CN107901032A - 无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法 - Google Patents

无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法 Download PDF

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CN107901032A CN201710880128.5A CN201710880128A CN107901032A CN 107901032 A CN107901032 A CN 107901032A CN 201710880128 A CN201710880128 A CN 201710880128A CN 107901032 A CN107901032 A CN 107901032A
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Abstract

本发明公开了一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法，涉及绳驱动机械臂领域，解决了多关节间驱动绳索的运动耦合及绳索摩擦问题。该机构包括固定轮、随动轮盘组、主动轮、驱动导线盘、解耦导线盘。主动轮与关节连杆连接，固定轮与关节基座连接，解绳索沿着解耦导线盘绳槽及中心轮的滑轮正反向缠绕，驱动随动轮盘组以关节连杆旋转速度的1/2旋转。后端关节的驱动绳索沿着驱动导线盘的绳槽及中心轮的滑轮缠绕，由关节连杆转动引起的驱动绳索位移变化和由随动轮盘组转动导致的位移变化相互抵消，实现绳索的运动解耦。绳索由滑轮导向，摩擦可忽略不计。该解耦机构结构紧凑、可靠，无摩擦特性保证关节精准力位控制；模块化的设计应用范围广。

Description

无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法
技术领域
本发明涉及一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法，尤其涉及多关节绳驱动串联运动耦合的机械臂系统及其精确的力位控制。
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，抓取负载能耗大，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来降低机械臂运动质量和运动体积，但同时会引入关节耦合的问题。
在现有的解耦技术中，针对绳索运动耦合的被动解耦机构及其解耦方法(专利号：2016102364834)中阐述了一种解耦方法，在该方案中，主动轮与关节连杆连接，固定轮与关节基座连接，利用解耦绳索的正反向缠绕驱动随动轮，实现随动轮运动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。该方案虽实现了解耦，但在实际实验中发现，绳索在进入导线盘、出导线盘的位置存在绳索与导线盘边缘的拐角的摩擦，在导线盘上缠绕运动的时候存在绳索与金属盘面的摩擦，两类摩擦均无法忽视。由此带来的问题包括：一、输出效率低；二、难以建立精确摩擦模型，对于绳驱动关节力位精准控制无法实现，控制性能受限；三、绳索磨损严重，使用寿命短。而在实际应用中，尤其是工业生产中，这三方面的不良影响将使绳驱动关节机器人发挥不出固有的优势，甚至无法满足要求，应用范围受限。因此，需要一种新的改良的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为了解决现有解耦技术中存在的摩擦问题，本发明提供了一种无摩擦的绳索被动解耦机构，减摩效果明显，易于实现。
一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构，其特征在于：
从前向后依次包括关节基座、固定轮、随动轮盘组、主动轮和当前关节连杆；还包括中心轴；
其中固定轮与关节基座固定连接不能转动；固定轮、随动轮盘组均通过轴承安装与中心轴上可相对转动，但轴向位移被限制；主动轮与中心轴固连一起转动，同时与当前关节连杆固定连接；
上述随动轮盘组包括中心轮，中心轮前侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有前侧小平面推力滚针轴承、前侧大平面推力滚针轴承；中心轮后侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有后侧小平面推力滚针轴承、后侧大平面推力滚针轴承；
中心轮前侧表面同轴安装前侧解耦导线盘和前侧驱动导线盘；后侧表面同轴安装后侧解耦导线盘和后侧驱动导线盘；前侧解耦导线盘、后侧解耦导线盘具有半径为r1的圆环导线槽，前侧驱动导线盘、后侧解耦导线盘具有半径为r2的圆环导线槽，四个环形导线槽均同轴；
其中前侧驱动导线盘位于前侧解耦导线盘径向外侧；其中前侧解耦导线盘与中心轴之间安装有前侧小法兰轴承，前侧解耦导线盘通过前侧小法兰轴承支撑并压向中心轮前侧表面，使前侧解耦导线盘的轴向端面与前侧小平面推力滚针轴承保持接触；其中前侧驱动导线盘与前侧解耦导线盘之间安装有前侧大法兰轴承，前侧驱动导线盘通过前侧大法兰轴承支撑并压向中心轮前侧表面，使前侧驱动导线盘的轴向端面与前侧大平面推力滚针轴承保持接触；
其中后侧驱动导线盘位于后侧解耦导线盘径向外侧；其中后侧解耦导线盘与中心轴之间安装有后侧小法兰轴承，后侧解耦导线盘通过后侧小法兰轴承支撑并压向中心轮后侧表面，使后侧解耦导线盘的轴向端面与后侧小平面推力滚针轴承保持接触；其中后侧驱动导线盘与后侧解耦导线盘之间安装有后侧大法兰轴承，后侧驱动导线盘通过后侧大法兰轴承支撑并压向中心轮后侧表面，使后侧驱动导线盘的轴向端面与后侧大平面推力滚针轴承保持接触；
上述中心轮前侧表面还固定有左前导向滑轮模块和右前导向滑轮模块，左前导向滑轮模块和右前导向滑轮模块均由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；中心轮后侧表面还还固定有左后导向滑轮模块和右后导向滑轮模块，左后导向滑轮模块和右后导向滑轮模块均由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；
中心轮上方安装有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由一个解耦绳索定滑轮和驱动绳索定滑轮组成；
该机构还包括一根左解耦绳索、一根右解耦绳索、一根后端关节左驱动绳索、一根后端关节右驱动绳索；
上述固定轮下方和主动轮下方均设置有与中心轴轴线平行的两个圆形通孔和两个方形通孔，两个圆孔进行圆角处理，用于上述左解耦绳索、右解耦绳索的导向；两个方形孔处安装导向滑轮，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；
上述左解耦绳索的前端与固定轮固定，之后先穿过固定轮上的对应圆形通孔，再按顺时针方向沿着前侧解耦导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块，经过解耦绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧解耦导线盘的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮固定；
上述右解耦绳索的前端与固定轮固定，之后先穿过固定轮上的对应圆形通孔，再按逆时针方向沿着前侧解耦导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块，经过解耦绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧解耦导线盘的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮固定；
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方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着前侧驱动导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块，经过驱动绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧驱动导线盘的绳槽自上而下缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆相连；
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方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着前侧驱动导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块，经过驱动绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧驱动导线盘的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆相连；
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。
上述无摩擦的绳驱动被动解耦机构的解耦减摩方法，其特征在于：
由当前关节的驱动单元拉动当前关节左驱动绳索与当前关节右驱动绳索，从而驱动主动轮转动，同时带动当前关节连杆转动；由于左解耦绳索和右解耦绳索的前端与固定轮固定，左解耦绳索和右解耦绳索的末端与主动轮固定，利用左解耦绳索和右解耦绳索的正反向圆弧走线缠绕，实现随动轮盘组运动角速度为关节旋转角速度ω的一半，即为ω/2，并且左解耦绳索和右解耦绳索始终保持张紧，实现随动轮盘组正反向可靠驱动；
当前关节的驱动单元驱动主动轮转动同时，后端关节的驱动单元抱闸。由于后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索的前端与后端关节的驱动单元相连，末端与后端关节连杆相连，所以端部无位移变化；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盘组运动角速率ω/2的2r2倍，其中r2为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后侧驱动导线盘的绳槽的走线半径，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+ωΔt·r2，-ωΔt·r2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；由随动轮盘组转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2r2·ω/2·Δt、+2r2·ω/2·Δt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和主动轮如何旋转，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。
上述左解耦绳索和右解耦绳索的前端与固定轮固定，之后先穿过固定轮上的对应圆形通孔，再沿着前侧解耦导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块，经过解耦绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧解耦导线盘的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮固定；后端关节左驱动绳索和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方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再沿着前侧驱动导线盘的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块，经过驱动绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧驱动导线盘的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆相连；在整个运动过程中，左、右解耦绳索和后端关节左、右驱动绳索与所接触表面无相对位移，故绳索本身不受到滑动摩擦力，只涉及绳索-滑轮的微小摩擦；除去绳索以外的摩擦形式主要包括滑轮本身的摩擦、导线盘轴向端面与平面推力滚针轴承的摩擦，这两种形式的摩擦极小，相较于驱动单元的驱动力而言可忽略不计。所以对于上述解耦机构，整体可达到无摩擦的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
本发明的无摩擦绳索被动解耦机构，在保证关节运动时驱动绳索的被动解耦的效果同时，将绳索运动过程和路径中的摩擦大幅度降低。大大提高了传动效率，为绳驱动串联关节机器人的精准力位控制奠定了基础，保证了控制性能不受限。同时，绳索的磨损得到很大程度的缓解，使绳索驱动机器人关节的使用寿命提高，实际应用效果有显著改善。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是本发明绳驱动串联机械臂解耦机构的立体分解图；
图2是本发明解耦机构中随动轮盘组及其绳索绕线的立体图；
图3是本发明绳索运动解耦机构的整体结构示意图；
图4是本发明随动轮盘组结构的立体分解图；
图5是本发明随动轮盘组结构的剖面视图；
图6是本发明驱动绳索的解耦过程示意图，其中左边为主动轮转动，后端关节驱动绳索的走线示意图；右边为随动轮转动，后端关节驱动绳索的走线示意图；
图中标号名称：1固定轮；2随动轮盘组；3主动轮；4当前关节连杆；5关节基座；
201左解耦绳索；202右解耦绳索；203前导向滑轮模块；203-1左前导向滑轮模块；203-2右前导向滑轮模块；204定滑轮模块；204-1左定滑轮模块；204-2右定滑轮模块；205后导向滑轮模块；205-1左后导向滑轮模块；205-2右后导向滑轮模块；206中心轮；207-1前侧小法兰轴承；207-2后侧小法兰轴承；208-1前侧大法兰轴承；208-2后侧大法兰轴承；209-1前侧解耦导线盘；209-2后侧解耦导线盘；210-1前侧驱动导线盘；210-2后侧驱动导线盘；211-1前侧小平面推力滚针轴承；211-2后侧小平面推力滚针轴承；212-1前侧大平面推力滚针轴承；212-2后侧大平面推力滚针轴承；213中心轴；
61当前关节左驱动绳索；62当前关节右驱动绳索；
71后端关节左驱动绳索；72后端关节右驱动绳索；
81后端关节的驱动单元；82当前关节的驱动单元；
9后端关节连杆。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及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、2所示，提供一种用于绳索驱动串联机械臂的无摩擦的驱动绳索运动被动解耦的机构。从前向后依次包括关节基座5、固定轮1、随动轮盘组2、主动轮3和当前关节连杆4；还包括中心轴213；其中固定轮1与关节基座5固定连接不能转动；固定轮1、随动轮盘组2均通过轴承安装与中心轴213上可相对转动，但轴向位移被限制；主动轮3与中心轴213固连一起转动，同时与当前关节连杆4固定连接；
其中，如图2、5所示，所述的中心轴213为阶梯轴，中心轴213一端径向加工有一螺纹孔，用于与主动轮3通过螺钉连接固定；中心轴213轴肩用于限制随动轮盘组2的中心轮206和小法兰轴承207、固定轮1的轴向位移，阶梯轴的尺寸需保证小法兰轴承207轴向将导线盘压向中心轮206使导线盘端面与平面推力滚针轴承保持接触。
其中，如图1、3所示，所述的固定轮1与关节基座5紧固，固定轮1轮盘上加工有与中心轴213轴线平行的两个圆形通孔和两个方形通孔；两个圆孔进行圆角处理，用于上述左解耦绳索201、右解耦绳索202的导向；两个方形孔处安装引入导向滑轮，用于上述后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72的导向；固定轮1开有轴承孔，与轴承外圈配合，轴承内圈与中心轴213配合。
其中，所述随动轮盘组2如图2、5所示，包括中心轮206，中心轮206两侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有小平面推力滚针轴承211、大平面推力滚针轴承212；中心轮206两侧表面对称同轴安装解耦导线盘209和驱动导线盘210；解耦导线盘209具有半径为r1的圆环导线槽，驱动导线盘210后侧具有半径为r2的圆环导线槽，四个环形导线槽均同轴；前侧驱动导线盘210-1位于前侧解耦导线盘209-1径向外侧；其中前侧解耦导线盘209-1与中心轴213之间安装有前侧小法兰轴承207-1，前侧小法兰轴承207-1内圈与中心轴213配合，通过中心轴213的轴肩和轴上的轴用弹性挡圈限制轴向位置，轴承外圈与前侧驱动导向盘210-1配合，前侧解耦导线盘209-1通过前侧小法兰轴承207-1支撑并压向中心轮206前侧表面，使前侧解耦导线盘209-1的轴向端面与前侧小平面推力滚针轴承211-1保持接触；其中前侧驱动导线盘210-1与前侧解耦导线盘209-1之间安装有前侧大法兰轴承208-1，前侧大法兰轴承208-1内圈与前侧解耦导向盘209-1配合，通过前侧解耦导向盘209-1径向外表面的轴肩和轴用弹性挡圈限制轴向位置，轴承外圈与前侧驱动导向盘配合，前侧驱动导线盘210-1通过前侧大法兰轴承208-1支撑并压向中心轮206前侧表面，使前侧驱动导线盘210-1的轴向端面与前侧大平面推力滚针轴承212-1保持接触；中心轮206后侧与前侧对称布置。
其中，如图2、5所示，中心轮206两侧表面还对称固定有前导向滑轮模块203和后导向滑轮模块205，前导向滑轮模块203和后导向滑轮模块205均由两个解耦绳索导向滑轮和两个驱动绳索导向滑轮组成，滑轮安装在滑轮支架上，滑轮支架通过螺钉固定在中心轮206轴向两侧表面；中心轮206上方安装有定滑轮模块204；左定滑轮模块204-1和右定滑轮模块204-2均由一个解耦绳索定滑轮和驱动绳索定滑轮组成，滑轮直接安装在螺栓上，螺栓固定在中心轮圆周表面；
其中，如图1、3所示，所述的主动轮3与当前关节连杆4紧固，主动轮3轮盘上加工有与中心轴213轴线平行的两个圆形通孔和两个方形通孔；两个圆孔进行圆角处理，用于上述左解耦绳索201、右解耦绳索202的导向；两个方形孔处安装引出导向滑轮，用于上述后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72的导向；主动轮3中心开有圆形通孔，孔的直径与中心轴213后端最后一阶相等，用于穿过中心轴213；主动轮3后侧表面加工有与中心轴213同轴的凸台，凸台径向加工有通孔，主动轮3通过螺钉与中心轴213固连一起转动，同时与当前关节连杆4固定连接。
其中，如图2、4所示，所述左解耦绳索201、右解耦绳索202，用来驱动随动轮盘组。绳索立体缠绕图如图3所示，绳索只受拉不受压，为正反向驱动随动轮盘组，解耦绳索设计为两根。左解耦绳索201的前端与固定轮1固定，之后先穿过固定轮1上的对应圆形通孔，再按顺时针方向沿着前侧解耦导线盘209-1的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块203-1，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块204-1，经过解耦绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块205-1，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧解耦导线盘209-2的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮3上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮3固定；右解耦绳索202的前端与固定轮1固定，之后先穿过固定轮1上的对应圆形通孔，再按逆时针方向沿着前侧解耦导线盘209-1的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块203-2，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块204-2，经过解耦绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块205-2，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧解耦导线盘209-2的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮3上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮3固定；；当当前关节连杆4以图1方向旋转时，带动主动轮3同方向转动，与主动轮3固结的左解耦绳索201，右解耦绳索202，右解耦绳索202张紧，左解耦绳索201松弛。当前侧解耦导线盘209-1、后侧解耦导线盘209-2上的解耦绳索导线环槽半径均等于r1时，即可保证随动轮盘组2转动的角速度为当前关节连杆4转动角速度ω的1/2，并且由主动轮3转动导致右解耦绳索202的固定端(主动轮3上的)位移大小为ωΔt·r1，由右解耦绳索202驱动随动轮盘组2导致左解耦绳索25的固定端(主动轮3上的)位移大小为ω/2·Δt·r1·2＝ω·Δt·r1，位移大小相等。由此保证左解耦绳索201、右解耦绳索202不会产生某根解耦绳索过于紧绷或产生松弛的现象，确保随动轮盘组2正反向驱动的可靠性。
其中，如图3所示，所述当前关节连杆4的旋转，采用两根当前关节左驱动绳索61、当前关节右驱动绳索62远程驱动。当前关节的左驱动绳索61、当前关节右驱动绳索62的上端的末端固定在当前关节连杆4上，下端的末端与当前关节驱动单元82固结。当前关节左驱动绳索61、当前关节右驱动绳索62缠绕在当前关节连杆4上，当前关节左驱动绳索61按逆时针方向缠绕，而当前关节右驱动绳索62以顺时针方向缠绕。当当前关节连杆4沿着如图3方向转动时，当前关节左驱动绳索61缠绕在当前关节连杆4上，当前关节右驱动绳索62从当前关节连杆4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、6所示，所述后端关节左驱动绳索71的前端用于与后端关节的驱动单元81相连，之后先穿过固定轮1上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着前侧驱动导线盘210-1的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块203-1，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块204-1，经过驱动绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块205-1，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧驱动导线盘210-2的绳槽自上而下缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮3上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)相连；所述后端关节右驱动绳索72的前端用于与后端关节的驱动单元81相连，之后先穿过固定轮1上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着前侧驱动导线盘210-1的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块203-2，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块204-2，经过驱动绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块205-2，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧驱动导线盘210-2的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮3上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆9相连；由于后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72沿着前侧驱动导线盘210-1、后侧驱动导线盘210-2上的导线环槽缠绕，并且前侧驱动导线盘210-1、后侧驱动导线盘210-2上的导线环槽半径相等，均为r2，所以随动轮盘组2转动导致的后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72右侧末端的速率是随动轮盘组2旋转角速率的2r2倍。如图6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71沿着后侧驱动导线盘210-2上的导线环槽脱离，后端关节左驱动绳索71的右侧末端产生+ωΔt·r2位移，而后端关节右驱动绳索72沿着后侧驱动导线盘210-2上的导线环槽缠绕，后端关节右驱动绳索72的右侧末端产生-ωΔt·r2位移(ω为主动轮3的旋转角速度，r2为前侧驱动导线盘210-1、后侧驱动导线盘210-2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6右图所示，由于左解耦绳索201、右解耦绳索202的驱动，随动轮盘组2以ω/2角速度跟随主动轮3同向转动，随动轮盘组2旋转ω/2·Δt的角度。因为随动轮盘中2转动后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72右侧末端的速率是随动轮盘组2角速率的2r2倍，所以后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72的右侧末端的位移大小为ω/2·Δt·r2·2＝ω·Δt·r2。随动轮盘组2的转动，导致后端关节左驱动绳索71会继续沿着前侧、后侧驱动导线盘上的导线环槽缠绕，缠绕长度为ω·Δt·r2，也即后端关节左驱动绳索71的右端将产生-ω·Δt·r2位移。后端关节右驱动绳索72的一部分将沿着前侧、后侧驱动导线盘上的导线环槽脱离，脱离长度为ω·Δt·r2，也就是后端关节右驱动绳索72的右端将产生+ω·Δt·r2位移(沿着绳索方向向上为正)。后端关节左驱动绳索71、后端关节右驱动绳索72在经过解耦模块后，它们右侧的末端与当前关节连杆4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)

1.一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构法，其特征在于：
从前向后依次包括关节基座(5)、固定轮(1)、随动轮盘组(2)、主动轮(3)和当前关节连杆(4)；还包括中心轴(213)；
其中固定轮(1)与关节基座(5)固定连接不能转动；固定轮(1)、随动轮盘组(2)均通过轴承安装与中心轴(213)上可相对转动，但轴向位移被限制；主动轮(3)与中心轴(213)固连一起转动，同时与当前关节连杆(4)固定连接；
上述随动轮盘组(2)包括中心轮(206)，中心轮(206)前侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有前侧小平面推力滚针轴承(211-1)、前侧大平面推力滚针轴承(212-1)；中心轮(206)后侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有后侧小平面推力滚针轴承(211-2)、后侧大平面推力滚针轴承(212-2)；
中心轮(206)前侧表面同轴安装前侧解耦导线盘(209-1)和前侧驱动导线盘(210-1)；后侧表面同轴安装后侧解耦导线盘(209-2)和后侧驱动导线盘(210-2)；前侧解耦导线盘(209-1)、后侧解耦导线盘(209-2)具有半径为r1的圆环导线槽，前侧驱动导线盘(210-1)、后侧解耦导线盘(209-2)具有半径为r2的圆环导线槽，四个环形导线槽均同轴；
其中前侧驱动导线盘(210-1)位于前侧解耦导线盘(209-1)径向外侧；其中前侧解耦导线盘(209-1)与中心轴(213)之间安装有前侧小法兰轴承(207-1)，前侧解耦导线盘(209-1)通过前侧小法兰轴承(207-1)支撑并压向中心轮(206)前侧表面，使前侧解耦导线盘(209-1)的轴向端面与前侧小平面推力滚针轴承(211-1)保持接触；其中前侧驱动导线盘(210-1)与前侧解耦导线盘(209-1)之间安装有前侧大法兰轴承(208-1)，前侧驱动导线盘(210-1)通过前侧大法兰轴承(208-1)支撑并压向中心轮(206)前侧表面，使前侧驱动导线盘(210-1)的轴向端面与前侧大平面推力滚针轴承(212-1)保持接触；
其中后侧驱动导线盘(210-2)位于后侧解耦导线盘(209-2)径向外侧；其中后侧解耦导线盘(209-2)与中心轴(213)之间安装有后侧小法兰轴承(207-2)，后侧解耦导线盘(209-2)通过后侧小法兰轴承(207-2)支撑并压向中心轮(206)后侧表面，使后侧解耦导线盘(209-2)的轴向端面与后侧小平面推力滚针轴承(211-2)保持接触；其中后侧驱动导线盘(210-2)与后侧解耦导线盘(209-2)之间安装有后侧大法兰轴承(208-2)，后侧驱动导线盘(210-2)通过后侧大法兰轴承(208-2)支撑并压向中心轮(206)后侧表面，使后侧驱动导线盘(210-2)的轴向端面与后侧大平面推力滚针轴承(212-2)保持接触；
上述中心轮(206)前侧表面还固定有前导向滑轮模块(203)，包括左前导向滑轮模块(203-1)和右前导向滑轮模块(203-2)，左前导向滑轮模块(203-1)和右前导向滑轮模块均(203-2)由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；中心轮(206)后侧表面还还固定有后导向滑轮模块(205)，左后导向滑轮模块(205-1)和右后导向滑轮模块(205-2)，左后导向滑轮模块(205-1)和右后导向滑轮模块(205-2)均由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；
中心轮(206)上方安装有定滑轮模块(204)，左定滑轮模块(204-1)和右定滑轮模块(204-2)；左定滑轮模块(204-1)和右定滑轮模块(204-2)均由一个解耦绳索定滑轮和驱动绳索定滑轮组成；
该机构还包括一根左解耦绳索(201)、一根右解耦绳索(202)、一根后端关节左驱动绳索(71)、一根后端关节右驱动绳索(72)；
上述固定轮(1)下方和主动轮(3)下方均设置有与中心轴(213)轴线平行的两个圆形通孔和两个方形通孔，两个圆孔进行圆角处理，用于上述左解耦绳索(201)、右解耦绳索(202)的导向；两个方形孔处安装导向滑轮，用于上述后端关节左驱动绳索(71)、后端关节右驱动绳索(72)的导向；
上述左解耦绳索(201)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再按顺时针方向沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块(203-1)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块(204-1)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块(205-1)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；
上述右解耦绳索(202)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再按逆时针方向沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块(203-2)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块(204-2)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块(205-2)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；
上述后端关节左驱动绳索(71)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块(203-1)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块(204-1)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块(205-1)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自上而下缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)相连；
上述后端关节右驱动绳索(72)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块(203-2)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块(204-2)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块(205-2)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(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所述无摩擦的绳驱动被动解耦机构的解耦减摩方法，其特征在于：
由当前关节的驱动单元(82)拉动当前关节左驱动绳索(61)与当前关节右驱动绳索(62)，从而驱动主动轮(3)转动，同时带动当前关节连杆(4)转动；由于左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的前端与固定轮(1)固定，左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的末端与主动轮(3)固定，利用左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的正反向圆弧走线缠绕，实现随动轮盘组(2)运动角速度为关节旋转角速度ω的一半，即为ω/2，并且左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)始终保持张紧，实现随动轮盘组正反向可靠驱动；
当前关节的驱动单元(82)驱动主动轮转动同时，后端关节的驱动单元(81)抱闸。由于后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)的前端与后端关节的驱动单元(81)相连，末端与后端关节连杆(9)相连，所以端部无位移变化；通过后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)位移变化率的是随动轮盘组(2)运动角速率ω/2的2r2倍，其中r2为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后侧驱动导线盘的绳槽的走线半径，ω为当前关节连杆的旋转角速度；
由当前关节连杆(4)转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生+ωΔt·r2，-ωΔt·r2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；由随动轮盘组(2)转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2r2·ω/2·Δt、+2r2·ω/2·Δt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(4)和主动轮(3)如何旋转，经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)的后端与当前关节连杆(4)无相对位移，实现关节间的解耦。
上述左解耦绳索(201)和右解耦绳索(72)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块(203)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块(204)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块(205)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；后端关节左驱动绳索(71)和后端关节左驱动绳索(72)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块(203)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块(204)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块(205)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)相连；在整个运动过程中，左、右解耦绳索和后端关节左、右驱动绳索与所接触表面无相对位移，故绳索本身不受到滑动摩擦力，只涉及绳索-滑轮的微小摩擦；除去绳索以外的摩擦形式主要包括滑轮本身的摩擦、导线盘轴向端面与平面推力滚针轴承的摩擦，这两种形式的摩擦极小，相较于驱动单元的驱动力而言可忽略不计。所以对于上述解耦机构，整体可达到无摩擦的效果。
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