CN110353807A - 牵引装置和具有该牵引装置的操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种牵引装置和具有该牵引装置的操纵装置，牵引装置包括基板、驱动装置、第一减速滚子、一级传动带和二级传动带，所述基板上设有第一滑动槽，所述第一减速滚子能沿所述第一滑动槽往复运动地设置于所述基板，其中，所述一级传动带的第一端与所述驱动装置相连，所述一级传动带的第二端绕过所述第一减速滚子后固定于所述基板，所述二级传动带的第一端与所述第一减速滚子相连，所述二级传动带的第二端向下游延伸。使用该牵引装置能够精确地、可反馈地控制牵引距离，从而实现动作执行端的尺寸微型化和动作复杂化。

Description

牵引装置和具有该牵引装置的操纵装置

技术领域

本发明涉及作业器械领域，可应用于医疗器械或作业机器人。

背景技术

随着机器人技术应用的发展，作业机器人在很多场合能够取代人而完成复杂动作。而在需要完成精细动作的场合，对作业机器人的执行端尺寸和执行精度都提出了更高要求。使用线缆构成的牵引装置可以远距离控制动作执行端的动作，从而可以微型化动作执行端的部件尺寸，这样的技术手段在微创手术的作业器械中得到了较广泛应用。

在此类方案中，对牵引装置的精度控制将直接影响动作执行端的动作执行部件的精度。线缆构成的牵引装置通常由电机驱动线缆收放，线缆的一端与电机相连，线缆的另一端向动作执行端延伸并与下游的动作执行部件相连，线缆的收放带动动作执行部件的动作。为了实现动作的精细化，通常需要将电机输出端的牵引速度减速后传递给动作执行部件。如何合理布置牵引装置，使得在有限空间内能精确控制驱动的速度和位移，且将驱动力有效传递到下游的动作执行部件，是亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本发明，本发明提供的牵引装置能够精细、可反馈地控制牵引距离，具备本发明牵引装置的机械手可以实现动作执行端的尺寸微型化和动作复杂化。

一种牵引装置，其包括基板、驱动装置、第一减速滚子、一级传动带和二级传动带，所述基板上设有第一滑动槽，所述第一减速滚子能沿所述第一滑动槽往复运动地设置于所述基板上，其中，所述一级传动带的第一端与所述驱动装置相连，所述一级传动带的第二端绕过所述第一减速滚子后固定于所述基板，所述二级传动带的第一端与所述第一减速滚子相连，所述二级传动带的第二端向下游延伸。

在至少一个实施方式中，还包括一级第一换向滚子、一级第二换向滚子和二级第一换向滚子，所述一级传动带的第二端依次绕过所述一级第一换向滚子、所述第一减速滚子后固定于所述一级第二换向滚子，所述二级传动带的第二端首先绕过所述二级第一换向滚子后向下游延伸。

在至少一个实施方式中，所述一级传动带位于所述一级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第一牵引段，所述一级传动带位于所述一级第二换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第二牵引段，所述二级传动带位于所述二级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成二级第一牵引段，所述一级第一牵引段、所述一级第二牵引段和所述二级第一牵引段互相平行。

在至少一个实施方式中，所述一级传动带位于所述一级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第一牵引段，所述一级传动带位于所述一级第二换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第二牵引段，所述二级传动带位于所述二级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成二级第一牵引段，所述二级第一牵引段与所述一级第一牵引段不平行和/或所述二级第一牵引段与所述一级第二牵引段不平行。

在至少一个实施方式中，还包括三级传动带和第二减速滚子，所述基板上还设有第二滑动槽，所述第二减速滚子能沿所述第二滑动槽往复运动地设置于所述基板上，所述二级传动带的第二端绕过所述第二减速滚子后固定于所述基板，所述三级传动带的第一端与所述第二减速滚子相连，所述三级传动带的第二端向下游延伸。

在至少一个实施方式中，还包括张紧装置，所述张紧装置包括至少一个张紧滚子，所述张紧滚子相对所述基板位置可调地设置于所述基板，所述一级传动带和/或所述二级传动带绕过所述张紧滚子。

在至少一个实施方式中，还包括传感器，所述传感器用于测量任一传动带上某点的位移。

一种操纵装置，其包括至少一组牵引装置和至少一个动作件，所述牵引装置为根据本发明的牵引装置，每一组所述牵引装置延伸至下游的传动带的末端与一个所述动作件相连以传递牵引力。

在至少一个实施方式中，所述牵引装置有多组，所述动作件有多个，多个所述动作件中的至少两个能够彼此相对活动地连接以构成联动动作件，所述联动动作件中的每一个动作件能单独接受一组所述牵引装置的牵引而动作，且所述联动动作件中的至少一个动作件能跟随所述联动动作件中的另一个动作件的动作而动作。

在至少一个实施方式中，所述牵引装置有多组，所述动作件有多个，多个所述动作件中的至少一个动作件构成所述操纵装置的爪部，多个所述动作件中的至少一个动作件构成所述操纵装置的腕部，所述爪部的动作件设置于所述腕部的动作件上并能跟随所述腕部的动作件运动。

本发明能够实现以下技术效果中的一个或多个：

1、将电机输出的牵引速度通过线缆以至少2:1的减速比传递到下游的动作执行端，使得对牵引距离的控制精度提高；

2、通过不同的布线方式(线缆选择性地绕过滑轮组中的若干滑轮或调整滑轮之间的位置)，灵活调整牵引装置的减速比；

3、通过增加线缆的长度，能够远距离对动作执行端进行操作；

4、通过对线缆收放长度的反馈控制，动态调整牵引装置的牵引位移，减小系统误差；

5、对于动作执行端具有多个运动构件的机械手，可以设置多套牵引装置，每套牵引装置对应控制一个运动构件；且多个运动构件可以串/并联联结，从而能够为动作执行端提供复杂动作的牵引。

附图说明

图1是根据本发明的一种机械手实施方式的立体结构示意图，其中省略了动作执行端的部分动作执行部件。

图2是图1的主视图。

图3是图1的俯视图。

图4是根据本发明的牵引装置的第一实施方式(属于图1所示机械手的其中一套牵引装置)的示意图。

图5是根据本发明的牵引装置的第二实施方式的示意图。

图6是根据本发明的牵引装置的第三实施方式的示意图。

附图标记说明

1 腕部套筒

2 末端线缆

3 基板

4 电机

401 电机输出端

500 减速滑轮

501 减速滑轮中心轴

502 减速滑轮轮盘

510 一级减速滑轮

520 二级减速滑轮

601、611 一级第一换向滑轮

602、612 一级第二换向滑轮

701 二级第一换向滑轮

702 二级第二换向滑轮

711 三级第一换向滑轮

712 三级第二换向滑轮

800 张紧滑轮

901 减速滑轮滑动槽

911 一级减速滑轮滑动槽

921 二级减速滑轮滑动槽

902 张紧滑轮滑动槽

1001、1011 一级线缆

1002 二级线缆

1003 三级线缆

α 一级第一牵引段与二级第一牵引段之间的夹角

β 一级第二牵引段与二级第一牵引段之间的夹角

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

参照图1-6，下面介绍本发明的主要结构和实现方式。

图1-3示出了根据本发明的一种具有六个自由度的机械手，每个自由度靠一套牵引装置控制。机械手的动作执行端设置于腕部套筒1的悬出端(图中未示出除腕部套筒1以外的其他动作执行部件)，六个自由度分别为绕腕部套筒1轴向转动的一个自由度以及设置于腕部套筒1端部的五个动作执行部件的自由度。每套牵引装置由一个电机4驱动，牵引装置的线缆绕过设置于基板3上的滑轮后延伸至下游构成与机械手的动作执行端相连的“末端线缆”(相应定义每套牵引装置靠近电机端的线缆为“前端线缆”)，其中，有一组牵引装置的末端线缆驱动腕部套筒1的轴向转动(图中未示出该末端线缆)，其余五组牵引装置的末端线缆2从腕部套筒1的内部伸出与相应的五个动作执行部件相连。

以下以本实施方式的其中一套牵引装置为例，介绍本发明牵引装置的主要结构。

牵引装置的第一实施方式

参照图4，牵引装置的第一实施方式包括由两套线缆构成两级传动装置，能够实现将电机的输出速度按2:1的减速比(以下将该减速比简称为牵引装置的减速比)传递给末端线缆。一级线缆1001的一端与电机输出端401相连，一级线缆1001的另一端依次绕过一级第一换向滑轮601、减速滑轮500和一级第二换向滑轮602，并最终固定于一级第二换向滑轮602的轮盘。一级第一换向滑轮601和一级第二换向滑轮602通过各自的中心轴固定于基板3；减速滑轮500的中心轴501嵌设于基板3上开设的减速滑轮滑动槽901中，这使得减速滑轮500以动滑轮的形式能够沿减速滑轮滑动槽901往复移动，减速滑轮轮盘502能绕减速滑轮中心轴501转动(然而这并不是必须的，即减速滑轮轮盘502与减速滑轮中心轴501也可以相对固定)。当电机启动带动电机输出端401动作，一级线缆1001跟随收紧缩短或放松伸长(以下简称“收放”)，从而带动减速滑轮500沿减速滑轮滑动槽901往复移动。二级线缆1002的一端与减速滑轮中心轴501相连，减速滑轮500在往复运动过程中将带动二级线缆1002收放。该实施方式中，一级线缆1001位于一级第一换向滑轮601和减速滑轮500之间的区段构成一级第一牵引段，一级线缆1001位于一级第二换向滑轮602和减速滑轮500之间的区段构成一级第二牵引段，二级线缆1002位于二级第一换向滑轮701和减速滑轮500之间的区段构成二级第一牵引段，一级第一牵引段、一级第二牵引段和二级第一牵引段互相平行，因此一级线缆1001每收放两个单位长度、引起二级线缆1002收放一个单位长度，实现了将电机的输出速度按2:1的减速比传递给末端线缆。

在本实施方式中，绕过二级第一换向滑轮701的二级线缆1002进一步绕过张紧滑轮800和二级第二换向滑轮702后向下游延伸。张紧滑轮800通过其中心轴固定于张紧滑轮滑动槽902中，在装置启动前，通过调整张紧滑轮800位于张紧滑轮滑动槽902中的位置可以调整二级线缆1002的张紧程度。

牵引装置的第二实施方式

在牵引装置的第一实施方式中，通过两套线缆构成的两级传动装置，实现了将电机的输出速度按2:1的减速比传递给末端线缆；根据实际需要，还可以以类似的方式设置多级传动，将电机的输出速度按更大的减速比传递给末端线缆。牵引装置的第二实施方式，给出由三套线缆构成的三级传动装置，能够实现将电机的输出速度按4:1的减速比传递给末端线缆。

参照图5，对牵引装置的第二实施方式进行说明。对于与牵引装置的第一实施方式相同或相似的部件标注相同或相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。

一级线缆1001的一端与电机输出端401相连，一级线缆1001的另一端依次绕过一级第一换向滑轮601、一级减速滑轮510和一级第二换向滑轮602，并最终固定于一级第二换向滑轮602的轮盘。一级减速滑轮510的中心轴嵌设于基板3上开设的一级减速滑轮滑动槽911中。当电机启动带动电机输出端401动作，一级线缆1001跟随收放，从而带动一级减速滑轮510沿一级减速滑轮滑动槽911往复移动。二级线缆1002的一端与一级减速滑轮510的中心轴相连，另一端绕过二级减速滑轮520后固定于二级第一换向滑轮701。二级减速滑轮520相对于基板的固定方式与一级减速滑轮510类似，二级减速滑轮520的中心轴嵌设于基板3上开设的二级减速滑轮滑动槽921中，二级减速滑轮520能够沿二级减速滑轮滑动槽921往复运动。一级减速滑轮510在沿一级减速滑轮滑动槽911往复运动过程中将带动二级线缆1002收放，进一步带动二级减速滑轮520沿二级减速滑轮滑动槽921往复运动。二级减速滑轮520的中心轴与三级线缆1003的一端相连，三级线缆1003的另一端依次绕过三级第一换向滑轮711、张紧轮800和三级第二换向滑轮712后向下游延伸。

该实施方式中，一级线缆1001位于一级第一换向滑轮601和一级减速滑轮510之间的区段构成一级第一牵引段，一级线缆1001位于一级第二换向滑轮602和一级减速滑轮510之间的区段构成一级第二牵引段；二级线缆1002位于一级减速滑轮510和二级减速滑轮520之间的区段构成二级第一牵引段，二级线缆1002位于二级减速滑轮520和二级第一换向轮701之间的区段构成二级第二牵引段；三级线缆1003位于二级减速滑轮520和三级第一换向轮711之间的区段构成三级第一牵引段。一级第一牵引段、一级第二牵引段和二级第一牵引段互相平行；二级第一牵引段、二级第二牵引段和三级第一牵引段互相平行。因此一级线缆1001每收放四个单位长度、引起二级线缆1002收放两个单位长度、引起三级线缆1003收放一个单位长度，实现了将电机的输出速度按4:1的减速比传递给末端线缆。

根据该实施方式逐级增加动滑轮形式的减速滑轮的思想，本发明可以根据实际需要进一步增设减速滑轮，从而实现更大的减速比。

牵引装置的第三实施方式

牵引装置的第三实施方式是对牵引装置的第一实施方式中减速滑轮500与一级第一换向滑轮601、一级第二换向滑轮602之间位置关系的变形，以提供不同于牵引装置的第一实施方式的减速比。

参照图6，一级线缆1011位于一级第一换向滑轮611和减速滑轮500之间的区段构成一级第一牵引段，一级线缆1011位于一级第二换向滑轮612和减速滑轮500之间的区段构成一级第二牵引段，二级线缆1002位于二级第一换向滑轮701和减速滑轮500之间的区段构成二级第一牵引段。一级第一牵引段与二级第一牵引段之间夹角为α，一级第二牵引段与二级第一牵引段之间夹角为β。此时，一级线缆1011每收放(1/cosα+1/cosβ)个单位长度、引起二级线缆1002收放一个单位长度，实现了将电机的输出速度按(1/cosα+1/cosβ):1的减速比传递给末端线缆。随着减速滑轮500沿减速滑轮滑动槽901往复运动，夹角α与β的大小将发生变化。即该牵引装置的减速比根据减速滑轮500在减速滑轮滑动槽901上的不同位移非线性地变化。

应当理解，以上各实施方式中除了与各级线缆绕过的减速滑轮直接相邻(即线缆依次直接绕过减速滑轮与换向滑轮)的换向滑轮外，其余各滑轮的设置均不影响牵引装置的减速比，因此这些其余滑轮的数量和位置可以根据线缆的走向而变换设置方式。此外，张紧滑轮也能够起到使线缆变向的作用，因此根据需要，各固定的换向滑轮处均可以用张紧滑轮代替。

应当理解，在中心轴上设置圆形的轮盘形成的滑轮结构并不是必须的。本发明中的各滑轮可以不具备轮盘结构；也可以在中心轴上设置其他异形的轮盘结构，轮盘可以不与中心轴发生相对转动、中心轴与基板也不发生相对转动。此外，本发明中另一端与基板3相对固定的一级线缆1001/1011、以及二级线缆1002(指第二实施方式中的另一端与基板3相对固定的二级线缆1002)，其可以绕过换向滑轮后固定于基板3，也可以直接固定于换向滑轮；当一级线缆1001/1011的另一端固定于一级第二换向滑轮602、二级线缆1002的另一端固定于二级第一换向滑轮701时，一级第二换向滑轮602、二级第一换向滑轮701的轮盘与基板3不能发生转动。

应当理解，本发明中为滑轮提供往复运动导向的滑动槽也可以使用现有技术中的其他引导结构代替，如滑轨结构。

应当理解，本发明中的线缆是广义的条状传动带，对于其构成材料或硬度没有限制。

应当理解，本发明中的驱动电机也可以由现有技术中的其他驱动件代替，如气缸、液压缸等。

为了实现对牵引装置中线缆位移精度的反馈控制，在本发明中，可以在牵引装置的任一线缆路径上设置用于测量距离的传感器，结合传感器的测量数据和牵引装置的减速比可以计算当前牵引装置提供的实际牵引位移，当实际牵引位移与目标位移发生偏差时，可以及时补偿误差。

以上各个实施例在不违背本发明精神范围内可以任意地进行组合。为简洁起见，本文省略了部分零部件的描述，然而该部分零部件均应当理解为能够采用现有技术实施。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

此外，需要说明：

(1)根据本发明的一个实施方式示出了一种由六套牵引装置构成的具有六个自由度的机械手，在实际应用中，机械手的自由度和牵引装置的数量均可以根据实际需要进行调整。

(2)本发明所称的操纵装置不限于具有腕部和爪部结构的形如手状的机械手，操纵装置动作执行端的动作执行部件可以根据需要改变其形态；各动作执行部件可以相互独立设置，也可以将多个动作部件以可相互移动地形式串/并联，此时，一套牵引装置仍对应控制一个动作执行部件，但一个动作执行部件的动作可能受多套牵引装置的影响，因为相互可移动地串/并联的多个动作执行部件，其运动是会相互影响的。

(3)本发明所称的一个动作执行部件，包括只由一个可动零部件构成的动作执行部件，也包括由多个可动零部件构成的、多个可动零部件之间能够相对运动的动作执行部件。

Claims (10)

1.一种牵引装置，其包括基板、驱动装置、第一减速滚子、一级传动带和二级传动带，所述基板上设有第一滑动槽，所述第一减速滚子能沿所述第一滑动槽往复运动地设置于所述基板上，其中，

所述一级传动带的第一端与所述驱动装置相连，所述一级传动带的第二端绕过所述第一减速滚子后固定于所述基板，所述二级传动带的第一端与所述第一减速滚子相连，所述二级传动带的第二端向下游延伸。

2.根据权利要求1所述的牵引装置，其特征在于：还包括一级第一换向滚子、一级第二换向滚子和二级第一换向滚子，所述一级传动带的第二端依次绕过所述一级第一换向滚子、所述第一减速滚子后固定于所述一级第二换向滚子，所述二级传动带的第二端首先绕过所述二级第一换向滚子后向下游延伸。

3.根据权利要求2所述的牵引装置，其特征在于：所述一级传动带位于所述一级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第一牵引段，所述一级传动带位于所述一级第二换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第二牵引段，所述二级传动带位于所述二级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成二级第一牵引段，

所述一级第一牵引段、所述一级第二牵引段和所述二级第一牵引段互相平行。

4.根据权利要求2所述的牵引装置，其特征在于：所述一级传动带位于所述一级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第一牵引段，所述一级传动带位于所述一级第二换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成一级第二牵引段，所述二级传动带位于所述二级第一换向滚子和所述第一减速滚子之间的区段构成二级第一牵引段，

所述二级第一牵引段与所述一级第一牵引段不平行和/或所述二级第一牵引段与所述一级第二牵引段不平行。

5.根据权利要求1所述的牵引装置，其特征在于：还包括三级传动带和第二减速滚子，所述基板上还设有第二滑动槽，所述第二减速滚子能沿所述第二滑动槽往复运动地设置于所述基板上，所述二级传动带的第二端绕过所述第二减速滚子后固定于所述基板，所述三级传动带的第一端与所述第二减速滚子相连，所述三级传动带的第二端向下游延伸。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的牵引装置，其特征在于：还包括张紧装置，所述张紧装置包括至少一个张紧滚子，所述张紧滚子相对所述基板位置可调地设置于所述基板，所述一级传动带和/或所述二级传动带绕过所述张紧滚子。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的牵引装置，其特征在于：还包括传感器，所述传感器用于测量任一传动带上目标点的位移。

8.一种操纵装置，其包括至少一组牵引装置和至少一个动作件，所述牵引装置为权利要求1至7中任一项所述的牵引装置，每一组所述牵引装置延伸至下游的传动带的末端与一个所述动作件相连以传递牵引力。

9.根据权利要求8所述的操纵装置，其特征在于：所述牵引装置有多组，所述动作件有多个，多个所述动作件中的至少两个能够彼此相对活动地连接以构成联动动作件，所述联动动作件中的每一个动作件能单独接受一组所述牵引装置的牵引而动作，且所述联动动作件中的至少一个动作件能跟随所述联动动作件中的另一个动作件的动作而动作。

10.根据权利要求8所述的操纵装置，其特征在于：所述牵引装置有多组，所述动作件有多个，多个所述动作件中的至少一个动作件构成所述操纵装置的爪部，多个所述动作件中的至少一个动作件构成所述操纵装置的腕部，所述爪部的动作件设置于所述腕部的动作件上并能跟随所述腕部的动作件运动。