CN102627234A - 一种具有测力功能的柔索牵引装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有测力功能的柔索牵引装置，包括支架、光电编码器、安装在支架上的输出导向装置、电机、端盖、安装在支架里测力导向装置、牵引轮和固定导向装置；所述的测力导向装置包括信号线、S型拉力传感器、导向轮，S型拉力传感器安装在支架里，信号线安装在S型拉力传感器上并穿出支架，导向轮通过导向轮支架安装在S型拉力传感器上，牵引轮与导向轮相切布置；所述的固定导向装置包括固定导向轮、固定导向支架，固定导向轮通过固定导向支架安装在支架里；电机一端连接光电编码器、另一端连接牵引轮，柔索穿过输出导向装置缠绕在固定导向轮、导向轮和牵引轮上。本发明结构简单紧凑、体积小，整体模块化设计，便于安装和运输。

Description

一种具有测力功能的柔索牵引装置

技术领域

本发明涉及的是一种机械传动领域的柔索牵引装置。

背景技术

柔索驱动作为一种新兴的传动方式，具有良好的应用前景。在对精度要求不高的情况下，柔索驱动在加工、装配、航空航天、医疗康复及工程领域已经得到了广泛的应用。柔索驱动具有以下优点：(1)柔顺性好，不会产生刚性冲击；(2)负载自重比大，即在单位重量下柔索具有很高的承载能力；(3)环境适应能力强，易于可重构、模块化设计；(4)柔索惯性小，响应速度快；(5)传动灵活，工作空间大。在柔索驱动中，柔索牵引装置尤为重要。

关于柔索牵引装置，国内外关于柔索牵引装置的专利中：具有零位调节的绳索张力检测机构(专利号为CN201010155278.8)提供了一种能够检测柔索动态、静态张力的装置，但是该装置限制了柔索的传动方向，缩小了柔索的工作空间；可重构式柔索驱动并联机器人及其驱动装置(专利号为CN200910088558.9)提供了一种驱动模块可以使柔索工作稳定不脱落，并能保证柔索有序排列，在断电的情况下不会造成柔索松弛和相互缠绕的情况，但是该装置无法检测柔索张力。Continuous cable rotary drive apparatus(专利号为US5562556)提供了一种旋转装置来牵引缠绕柔索，但是柔索在该装置中极易脱落，工作不稳定。目前，动态检测柔索张力的主要方法是将传感器置于柔索中间，传感器跟随柔索一起运动，但是这样增大了测量误差，在力精度要求较高的场合，会严重影响力控制效果。

为了充分发挥柔索驱动的优势，综合分析现有的柔索牵引装置的优劣，具有测力功能的柔索牵引装置须满足以下几个要求：

牵引装置结构紧凑、占用空间小，便于可重构和模块化设计；

能实现多自由度的柔索牵引，柔索不脱落、卡死，工作效率高；

实时动态检测柔索张力，测量误差低。

发明内容

本发明的目的在于提供具有结构简单紧凑、体积小等特点的一种具有测力功能的柔索牵引装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：包括支架、光电编码器、安装在支架上的输出导向装置、电机、端盖、安装在支架里测力导向装置、牵引轮和固定导向装置；所述的测力导向装置包括信号线、S型拉力传感器、导向轮，S型拉力传感器安装在支架里，信号线安装在S型拉力传感器上并穿出支架，导向轮通过导向轮支架安装在S型拉力传感器上，牵引轮与导向轮相切布置；所述的固定导向装置包括固定导向轮、固定导向支架，固定导向轮通过固定导向支架安装在支架里；电机一端连接光电编码器、另一端连接牵引轮，柔索穿过输出导向装置缠绕在固定导向轮、导向轮和牵引轮上。

本发明还可以包括：

1、所述的输出导向装置包括输出导向轮、输出导向轮支架，输出导向轮有三个、均安装在输出导向轮支架上，三个输出导向轮相邻夹角均为120度，输出导向轮支架中空、且能够绕轴心自由转动，柔索穿过三个输出导向轮轮槽组成的圆形通道和输出导向轮支架。

2、还包括防脱落装置，所述的防脱落装置包括尼龙轮、弹簧支架，弹簧支架安装在支架里，尼龙轮连接弹簧支架，尼龙轮压紧在牵引轮的柔索输出部位，同时尼龙轮跟随牵引轮转动。

3、柔索经过固定导向装置后，牵引方向改变90°输出。

本发明的优势在于：结构简单紧凑、体积小，整体模块化设计，便于安装和运输。在工作过程中，柔索经过导向轮输出，避免了和本体发生滑动摩擦，降低了传动阻尼；同时，柔索在传动过程中不脱落、不松动，提高了传动效率。3个夹角120°分布的输出导向轮保证了柔索始终经过输出导向轮的轮槽输出，当柔索牵引方向发生改变时，输出导向装置跟随柔索发生相应的转动，实现了空间多自由度的柔索牵引，扩大了柔索牵引装置的工作范围。拉力传感器的测量值是实际柔索张力的2倍，降低了传感器噪声对实际柔索张力值的影响；传感器固定放置，避免了传感器运动引起的测量误差，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明具有测力功能的柔索牵引装置的总体装配图；

图2是本发明具有测力功能的柔索牵引装置除去端盖的装配图；

图3是本发明具有测力功能的柔索牵引装置除去端盖的主视图；

图4是输出导向装置与支架的装配爆炸图；

图5是输出导向装置的俯视图；

图6是柔索张力测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明的总体装配图如图1所示，去掉端盖后的装配图如图2所示，去掉端盖后的主视图如图3所示：具有测力功能的柔索牵引装置由支架5、永磁直流力矩电机4、光电编码器3、牵引轮8、防脱落装置10、测力导向装置7、固定导向装置9、输出导向装置2、柔索1、端盖6和力信号处理模块等几部分组成。

永磁直流力矩电机4连接在支架5上，其输出端和尾部分别接有牵引轮8和光电编码器3，牵引轮8上缠绕着柔索1。

所述的防脱落装置10由尼龙轮10_1和弹簧支架10_2两部分组成。防脱落装置10被安装在支架5的内壁左侧，依靠弹簧支架10_2，尼龙轮10_1被压紧在牵引轮8上部、靠近柔索输出端的部分。

所述的测力导向装置7由信号线7_1、S型拉力传感器7_2、导向轮支架7_3、托架7_4及导向轮7_5组成。S型拉力传感器7_2通过两端的螺纹孔连接支架5及导向轮支架7_3相连。信号线7_1经支架5上部输出。托架7_4支撑在S型拉力传感器7_2的下部。柔索1从牵引轮8输出，经测力导向装置7牵引方向改变，柔索1与牵引轮8、导向轮75两轮的内切线重合并与支架5底面平行。

所述的固定导向装置9由固定导向轮9_1和固定导向支架9_2组成。固定导向支架9_2连接在支架5内壁的上部。柔索1与固定导向轮9_1、导向轮7_5两轮的内切线重合并与支架5底面平行，柔索1经固定导向装置9，牵引方向改变90°输出。

输出导向装置2与支架5的装配爆炸图如图4所示，其俯视图如图5所示：所述的输出导向装置2由3个夹角为120°输出导向轮2_1和1个能够绕轴心自由转动的输出导向支架2_2组成。3个导向轮21边缘几乎相切，其轮槽共同组成了一个圆形通道，柔索1从中穿过并输出。输出导向支架2_2中空，柔索1从中穿过。输出导向装置2通过孔用弹簧挡圈2_3、2组滚动轴承2_4、轴套2_5和轴用弹簧挡圈2_6与支架5配合。柔索1穿过输出导向装置2输出。

力信号处理模块主要包括对S型拉力传感器7_2输出信号进行放大的信号放大电路和低通滤波电路两部分。

本发明一种具有测力功能的柔索牵引装置，具有柔索牵引、防脱落和测力三项基本功能，整体结构紧凑、体积小，工作效率高，测量误差低，其各项功能是这样实现的：

1.柔索牵引功能。在工作过程中，柔索1的牵引方向、长度及柔索内部张力都会发生相应的变化。利用光电编码器3和测力导向装置7实时检测柔索长度及内部张力，永磁直流力矩电机4根据控制要求带动牵引轮8缠绕柔索1控制柔索长度和张力；输出导向装置2可根据柔索1的方向发生相应的转动，实现多自由度的柔索牵引功能。

2.防脱落功能。防脱落装置10利用弹簧将尼龙轮10_1压紧在牵引轮8的柔索输出部位，保证了柔索不脱离牵引轮8；同时，尼龙轮10_1跟随牵引轮8转动，降低了牵引轮8的转动阻尼，挺高了工作效率。柔索1传递过程中经过的测力导向装置7和固定导向装置9封闭设计，同时支架和导向轮之间缝隙很小，轮槽是梯形结构，保证柔索1不脱离导向装置；输出导向装置2的3个夹角为120°的输出导向轮2_1共同把柔索1包围在轮槽内，保证了柔索1流畅的输出，不脱落、不卡死。

3.测力功能。柔索张力测量原理如图6所示：在工作过程中，柔索内部各处的张力大小是相等的。设计时，导向轮7_5两端的柔索1相互平行，在两根柔索1的牵引下，导向轮7_5跟随S型拉力传感器7_2一起伸缩，S型拉力传感器7_2测量值F₀与实际柔索张力F的关系为：

F₀＝2F                        (1)

但是在实际工作中，由于牵引轮8缠绕柔索1，牵引轮8的缠绕半径会变大。设实际牵引轮8柔索输出端相对于设计要求高出ΔL，此时，S型拉力传感器7_2的测量值F₀与实际柔索张力F的关系为：

F’＝F    (2)

$F_0=(1+\frac{L}{\sqrt{L^2+{\mathrm{\ΔL}}^2}})F---\left(3\right)$

实际缠绕半径变化量ΔL小于

测量值F₀相对于标准值2F减小了0.1％，相对于机械振动及处理电路等引起的测量噪声，该误差可忽略不计。与传统的将传感器置于柔索中间的测量方法相比，该方法大大降低了由于传感器运动引起的测量误差。同时，将柔索张力扩大2倍测量，会降低系统噪声对于测量值的影响。

Claims (5)

1.一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：包括支架、光电编码器、安装在支架上的输出导向装置、电机、端盖、安装在支架里测力导向装置、牵引轮和固定导向装置；所述的测力导向装置包括信号线、S型拉力传感器、导向轮，S型拉力传感器安装在支架里，信号线安装在S型拉力传感器上并穿出支架，导向轮通过导向轮支架安装在S型拉力传感器上，牵引轮与导向轮相切布置；所述的固定导向装置包括固定导向轮、固定导向支架，固定导向轮通过固定导向支架安装在支架里；电机一端连接光电编码器、另一端连接牵引轮，柔索穿过输出导向装置缠绕在固定导向轮、导向轮和牵引轮上。

2.根据权利要求1所述的一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：所述的输出导向装置包括输出导向轮、输出导向轮支架，输出导向轮有三个、均安装在输出导向轮支架上，三个输出导向轮相邻夹角均为120度，输出导向轮支架中空、且能够绕轴心自由转动，柔索穿过三个输出导向轮轮槽组成的圆形通道和输出导向轮支架。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：还包括防脱落装置，所述的防脱落装置包括尼龙轮、弹簧支架，弹簧支架安装在支架里，尼龙轮连接弹簧支架，尼龙轮压紧在牵引轮的柔索输出部位，同时尼龙轮跟随牵引轮转动。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：柔索经过固定导向装置后，牵引方向改变90°输出。

5.根据权利要求3所述的一种具有测力功能的柔索牵引装置，其特征是：柔索经过固定导向装置后，牵引方向改变90°输出。

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