CN106989152B - 一种高精度绳索驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度绳索驱动装置，其特征包括：一对主体支架、一对支撑杆、绳索、绳索导引机构、万向导出机构、实时拉力测量机构和伺服驱动装置；在驱动过程中通过绳索导引机构保证绳索在刻槽卷筒上顺序缠绕或者释放，同时检测绳索上拉力，精确控制输出绳索拉力，并通过万向导出装置将绳索引导到目标工作位置。本发明的高精度绳索驱动装置能提高驱动绳索的位置控制精度和拉力控制精度；通过万向导出装置，减少其他附属引导设备，并提高装置的适用性和经济效益。

Description

一种高精度绳索驱动装置
技术领域
本发明涉及一种绳索驱动装置，特别是关于一种高精度绳索驱动装置，具体涉及绳索驱动并联机器人领域；
背景技术
绳索驱动并联机器人主要包括绳索驱动装置、柔性绳索和动平台三个部分；绳索驱动的并联机器人具有工作空间大、负载能力强、快速可重构、模块化设计等优点，绳索驱动的优点使得目标工作平台的工作范围更大、运动速度更快。绳索驱动的并联机器人正在被广泛运用到各种操作机构中，通过控制绳索的输出长度来控制动平台在工作空间中的位置姿态；在驱动过程中不仅需要精确控制绳索的输出长度，同时需要检测绳索上拉力；现有的绳索驱动的并联机构的驱动装置中多不能集成测量装置，传统测量方法是通过将绳索与拉力传感器串联来进行测量。但是应用范围窄，测量效果差，影响线路布局。
国内专利申请号为201410146203.1的专利公开了一种具有张紧力测量功能的卷索装置，该装置由设置在滑台上的驱动装置和固定在平台上的测量装置组成，其测量装置结构复杂，并且需要通过另外一台电机来控制移动卷筒，造价成本更高；其自身不具有绳索导引功能，需要依赖于其他导引装置来引导绳索牵引方向；
国内专利申请号为201110026500.9的专利公开了一种能实现快速重构的绳索驱动并联机器人，该装置有多组驱动模块、换向装置和输出装置组成，但是由于没有实时测量拉力，所以控制精度较低，且结构复杂，安装维护困难，造价成本更高。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种高精度绳索驱动装置，以期能实时测量驱动绳索拉力，保证柔性绳索在刻槽卷筒上顺序释放或者缠绕并通过万向导出机构引导至动平台，从而能提高绳索上拉力的控制精度和绳索输出精度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种高精度绳索驱动装置的特点包括：一对主体支架、一对支撑杆、绳索、绳索导引机构、万向导出机构、实时拉力测量机构和伺服驱动装置；
所述绳索导引机构包括：一对支撑光轴、刻槽卷筒、传动丝杠、移动滑台、直线轴承、同步带、同步带从动轮与同步带主动轮；
所述实时拉力测量机构包括：滑轮、拉压力测量传感器、滑轮支架、拉压力传感器支架以及旋转支架；
所述万向导出机构包括：万向旋转支架、万向导出滑轮与轴销；
所述伺服驱动装置包括：减速机和伺服电机；
在所述一对主体支架之间的中心位置处设置有所述刻槽卷筒，在所述刻槽卷筒的下方设置有所述一对支撑杆；在所述刻槽卷筒的端轴上设置有所述同步带主动轮；在所述刻槽卷筒的上方设置有一对支撑光轴；在所述一对支撑光轴的上方之间设置有所述传动丝杠；在所述传动丝杠的端轴上设置有同步带从动轮；所述同步带从动轮与所述同步带主动轮之间通过所述同步带连接，并位于所述一对主体支架的前端支架上；在所述传动丝杠和一对支撑光轴上设置有移动滑台；在所述移动滑台的两侧通过直线轴承与所述一对支撑光轴相连接；
在所述移动滑台上通过所述拉压力传感器支架设置有拉压力测量传感器，且所述拉压力测量传感器的水平面与所述移动滑台的安装平面平行；在所述移动滑台的前端面，且与所述安装平面垂直的位置上设置有旋转支架；所述旋转支架与所述滑轮支架之间通过轴销连接；在所述滑轮支架的上端处设置有上通孔，所述上通孔通过轴销与所述拉压力测量传感器相连；在所述滑轮支架的下端处设置有下通孔，所述下通孔通过轴销与所述滑轮相连；在所述刻槽卷筒上缠绕有所述绳索，所述绳索垂直向上绕过所述滑轮后水平延伸至所述一对主体支架的前端支架外侧；
在所述一对主体支架的后端支架外侧设置有减速机；所述减速机的输出轴通过轴键与所述刻槽卷筒的输入轴相连；所述减速机的输入轴通过联轴器与所述伺服电机相连；
所述伺服电机驱动所述减速机顺时针或逆时针运动，并一起带动所述刻槽卷筒同步旋转，使得所述同步带主动轮通过同步带带动所述传动丝杠同步旋转，由所述传动丝杠驱动所述移动滑台沿着所述一对支撑光轴轴向前后运动，从而利用所述滑轮实现所述绳索能在所述刻槽卷筒上进行缠绕或释放。
本发明所述的多构型绳索驱动并联机器人的特点也在于：
在所述一对主体支架的前端支架上设置有万向导出机构；所述万向导出机构包括：万向旋转支架、轴销和导向滑轮，
在所述万向旋转支架上通过轴销与所述导向滑轮相连接；
在所述万向旋转支架的底部设置有旋转轴，所述旋转轴的中心设有绳索导入孔；所述绳索从所述绳索导入孔中穿出并经过所述导向滑轮实现万向导出。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用模块化设计的高精度绳索驱动装置和动平台能够根据实际任务需要来进行布置安装，绳索驱动装置上设置有绳索导引机构，能够将绳索顺序且均匀地缠绕在卷筒上或者从卷筒上释放，保证了绳索的输出或者回收的速度与电机速度恒定，提高了绳索的控制精度。
2、本发明绳索驱动装置的绳索导引机构上设置有根据杠杆原理设计的实时拉力测量装置，该装置实施方便，结构简单；绳索在卷筒缠绕或者释放时实时拉力测量装置辅助绳索导引机构将绳索在刻槽卷筒上缠绕或者释放，不会与绳索脱落，并能实时反馈绳索上拉力。
3、本发明绳索驱动装置前端输出位置设置有万向导出装置，万向导出装置的滑轮引导绳索绕自身轴旋转并导向空间任意位置，不需要其他辅助导引机构来设置绳索的输出位置，提高了机器人的可重构性和绳索输出的精度。
附图说明
图1为本发明一种高精度绳索驱动装置；
图2为本发明高精度绳索驱动装置的实时拉力测量机构示意图；
图中标号：支架2101、支撑杆2102、绳索2103、同步带主动轮2201、同步带2202、同步带从动轮2203、支撑光轴2204、刻槽卷筒2205、直线轴承2206、移动滑台2207、传动丝杠2208、滑轮2301、滑轮支架2302、旋转支架2303、拉压力传感器2304、轴销2305、拉压力传感器支架2306、减速机2401、伺服电机2402、万向旋转支架2501、轴销2502、万向导出滑轮2503。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种多构型绳索驱动并联机器人的绳索驱动装置包括：一对主体支架2101、一对支撑杆2102、绳索2103、绳索导引机构2200、实时拉力测量机构2300和伺服驱动装置2400；
绳索导引机构2200包括：一对支撑光轴2204、刻槽卷筒2205、传动丝杠2208、移动滑台2207、直线轴承2206、同步带2202、同步带从动轮2203与同步带主动轮2201；支撑光轴2204和传动丝杠2208具有负载支撑的作用，同时可以牵引移动滑台2207做水平方向的移动；支撑光轴2204和传动丝杠2208的数目可以根据实际任务负载需求进行调整，也可以采用直线导轨来替代支撑光轴2204或者传动丝杠2208；
如图2所示，实时拉力测量机构包括：滑轮2301、拉压力测量传感器2304、滑轮支架2302、拉压力传感器支架2306以及旋转支架2303；实时拉力测量机构的工作原理是利用杠杆原理，将水平方向和竖直方向的绳索拉力通过杠杆作用传递到拉压力传感器；
万向导出机构包括：万向旋转支架2501、万向导出滑轮2503与轴销2502；
伺服驱动装置包括：减速机2401和伺服电机2402；伺服电机采用带高精度编码器的电机，可以反馈电机的转速和转动角度，并转换成绳索运动的长度反馈给上位机控制系统；减速机这里采用行星齿轮减速机，行星齿轮减速机具有减速比大，效率高，尺寸小的优点，也可以根据任务需要来设置其他减速机；
在一对主体支架2101之间的中心位置处设置有刻槽卷筒2205，刻槽卷筒上按照顺时针螺旋线铣刻了标准的圆形凹槽或者梯形凹槽，凹槽的尺寸根据实际使用的绳索直接来一一对应；刻槽卷筒可以采用经过表面硬化处理的铝合金材料制作加工，降低卷筒的转动惯量，提高能量利用效率；也可以用冶金陶瓷制作，陶瓷制作的卷筒具有表面光洁度高，摩擦力小的优点，相对于铝合金材料能够承载更大的负载；在刻槽卷筒2205的下方设置有一对支撑杆2102；
在刻槽卷筒2205的端轴上设置有同步带主动轮2201；同步带传动装置主要用来传递卷筒上的力矩至移动滑台，驱动移动滑台做水平方向运动；可以采用齿轮或者其他链条或者带传动方式，但是要保证绳索在刻槽卷筒上的移动和移动滑台的移动速度同步；在刻槽卷筒2205的上方设置有一对支撑光轴2204；在一对支撑光轴2204的上方之间设置有传动丝杠2208；在传动丝杠2208的端轴上设置有同步带从动轮2203；同步带从动轮2203与同步带主动轮2201之间通过同步带2202连接，并位于一对主体支架2101的前端支架上；在传动丝杠2208和一对支撑光轴2204上设置有移动滑台2207；在移动滑台2207的两侧通过直线轴承2206与一对支撑光轴2204相连接；
在移动滑台2207上通过拉压力传感器支架2306设置有拉压力测量传感器2304，且拉压力测量传感器2304的水平面与移动滑台2207的安装平面平行；在移动滑台207的前端面，且与安装平面垂直的位置上设置有旋转支架2303；旋转支架2303与滑轮支架2302之间通过轴销连接；在滑轮支架2302的上端处设置有上通孔，上通孔通过轴销与拉压力测量传感器2304相连；在滑轮支架2302的下端处设置有下通孔，下通孔通过轴销与滑轮2301相连；在刻槽卷筒2205上缠绕有绳索2103，绳索2103垂直向上绕过滑轮2301后水平延伸至一对主体支架2101的前端支架外侧；
实时拉力测量装置2300是利用杠杆原理进行测量绳索拉力，这里将旋转支架2303中间位置设置旋转用的固定通孔，上通孔连接拉压力传感器2304，下通孔连接滑轮，两个通孔距离中间位置的旋转通孔相等的距离，这样滑轮上所受的绳索拉力就等于拉压力传感器上测量得到压力；也可以根据需要改变这个杠杆力臂的长度比值，来调整拉压力传感器上所受力大小；
如图1所示，在一对主体支架2101的后端支架外侧设置有减速机2401；通过所述减速机2401的输出轴的轴键与刻槽卷筒2205的输入轴相连，并传递电机的扭矩，也可以通过联轴器连接；减速机2401的输入轴通过联轴器与伺服电机2402相连；
伺服电机2402驱动减速机2401顺时针或逆时针运动，并一起带动刻槽卷筒2205同步旋转，使得同步带主动轮2201通过同步带2202带动传动丝杠2208同步旋转，由传动丝杠2208驱动移动滑台2207沿着一对支撑光轴2204轴向前后运动，带动滑轮2301前后运动，从而利用滑轮2301实现绳索2103能在刻槽卷筒2205上进行顺序缠绕或释放，避免了绳索直接在卷筒上缠绕时绳索之间干扰，干扰电机编码器对绳索输出长度的计算。
具体实施中，在一对主体支架2101的前端支架上设置有万向导出机构；万向导出机构包括万向旋转支架2501、轴销2502和导向滑轮2503；
在万向旋转支架2501上通过轴销2502与所述导向滑轮2503相连接；
在万向旋转支架2501的底部设置有旋转轴，旋转轴的中心设有绳索导入孔；绳索2103从绳索导入孔中穿出并经过导向滑轮2503实现万向导出。绳索从万向导出装置出发连接至动平台的可旋转固定环，万向导出装置可以任意改变导出方向，同时固定圆环可以绕自身轴旋转，保证动平台位于工作空间任意位置时绳索的运动距离是可以通过空间位姿解算方法进行计算。

Claims (2)

1.一种高精度绳索驱动装置，其特征包括：一对主体支架(2101)、一对支撑杆(2102)、绳索(2103)、绳索导引机构(2200)、万向导出机构、实时拉力测量机构(2300)和伺服驱动装置(2400)；
所述绳索导引机构包括：一对支撑光轴(2204)、刻槽卷筒(2205)、传动丝杠(2208)、移动滑台(2207)、直线轴承(2206)、同步带(2202)、同步带从动轮(2203)与同步带主动轮(2201)；
所述实时拉力测量机构包括：滑轮(2301)、拉压力测量传感器(2304)、滑轮支架(2302)、拉压力传感器支架(2306)以及旋转支架(2303)；
所述万向导出机构包括：万向旋转支架(2501)、万向导出滑轮(2503)与轴销(2502)；
所述伺服驱动装置包括：减速机(2401)和伺服电机(2402)；
在所述一对主体支架(2101)之间的中心位置处设置有所述刻槽卷筒(2205)，在所述刻槽卷筒(2205)的下方设置有所述一对支撑杆(2102)；在所述刻槽卷筒(2205)的端轴上设置有所述同步带主动轮(2201)；在所述刻槽卷筒(2205)的上方设置有一对支撑光轴(2204)；在所述一对支撑光轴(2204)的上方之间设置有所述传动丝杠(2208)；在所述传动丝杠(2208)的端轴上设置有同步带从动轮(2203)；所述同步带从动轮(2203)与所述同步带主动轮(2201)之间通过所述同步带(2202)连接，并位于所述一对主体支架(2101)的前端支架上；在所述传动丝杠(2208)和一对支撑光轴(2204)上设置有移动滑台(2207)；在所述移动滑台(2207)的两侧通过直线轴承(2206)与所述一对支撑光轴(2204)相连接；
在所述移动滑台(2207)上通过所述拉压力传感器支架(2306)设置有拉压力测量传感器(2304)，且所述拉压力测量传感器(2304)的水平面与所述移动滑台(2207)的安装平面平行；在所述移动滑台(207)的前端面，且与所述安装平面垂直的位置上设置有旋转支架(2303)；所述旋转支架(2303)与所述滑轮支架(2302)之间通过轴销连接；在所述滑轮支架(2302)的上端处设置有上通孔，所述上通孔通过轴销与所述拉压力测量传感器(2304)相连；在所述滑轮支架(2302)的下端处设置有下通孔，所述下通孔通过轴销与所述滑轮(2301)相连；在所述刻槽卷筒(2205)上缠绕有所述绳索(2103)，所述绳索(2103)垂直向上绕过所述滑轮(2301)后水平延伸至所述一对主体支架(2101)的前端支架外侧；
在所述一对主体支架(2101)的后端支架外侧设置有减速机(2401)；所述减速机(2401)的输出轴通过轴键与所述刻槽卷筒(2205)的输入轴相连；所述减速机(2401)的输入轴通过联轴器与所述伺服电机(2402)相连；
所述伺服电机(2402)驱动所述减速机(2401)顺时针或逆时针运动，并一起带动所述刻槽卷筒(2205)同步旋转，使得所述同步带主动轮(2201)通过同步带(2202)带动所述传动丝杠(2208)同步旋转，由所述传动丝杠(2208)驱动所述移动滑台(2207)沿着所述一对支撑光轴(2204)轴向前后运动，从而利用所述滑轮(2301)实现所述绳索(2103)能在所述刻槽卷筒(2205)上进行缠绕或释放。
2.根据权利要求1所述的高精度绳索驱动装置，其特征是：
在所述一对主体支架(2101)的前端支架上设置有万向导出机构；所述万向导出机构包括：万向旋转支架(2501)、轴销(2502)和导向滑轮(2503)，
在所述万向旋转支架(2501)上通过轴销(2502)与所述导向滑轮(2503)相连接；
在所述万向旋转支架(2501)的底部设置有旋转轴，所述旋转轴的中心设有绳索导入孔；所述绳索(2103)从所述绳索导入孔中穿出并经过所述导向滑轮(2503)实现万向导出。
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