CN107139170A - 一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，包括支架、柔性机械臂、多根驱动绳索及多个驱动模块，驱动模块固定在支架的上部端板上，柔性机械臂固定在支架的下部端板上，驱动绳索为横截面成正方形的带齿驱动绳，配套的导向装置中将柔性机械臂的连接盘上的导线孔设计为十字形孔，每个十字形孔中安装有4个导向齿轮，能减小由于驱动绳与孔的间隙或驱动绳弹性变形而引起的绳驱动误差，驱动模块的收绳卷筒上加工有螺旋形V型收绳滚道和齿槽，通过螺旋驱动的方式，保证了收(放)绳过程中出绳口位置保持不变，改善了由于出绳口位置不断改变而引起的驱动误差。本发明能够减小绳驱动机械臂在驱动过程中出现的误差，提高了绳驱动的精度。

Description

一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置

技术领域

本发明涉及机械臂的驱动装置，具体涉及一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置

背景技术

绳索驱动的连续体机械臂的臂身通常由弹性体组成，在弹性体上固定刚性盘，并用三根或更多的驱动绳索依次穿过这些刚性盘的过线孔，通过驱动绳索的收放运动实现机械臂的空间运动。绳索驱动的方式是对传统机器人驱动方式的一种发展，但是由于绳索自身的物理特性使它存在一些缺点，一方面，它必须具有冗余力才可以实现力闭合；另一方面，现有的常规驱动绳索在大载荷下会产生较大的弹性变形。

公开号CN102672715A的中国专利公开了一种助老/助残用绳驱动机械臂，该发明的绳索采用拉线钢丝绳，绳索的导向是通过导向轮以及圆形光孔来实现，钢丝绳在穿过圆形光孔和绕过导向轮的时候易发生打滑，且钢丝绳与圆形光孔之间由于摩擦易存在较大间隙，钢丝绳在驱动过程中容易出现较大的误差，影响控制精度。

公开号CN205704177U的中国专利提供了一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构，该机构的收绳装置是通过电机驱动绕线轮旋转绕绳来进行收放绳，由于绕线轮在收绳过程中，绳索绕入绕线轮的位置不断发生变化，使得电机旋转角位移和收绳量不成比例，加大了电机的控制难度。

发明内容

针对上述机械臂的不足，并基于绳索驱动柔性机械臂的特点，本发明旨在提供一种新型的驱动装置，用以减小绳索驱动型连续体机械臂的驱动误差和改善电机控制难度大的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，包括支架、柔性机械臂、多根驱动绳索及多个驱动模块，驱动模块固定在支架的上部端板上，柔性机械臂固定在支架的下部端板上，每根驱动绳索从每个驱动模块伸出后依次穿过柔性机械臂的各个连接盘的过线孔，直至与末端连接盘固连，单个驱动模块可实现对单根驱动绳索的拉伸运动；

所述的驱动绳索为横截面成正方形的带齿绳索，其主体用橡胶制成，在内部纵向上嵌有四条细钢丝，绳索的外部带有整周的梯形齿；

所述的柔性机械臂由多个连接盘、柔性体和手爪组成，连接盘的上下表面与柔性体相连，末端连接盘与手爪连接，用来抓取目标物体，除末端连接盘外，其余连接盘为带有四个均布的十字形孔的圆盘，驱动绳索通过导向装置A从十字形孔中穿过，所述导向装置A主要包括四个导向齿轮A、导向齿轮盖A，四个导向齿轮A安装在连接盘的十字形孔中且与导向齿轮盖A连接，导向齿轮盖A固定在连接盘上，四个导向齿轮A通过与驱动绳索的梯形齿相啮合，实现对驱动绳索的固定及导向；

所述的驱动模块包括箱体、导向装置B、动力装置、收绳装置以及编码器反馈装置，所述箱体包括皆为正方体壳形结构的上箱体和下箱体，上、下箱体通过螺栓连接，所述的导向装置B位于上箱体上，导向装置B主要包括四个导向齿轮B、导向齿轮盖B，导向装置B的安装结构相同于导向装置A，所述动力装置主要由电机、同步带轮A、同步带组成，其中电机通过螺钉固定在下箱体上，同步带轮A安装在电机轴上；

所述的收绳装置主要由同步带轮B、导杆支撑轮、导杆、滚珠滑道、收绳卷筒、螺纹定位轴、轴承A、轴承B、轴承透盖A、轴承透盖B以及螺母组成，所述的螺纹定位轴的中部为矩形螺纹，利用其两端的一段方形定位键，将两端分别固定在下箱体的方形槽内，所述的收绳卷筒通过滚珠滑道安装在导杆上，所述导杆有四个，均为两端带螺纹的圆柱形钢制零件，每个导杆穿过一组轴向相对的滚珠滑道，并且一端穿过同步带轮B和轴承透盖B上的通孔，用螺母固定，另一端穿过导杆支撑轮和轴承透盖A，用螺母固定，所述的同步带轮B通过轴承B和轴承透盖B联接在螺纹定位轴的一端，所述的导杆支撑轮通过轴承A和轴承透盖A联接在螺纹定位轴的另一端；

所述的编码器反馈装置主要由编码器、编码器同步轮、压紧装置组成，压紧装置包括两个导向齿轮C、下盖和上盖，两个导向齿轮C用螺钉固定在下座和上盖上，压紧装置的安装结构类似于导向装置A，所述的编码器同步轮加工有V型收绳滚道，并在收绳滚道上加工出与驱动绳索上的梯形齿相啮合的齿槽，驱动绳索通过压紧装置与编码器同步轮紧密啮合，编码器测量出驱动绳索的移动量并反馈给电机，调整电机的旋转量。

进一步地，所述驱动绳索的末端分别裸露5cm长钢丝，用于和末端连接盘固定；所述导向装置A的安装结构为：连接盘的十字形孔设有带圆角的正方形槽，槽底平面与导向齿轮A的轴向中心平面平齐，导向齿轮盖A设有十字形孔并在下部设有与连接盘相配合的半轴孔，导向齿轮A为带有渐开线齿轮的齿轮轴，齿轮轴的两侧轴段安装在连接盘和导向齿轮盖A的十字形孔中；所述的收绳卷筒为圆柱形结构，在其轴向中心设有与螺纹定位轴相配合的内矩形螺纹，在其外圆柱面设有与中心内矩形螺纹螺距和旋向均一致的螺旋形V型收绳滚道，并在收绳滚道上设有与驱动绳索上的梯形齿相啮合的齿槽，收绳卷筒端面上设有周向均布的四个通孔，在通孔的两端各设有一段螺纹，并在其两端各固定一个带有外螺纹的滚珠滑道。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.采用齿型驱动绳索，能够有效地减小由于驱动绳索与孔的间隙或驱动绳索自身弹性变形而引起的绳驱动误差。

2.将机械臂的连接盘上的导线孔设计为十字形孔，并在每个孔中安装有4个导向齿轮，用以对驱动绳索的固定及导向，有效地减小由于驱动绳索与孔的间隙或驱动绳索自身的弹性变形而引起的绳驱动误差。

3.设计出一种收绳装置，通过螺旋驱动的方式，改善了以往收(放)绳时由于收绳卷筒的出绳口位置的不断改变而引起的驱动误差；且收绳卷筒上加工有相应的齿槽，能够减小驱动绳索由于弹性变形引起的误差。

附图说明

图1为用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置的结构示意图。

图2为图1所示驱动装置的A部放大图。

图3为图1所示驱动装置的驱动模块的外形示意图。

图4为图3所示驱动模块的内部结构示意图。

图5为图4所示驱动模块的B部放大图。

图6为图4所示驱动模块的收绳装置结构示意图。

图中：1-驱动模块、2-连接盘、3-柔性体、4-驱动绳索、5-支架、6-手爪、7-导向齿轮盖A、8-螺钉A、9-导向齿轮A、10-下箱体、11-螺栓组、12-上箱体、13-导向齿轮盖B、14-导向齿轮B、15-螺钉B、16-编码器、17-螺纹定位轴、18-导杆支撑轮、19-导杆、20-电机、21-同步带、22-同步带轮A、23-同步带轮B、24-轴承B、25-轴承透盖B、26-编码器同步轮、27-下座、28-导向齿轮C、29-上盖、30-螺钉C、31-滚珠滑道、32-收绳卷筒、33-轴承透盖A、34-螺母、35-轴承A。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明实施例的一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，包括柔性机械臂、4根驱动绳索4及4个驱动模块1，驱动模块1通过螺栓组固定在铝合金支架5的上部端板上；由连接盘2、柔性体3、和手爪6组成的柔性机械臂的一端固定在支架5的下部端板上；驱动绳索4从驱动模块1伸出后依次固定在支架的上部端板上。末端连接盘与手爪6连接，用来抓取目标物体。

如图2所示，驱动绳索4通过导向装置A从连接盘2的十字形孔中穿过，导向装置A主要包括4个导向齿轮A9、导向齿轮盖A7。连接盘2采用铝合金材质，除末端连接盘外，每个连接盘2采用4个均布的十字形孔的圆盘的结构形式。在每个十字形孔处加工出带圆角的正方形槽，槽底平面与导向齿轮A9的轴向中心平面平齐，用以安装4个导向齿轮A9。钢质材料的导向齿轮A9为带有渐开线齿轮的齿轮轴，齿轮轴的两侧轴段安装在由连接盘2和导向齿轮盖A7加工出来的轴孔中，导向齿轮盖A7为铝合金材料，加工有十字形孔并在下部带有与连接盘2相配合的半轴孔的端盖形式。用螺钉A8将导向齿轮盖A7固定在圆盘2上。驱动绳索4从十字形孔中穿过，导向齿轮A9对驱动绳索4起固定及导向的作用。驱动绳索4为横截面成正方形的带齿绳索，其主体用橡胶制成，并且在内部纵向上嵌有四条细钢丝，另外，在驱动绳索的末端分别裸露5cm长钢丝，用于和末端连接盘固定；驱动绳索4的外部带有整周的梯形齿，过渡部分做圆角处理。

如图3所示，驱动模块的上箱体12和下箱体10皆为正方体壳形结构，上下箱体的材料为铝合金材料，通过螺栓组11将上下箱体连接起来。正方形结构便于多个驱动模块1的安装使用。安装在上箱体12上的导向装置B包括导向齿轮盖B13、4个导向齿轮B14等，具体安装结构相同于连接盘2上的导向装置A。导向齿轮盖B13采用铝合金材质，导向齿轮B14采用钢质材料。驱动绳索4经过与驱动模块1的导向齿轮B14的啮合从导向装置B中引出。

参见图4，驱动模块1的内部结构采用半剖图的形式加以表达。驱动模块1包括箱体、导向装置、动力装置、收绳装置以及编码器反馈装置。箱体主要由下箱体10、上箱体12、螺栓组11组成。动力装置主要由电机20、同步带轮A22、同步带21组成，其中电机20通过螺钉固定在下箱体10上，同步带轮A22安装在电机轴上。同步带轮A22采用铝合金材料。

图5所示为压紧装置和安装在上箱体上的导向装置B的局部放大图，压紧装置包括安装在下座27上的2个导向齿轮C28、上盖29等组成。压紧装置的2个钢制导向齿轮C28与编码器同步轮26相配合，将驱动绳索4压紧在钢制编码器同步轮26上。下座27固定在下箱体10上，铝合金上盖29通过螺钉C30和下座27相固定。压紧装置的安装结构类似于连接盘2上的导向装置A。

如图6所示，收绳装置主要由螺纹定位轴17、轴承A35、轴承B24、轴承透盖A33、轴承透盖B25、导杆支撑轮18、同步带轮B23、导杆19、螺母34、滚珠滑道31、收绳卷筒32等组成。钢质材料的螺纹定位轴17中部为矩形螺纹，利用其两端的一段方形定位键，将两端分别固定在下箱体10的方形槽内。收绳卷筒32为圆柱形结构，采用钢质材料，在其轴向中心设有与螺纹定位轴17相配合的内矩形螺纹，在其外圆柱面设有与中心内矩形螺纹螺距和旋向均一致的螺旋形V型收绳滚道，并在收绳滚道上加工出与驱动绳索4上的齿型相啮合的齿槽。收绳卷筒32端面上设有周向均布的四个通孔，在通孔的两端加工有一段螺纹，并在其两端各固定一个带有外螺纹的滚珠滑道31。同步带轮B23通过轴承B24和铝合金轴承透盖B25联接在螺纹定位轴17的一端，铝合金导杆支撑轮18通过轴承A35和铝合金轴承透盖A33联接在螺纹定位轴17的另一端。同步带轮B23、导杆支撑轮18的端面上均设有四个周向均布的通孔，4个导杆19为两端带螺纹的圆柱形钢制零件，每个导杆19穿过一组轴向相对的滚珠滑道31，并且一端穿过同步带轮B23和轴承透盖B25上的通孔，并通过螺母34固定；另一端穿过导杆支撑轮18和轴承透盖A33，并通过螺母34固定。

将收绳卷筒32安装在螺纹定位轴17上时，初始安装位置的收绳卷筒32出绳口要与编码器同步轮26平齐。编码器同步轮26上也加工有与收绳卷筒32上相同的V型收绳滚道和齿槽，用于和驱动绳索4相配合。缠绕在收绳卷筒32的驱动绳索4绕过编码器同步轮26后，经过与压紧装置的导向齿轮C28啮合，再和上箱体上的导向装置B的导向齿轮B14相啮合，伸出驱动模块1。

如图4所示，电机20驱动电机同步带轮A22旋转，通过同步带21驱动收绳装置中支承在螺纹定位轴17上的同步带轮B23旋转，从而带动收绳装置旋转。同步带轮23上固定有4根导杆19，导杆19随同步带轮B23一起旋转。收绳卷筒32通过滚珠滑道31安装在导杆19上，另一方面，由于收绳卷筒32与固定在箱体上的螺纹定位轴17是螺纹连接的，收绳卷筒32在同步带轮的驱动下，实现螺旋运动。收绳滚筒32的内螺纹与螺纹定位轴17的外螺纹螺距相同，旋向一致，且收绳滚筒32的收绳滚道的螺距、旋向均与收绳滚筒32的内螺纹保持一致，故可以实现在整个收绳或放绳过程中，收绳滚筒32的出绳口与上箱体12的出绳口相对位置保持不变。

编码器反馈装置主要由编码器16、编码器同步轮26、压紧装置组成。从收绳滚筒32出来的驱动绳索4通过压紧装置与编码器同步轮26紧密啮合，同步轮上26加工有V型收绳滚道，并在收绳滚道上加工出与驱动绳索4上的齿型相啮合的齿槽。编码器16测量出驱动绳索4的移动量并反馈给电机20，调整电机20的旋转量。

Claims (4)

1.一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，其特征在于：包括支架、柔性机械臂、多根驱动绳索及多个驱动模块，驱动模块固定在支架的上部端板上，柔性机械臂固定在支架的下部端板上，每根驱动绳索从每个驱动模块伸出后依次穿过柔性机械臂的各个连接盘的过线孔，直至与末端连接盘固连，单个驱动模块可实现对单根驱动绳索的拉伸运动；

所述的驱动绳索为横截面成正方形的带齿绳索，其主体用橡胶制成，在内部纵向上嵌有四条细钢丝，绳索的外部带有整周的梯形齿；

所述的柔性机械臂由多个连接盘、柔性体和手爪组成，连接盘的上下表面与柔性体相连，末端连接盘与手爪连接，用来抓取目标物体，除末端连接盘外，其余连接盘为带有四个均布的十字形孔的圆盘，驱动绳索通过导向装置A从十字形孔中穿过，所述导向装置A主要包括四个导向齿轮A、导向齿轮盖A，四个导向齿轮A安装在连接盘的十字形孔中且与导向齿轮盖A连接，导向齿轮盖A固定在连接盘上，四个导向齿轮A通过与驱动绳索的梯形齿相啮合，实现对驱动绳索的固定及导向；

所述的驱动模块包括箱体、导向装置B、动力装置、收绳装置以及编码器反馈装置，所述箱体包括皆为正方体壳形结构的上箱体和下箱体，上、下箱体通过螺栓连接，所述的导向装置B位于上箱体上，导向装置B主要包括四个导向齿轮B、导向齿轮盖B，导向装置B的安装结构相同于导向装置A，所述动力装置主要由电机、同步带轮A、同步带组成，其中电机通过螺钉固定在下箱体上，同步带轮A安装在电机轴上；

所述的收绳装置主要由同步带轮B、导杆支撑轮、导杆、滚珠滑道、收绳卷筒、螺纹定位轴、轴承A、轴承B、轴承透盖A、轴承透盖B以及螺母组成，所述的螺纹定位轴的中部为矩形螺纹，利用其两端的一段方形定位键，将两端分别固定在下箱体的方形槽内，所述的收绳卷筒通过滚珠滑道安装在导杆上，所述导杆有四个，均为两端带螺纹的圆柱形钢制零件，每个导杆穿过一组轴向相对的滚珠滑道，并且一端穿过同步带轮B和轴承透盖B上的通孔，用螺母固定，另一端穿过导杆支撑轮和轴承透盖A，用螺母固定，所述的同步带轮B通过轴承B和轴承透盖B联接在螺纹定位轴的一端，所述的导杆支撑轮通过轴承A和轴承透盖A联接在螺纹定位轴的另一端；

所述的编码器反馈装置主要由编码器、编码器同步轮、压紧装置组成，压紧装置包括两个导向齿轮C、下盖和上盖，两个导向齿轮C用螺钉固定在下座和上盖上，压紧装置的安装结构类似于导向装置A，所述的编码器同步轮加工有V型收绳滚道，并在收绳滚道上加工出与驱动绳索上的梯形齿相啮合的齿槽，驱动绳索通过压紧装置与编码器同步轮紧密啮合，编码器测量出驱动绳索的移动量并反馈给电机，调整电机的旋转量。

2.根据权利要求1所述的一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，其特征在于：所述驱动绳索的末端分别裸露5cm长钢丝，用于和末端连接盘固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，其特征在于：所述导向装置A的安装结构为：连接盘的十字形孔设有带圆角的正方形槽，槽底平面与导向齿轮A的轴向中心平面平齐，导向齿轮盖A设有十字形孔并在下部设有与连接盘相配合的半轴孔，导向齿轮A为带有渐开线齿轮的齿轮轴，齿轮轴的两侧轴段安装在连接盘和导向齿轮盖A的十字形孔中。

4.根据权利要求1所述的一种用于绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置，其特征在于：所述的收绳卷筒为圆柱形结构，在其轴向中心设有与螺纹定位轴相配合的内矩形螺纹，在其外圆柱面设有与中心内矩形螺纹螺距和旋向均一致的螺旋形V型收绳滚道，并在收绳滚道上设有与驱动绳索上的梯形齿相啮合的齿槽，收绳卷筒端面上设有周向均布的四个通孔，在通孔的两端各设有一段螺纹，并在其两端各固定一个带有外螺纹的滚珠滑道。