CN106986277B - 一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法。主要由光电编码器、永磁直流力矩电机、滚筒、滚珠丝杠、后支架、柔索、U槽导向机构、测力导向机构、周转导向机构及锁合器等组成。永磁直流力矩电机带动滚筒转动，滚筒在滚珠丝杠和圆柱导轨的共同约束下做螺旋运动，可同时实现了卷绳和排绳两个功能。柔索缠绕在滚筒上，依次经U槽导向机构、测力导向机构和周转导向机构输出。拉力传感器测量2倍的柔索张力，可降低传感器噪声以及传感器自身惯性对测量结果的影响；锁合器控制丝杠的转动，可启停排绳功能。本发明兼具卷绳、排绳、导向、测力及防卡死等基本功能，整体模块化设计，结构简单，占用体积小，柔索缠绕均匀，测力精度高。

Description

一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机械传动装置，特别涉及一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法，可以实现柔索沿卷筒轴向规则排布、实时测量柔索张力以及防止机构卡死。

背景技术

柔索传动作为一种新兴的传动方式，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。柔索传动负载自重比大、速度精度比高、响应速度快、柔顺性好、工作方式灵活、环境适应能力强，因此，基于柔索传动的机械装置以及柔索驱动机器人形式多样、应用广泛。在柔索传动的应用过程中，柔索驱动装置的设计尤为重要。

在使用柔索传动时，如果柔索在卷筒上缠绕不当，会出现乱绳、咬绳以及压绳等现象。当柔索杂乱无章地排列在卷筒上时，不仅不能充分利用卷筒的缠绕空间，柔索之间反复的挤压和摩擦还会造成柔索断丝，缩短使用寿命，严重影响测量精度与控制效果。如何能使柔索整齐排列在卷绳筒上并防止柔索混叠是本发明拟解决的问题之一。柔索驱动单元（专利号CN201110172607.4）能够完成空间多自由度的柔索驱动，但是柔索只能混乱缠绕在牵引轮上。一种带排绳器的液压绞盘（专利号CN201410475709.9）通过传动链和双向螺旋杆实现钢丝绳在液压绞盘上规则排布，但排绳器和绳索缠绕筒单独设计，结构复杂。绞车排绳器（专利号CN201210273488.6）通过锥形排绳辊筒的外圆锥面来使得绳紧密排绕在绞车辊筒上。一种自动排绳的电动绞盘（专利号CN201610695542.4）通过电机带动电机轴转动进而实现卷筒在电机轴上水平移动，牵引筒进一步引导钢丝绳的输出以及收拢，但牵引筒由齿轮机构驱动，丝杠与电机轴串联布置，整体结构复杂、体积庞大。

在柔索传动的应用过程中，通常需要监测柔索张力或者对柔索内部张力进行伺服控制。目前，实时检测柔索张力的方法通常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影响力控制效果。如何动态检测柔索张力，减少测量误差，这也是本发明拟解决的另一个技术问题。一种压脉器（专利号CN2608018Y）通过拉力传感器检测压脉带上的压力并控制电机开关，传感器所受拉力大小与柔索张力的大小是非线性的，对张力测量的精度和实时性要求相对较低，无法进行张力控制。一种具有测力功能的柔索牵引装置（专利号CN201210081434.X）可实现空间多自由度的柔索驱动，并且可实时检测柔索张力，但是柔索混乱缠绕在牵引轮上，柔索容易损坏，柔索在牵引轮上的堆叠以及轴向窜动也会影响柔索张力的测量精度。具有零位调节的绳索张力检测机构（专利号CN201010155278.8）可检测柔索动、静态张力，但限制了柔索传动方向和工作空间；可重构式柔索驱动并联机器人及其驱动装置（专利号CN200910088558.9），其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，该装置无法检测柔索张力。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法，可以实现柔索沿卷筒轴向规则排布、实时测量柔索张力以及防止机构卡死。

本发明提供一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其技术方案是包括光电编码器（1）、永磁直流力矩电机（2）、前支架（3）、驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）、滚筒（6）、滚珠丝杠（7）、支撑法兰（8）、后支架（9）、柔索（10）、U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）、周转导向机构（13）、底板（14）、侧板（15）、顶板（16）以及锁合器（17）；

永磁直流力矩电机（2）固定安装在前支架（3）上，电机输出轴通过平键与驱动法兰（4）连接，电机尾部安装有光电编码器（1）；通过光电编码器（1）检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索（10）的线速度和伸缩量；

所述的驱动法兰（4）通过轴承与前支架（3）配合安装，由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）转动；驱动法兰（4）的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨（5），圆柱导轨（5）的另一端固定安装在支撑法兰（8）上；支撑法兰（8）通过轴承与后支架（9）配合安装；驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）和支撑法兰（8）整体由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）和后支架（9）转动，所述锁合器（17）安装在后支架（9）外侧；

所述的滚筒（6）安装在圆柱导轨（5）上，可跟随圆柱导轨（5）绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨（5）在轴线方向上移动；滚筒（6）内部固定安装有螺母（7_2），螺母（7_2）与丝杠（7_1）配合构成滚珠丝杠螺母副；滚筒（6）在圆柱导轨（5）和滚珠丝杠（7）的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能。

所述的柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出。

优选的，上述的丝杠（7_1）可相对于前支架（3）和后支架（9）自由转动，其转动与否通过锁合器（17）控制，丝杠（7_1）相对于圆柱导轨（5）并行布置，螺母（7_2）和滚筒（6）相对于丝杠（7_1）做螺旋运动；丝杠（7_1）的一端通过轴承与驱动法兰（4）配合安装，然后穿过支撑法兰（8），另一端固定安装在后支架（9）上；丝杠（7_1）的螺距大小与柔索（10）直径大小相同，滚筒（6）在转动一周的同时可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索（10）规则的排布在滚筒（6）上，避免咬绳压绳，兼具了卷绳和排绳两个功能。

优选的，上述的U槽导向机构（11）由导向支架（11_1）和U型槽轴承导轮（11_2）组成，安装在顶板（16）内侧；U型槽轴承导轮（11_2）被动跟随柔索（10）转动，保证柔索（10）流畅地传动。

优选的，上述的测力导向机构（12）由S型拉力传感器（12_1）、测力支架（12_2）和第一V型槽轴承导轮（12_3）组成，S型拉力传感器（12_1）固定安装在底板内侧，另一端安装支架（12_2）和第一V型槽轴承导轮（12_3）；测力导向机构（12）可等效于定滑轮机构，柔索（10）经测力导向机构（12）传动方向改变180°；通过第一V型槽轴承导轮（12_3）可进一步约束柔索传动的方向。

优选的，上述的周转导向机构（13）由轴承盖（13_1）、周转支架（13_2）和第二V型槽轴承导轮（13_3）组成，安装在顶板外侧（16）；周转支架（13_2）通过轴承、卡圈与顶板（16）和轴承盖（13_1）组合装配，相对于顶板（16）可绕自身轴线转动；V型槽轴承导轮（13_3）安装在周转支架（13_2）上；柔索（10）穿过周转支架（13_2）的通孔，然后经第二V型槽轴承导轮（13_3）输出；工作过程中，周转支架（13_2）跟随柔索（10）传动方向发生相应的转动，保证柔索（10）顺畅地输出。

优选的，上述的锁合器（17）固定安装在后支架（9）上；锁合器（17）通电，推杆插入丝杠（7_1）末端的凹槽内，丝杠（7_1）的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒（6）移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器（17）会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠（7_1）随滚筒（6）和螺母（7_2）自由转动，停止排绳功能，避免滚筒（6）和柔索（10）在轴线方向上继续相对移动卡死机构。

本发明提到的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置的使用方法，其各项功能的实现方式如下：

（1）卷绳及排绳功能：驱动法兰（4）、支撑法兰（8）以及4根圆柱导轨（5）三者固接共同组成了封闭式的框架结构；滚筒（6）被封闭在驱动法兰（4）和支撑法兰（8）中间，可沿圆柱导轨（5）滑动；永磁直流力矩电机（2）可带动驱动法兰（4）、支撑法兰（8）以及滚筒（6）绕自身轴线转动；滚筒（6）与螺母（7_2）固定安装，丝杠（7_1）固定不动，螺母（7_2）和滚筒（6）相对于丝杠（7_1）做螺旋运动；丝杠（7_1）的螺距大小与柔索（10）直径大小相同，永磁直流力矩电机（2）带动滚筒（6）转动一周的同时，滚筒（6）可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索（10）规则的排布在滚筒（6）上，避免咬绳压绳，同时实现了卷绳和排绳两个功能；柔索（10）的线速度以及伸缩量可通过永磁直流力矩电机（2）尾部的光点编码器（1）测量得到；

（2）导向及测力功能：柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出，通过U型槽轴承导轮（11_2）、第一V型槽轴承导轮（12-3）、第二V型槽轴承导轮（13_3）减小柔索运动过程中的波动，保证传递的顺畅；S型拉力传感器（12_1）固定安装在底板内侧，另一端安装支架（12_2）和第一V型槽轴承导轮（12_3），测力导向机构（12）可等效于定滑轮机构，柔索（10）经测力导向机构（12）传动方向改变180°，通过V型槽可进一步约束柔索传动的方向，通过设计U槽导向机构（11）和周转导向机构（13）的位置可保证测力导向机构（12）两侧的柔索与自身轴线平行，拉力传感器测量2倍的柔索张力，降低传感器噪声以及传感器自身惯性对测量结果的影响，提高测量精度；

（3）防止机构卡死功能：锁合器（17）可以控制丝杠（7_1）的转动，锁合器（17）固定安装在后支架（9）上；当锁合器（17）通电，推杆插入丝杠（7_1）末端的凹槽内，丝杠（7_1）的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒（6）移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器（17）会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠（7_1）随滚筒（6）和螺母（7_2）自由转动，停止排绳功能，避免滚筒（6）和柔索（10）在轴线方向上继续相对移动卡死机构。

与现有技术相比，其有益效果具体如下：

（1）柔索驱动装置采用模块化设计，结构紧凑，便于安装与运输；

（2）本发明中滚珠丝杠和圆柱导轨并行布置，缩短了轴向尺寸；

（3）本发明中滚筒在圆柱导轨和滚珠丝杠的共同作用下做螺旋运动，滚筒在转动一周的同时可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，柔索可以有序紧凑地排列在卷筒上，组合了卷绳和排绳功能，不仅充分利用了卷绳筒的空间，增加了缠绕圈数，还有效防止了咬绳压绳；

（4）本发明中测力导向机构两侧的柔索与自身轴线平行，拉力传感器测量2倍的柔索张力，可降低传感器噪声以及传感器自身惯性对测量结果的影响，提高测量精度；

（5）柔索输出过程中，轴承导轮跟随柔索的运动而自由转动，无需额外的驱动，可降低柔索的磨损，提高柔索传动的效率；

（6）本发明中采用锁合机构控制丝杠的转动，可在异常工况下关闭排绳功能，避免机构的卡死；

（7）本发明能够实现空间多自由度的柔索驱动，工作空间大。

附图说明

图1为本发明的总体装配图；

图2为本发明除去侧盖的装配图；

图3为本发明的装配爆炸图；

图4为排绳机构的局部装配图；

图5为测力机构的局部装配图；

图6为测力机构的侧视图；

图7为锁合器锁止丝杠的示意图；

上图中光电编码器1、永磁直流力矩电机2、前支架3、驱动法兰4、圆柱导轨5、滚筒6、滚珠丝杠7、支撑法兰8、后支架9、柔索10、U槽导向机构11、测力导向机构12、周转导向机构13、底板14、侧板15、顶板16以及锁合器17；丝杠7_1、螺母7_2，导向支架11_1、U型槽轴承导轮11_2，S型拉力传感器12_1、测力支架12_2、第一V型槽轴承导轮12-3、轴承盖13_1、周转支架13_2、第二V型槽轴承导轮13_3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1,2和3，本发明提供一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其技术方案是包括光电编码器1、永磁直流力矩电机2、前支架3、驱动法兰4、圆柱导轨5、滚筒6、滚珠丝杠7、支撑法兰8、后支架9、柔索10、U槽导向机构11、测力导向机构12、周转导向机构13、底板14、侧板15、顶板16以及锁合器17；

永磁直流力矩电机2固定安装在前支架3上，电机输出轴通过平键与驱动法兰4连接，电机尾部安装有光电编码器1；通过光电编码器1检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索10的线速度和伸缩量；

所述的驱动法兰4通过轴承与前支架3配合安装，由永磁直流力矩电机2驱动并相对于前支架3转动；驱动法兰4的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨5，圆柱导轨5的另一端固定安装在支撑法兰8上；支撑法兰8通过轴承与后支架9配合安装；驱动法兰4、圆柱导轨5和支撑法兰8整体由永磁直流力矩电机2驱动并相对于前支架3和后支架9转动，所述锁合器17安装在后支架9外侧；

参照附图4，滚筒6安装在圆柱导轨5上，可跟随圆柱导轨5绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨5在轴线方向上移动；滚筒6内部固定安装有螺母7_2，螺母7_2与丝杠7_1配合构成滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠和圆柱导轨并行布置，可以有效缩短沿滚珠丝杠轴线方向的尺寸；滚筒6在圆柱导轨5和滚珠丝杠7的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能。

本发明的丝杠7_1可相对于前支架3和后支架9自由转动，其转动与否通过锁合器17控制，丝杠7_1相对于圆柱导轨5并行布置，螺母7_2和滚筒6相对于丝杠7_1做螺旋运动；丝杠7_1的一端通过轴承与驱动法兰4配合安装，然后穿过支撑法兰8，另一端固定安装在后支架9上；丝杠7_1的螺距大小与柔索10直径大小相同，滚筒6在转动一周的同时可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索10规则的排布在滚筒6上，避免咬绳压绳，兼具了卷绳和排绳两个功能。

参照附图5和附图6，柔索10缠绕在滚筒6上，依次经U槽导向机构11、测力导向机构12和周转导向机构13输出。

其中，U槽导向机构11由导向支架11_1和U型槽轴承导轮11_2组成，安装在顶板16内侧；U型槽轴承导轮11_2被动跟随柔索10转动，保证柔索10流畅地传动；导向轮采用U型槽结构可确保柔索10在伸缩过程中始终在U型槽内小范围运动，避免柔索10在滚筒6轴线方向上的大窜动，影响排绳效果，同时可避免卡绳和磨损；此外，U槽导向机构11可以减小柔索10在滚筒6上缠绕时产生的径向波动和轴向波动，减小柔索10相对于测力导向机构12轴线的窜动，提高测力精度。

测力导向机构12由S型拉力传感器12_1、测力支架12_2和第一V型槽轴承导轮12_3组成，S型拉力传感器12_1固定安装在底板内侧，另一端安装支架12_2和第一V型槽轴承导轮12_3；测力导向机构12可等效于定滑轮机构，柔索10经测力导向机构12传动方向改变180°；通过第一V型槽轴承导轮12_3可进一步约束柔索传动的方向。

周转导向机构13由轴承盖13_1、周转支架13_2和第二V型槽轴承导轮13_3组成，安装在顶板外侧16；周转支架13_2通过轴承、卡圈与顶板16和轴承盖13_1组合装配，相对于顶板16可绕自身轴线转动；第二V型槽轴承导轮13_3安装在周转支架13_2上；柔索10穿过周转支架13_2的通孔，然后经第二V型槽轴承导轮13_3输出；工作过程中，周转支架13_2跟随柔索10传动方向发生相应的转动，保证柔索10顺畅地输出。

参照附图7，锁合器17固定安装在后支架9上；锁合器17通电，推杆插入丝杠7_1末端的凹槽内，丝杠7_1的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒6移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器17会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠7_1随滚筒6和螺母7_2自由转动，停止排绳功能，避免滚筒6和柔索10在轴线方向上继续相对移动卡死机构。

本发明提到的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置的使用方法，其各项功能的实现方式如下：

1卷绳及排绳功能：驱动法兰4、支撑法兰8以及4根圆柱导轨5三者固接共同组成了封闭式的框架结构；滚筒6被封闭在驱动法兰4和支撑法兰8中间，可沿圆柱导轨5滑动；永磁直流力矩电机2可带动驱动法兰4、支撑法兰8以及滚筒6绕自身轴线转动；滚筒6与螺母7_2固定安装，丝杠7_1固定不动，螺母7_2和滚筒6相对于丝杠7_1做螺旋运动；丝杠7_1的螺距大小与柔索10直径大小相同，永磁直流力矩电机2带动滚筒6转动一周的同时，滚筒6可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索10规则的排布在滚筒6上，避免咬绳压绳，同时实现了卷绳和排绳两个功能；柔索10的线速度以及伸缩量可通过永磁直流力矩电机2尾部的光点编码器1测量得到；

2导向及测力功能：柔索10缠绕在滚筒6上，依次经U槽导向机构11、测力导向机构12和周转导向机构13输出，通过U型槽轴承导轮11_2、第一V型槽轴承导轮12-3、第二V型槽轴承导轮13_3减小柔索运动过程中的波动，保证传递的顺畅；S型拉力传感器12_1固定安装在底板内侧，另一端安装支架12_2和第一V型槽轴承导轮12_3，测力导向机构12可等效于定滑轮机构，柔索10经测力导向机构12传动方向改变180°，通过V型槽可进一步约束柔索传动的方向，通过设计U槽导向机构11和周转导向机构13的位置可保证测力导向机构12两侧的柔索与自身轴线平行，拉力传感器测量2倍的柔索张力，降低传感器噪声以及传感器自身惯性对测量结果的影响，提高测量精度；

3防止机构卡死功能：锁合器17可以控制丝杠7_1的转动，锁合器17固定安装在后支架9上；当锁合器17通电，推杆插入丝杠7_1末端的凹槽内，丝杠7_1的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒6移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器17会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠7_1随滚筒6和螺母7_2自由转动，停止排绳功能，避免滚筒6和柔索10在轴线方向上继续相对移动卡死机构。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：包括光电编码器（1）、永磁直流力矩电机（2）、前支架（3）、驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）、滚筒（6）、滚珠丝杠（7）、支撑法兰（8）、后支架（9）、柔索（10）、U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）、周转导向机构（13）、底板（14）、侧板（15）、顶板（16）以及锁合器（17）；

永磁直流力矩电机（2）固定安装在前支架（3）上，电机输出轴通过平键与驱动法兰（4）连接，电机尾部安装有光电编码器（1）；通过光电编码器（1）检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索（10）的线速度和伸缩量；

所述的驱动法兰（4）通过轴承与前支架（3）配合安装，由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）转动；驱动法兰（4）的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨（5），圆柱导轨（5）的另一端固定安装在支撑法兰（8）上；支撑法兰（8）通过轴承与后支架（9）配合安装；驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）和支撑法兰（8）整体由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）和后支架（9）转动，所述锁合器（17）安装在后支架（9）外侧；

所述的滚筒（6）安装在圆柱导轨（5）上，可跟随圆柱导轨（5）绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨（5）在轴线方向上移动；滚筒（6）内部固定安装有螺母（7_2），螺母（7_2）与丝杠（7_1）配合构成滚珠丝杠螺母副；滚筒（6）在圆柱导轨（5）和滚珠丝杠（7）的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能；

所述的柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出；

所述的锁合器（17）固定安装在后支架（9）上；锁合器（17）通电，推杆插入丝杠（7_1）末端的凹槽内，丝杠（7_1）的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒（6）移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器（17）会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠（7_1）随滚筒（6）和螺母（7_2）自由转动，停止排绳功能，避免滚筒（6）和柔索（10）在轴线方向上继续相对移动卡死机构。

2.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的U槽导向机构（11）由导向支架（11_1）和U型槽轴承导轮（11_2）组成，安装在顶板（16）内侧；U型槽轴承导轮（11_2）被动跟随柔索（10）转动，保证柔索（10）流畅地传动。

3.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的测力导向机构（12）由S型拉力传感器（12_1）、测力支架（12_2）和第一V型槽轴承导轮（12_3）组成，S型拉力传感器（12_1）固定安装在底板内侧，另一端安装支架（12_2）和第一V型槽轴承导轮（12_3）；测力导向机构（12）可等效于定滑轮机构，柔索（10）经测力导向机构（12）传动方向改变180°；通过第一V型槽轴承导轮（12_3）可进一步约束柔索传动的方向。