机械臂及机器人的制作方法

1.本公开涉及机器人技术领域，特别涉及一种机械臂及机器人。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展以及适用领域的扩散，机器人在生产、服务等领域已逐步成为不可替代的工具。其中关节型机器人基于人的手臂仿生设计，因其动作灵活、结构紧凑等优势被广泛应用。
3.相关技术中，关节型机器人通常采用绳索驱动(tendon driven，或称线驱动)方案，但是该驱动方案中各关节均采用单一驱动源，各关节的速度、加速度等性能完全取决于该驱动源的性能，不利于肘关节性能的提升。


技术实现要素：

4.本公开提供了一种机械臂及机器人，能够解决各关节性能完全取决于驱动源的性能，不利于各关节性能提升的问题。
5.所述技术方案如下：
6.一方面，提供了一种机械臂，所述机械臂包括：至少一个机械关节和驱动组件；
7.所述至少一个机械关节包括转动连接的固定件和活动件；
8.所述驱动组件包括至少两个驱动源和至少两条驱动绳索；
9.所述至少两个驱动源中每个所述驱动源通过至少一条所述驱动绳索与所述活动件连接；
10.所述至少两个驱动源能够分别通过至少一条所述驱动绳索向所述活动件施加方向相同的牵引力，驱动所述活动件相对于所述固定件旋转。
11.另一方面，提供了一种机器人，所述机器人包括本公开所述的机械臂。
12.本公开提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
13.本公开的机械臂，包括至少一个机械关节和驱动组件，驱动组件包括至少两个驱动源和至少两条驱动绳索，该至少两个驱动源中每个驱动源均通过至少一条驱动绳索与机械关节的活动件连接，该至少两个驱动源能够同时向该活动件施加牵引力，驱动活动件旋转，实现至少两个驱动源对活动件的耦合驱动，提高活动件的转动力矩、转动速度等工作性能。
附图说明
14.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，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来讲，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他的附图。
15.图1是本公开实施例提供的机械臂的工作原理图；
16.图2是本公开实施例提供的机械臂的结构示意图；
17.图3是本公开实施例提供的机械肩关节的结构示意图；
18.图4是本公开实施例提供的机械肘关节及驱动组件的结构示意图；
19.图5是本公开实施例提供的机械腕关节及驱动组件的结构示意图。
20.图中的附图标记分别表示为：
21.10、机械关节；20、驱动组件；
22.001、第一轴线；
23.101、固定件；102、活动件；1021、第一位置；1022、第二位置；201、驱动源；202、驱动绳索；
24.1、机械肩关节；11、肩部固定件；12、第一肩部活动件；13、第二肩部活动件；14、第一肩部驱动源；15、第一肩部驱动绳索；16、第二肩部驱动源；17、第二肩部驱动绳索；
25.2、机械肘关节；21、肘部固定件；22、肘部活动件；23、肘部连接件；24、肘部驱动源；25、肘部驱动绳索；
26.3、机械腕关节；31、腕部固定件；32、腕部活动件；33、腕部连接件；34、腕部驱动源；35、腕部驱动绳索；
27.4、腕肘连接件；41、触觉传感器；
28.5、旋转编码器；
29.6、力矩传感器。
具体实施方式
30.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
31.除非另有定义，本公开实施例所用的所有技术术语均具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。
32.相关技术中，关节型机器人通常包括至少一个机械关节(例如机械肩关节、机械肘关节和机械腕关节)，该机械关节采用闭环绳索驱动(tendon driven，或称线驱动)方案。
33.但是，闭环绳索驱动方案中每个自由度由一个驱动源(例如电机)配合两根绳索驱动，驱动源正向或反向运动，分别拉动某一根绳索，带动机械关节向对应方向运动。机械关节的每个自由度分别对应一个驱动源，其速度、加速度等性能完全取决于该驱动源的性能，不利于关节运动性能的提升。
34.此外，现有技术中还出现了冗余绳索驱动方案，例如采用三个电机驱动两个自由度的方案，但该方案是基于多条驱动绳索的协调作用，使得机械关节能够按照期望的方向、角度或位置进行运动，并不能提高每个自由度或整个机械关节的运动性能。
35.因此，本公开提供了一种机械臂，该机械臂中的至少一个机械关节中至少两个驱动源能够同时向活动件施加牵引力，驱动活动件旋转，实现至少两个驱动源对活动件的耦合驱动，提高活动件的转动力矩、转动速度等运动性能，从而提高机械臂的工作性能。
36.应理解，本技术提供的机械臂，可以应用于云技术、人工智能、智慧交通等领域的
机器人场景，实现于通过机器人进行人机交互以及服务于人们日常生活等场景。
37.人工智能是利用数学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。
38.人工智能是一门综合学科，涉及的领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能的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/交互系统和机电一体化等技术。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。
39.可以理解的是，智慧交通领域中应用的智能交通系统(intelligent traffic system，its)又称智能运输系统(intelligent transportation system)，是将先进的科学技术(信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等)有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种保障安全、提高效率、改善环境、节约能源的综合运输系统。
40.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
41.图1是本公开实施例提供的机械臂的工作原理图。
42.一方面，结合图1所示，本实施例提供了一种机械臂，机械臂包括：至少一个机械关节10和驱动组件20。
43.至少一个机械关节10包括转动连接的固定件101和活动件102；驱动组件20包括至少两个驱动源201和至少两条驱动绳索202；至少两个驱动源201中每个驱动源201通过至少一条驱动绳索202与活动件102连接；至少两个驱动源201能够分别通过至少一条驱动绳索202向活动件102施加方向相同的牵引力，驱动活动件102相对于固定件101旋转。
44.本公开的机械臂，包括至少一个机械关节10和驱动组件20，驱动组件20包括至少两个驱动源201和至少两条驱动绳索202，该至少两个驱动源201中每个驱动源201均通过至少一条驱动绳索202与机械关节10的活动件102连接，该至少两个驱动源201能够同时向该活动件102施加牵引力，驱动活动件102旋转，实现至少两个驱动源201对活动件102的耦合驱动，提高活动件102的转动力矩、转动速度等工作性能。
45.在一些可能的实现方式中，至少两个驱动源201包括电机和主动绳轮，电机和主动绳轮通过传动机构连接，由电机通过传动机构带动主动绳轮旋转。
46.驱动绳索202缠绕在主动绳轮上，主动绳轮旋转时，能够将驱动绳索202绕紧在其上，从而通过驱动绳索202对活动件102产生牵引力。
47.在一些可能的实现方式中，传动机构包括但不限于带传动机构、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构等等。
48.示例性地，传动机构为带传动，例如包括主动带轮、传动带和被动带轮，其中主动带轮与电机的输出轴连接，被动带轮与主动绳轮连接，传动带连接在主动带轮和被动带轮之间。
49.再一示例性地，传动机构为带传动，例如还包括张紧机构，张紧机构靠近与传动带，张紧机构能够用于调节传动带的张紧力。
50.在一些可能的实现方式中，驱动组件20包括两个电机，两个电机实时输出力矩分别为t
m1
和t
m2
，关节的等效驱动力矩分别为τ1和τ2，且所有线轮直径大小一致。根据结构的特点(忽略驱动绳索摩擦力，即驱动绳索的力处处大小相等)，可以得到关节力矩和电机力矩之间关系为：
[0051][0052]
进一步地，对于每个电机的驱动力矩t
m1
和t
m2
，假设其最大输出力矩限制为：
[0053]
max(abs(t
m1
),abs(t
m2
))≤tmꢀꢀ
(2)
[0054]
则根据上式(1)，可以得到每个关节的最大输出力矩为2tm，即是通过耦合的绳索布置方式，可以将机械关节中单一自由度的负载能力最大地提升到2倍。
[0055]
在本文中提及的“若干个”、“至少一个”是指一个或者多个，“多个”、“至少两个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0056]
结合图1所示，在一些实施例中，至少两个驱动源201中每个驱动源201通过至少两条驱动绳索202与活动件102连接。
[0057]
至少两条驱动绳索202中至少一条连接于活动件102的第一位置1021，其余驱动绳索202中至少一条连接于活动件102的第二位置1022，第一位置1021和第二位置1022分别位于活动件102和固定件101转动连接的第一轴线001的两侧。
[0058]
至少两个驱动源201中每个驱动源201能够通过至少两条驱动绳索202向活动件102施加方向相反的牵引力，驱动活动件102朝向不同方向旋转。
[0059]
本实施例的机械臂，该至少一个机械关节10中每个驱动源201均通过至少两条驱动绳索202与活动件102连接，且至少两条驱动绳索202分别连接活动件102的第一位置1021和第二位置1022。
[0060]
当驱动源201朝向某一方向旋转，能够通过其中一条驱动绳索202向两个位置中的其中一个施加牵引力，从而在活动件102上形成朝向特定方向的力矩，活动件102能够在该力矩作用下，绕第一轴线001发生转动。此时，活动件102实现朝向某一自由度的单向运动。
[0061]
当驱动源201朝向相反方向旋转，相应的通过另一条驱动绳索202向两个位置中的另一个施加牵引力，从而在活动件102上形成与特定方向对称的力矩，活动在这一对称力矩的作用下，绕第一轴线001发生反向转动。此时，活动件102实现朝向该自由度的回复运动。
[0062]
当控制该驱动源201交替性的朝向不同方向旋转，活动件102就可以实现朝向该自由度的往复运动，从而满足机械关节的基本运动功能。
[0063]
结合图1所示，在一些实施例中，至少两个驱动源201位于固定件101背离活动件102的一侧，至少两条驱动绳索202穿过固定件101与活动件102连接。
[0064]
本实施例的机械臂，活动件102作为末端执行结构，需尽可能的降低自身质量，减轻其转动惯量，提升动态性能，因此将至少两个驱动源201设置在固定件101背离活动件102
的一侧，驱动绳索202穿过固定件101与活动件102连接，即可以减轻活动件102的转动惯量，又能够充分发挥绳索驱动方案排布灵活的优势。
[0065]
结合图2所示，在一些实施例中，至少一个机械关节10包括：依次连接的机械肩关节1、机械肘关节2和机械腕关节3；驱动组件20位于机械肩关节1内。
[0066]
本实施例的机械臂，包括依次连接的机械肩关节1、机械肘关节2和机械腕关节3至少三个机械关节10，每个机械关节10(如机械肩关节1、机械肘关节2、机械腕关节3)均具有至少一个自由度，该自由度通过驱动组件20实现至少两个驱动源201的耦合驱动，具有较好的运动性能。
[0067]
此外，驱动组件20优选的放置在机械肩关节1内，能够尽量的避免增加机械肘关节2或机械腕关节3的转动惯量，驱动组件20能够利用驱动绳索202灵活排布的优势，与机械肘关节2或机械腕关节3动力连接，以实现机械肘关节2或机械腕关节3中单一自由度的耦合驱动。
[0068]
结合图3所示，在一些实施例中，机械肩关节1包括肩部固定件11、第一肩部活动件12和第二肩部活动件13。
[0069]
第二肩部活动件13与第一肩部活动件12转动连接，第一肩部活动件12与肩部固定件11转动连接；驱动组件20包括至少两个第一肩部驱动源14和至少两条第一肩部驱动绳索15；至少两个第一肩部驱动源14中每个第一肩部驱动源14通过至少一条第一肩部驱动绳索15与第一肩部活动件12连接；至少两个第一肩部驱动源14能够分别通过至少一条第一肩部驱动绳索15向第一肩部活动件12施加方向相同的牵引力，驱动第一肩部活动件12相对于肩部固定件11旋转。
[0070]
本实施例的机械臂中，机械肩关节1包括依次转动连接的肩部固定件11、第一肩部活动件12和第二肩部活动件13。
[0071]
其中，肩部固定件11内设有至少两个第一肩部驱动源14，该至少两个第一肩部驱动源14能够耦合驱动第一肩部活动件12相对于肩部固定件11旋转，使得第一肩部活动件12能够输出与至少两个第一肩部驱动源14的动力总和相匹配的力矩，具有更佳的运动性能。
[0072]
结合图3所示，在一些实施例中，驱动组件20还包括至少一个第二肩部驱动源16和至少两条第二肩部驱动绳索17；至少一个第二肩部驱动源16通过至少两条第二肩部驱动绳索17与第二肩部活动件13连接。
[0073]
至少一个第二肩部驱动源16能够通过至少两条第二肩部驱动绳索17向第二肩部活动件13施加方向相反的牵引力，驱动第二肩部活动件13相对于第一肩部活动件12旋转。
[0074]
本实施例的机械臂中，为了满足第二肩部活动件13相对于第一肩部活动件12的旋转自由度，在第一肩部活动件12内设置至少一个第二肩部驱动源16，利用该至少一个第二肩部驱动源16能够驱动第二肩部活动件13相对于第一肩部活动件12旋转，使得机械肘关节2和机械腕关节3能够随第二肩部活动件13旋转。
[0075]
结合图4所示，在一些实施例中，机械肘关节2包括肘部固定件21、肘部活动件22和肘部连接件23。
[0076]
肘部固定件21与第二肩部活动件13连接；肘部固定件21与肘部连接件23转动连接，肘部连接件23与肘部活动件22转动连接。
[0077]
驱动组件20包括至少两个肘部驱动源24和至少两条肘部驱动绳索25；至少两个肘
部驱动源24中每个肘部驱动源24通过至少一条肘部驱动绳索25与肘部活动件22连接。
[0078]
至少两个肘部驱动源24能够分别通过至少一条肘部驱动绳索25向肘部活动件22施加方向相同的牵引力，驱动肘部活动件22相对于肘部固定件21旋转。
[0079]
本实施例的机械臂中，机械肘关节2包括依次转动连接的肘部固定件21、肘部连接件23和肘部活动件22。
[0080]
其中，至少两个肘部驱动源24能够耦合驱动肘部活动件22相对于肘部固定件21旋转，使得肘部活动件22能够输出与至少两个肘部驱动源24的动力总和相匹配的力矩，具有更佳的运动性能。
[0081]
结合图4所示，在一些实施例中，至少两个肘部驱动源24位于第二肩部活动件13内，至少两条肘部驱动绳索25由第二肩部活动件13延伸穿过肘部固定件21，与肘部活动件22连接。从而，保证机械肘关节2的质量更小，转动惯量更小，能够显著提升机械肘关节2的运动性能。
[0082]
示例性地，至少两个肘部驱动源24位于机械肩关节1内，从而能够使得机械肘关节2的转动惯量更小，具有更好的运动性能。
[0083]
结合图5所示，在一些实施例中，机械腕关节3包括腕部固定件31、腕部活动件32和腕部连接件33；腕部活动件32和腕部连接件33转动连接，腕部连接件33和腕部固定件31转动连接。
[0084]
驱动组件20包括至少至少两个腕部驱动源34和至少两条腕部驱动绳索35。
[0085]
至少两个腕部驱动源34中每个腕部驱动源34通过至少一条腕部驱动绳索35与腕部活动件32连接；至少两个腕部驱动源34能够分别通过至少一条腕部驱动绳索35向腕部活动件32施加方向相同的牵引力，驱动腕部活动件32相对于腕部固定件31旋转。
[0086]
本实施例的机械腕关节3包括依次转动连接的腕部固定件31、腕部连接件33和腕部活动件32。其中，腕部活动件32在腕部连接件33的作用下，与腕部固定件31十字形连接，能够实现至少两个旋转自由度。该至少两个自由度中，每个自由度均能够被至少两个腕部驱动源34耦合驱动，使得腕部活动件32输能够输出与至少两个腕部驱动源34的动力总和相匹配的力矩，实现更佳的运动特性。
[0087]
结合图5所示，在一些实施例中，至少两个腕部驱动源34位于第二肩部活动件13内，至少两条腕部驱动绳索35由第二肩部活动件13延伸穿过机械肘关节2和腕部固定件31，与腕部活动件32连接。
[0088]
从而，保证机械腕关节3的质量更小，转动惯量更小，能够显著提升机械腕关节3的运动性能。
[0089]
结合图5所示，在一些实施例中，机械臂还包括腕肘连接件4；腕肘连接件4的一端连接肘部活动件22，另一端连接腕部固定件31；至少两条腕部驱动绳索35在腕肘连接件4内穿过。
[0090]
本实施例中的腕肘连接件4能够增加第一机械关节10和第二机械关节10之间的长度，便于增加第二机械关节10的作用范围，提高机械臂的适用范围。
[0091]
示例性地，至少两个腕部驱动源34位于机械肘关节2或机械肩关节1内，从而能够使得机械腕关节3的转动惯量更小，具有更好的运动性能。
[0092]
结合图5所示，在一些实施例中，腕肘连接件4包括触觉传感器41，触觉传感器41位
于腕肘连接件4的外表面，触觉传感器41用于检测并反馈腕肘连接件4是否接触其它物体。从而，本实施例的机械臂，当人员从外部触摸后，可以触发机械臂的安全控制，避免造成人体伤害。
[0093]
示例性地，触觉传感器41包括但不限于接触觉传感器41、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等等，其中接触觉传感器41包括但不限于微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等等。
[0094]
在一些可能的实现方式中，机械臂的机械关节10的外表面均设有触觉传感器41，当人员从外部接触后，均可以触发机械臂的安全控制，避免造成人体伤害。
[0095]
结合图4所示，在一些实施例中，机械臂还包括：至少一个旋转编码器5；至少一个旋转编码器5与至少一个机械关节10连接，用于检测并反馈至少一个机械关节10的旋转角度。
[0096]
其中，旋转编码器5能够测量机械关节10的转轴转速，通过光电转换，可将转轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。
[0097]
示例性地，旋转编码器5包括但不限于电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出等等。
[0098]
本实施例的机械臂中，在机械关节10处设置旋转编码器5，能够实时的检测并反馈该机械关节10的旋转角度，确保机械臂的机械关节10精准、可靠的转动到目标位置，提高机械臂的工作精度。
[0099]
结合图5所示，在一些实施例中，机械臂还包括：至少一个力矩传感器6；至少一个力矩传感器6与至少一个机械关节10连接，用于检测并反馈至少一个机械关节10的力矩。
[0100]
其中，力矩传感器又称扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪等。
[0101]
本实施例的机械臂中，在至少一个机械关节10处设置力矩传感器6，能够实时的检测并反馈该机械关节10的工作力矩，确保机械臂的机械关节10精准、可靠的输出相应的工作力矩，提高机械臂的工作安全性和可靠性。
[0102]
另一方面，本实施例提供了一种机器人，机器人包括本公开的机械臂。
[0103]
本实施例的机器人，采用本公开的机械臂，具有本公开的机械臂的全部技术效果。
[0104]
需要指出的是，在本公开的描述中，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；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0105]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0106]
需要指出的是，在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特
征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0107]
在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施方式或示例中。
[0108]
以上所述仅为本公开的实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。