CN103350970A - 基于恒力弹簧的线控欠驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于动力传动技术领域，具体涉及一种基于欠驱动技术的拉线输出装置。一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，其技术方案是，采用恒力弹簧与线驱动技术相结合的方式，在机械结构设计和理论力学分析的基础上，设计一种欠驱动的机械装置，该装置包括：绕线帽（1）、悬臂（2）、固定板（3）、套筒（4）、中心轴（5）、恒力弹簧（6）、深沟球轴承（7）、滚子轴承（8）、驱动器（9）和柔性线绳（10）；利用本发明可以实现设备规定空间路线轨迹的往复运动，实现平移和上下两个自由度的运动，另外本发明还具有体积小，成本低，灵活度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于动力传动技术领域，具体涉及一种基于欠驱动技术的拉线输出装置。
背景技术
随着自动化技术的不断发展，自动化设备也被广泛地应用于各种场合。而在其中相当一部分设备的主要功能是实现目标物体或者设备末端沿着空间固定轨迹移动。传统的实现方法一般采用多自由度的机构设计并且配以等量数目的驱动装置实现，缺点是体积大，成本高，灵活度低，尤其是在一些特殊要求的场合下，如狭窄空间下的多点测量设备，使用传统方法设备所占空间大且使用驱动装置数量多，会导致设备的故障率上升等问题。因此设计一种可以减小空间体积与驱动装置数目的欠驱动机构是必须的。
申请号为201010608237.X的中国专利申请公开了一种基于欠驱动的拉线输出结构，该结构可以实现一个驱动器控制多组输出拉线的目的。但是，其拉线所实现的空间固定轨迹仅仅为一个方向的往复运动，而非较为复杂的多方向空间运动轨迹。
申请号为02153489.6的中国专利申请公开了一种具有形状自适应的欠驱动机械手指装置，该装置用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度。但是其被动自由度的运动轨迹短，应用限制较大。
发明内容
本发明的目的是：为弥补现有技术的不足，针对具有固定空间运动轨迹的自动化设备，设计了一种基于恒力弹簧的欠驱动装置；同时使用线驱技术，增加了末端冗余，避免了机械硬接触带来的损伤；
本发明的技术方案是：一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，它包括：绕线帽、悬臂、固定板、套筒、中心轴、恒力弹簧、深沟球轴承、滚子轴承、驱动器和柔性线绳；
悬臂的底面设有轴套，轴套的通孔与悬臂的表面相通，在悬臂的表面设有穿线孔，悬臂一侧的端面上设有限位块；
固定板一侧端面上设有径向向上的挡块，与挡块相对的端面上设有支臂，支臂与固定板在同一平面内相垂直，支臂上设有挂钩；
中心轴由四个同轴的圆柱结构构成，四个同轴的圆柱结构的从上至下分为第一级圆柱、第二级圆柱、第三级圆柱和第四级圆柱，并且半径依次递增；其中，第四级圆柱的下端面设有中心凹槽，上端面设有水平凸沿；
整体连接关系为：中心轴由其第四级圆柱的下端面的中心凹槽与驱动器的输出轴相连；套筒套接在中心轴的外侧，上端面与中心轴中的第三级圆柱的上端面齐平；深沟球轴承安装在中心轴的第四级圆柱与套筒之间；恒力弹簧套接在中心轴中的第三级圆柱上，其外圈接口与套筒相连接固定；在套筒的上端面上依次安装固定板、悬臂与绕线帽，其中悬臂的轴套套接在中心轴中的第二级圆柱与第二级圆柱的外表面，并且与恒力弹簧的内圈接口相连接，滚子轴承安装在悬臂与中心轴中的第二级圆柱之间；绕线帽套接在中心轴中的第二级圆柱上；柔性线绳的一端固定在绕线帽上，另一端绕过固定板支臂上的挂钩后从悬臂的穿线孔处穿出。
本发明的有益效果是：（1）恒力弹簧的使用：由于其外端的输出力恒定，在固定结构中所输出的力矩也是恒定值，当驱动器工作过程中，输出功率恒定，相比其他种类的弹簧（如扭簧等），可以大大提高电机的使用寿命。
（2）线驱动技术的使用：自动化设备末端使用线驱动技术可以提高设备的灵活性，增加末端的冗余，从而避免由于控制精度较低而导致的末端与其他机械的硬接触，从而导致设备损伤情况的出现。
（3）欠驱动的实现：可以在确定机构自由度的情况下，减少所对应的驱动器的数目，从而减轻设备的重量与体积，适合更为苛刻的工作条件，同时在大规模使用驱动器的工况下，欠驱动技术可以成倍的减少驱动器的数目，从而降低设备整体的故障率。
（4）在被动自由度实现的过程中，可以调节线绳与悬臂之间的夹角（大于00小于1800），从而改变悬臂的停止位置。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为本发明的中心轴的剖视图；
图4为本发明处于储存位时的状态图；
图5为本发明工作时的状态图；
图6为本发明工作时的状态图；
图7为本发明工作时的状态图；
图8为本发明返回储存位时的状态图；
其中，1-绕线帽、2-悬臂、3-固定板、4-套筒、5-中心轴、6-恒力弹簧、7-深沟球轴承、8-滚子轴承、9-驱动器、10-柔性线绳。
具体实施方式
参见附图1、2，一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，它包括：绕线帽1、悬臂2、固定板3、套筒4、中心轴5、恒力弹簧6、深沟球轴承7、滚子轴承8、驱动器9和柔性线绳10；
悬臂2的底面设有轴套，轴套的通孔与悬臂2的表面相通，在悬臂2的表面设有穿线孔，悬臂2一侧的端面上设有限位块；
固定板3一侧端面上设有径向向上的挡块，与挡块相对的端面上设有支臂，支臂与固定板3在同一平面内相垂直，支臂上设有挂钩；
参见附图3，中心轴5由四个同轴的圆柱结构构成，四个同轴的圆柱结构的从上至下分为第一级圆柱、第二级圆柱、第三级圆柱和第四级圆柱，并且半径依次递增；其中，第四级圆柱的下端面设有中心凹槽，上端面设有水平凸沿；
整体连接关系为：中心轴5由其第四级圆柱的下端面的中心凹槽与驱动器9的输出轴相连；套筒4套接在中心轴5的外侧，上端面与中心轴5中的第三级圆柱的上端面齐平；深沟球轴承7安装在中心轴5的第四级圆柱与套筒4之间；恒力弹簧6套接在中心轴5中的第三级圆柱上，其外圈接口与套筒4相连接固定；在套筒4的上端面上依次安装固定板3、悬臂2与绕线帽1，其中悬臂2的轴套套接在中心轴5中的第二级圆柱与第二级圆柱的外表面，并且与恒力弹簧6的内圈接口相连接，滚子轴承8安装在悬臂2与中心轴5中的第二级圆柱之间；绕线帽1套接在中心轴5中的第二级圆柱上；柔性线绳10的一端固定在绕线帽1上，另一端绕过固定板3支臂上的挂钩后从悬臂2的穿线孔处穿出。
上述方案中，柔性线绳10可以为钢丝绳或鱼线；固定板3支臂处的挂钩可以用滚轮代替；
柔性线绳10的另一端连接设备，恒力弹簧6的弹力大于设备的重力；
参见附图4，非工作状态时，悬臂2的一端被栓有设备柔性线绳10拉紧，悬臂2的另一端旋转恒力弹簧6的内圈，使其呈处于受力状态，整个装置处于储存位；
参见附图5，工作状态时，驱动器9通过中心轴5带动绕线帽1运动，放线开始后，悬臂2在恒力弹簧6的作用力下开始旋转，放线长度用于悬臂2转动而引起的位移，设备未下降；
参见附图6，当悬臂2的限位块与固定板3的径向挡块接触时，产生机械限位，悬臂2停止旋转运动，此时绕线帽1继续放线，放线长度用于设备下降产生的位移，当设备下降至工作位时，驱动器9停止；
参见附图7、8，当设备从工作位返回时，驱动器9反转，绕线帽1开始收线，设备向上运动直至与悬臂2接触；此后，绕线帽1继续收线，柔性线绳10拉动悬臂2克服恒力弹簧6的弹力，向内旋转，达到储存位后驱动器9停止运动。
Claims (3)
1.一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，其特征是，它包括：绕线帽（1）、悬臂（2）、固定板（3）、套筒（4）、中心轴（5）、恒力弹簧（6）、深沟球轴承（7）、滚子轴承（8）、驱动器（9）和柔性线绳（10）；
所述悬臂（2）的底面设有轴套，所述轴套的通孔与所述悬臂（2）的表面相通，在所述悬臂（2）的表面设有穿线孔，所述悬臂（2）一侧的端面上设有限位块；
所述固定板（3）一侧端面上设有径向向上的挡块，与所述挡块相对的端面上设有支臂，所述支臂与所述固定板（3）在同一平面内相垂直，所述支臂上设有挂钩；
所述中心轴（5）由四个同轴的圆柱结构构成，所述四个同轴的圆柱结构的从上至下分为第一级圆柱、第二级圆柱、第三级圆柱和第四级圆柱，并且半径依次递增；其中，所述第四级圆柱的下端面设有中心凹槽，上端面设有水平凸沿；
整体连接关系为：所述中心轴（5）由其第四级圆柱的下端面的中心凹槽与所述驱动器（9）的输出轴相连；所述套筒（4）套接在所述中心轴（5）的外侧，上端面与所述中心轴（5）中的第三级圆柱的上端面齐平；所述深沟球轴承（7）安装在所述中心轴（5）的第四级圆柱与所述套筒（4）之间；所述恒力弹簧（6）套接在所述中心轴（5）中的第三级圆柱上，其外圈接口与所述套筒（4）相连接固定；在所述套筒（4）的上端面上依次安装所述固定板（3）、所述悬臂（2）与所述绕线帽（1），其中所述悬臂（2）的轴套套接在所述中心轴（5）中的第二级圆柱与第二级圆柱的外表面，并且与所述恒力弹簧（6）的内圈接口相连接，所述滚子轴承（8）安装在所述悬臂（2）与所述中心轴（5）中的第二级圆柱之间；所述绕线帽（1）套接在所述中心轴（5）中的第二级圆柱上；所述柔性线绳（10）的一端固定在所述绕线帽（1）上，另一端绕过所述固定板（3）支臂上的挂钩后从所述悬臂（2）的穿线孔处穿出。
2.如权利要求1所述的一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，其特征是，所述柔性线绳（10）为钢丝绳或鱼线。
3.如权利要求1或2所述的一种基于恒力弹簧的线控欠驱动装置，其特征是，所述柔性线绳（10）的另一端连接设备，所述恒力弹簧（6）的弹力大于所述设备的重力；
非工作状态时，所述悬臂（2）的一端被栓有所述设备所述柔性线绳（10）拉紧，所述悬臂（2）的另一端旋转所述恒力弹簧（6）的内圈，使其呈处于受力状态，整个装置处于储存位；
工作状态时，所述驱动器（9）通过所述中心轴（5）带动所述绕线帽（1）运动，放线开始后，所述悬臂（2）在所述恒力弹簧（6）的作用力下开始旋转，放线长度用于所述悬臂（2）转动而引起的位移，所述设备未下降；
当所述悬臂（2）的限位块与所述固定板（3）的径向挡块接触时，产生机械限位，所述悬臂（2）停止旋转运动，此时所述绕线帽（1）继续放线，放线长度用于所述设备下降产生的位移，当所述设备下降至工作位时，所述驱动器（9）停止；
当所述设备从工作位返回时，所述驱动器（9）反转，所述绕线帽（1）开始收线，所述设备向上运动直至与所述悬臂（2）接触；此后，所述绕线帽（1）继续收线，所述柔性线绳（10）拉动所述悬臂（2）克服所述恒力弹簧（6）的弹力，向内旋转，达到储存位后所述驱动器（9）停止运动。
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