[0001] 本发明涉及机器人技术领域，更具体地说是一种张拉式在线变刚度柔性关节。

[0002] 在机器人领域，传统的关节一般是刚性铰链形式即面接触的转动副。杆件之间有相对转动并产生直接机械接触，这必然会导致机械摩擦损失。一旦机构自由度增加，关节数量的增加必然导致机械效率的大幅下降。另外，驱动频率越高，这种现象就会越严重。对于仿生摆动推进机构或机械臂，为了适应不同场景，不仅要求转动关节能实现基本的转动功能，还要求其具备一定的柔性；能够对刚度实现在线调节且变刚度范围尽可能大；机械效率尽可能高；应易于拓展至多自由度；在控制方面尽量保持简单方便。因此需要设计一种新型变刚度柔性关节以满足上述对转动关节的新需求。

[0037] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

[0038] 如图1至图6所示，为了实现“克服了传统机器人关节的摩擦和间隙问题，显著提高结构的效率和可靠性并且具有弹性关节的柔顺性”这一技术效果，下面对张拉式在线变刚度柔性关节的结构和功能进行详细的说明；

[0039] 一种张拉式在线变刚度柔性关节，包括第一张拉关节构1和第二张拉关节构2，所述第一张拉关节构1上固定连接有主动驱动舵机3，主动驱动舵机3的输出轴上固定连接有第一舵机臂5，第二张拉关节构2上固定连接有预张紧力调节舵机4，预张紧力调节舵机4的输出轴上固定连接有第二舵机臂6，第二张拉关节构2上设置有滑动孔，第一舵机臂5上固定连接有第一绳索7，第一绳索7上固定连接有弹簧8，弹簧8上固定连接有第二绳索9，第二绳索9穿过第二张拉关节构2上设置的滑动孔固定连接在第二舵机臂6上，第二张拉关节构2上固定连接有两个第一支撑臂17，第一张拉关节构1和第二张拉关节构2的上下两端之间均设置有第三绳索12，两个第一支撑臂17和第一张拉关节构1之间均设置有第四绳索14，两个第三绳索12和两个第四绳索14处于张紧状态产生拮抗力的对抗使得第一张拉关节构1和第二张拉关节构2处于静态平衡；

[0040] 所述第一绳索7的端部通过第一锁绳扣10固定连接在第一舵机臂5上，第二绳索9的端部通过第二锁绳扣11固定连接在第二舵机臂6上；

[0041] 所述第三绳索12的两端分别通过两个第三锁绳扣13固定连接在第一张拉关节构1和第二张拉关节构2上；

[0042] 所述第一支撑臂17的中部和前端均设置有孔，第四绳索14的两端分别通过两个第四锁绳扣15固定连接在第一张拉关节构1上，第四绳索14的中部穿过第一支撑臂17前端的孔伸入到第一支撑臂17中部的孔上，第四绳索14的中部通过第五锁绳扣16固定连接在第一支撑臂17的中部；

[0043] 如图1所示，初始状态，第一舵机臂5、第一绳索7、弹簧8、第二绳索9和第二舵机臂6在同一轴线上，机构运动时，主动驱动舵机3驱动第一舵机臂5转动，与上述轴线产生一定夹角，并带动、第一绳索7、弹簧8和第二绳索9进行运动，第二绳索9中的张力推动第二张拉关节构2转动，从而实现柔性关节的转动；

[0044] 预张紧力调节舵机4驱动第二舵机臂6转动来改变弹簧8的预伸长量，因此第二舵机臂6的转动角度决定着弹簧8的预张紧力大小，关节的转动刚度和预张紧力的大小成正比例关系，其比例系数只和结构参数有关；这说明，转动刚度并不随柔性关节转动角度的改变而改变，即转动刚度和转动角度相互独立。在结构尺寸和弹簧型号已定的情况下，通过控制第二舵机臂6的转动角度可实现转动刚度的大范围变化；

[0045] 第一张拉关节构1、第二张拉关节构2、第二绳索9、第一锁绳扣10、第二锁绳扣11、第三绳索12、第三锁绳扣13、第四绳索14、第四锁绳扣15和第五锁绳扣16构成了张拉式柔性关节；

[0046] 两个第三绳索12在轴向方向连接第一张拉关节构1和第二张拉关节构2，两个第四绳索14在径向方向连接第一张拉关节构1和第二张拉关节构2，两个第三绳索12和两个第四绳索14均受拉力且形成了一个张力网络，使得关节具备一定柔顺性，通过调整结构参数，可以使该张拉关节在第二张拉关节构2上第一支撑臂17的前端小孔中心处近似形成一个自动转动轴且该关节在转动方向的转动刚度为零；该张拉柔性关节结合MACCEPA变体机构和张拉关节，形成了虚拟转动副，其运动等效为传统刚性关节的旋转，转动刚度单纯由预张紧力调节舵机4控制；第一张拉关节构1和第二张拉关节构2之间没有直接接触，关节的摩擦损失较小；

[0047] 第一张拉关节构1的中空内腔为在线变刚度模块预留空间以免和张拉柔性关节和发生干涉，在具体应用中很难保证关节的虚拟转动轴保持不变，可以采用轴漂概念评价机构的关节等效性，一般认为无量纲轴漂小于5％时张拉柔性关节仍然具有良好的关节等效性；

[0048] 如图7至图10所示，所述张拉式在线变刚度柔性关节设置有多个，多个张拉式在线变刚度柔性关节并排固定连接有构成变刚度串联摆动推进机构；这里举例的张拉式在线变刚度柔性关节并排设置有四个；

[0049] 构成变刚度串联摆动推进机构的张拉式在线变刚度柔性关节底部均固定连接有转轮支架18，转轮支架18上转动连接有关节滚轮19；

[0050] 所述转轮支架18固定连接在第一张拉关节构1上，多个并排设置的拉式在线变刚度柔性关节中位于前侧的预张紧力调节舵机4固定连接在位于后侧的第二张拉关节构2上，完成多个拉式在线变刚度柔性关节的连接；

[0051] 通过分别控制多个预张紧力调节舵机4输出轴的转动角度来改变弹簧8的预张紧力，能够实现不同的关节转动刚度分布以及各关节转动刚度的大范围变化；多个关节滚轮19的存在使得机构可以依靠摩擦力进行摆动推进；

[0052] 通过对多个主动驱动舵机3输出轴的转动角度进行协同控制，可以实现变刚度串联摆动推进机构摆动推进的多种姿态，第三绳索12、第四绳索14和各关节前张拉构件以及对应关节后张拉构件所构成的张拉式柔性关节使得机构具备一定柔顺性；由于各构件之间没有直接接触，机构的机械摩擦损失较小，变刚度串联摆动推进机构可应用在管道巡检、水下仿生推进等领域，如变刚度机器蛇、变刚度仿生鳗鲡科机器鱼，可以通过改变各关节的刚度分布改善推进性能；

[0053] 如图11至图15所示，所述张拉式在线变刚度柔性关节的后端设置有多个能够跟随第二张拉关节构2摆动的摆动构件20，构成变刚度多关节被动摆动机构；

[0054] 所述张拉式在线变刚度柔性关节的第二张拉关节构2上固定连接有摆动棒27，摆动棒27穿过多个摆动构件20固定连接在最后一个摆动构件20上；

[0055] 所述摆动构件20上固定连接有两个第二支撑臂21，两个第二支撑臂21和张拉式在线变刚度柔性关节的第一张拉关节构1之间均设置有第五绳索22，第五绳索22的两端分别通过两个第六锁绳扣23固定连接在第一张拉关节构1上，第二支撑臂21的前端和中部均设置有孔，第五绳索22的中部穿过第二支撑臂21前端的孔伸入到第二支撑臂21中部的孔上，第五绳索22的中部通过第七锁绳扣24固定连接在第一支撑臂17的中部，摆动构件20和第一张拉关节构1的上下两端之间均设置有第六绳索25，第六绳索25两端分别通过两个第八锁绳扣26固定连接在摆动构件20和第一张拉关节构1上，两个第五绳索22和两个第六绳索25处于张紧状态产生拮抗力的对抗使得第一张拉关节构1和摆动构件20处于静态平衡；

[0056] 摆动构件20和摆动构件20的上下两端之间均设置有第七绳索28，第七绳索28两端分别通过两个第九锁绳扣29固定连接在两个摆动构件20上，位于后侧的摆动构件20上的两个第二支撑臂21和位于前侧的摆动构件20之间均设置有第八绳索30，第八绳索30的两端分别通过第十锁绳扣31固定连接在位于前侧的摆动构件20上，第八绳索30的中部穿过位于后侧的第二支撑臂21前侧的孔伸入到第二支撑臂21中部的孔，第八绳索30的中部通过第十一锁绳扣32固定连接在位于后侧的第二支撑臂21中部的孔上，两个第七绳索28和两个第八绳索30处于张紧状态产生拮抗力的对抗使得前后两侧的两个摆动构件20处于静态平衡；

[0057] 如图11和图14所示，在这个实施例中，第二张拉关节构2的结构形状发生一定的变化，但是不影响其根本的功能，都是产生摆动和完成预张紧力调节舵机4的固定，本领域技术人员可以根据使用需求，设置第二张拉关节构2的结构形状；这里设置摆动构件20为四个，本领域技术人员也可以根据使用需求，设置成不同的数量；

[0058] 通过控制预张紧力调节舵机4转动一定角度实现弹簧8的预拉伸，能够控制机构内部张拉式柔性关节的转动刚度，通过驱动主动驱动舵机3，能够使机构内部张拉式柔性关节发生转动，从而驱动摆动棒27发生转动，摆动棒27的末端可以在穿过多个摆动构件20的中心孔内自由移动，因此摆动棒27能够带动最后的摆动构件20进行转动，从而使得多个摆动构件20发生摆动，以此实现变刚度多关节被动摆动机构的弯曲或摆动功能；

[0059] 转动过程中，位于后侧的摆动构件20上的第二支撑臂21在转动一定角度后会和位于前侧的摆动构件20发生干涉，这时变刚度多关节被动摆动机构达到最大转动角度；通过该结构设计可以对关节的最大转动角度进行限制，多个摆动构件20转动角度限制均采用上述方式实现，变刚度多关节被动摆动机构可以产生特定的摆动曲线；

[0060] 变刚度多关节被动摆动机构通过摆动棒27将变刚度多关节被动摆动机构内部的单自由度张拉式柔性关节的折线运动形式转换为机构外部的四个串联的摆动构件20的平滑柔顺运动；变刚度多关节被动摆动机构内部的第五绳索22、第六绳索25、第七绳索28和第八绳索30则保证了机构的整体转动刚度大范围变化，变刚度多关节被动摆动机构结构紧凑，控制较为简单，由于构件之间不互相接触，极大减少了机械摩擦，张拉式柔性关节保证了变刚度多关节被动摆动机构的高柔顺性；

[0061] 变刚度多关节被动摆动机构可应用在变刚度机械臂、仿生机器鱼等领域；对于仿生机器鱼，变刚度多关节被动摆动机构的摆动棒27模拟的是鱼的脊柱，变刚度多关节被动摆动机构内部的变刚度模块模仿的是鱼体内部变刚度机制，机构外部的四个串联的摆动构件20模仿的是多关节鱼体结构。

[0062] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。