CN105798900A - 基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法 - Google Patents

基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法，尤其涉及多关节的绳驱动串联机械臂系统。该机构包括固定轮、随动轮、主动轮、导向滑轮、行星轮系。主动轮与关节连杆连接，固定轮与关节基座连接，利用行星轮系驱动随动轮，实现随动轮旋转速度是关节连杆旋转速度的1/2。后端关节的驱动绳索按随动轮上的导线槽正反向缠绕，这样，由关节连杆转动引起的驱动绳索位移变化和由随动轮转动导致的位移变化相互抵消。经过解耦机构后的驱动绳索与关节连杆无相对位移，实现绳索的运动解耦。该解耦机构可以工作在0~300℃范围内，工作范围大，结构简单、紧凑、可靠。该绳索运动解耦机构与绳驱动关节配套安装，可以实现模块化，应用范围广。

Description

基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法
技术领域
本发明涉及一种基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法，尤其涉及多关节的绳驱动串联运动耦合的机械臂系统。
背景技术
目前广泛应用的机械臂体积质量大、结构复杂、刚性高、负载自重比低，抓取负载耗能大，效率低。为了降低机械臂的重量和转动惯量，近年来，很多研究人员将绳索驱动技术运用到串联机械臂中。
绳索驱动技术采用绳索传递运动和力。它将驱动单元全部安装在基座上，通过绳索远程传递运动和力，实现关节的运动。因为驱动单元外置，并且采用绳索传动，机械臂的质量及体积可以大幅降低，但同时会引入关节耦合的问题。所谓关节运动耦合是指一个关节的运动导致另一个关节的附带运动。在绳驱动串联机械臂中，绳索驱动前端关节运动时会导致后端关节的驱动绳索的变化进而导致关节的附带转动。目前，针对关节解耦主要有两种方法：一、采用运动控制算法进行主动解耦，随着关节的增多，控制算法的复杂度会急剧增加；二、采用套索传动，不存在运动耦合现象，但绳索与套索间摩擦大，且存在死区、间隙、迟滞等非线性特性，机械臂的控制精度及动态响应特性难以保证。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为了解决串联绳驱动机械系统驱动绳索的运动耦合问题，本发明提供了一种基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法，结构简单可靠，易于实现。
一种基于轮系的绳驱动解耦机构，其特征在于:
从前向后依次包括关节基座、固定轮、随动轮、行星轮系、主动轮、当前关节连杆；其中固定轮与关节基座固定连接不能转动；主动轮与当前关节连杆固定连接，跟随当前关节连杆转动；随动轮包括随动轮主体；
上述的行星齿轮系包括固定齿轮、主动齿轮，左行星齿轮和右行星齿轮；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮与主动齿轮齿数相同，左行星齿轮和右行星齿轮齿数相同。固定齿轮与固定轮连接，主动齿轮与主动轮连接，左行星齿轮和右行星齿轮沿自身轴线方向运动受到限制，绕轴线可以转动；左行星齿轮和右行星齿轮通过与固定齿轮、主动齿轮的啮合限制随动轮的轴向运动和周向转动；
该机构还包括一根后端关节左驱动绳索、一根后端关节右驱动绳索；
上述随动轮主体的前侧安装前侧导线盘，后侧安装后侧导线盘，前侧导线盘和后侧导线盘结构相同，均加工有同心圆环导线槽，同心圆环导线槽后端关节驱动绳索导线环槽；随动轮主体上方还安装左定滑轮模块和右定滑轮模块；左定滑轮模块和右定滑轮模块均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；
上述固定轮下方和主动轮下方均设置有两个与轮轴轴线平行的通孔，且通孔进行圆角处理或安装滑轮分别用于上述后端关节左驱动绳索、后端关节右驱动绳索的导向；
上述后端关节左驱动绳索的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块，再经过左定滑轮模块换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，左驱动绳索的末端与后端关节的旋转连杆相连；
上述后端关节右驱动绳索的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块，再经过右定滑轮模块换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，右驱动绳索的末端与后端关节的旋转连杆相连；
上述结构中所述顺时针方向和逆时针方向均指从前向后观察。
所述基于轮系的绳驱动解耦机构的解耦方法，其特征在于：
利用行星齿轮系的驱动，实现随动轮运动角速度为当前关节连杆旋转角速度ω的一半，即为ω/2。并且通过左行星齿轮、右行星齿轮与固定齿轮、主动齿轮的可靠啮合，实现随动轮正反向可靠驱动；
并通过后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索位移变化率的是随动轮运动角速率ω/2的2r倍，其中r为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后导线盘上的驱动绳索导线环槽的走线半径，ω为当前关节连杆的旋转角速度；
由当前关节连杆转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生+ωΔtgr，-ωΔtgr的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；由随动轮转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2rgω/2gΔt、+2rgω/2gΔt的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；两者实现相互抵消；即无论当前关节连杆带动主动轮如何旋转，经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索的后端与当前关节连杆无相对位移，实现关节间的解耦。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
本发明驱动绳索的运动被动解耦机构，可以实现关节运动时驱动绳索的运动被动解耦，无须主动解耦，简化了运动控制算法。该机构采用绳索-滑轮的传动机制，摩擦力小，响应性能好，避免了套索驱动的大摩擦、死区、迟滞等非线性驱动特性。该解耦机构可以工作在0～300°范围内，工作范围大，结构简单、紧凑、可靠。该解耦机构与绳驱动关节配套安装，可以实现模块化，应用范围广，成本低。
附图说明
图1是本发明绳索运动解耦机构的立体分解图；
图2是本发明随动盘主体的立体图；
图3是本发明绳索运动解耦机构整体结构示意图；
图4是本发明驱动绳索缠绕方式的立体图；
图5是本发明驱动绳索的运动解耦过程示意图；
图中标号名称:1固定轮；2随动轮；3主动轮；4行星齿轮系；
41固定齿轮；42主动齿轮；43左行星齿轮；44右行星齿轮；
21-1左定滑轮模块；21-2右定滑轮模块；22前侧导线盘；23后侧导线盘；24随动轮主体；24-1导线盘安装螺纹孔；24-2定滑轮轴孔；24-3套筒孔；24-4套筒安装螺纹孔；
51当前关节左驱动绳索；52当前关节右驱动绳索；
61后端关节左驱动绳索；62后端关节右驱动绳索；
7关节基座；8当前关节连杆；9后端关节连杆；
101后端关节的驱动单元；102当前关节的驱动单元。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及及优选实施的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
请参阅图1及图3所示，本发明公开了一种绳驱动串联机械臂的驱动绳索运动被动解耦机构，从前向后依次包括关节基座7、固定轮1、随动轮2、行星轮系4、主动轮3、当前关节连杆8；其中固定轮1与关节基座7固定连接不能转动；主动轮3与当前关节连杆8固定连接，跟随当前关节连杆8转动；固定齿轮41通过平键与固定轮1连接，主动齿轮42通过平键与主动轮3连接；随动轮2通过安装在随动轮主体24上的左行星齿轮43、右行星齿轮44与主动齿轮42、固定齿轮41相啮合，限制随动轮2的轴向运动和轴向转动；该机构还包括一根后端关节左驱动绳索61、一根后端关节右驱动绳索62；
其中，所述的固定轮1与关节基座7紧固，固定轮1轮盘表面加工有导线环槽，用于引导后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62走线，固定轮轮盘上加工有两个与轮轴线平行的通孔，在经过圆角处理后或在通孔口处安装滑轮对后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62导向。固定轮1上加工有齿轮轴孔和键槽，通过平键与固定齿轮41连接固定。
其中，所述的主动轮3与当前关节连杆8紧固，主动轮3轮盘表面加工有导线环槽，用于引导后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62走线，固定轮轮盘上加工有两个与轮轴线平行的通孔，在经过圆角处理后或在通孔口处安装滑轮对后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62导向。主动轮3上加工有齿轮轴孔和键槽，通过平键与主动齿轮42连接固定。
其中，所述随动轮2包括左导线盘22、随动轮主体24、右导线盘23、左定滑轮模块21-1和右定滑轮模块21-2，请参阅图2所示。左定滑轮模块21-1和右定滑轮模块21-2及前侧导线盘22，后侧导线盘23用于后端关节驱动绳索的走线。前侧导线盘22、后侧导线盘23与随动轮主体24通过螺钉紧固，并且两导线盘结构相同，导线盘上的导线槽半径相等，均为r，24-1为导线盘安装螺纹孔。24-2为定滑轮轴孔，用于安装定滑轮模块，24-3为套筒孔，24-4为套筒安装螺纹孔，用于固定套筒；
其中，所述行星轮系4中，各个齿轮的模数相同，固定齿轮41与主动齿轮42齿数相同，与左行星齿轮43、右行星齿轮44相啮合。左行星齿轮43、右行星齿轮44为齿轮轴，采用轴承承受径向载荷，轴承外圈与套筒配合，套筒通过螺钉固定于随动轮主体24。限制当前关节连杆8的轴向位移、并调节左行星齿轮43、右行星齿轮44的旋转角度，实现行星齿轮系4的可靠啮合，驱动随动轮2正反向旋转。因为主动齿轮41与固定齿轮42齿数相同，左行星齿轮43、右行星齿轮44与主动齿轮41与固定齿轮42啮合，可知随动轮2旋转的角速度为左行星齿轮43、右行星齿轮44的公转角速度，行星齿轮公转系杆的传动比i＝1+z固/z主＝2，由此可知，随动轮2旋转的角速度为主动轮3转速的1/2。
其中，如图3、4所示，所述当前关节连杆8的旋转，采用当前关节左驱动绳索51、当前关节右驱动绳索52远程驱动。当前关节左驱动绳索51、当前关节右驱动绳索52的上端的末端固定在当前关节连杆8上，下端的末端与当前关节驱动单元102固结。当前关节左驱动绳索51、当前关节右驱动绳索52缠绕在当前关节连杆8上，当前关节左驱动绳索51按逆时针方向缠绕，而当前关节右驱动绳索52以顺时针方向缠绕。当前关节连杆8沿着如图3方向转动时，当前关节左驱动绳索51缠绕在当前关节连杆8上，当前关节右驱动绳索52从当前关节连杆8上剥离，且剥离量与缠绕量对应的绳长相等，不会导致某根绳索过于紧绷或松弛的现象，确保绳索正反向驱动的可靠性。
其中，如图3、4、5中所示，所述后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62，后端关节左驱动绳索61的前端用于与后端关节的驱动单元101相连；之后先穿过固定轮1上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘22的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块21-1，再经过左定滑轮模块21-1换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘23的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮3上的对应通孔后，后端关节左驱动绳索61的末端用于与后端关节连杆9相连；后端关节右驱动绳索62的前端用于与后端关节的驱动单元101相连；之后先穿过固定轮1上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘22的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块21-2，再经过右定滑轮模块21-2换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘23的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮3上的对应通孔后，后端关节右驱动绳索62的末端与后端关节连杆9相连；由于后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62沿着前侧导线盘22、后侧导线盘23上的导线环槽缠绕，并且前侧导线盘22、后侧导线盘23上的导线环槽半径相等，均为r，所以随动轮2转动导致的后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62右侧末端的位移速率是随动轮旋转角速率的2r倍。如图5左图所示，当主动轮3以图3所示方向、ω角速度转动时，通过主动轮3上通孔的导向，后端关节左驱动绳索61沿着后侧导线盘23上的导线环槽脱离，后端关节左驱动绳索61的右侧末端产生+ωΔtgr位移，而后端关节右驱动绳索62沿着后侧导线盘23上的导线环槽缠绕，后端关节右驱动绳索62的右侧末端产生-ωΔtgr位移(ω为主动轮3的旋转角速度，r为前侧导线盘22、后侧导线盘23上驱动绳索导线环槽的半径，以沿着绳索方向向上为正)。如图5右图所示，由于行星齿轮系4的驱动，随动轮2以ω/2角速度跟随主动轮3同向转动，随动轮2旋转的角度ωΔt/2。因为随动轮2转动后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62右侧末端的位移速率是随动轮2角速率的2r倍，所以后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62的右侧末端的位移大小为ωΔt/2g2r＝ωΔtgr。随动轮2的转动，导致后端关节左驱动绳索61会继续沿着前侧、后侧导线盘上的导线环槽缠绕，缠绕长度为ωΔtgr，也即后端关节左驱动绳索61的右端将产生-ωΔtgr位移。后端关节右驱动绳索62的一部分将沿着前侧、后侧导线盘上的导线环槽脱离，脱离长度为ωΔtgr，也就是后端关节右驱动绳索62的右端将产生+ωΔtgr位移(沿着绳索方向向上为正)。后端关节左驱动绳索61、后端关节右驱动绳索62在经过解耦模块后，它们右侧的末端与当前关节连杆8无相对移动，实现绳长补偿。也即后端关节的两根驱动绳索没有因当前关节转动而产生与后端关节间的相对移动。实现了当前关节与后端关节的运动解耦。

Claims (2)

1.一种基于轮系的绳驱动解耦机构，其特征在于:
从前向后依次包括关节基座(7)、固定轮(1)、随动轮(2)、行星轮系(4)、主动轮(3)、当前关节连杆(8)；其中固定轮(1)与关节基座(7)固定连接不能转动；主动轮(3)与当前关节连杆(8)固定连接，跟随当前关节连杆(8)转动；随动轮(2)包括随动轮主体(24)；
上述的行星齿轮系(4)包括固定齿轮(41)、主动齿轮(42)，左行星齿轮(43)和右行星齿轮(44)；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮(41)与主动齿轮(42)齿数相同，左行星齿轮(43)和右行星齿轮(44)齿数相同。固定齿轮(41)与固定轮(1)连接，主动齿轮(42)与主动轮(3)连接，左行星齿轮(43)和右行星齿轮(44)沿自身轴线方向运动受到限制，绕轴线可以转动；左行星齿轮(43)和右行星齿轮(44)通过与固定齿轮(41)、主动齿轮(42)的啮合限制随动轮(2)的轴向运动和周向转动；
该机构还包括一根后端关节左驱动绳索(61)、一根后端关节右驱动绳索(62)；
上述随动轮主体(24)的前侧安装前侧导线盘(22)，后侧安装后侧导线盘(23)，前侧导线盘(22)和后侧导线盘(23)结构相同，均加工有同心圆环导线槽，同心圆环导线槽后端关节驱动绳索导线环槽；随动轮主体(24)上方还安装左定滑轮模块(21-1)和右定滑轮模块(21-2)；左定滑轮模块(21-1)和右定滑轮模块(21-2)均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；
上述固定轮(1)下方和主动轮(3)下方均设置有两个与轮轴轴线平行的通孔，且通孔进行圆角处理或安装滑轮分别用于上述后端关节左驱动绳索(61)、后端关节右驱动绳索(62)的导向；
上述后端关节左驱动绳索(61)的前端用于与后端关节的驱动单元(101)相连；之后先穿过固定轮(1)上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘(22)的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块(21-1)，再经过左定滑轮模块(21-1)换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘(23)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(3)上的对应通孔后，左驱动绳索(61)的末端与后端关节的旋转连杆(9)相连；
上述后端关节右驱动绳索(62)的前端用于与后端关节的驱动单元(101)相连；之后先穿过固定轮(1)上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘(22)的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块(21-2)，再经过右定滑轮模块(21-2)换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘(23)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(3)上的对应通孔后，右驱动绳索(62)的末端与后端关节的旋转连杆(9)相连；
上述结构中所述顺时针方向和逆时针方向均指从前向后观察。
2.据权利要求1所述基于轮系的绳驱动解耦机构的解耦方法，其特征在于：
利用行星齿轮系(4)的驱动，实现随动轮(2)运动角速度为当前关节连杆(8)旋转角速度ω的一半，即为ω/2。并且通过左行星齿轮(43)、右行星齿轮(44)与固定齿轮(41)、主动齿轮(42)的可靠啮合，实现随动轮(2)正反向可靠驱动；
并通过后端关节左驱动绳索(61)和后端关节右驱动绳索(62)正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索(61)和后端关节右驱动绳索(62)位移变化率的是随动轮运动角速率ω/2的2r倍，其中r为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后导线盘上的驱动绳索导线环槽的走线半径，ω为当前关节连杆(8)的旋转角速度；
由当前关节连杆(8)转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生+ωΔtgr，-ωΔtgr的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；由随动轮(2)转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2rgω/2gΔt、+2rgω/2gΔt的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；两者实现相互抵消；即无论当前关节连杆(8)带动主动轮(3)如何旋转，经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索(61)和后端关节右驱动绳索(62)的后端与当前关节连杆(8)无相对位移，实现关节间的解耦。
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