和第二连杆122的双侧传动，驱动所述机械臂末端110绕以虚线150示出的第一轴方向进行转动。
60.在此，根据本公开的关节装置利用所述第一连杆121和第二连杆122的双侧传动来驱动机械臂末端110。由此，能够有效缓解驱动机械臂末端110时用于传动的各个转动副中
所存在的转动副间隙，提高了驱动机械臂末端110时的传动准确性。此外，由于所述第一连杆121和第二连杆122都具有传动功能，即都能够独立地对所述机械臂末端110进行传动。在单个连杆上出现故障的情况下，利用另外的连杆也能够实现对所述机械臂末端110进行传动。因此，所述第一连杆121和第二连杆122的双侧传动还进一步增强了所述关节装置100的容错能力。
61.根据本公开的关节装置的更详细的设计方案，所述双侧传动可以通过输出法兰围绕其轴向旋转以分别带动连杆在不同方向上进行运动来实现。在所述关节装置100中，所述第一驱动装置140包括旋转驱动设备；以及所述第一传动装置包括第一输出法兰123，其中，所述旋转驱动设备141驱动所述第一输出法兰123围绕其轴向方向进行旋转运动，并且所述第一输出法兰123的第一端部与第一连杆121的上端部传动连接，所述第一输出法兰的第二端部与第二连杆122的上端部传动连接，其中，通过所述第一连杆121和所述第二连杆122对所述机械臂末端110进行双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为所述机械臂末端绕第一轴150方向的运动。
62.在此，传动连接例如可以以铰接的方式来实现。具体的铰接方式参见图2所示出的根据本公开的关节装置的爆炸图。如图2所示，第一连杆121的上输出孔121-1与所述第一输出法兰123的第一输出孔123-1铰接，第一连杆121的下输出孔121-2与所述支撑架130的第一输出孔130-1铰接，第二连杆122的上输出孔122-1与所述第一输出法兰123的第二输出孔123-2铰接，第二连杆122的下输出孔122-2与所述支撑架130的第二输出孔130-2铰接，且各铰接的组件间均经由轴承200作连接。
63.在此，所述旋转驱动设备141可以包括旋转电机、旋转液压马达、旋转气缸等作往复回转运动的驱动装置。在所述旋转驱动设备141带动所述第一输出法兰123作旋转运动的同时，所述第一输出法兰123也同时带动所述第一连杆121和所述第二连杆122作运动方向相反且运动幅度对应的运动，即实现了本公开意义上的双侧传动。图3a和图3b以右视图示出了根据上述另外可选的设计方案的关节装置的绕第一轴的不同的运动状态。如图3a所示，例如在所述第一输出法兰123的顺时针旋转导致所述第一输出法兰123经由所述第二连杆122在所述机械臂末端110的一端推动所述机械臂末端110向下旋转的同时，所述第一输出法兰123经由所述第一连杆121在所述机械臂末端110的相对一端拉动所述机械臂末端110向上旋转。并且，如图3b所示，例如在所述第一输出法兰123的逆时针旋转导致所述第一输出法兰123经由所述第二连杆122在所述机械臂末端110的一端拉动所述机械臂末端110向上旋转的同时，所述第一输出法兰123经由所述第一连杆121在所述机械臂末端110的相对一端推动所述机械臂末端110向下旋转。由此，如上所述，能够有效抵消转动副间隙，提高了驱动机械臂末端110时的传动准确性。并且，例如在所述第一连杆121与所述第一输出法兰123脱落的故障情况下，所述第一输出法兰123仍然可以经由所述第二连杆122来带动所述机械臂末端110进行运动。由此，如上所述，还进一步增强了所述关节装置100的容错能力。
64.此外还可以想到，可以将与所述第一连杆121和所述第二连杆122传动连接的第一驱动装置实现为能够进行运动方向相反且运动幅度对应的运动的直线驱动装置(例如两个单独的直线驱动装置)，以实现双侧传动。因此，根据本公开的关节装置的另外可选的设计方案，在所述关节装置100中，所述第一驱动装置包括直线驱动装置，所述直线驱动装置和
所述第一传动装置被共同配置为进行运动方向相反的双侧传动。
65.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述双侧传动通过双环四连杆机构来实现。在此，继续结合图1和图2对该实施方式进行阐述。在所述关节装置中，所述第一传动装置包括双环四连杆机构，所述第一传动装置被配置为通过双环四连杆机构中两个连杆121、122在所述机械臂末端110的不同位置处的运动方向相反的双侧传动，将所述旋转驱动设备141的旋转运动转化为踝关节运动，其中，所述第一输出法兰123的旋转中心点与其第一端部(例如，第一输出孔123-1)之间的部段、所述第一连杆121、所述机械臂末端110的第一端部(例如，所述支撑架130的第一输出孔130-1)与所述机械臂末端的旋转中心点之间的部段、以及所述机械臂末端的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第一传动环，并且所述第一输出法兰的旋转中心点与其第二端部(例如，第二输出孔123-2)之间的部段、所述第二连杆122、所述机械臂末端的第二端部(例如，所述支撑架130的第一输出孔130-2)与所述机械臂末端的旋转中心点之间的部段、以及所述机械臂末端的旋转中心点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间的虚拟连杆构成双环四连杆机构的第二传动环，其中，通过所述双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环进行双侧传动，将所述旋转驱动设备的旋转运动转化为所述机械臂末端绕第一轴方向的运动。
66.在此，利用所述双环四连杆机构中的第一传动环和第二传动环来分别对所述机械臂末端110的两个相对端进行双侧传动。相较于单环四连杆机构，一方面，所上所述，通过双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环的双侧传动，有效抵消了转动副间隙且提高了传动的可靠性，另一方面，通过双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环都具有过约束的作用，还提高了所述关节装置的机械强度。
67.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，如图2所示，所述关节装置100还包括：小腿架160，所述小腿架160被配置为用于将所述关节装置与机器人的小腿机构固定连接；以及连接架171、172。在此，可以将所述连接架构建为第一连接架171以及第二连接架172。所述连接架可以与所述小腿架固定连接(例如第一连接架171经由螺栓等方式与小腿架160固定连接，并且第二连接架172经由轴在小腿架160的输出孔160-1处与小腿架160铰接)，并且所述连接架可以与所述机械臂末端的旋转中心点传动连接。如图2所示，所述第二连接架172例如可以借助其输出孔172-1与所述支撑架130的第三输出孔130-3的铰接来实现所述连接架与所述机械臂末端的旋转中心点的传动连接。
68.由此，通过所述连接架与所述机械臂末端的旋转中心点的传动连接，提供了所述连接架与所述机械臂末端的额外的连接点，即例如第二连接架172的输出孔172-1与所述支撑架130的第三输出孔130-3的连接点。由此，进一步提高了所述关节装置的机械强度。此外，在所述额外的连接点与所述第一输出法兰的旋转中心点之间构建了双环四连杆机构的第一传动环和第二传动环的共用的连杆。即，第一连接架171、第一输出法兰123、第一连杆121、支撑架130、第二连杆122、第二连接架172共同组成了一个双环的平行四边形机构。在此所述关节装置还可以可选地包括第一减速器170，以实现进一步的调速。所述旋转驱动设备141和所述第一减速器170输出动力，带动第一输出法兰123做转动。然后，第一连杆121和第二连杆122并行拉动或推动支撑架130做与第一输出法兰123同角度的转动。由此，以上的运动实现了所述机械臂末端110围绕第二连接架172的输出孔172-1圆心的旋转运动，即所
述机械臂末端110绕第一轴方向150的运动。
69.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，如图1和图2所示，所述关节装置还包括支撑架130，其中，所述第一连杆121的下端部经由所述支撑架的第一端部与所述机械臂末端110的第一端部传动连接，所述第二连杆122的下端部经由所述支撑架的第二端部与所述机械臂末端110的第二端部传动连接。
70.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，所述关节装置还包括：第二运动机构180，所述第二运动机构180包括：第二驱动装置181，并且所述支撑架130用于容纳第二驱动装置181，其中，所述第二驱动装置181经由支撑架130与所述机械臂末端110驱动连接，并被配置为驱动所述机械臂末端绕第二轴151方向进行运动。
71.在此，第二运动机构可以以与所述第一运动机构以相同或不同的方式进行构造。并且，可以将第二运动机构180布置为使得第二轴151方向与第一轴150方向相同(图1中未示出该情况)。通过多个运动机构，例如在第二轴151方向与第一轴150方向相同时，多个运动机构的偏转可以进一步提高关节装置100的关节转角范围，使得所述关节装置100更加灵巧。
72.此外，如图1所示，也可以将第二运动机构180布置为使得第二轴151方向与第一轴150方向不同。根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，在所述关节装置中，所述第一运动机构120与所述第二运动机构180串联布置，并且所述第一运动机构120驱动所述机械臂末端110绕第一轴150运动，所述第二运动机构180驱动所述机械臂末端110绕第二轴151运动，所述第一轴150和第二轴151具有预定夹角。
73.在此，例如可以将绕第一轴150方向的运动定义为所述俯仰运动，将绕第二轴151方向的运动定义为所述翻转运动。图4a和图4b以后视图示出了根据本公开的关节装置100绕第二轴的不同运动状态。如图4a和图4b所示，所述第二运动机构、即支撑架130中所容纳的第二驱动装置181作为输出动力源，带动所述机械臂末端110做围绕第二驱动装置181的轴线、即第二轴151的转动，实现踝关节的上述翻转运动。由此，根据本公开的关节装置可以实现所述机械臂末端110在不同自由度上的运动。并且，由于负责不同自由度上运动的运动机构、即所述第一运动机构120与所述第二运动机构180的串联布置，可以方便地模块化地设计、维护、维修、更换各个运动机构，结构简单且方便使用。
74.根据本公开的关节装置的更详细的实施方式，如图2所示，在所述关节装置100中，所述第二运动机构180采用直驱的方式驱动所述机械臂末端110，即，所述关节装置还包括输出架131、136，所述第二驱动装置181的输出端与所述输出架131、136传动连接，所述输出架131、136与所述机械臂末端110固定连接，所述第二驱动装置被配置为直接驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。
75.在此，由于将所述第二驱动装置直接容纳在靠近所述机械臂末端的支撑架中，使得所述第二驱动装置以直驱方式驱动所述机械臂末端。在此所述关节装置还可以可选地包括第二减速器190，以实现进一步的调速。由此，进一步提高了所述第二驱动装置的传动效率以及传动精度。对应地，也进一步提高了所述关节装置在第二轴方向上的传动精度以及传动效率。
76.根据本公开的关节装置的另外的实施方式，所述第二运动机构还包括第二传动装置，所述第二驱动装置经由所述第二传动装置与所述机械臂末端传动连接。所述第二运动
机构也可以以双侧传动的方式来驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。在此情况下，所述第二传动装置可以以与所述第一传动装置相同的方式来构建，即，经由两个连杆来对所述机械臂末端进行双侧传动以驱动所述机械臂末端绕第二轴方向进行运动。
77.由此，对于第二运动机构，类似于第一运动机构，也能够有效缓解驱动机械臂末端绕第二轴方向进行运动时存在的转动副间隙，提高了传动准确性，并且由于双侧传动都能够对所述机械臂末端进行独立的传动，增强了所述关节装置绕第二轴方向进行运动时的容错能力以及可靠性。
78.综上所述，本公开提供一种关节装置。其中，由于对机械臂末端的双侧传动、特别是由于所述双环四连杆机构中的第一传动环和第二传动环分别对所述机械臂末端的两个相对端进行的双侧传动，有效缓解了转动副间隙且提高了传动的可靠性并提高了所述关节装置的机械强度。此外，由于双侧传动、即能够对所述机械臂末端的两个相对端进行并列的传动，增强了所述关节装置的容错能力以及可靠性。此外，所述双环四连杆机构提供了多个承力的连接点，进一步提高了所述关节装置的机械强度。此外，由于所述关节装置中负责不同自由度上运动的运动机构的串联式的布置，方便对所述关节装置中的各运动机构进行模块化设计，易于对其进行拆卸、替换以及维护。
79.本公开的第二方面涉及一种具有根据上述任一实施例提供的关节装置的机器人。图5示出了根据本公开至少一实施例的机器人500的示意图。所述机器人500包括根据上述任一实施例提供的关节装置，所述关节装置用于驱动所述机器人的机械臂末端运动。
80.如图5所示，所述机器人500为人形机器人，并且具有两个腕关节装置511、512以及两个关节装置521、522。如上所述，对于人形机器人，除了需要利用关节装置实现脚掌机构的多个自由度上的运动、例如绕第一轴的俯仰运动以及绕第二轴的翻转运动外，同样也需要利用腕关节实现上述类似的多个自由度上的俯仰运动以及翻转运动。因此在此，可以将根据本公开至少一实施例的关节装置用作所述机器人的两个腕关节装置511、512以及两个关节装置521、522。由此，所述机器人500具有与上述关节装置对应的优势，即，由于所述机器人500的关节装置和腕关节装置的双侧传动、特别是借助双环四连杆机构的双侧传动，有效抵消了转动副间隙且提高了传动的可靠性并提高了所述关节装置的机械强度以及容错能力。此外，所述机器人500的关节装置和腕关节装置中具有多个承力的连接点，进一步提高了所述机器人500的机械强度。此外，由于所述机器人500的关节装置和腕关节装置中负责不同自由度上运动的运动机构的串联式的布置，方便对其中各运动机构进行模块化设计，易于对所述机器人500进行拆卸、替换以及维护。
81.应了解，除了人形机器人之外，根据本公开实施例的关节装置同样可以适用于机器狗之类的机器人中。而且，在机器人领域中，对于其他种类的机器人(例如机械臂)的其他关节，同样存在在不同自由度上高精度地进行传动的需求。
82.因此，本公开的第三方面涉及一种运动驱动装置。在此，运动驱动装置所被驱动对象不再限于人形机器人(或动物形机器人)的脚掌机构以及手掌机构，而是可以是任意种类机器人中的需要驱动其绕两个轴线方向(即，第一轴方向以及第二轴方向)进行转动的被驱动对象。
83.图6以与上述关节装置对应的结构示出了根据本公开的运动驱动装置600。所述运动驱动装置600与被驱动对象610连接并且用于驱动所述被驱动对象610运动，包括：串联连
接的第一运动机构620和第二运动机构680，其中，所述第二运动机构680与所述被驱动对象610连接，其用于驱动所述被驱动对象610绕第二轴651进行运动，其中，所述第一运动机构620包括：第一连杆621和第二连杆622，所述第一连杆620的下端部与所述第二运动机构680的第一端部传动连接，第二连杆622的下端部与所述第二运动机构680的第二端部传动连接，其中，所述第二运动机构680的第一端部和第二端部为所述第二运动机构的两个相对端并且具有相反的运动方向，通过所述第一连杆621和第二连杆622对所述被驱动对象610进行双侧传动；以及第一驱动装置640，被配置为驱动所述第一连杆621和第二连杆622的运动，并通过所述第一连杆621和第二连杆622的双侧传动，驱动所述被驱动对象610绕第一轴650方向进行转动。
84.在本公开的意义上，根据本公开的运动驱动装置同样利用双侧传动来驱动所述被驱动对象，由此能够有效缓解驱动所述被驱动对象时用于传动的各个转动副中所存在的转动副间隙，提高了驱动机械臂末端时的传动准确性。
85.根据本公开的运动驱动装置的更详细的实施方式与上述根据本公开的关节装置的实施方式对应。因此，根据本公开的运动驱动装置的更详细的实施方式参见上述根据本公开的关节装置的实施方式，在此为简洁起见不再进行赘述。
86.此外，本公开的第四方面涉及一种具有根据本公开的运动驱动装置的机器人。图7示出了根据本公开至少一实施例的机器人700的示意图。所述机器人700包括根据本公开的运动驱动装置，所述运动驱动装置用于驱动所述机器人中的被驱动对象。在此所述机器人700不限于人形机器人，而是可以是任意形式的机器人。如图7所示，以工业机械臂示意性地示出了根据本公开的机器人700。对于工业机械臂，其末端关节、肘关节等同样需要能够进行多个自由度上的运动，例如俯仰运动以及翻转运动。因此，所述机器人700包括根据本公开的运动驱动装置。如图7所示，末端关节710被构建为上述根据本公开的运动驱动装置。所述运动驱动装置用于驱动所述机器人中的被驱动对象720运动。在此，根据使用需要，所述被驱动对象720可以是机械抓手等末端执行机构，亦可以是工业机械臂中的各个机械臂。
87.所述机器人具有与上述运动驱动装置对应的优点，即，由于对被驱动对象的双侧传动、特别是通过双环四连杆机构的对被驱动对象的两个相对端进行的双侧传动，所述机器人对被驱动对象的驱动准确高效，并且方便对所述运动驱动装置中的各运动机构进行模块化设计，易于对其进行拆卸、替换以及维护。
88.有以下几点需要说明：
89.(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
90.(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
91.此外，在上面详细描述的本公开的示例实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员应该理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例或其特征进行各种修改和组合，这样的修改应落入本公开的范围内。