CN108724160A - 一种提高控制精度的绳索驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高控制精度的绳索驱动装置，包括由电机带动旋转的传动轮，随传动轮旋转的卷筒，以及卷绕在卷筒上的绳索。卷筒能在旋转过程中相对于传动轮轴向移动，在卷筒表面制有螺旋形的用于卡绕绳索的卡槽。卷筒的轴向移动速率与绳索在卡槽内的轴向移动速率相同，通过卷筒与绳索分离点的同步移动，消除绳索相对于卷筒的摆动，从而可以准确控制绳索的输出。本发明的关键优点是卷筒转动的角度与绳索的输入输出量为线性关系，并且绳索驱动装置易于控制、结构紧凑、易维护，从而大大提高绳索控制精度。

Description

一种提高控制精度的绳索驱动装置

技术领域

本发明涉及机器人驱动控制技术，具体地说是一种用于绳驱动机器人的绳索驱动装置。

背景技术

绳驱动机器人是一种由绳索驱动运动平台运动的特殊的混联机构，由若干单自由度或多自由度绳驱动关节组成。绳驱动机器人具有轻量化，惯量小，承重能力强，柔顺性好等优点，因此非常适合应用于服务机器人，具有很高的研究价值。

绳索驱动装置是绳驱动机械臂最重要的组成部分之一，通过拉动绳索实现绳驱动关节的运动。绳索驱动装置的性能和精度直接决定整个绳驱动机械臂的性能和精度。由于绳驱动机器人是驱动冗余的机构，一个机器人系统所需的绳索驱动装置数量较多，绳索驱动装置的经济学和紧凑性需要考虑。因此，设计一种性能优良，结构紧凑的绳索驱动装置对绳驱动机器人的研究十分重要。

现有的绳索驱动装置，一般采用卷筒卷绕绳索的方式控制绳索状态。普通卷筒在卷绕绳索时，每转动一圈，绳索与卷筒的分离点便会沿卷筒轴方向移动一个导程，使得绳索产生偏移。由于绳索在卷筒轴向上偏移角度的不同，绳索便会以绳索驱动装置的绳索输出孔为中心，沿卷筒轴向来回摆动，致使卷筒在每个旋转单位周期内经过绳索输出孔的绳索长度不一致。在绳驱动机器人中系统中，这一不利因素会影响绳索运动的精度，并且产生磨损。

发明内容

本发明针对上述现有技术现状，而提供一种提高控制精度的绳索驱动装置，解决了绳索沿卷筒轴向摆动致使控制精度不高，且易磨损的缺点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种提高控制精度的绳索驱动装置，包括由电机带动旋转的传动轮，随传动轮旋转的卷筒，以及卷绕在卷筒上的绳索。卷筒能在旋转过程中相对于传动轮轴向移动，在卷筒表面制有螺旋形的用于卡绕绳索的卡槽。卷筒的轴向移动速率与绳索在卡槽内的轴向移动速率相同，通过卷筒与绳索分离点的同步移动，消除绳索相对于卷筒的摆动，从而可以准确控制绳索的输出。

作为一种优化的技术方案，本发明还包括以下技术改进：

绳索驱动装置具有固定在安装座上，并用以引导卷筒轴向移动的导向件。卷筒与导向件之间设有与卡槽相同螺旋度的螺旋导向槽，以及设有与螺旋导向槽相配合的导向齿。

作为优选，上述的传动轮转动设置在安装座上，并通过同步带与电机上的驱动轮相连接。

作为优选，上述的安装座设有穿过绳索的牵引孔。

作为一种优选的实现方式，上述的螺旋导向槽和卡槽是卷筒表面的同一个螺旋凹槽。卡槽位于螺旋凹槽的槽根，螺旋导向槽位于螺旋凹槽的槽壁。导向件固定在卷筒的一侧，导向齿位于导向件上。进一步优选，上述的卷筒固定连接有花键轴，花键轴与传动轮轴向滑动配合。更优选，上述的卷筒轴向滑动设置在花键轴上，花键轴与传动轮固定连接。

作为另一种优选的实现方式，上述的螺旋导向槽和卡槽分体设置。在卷筒轴心制有圆孔，导向件安装在圆孔内，螺旋导向槽位于圆孔与导向件之间。卷筒的盘面与传动轮的盘面之间设有至少两根导向杆。进一步优选，上述的螺旋导向槽位于圆孔的内壁；导向齿位于导向件上。更优选，上述的螺旋导向槽位于导向件的表面。导向齿位于圆孔的内壁。

与现有技术相比，本发明的一种提高控制精度的绳索驱动装置，通过卷筒与绳索分离点的同步移动，消除绳索相对于卷筒的摆动，可以使绳索输出端始终对准接口，从而实现了精确运动控制。本发明的关键优点是卷筒转动的角度与绳索的输入输出量为线性关系，并且绳索驱动装置易于控制、结构紧凑、易维护，从而大大提高绳索控制精度。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是图1的剖面结构示意图；

图3是图1的侧面结构示意图；

图4是实施例2的结构示意图；

图5是图4的结构示意图；

图6是实施例3的结构示意图；

图7是图6的俯视结构示意图；

图8是图7的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明。需要指出的是，以下实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图8所示为本发明的结构示意图。其中的附图标记为：电机1、同步带11、驱动轮12、传动轮2、卷筒3、卡槽31、绳索4、导向件5、螺旋导向槽6、导向齿61、安装座7、牵引孔71、花键轴8、花键套81、导向杆9。

以下是本发明的优选实施例1。

如图1至图3所示，本发明的一种提高控制精度的绳索驱动装置，包括由电机1带动旋转的传动轮2，随传动轮2旋转的卷筒3，以及卷绕在卷筒3上的绳索4。

电机1、传动轮和卷筒3分别设置在安装座上，卷筒3能在旋转过程中相对于传动轮2轴向移动。在卷筒3表面制有螺旋形的用于卡绕绳索4的卡槽31。卷筒3的轴向移动速率与绳索4在卡槽31内的轴向移动速率相同。

安装座设有用以引导卷筒3轴向移动的导向件5。卷筒3与导向件5之间设有与卡槽31相同螺旋度的螺旋导向槽6，以及设有与螺旋导向槽6相配合的导向齿61。

传动轮2转动设置在安装座7上，并通过同步带11与电机1上的驱动轮12相连接。电机1采用大扭矩的力矩电机，电机1通过驱动轮12和同步带11带动传动轮2旋转。

安装座7设有穿过绳索4的牵引孔71。绳索4穿过牵引孔71，并卷绕在卷筒3的卡槽31内。

在现有技术中，随着卷筒3的转动，绳索4与卷筒3的分离点会相对于卷筒3在轴向上移动，这样牵引孔71与分离点之间的绳索段会沿卷筒3轴向摆动。而控制系统一般是通过控制电机1的转动角度行程，来控制牵引孔71中绳索4的输出位移。由于绳索段会沿卷筒3轴向摆动，所以通过电机1的转动角度来计算绳索4的输出位移，精确度不高。

本发明中，卷筒3能相对于传动轮2轴向移动，并且卷筒3的轴向移动速率与绳索4在卡槽31内的轴向移动速率相同。在工作初始状态，保证牵引孔71与分离点之间的绳索段与卷筒3轴线垂直。随后，本发明的卷筒3在旋转过程中，由于卡槽31控制着绳索4在卷筒3上的轴向移动速率，而螺旋导向槽6控制着卷筒3的轴向移动速率，两者轴向移动速率一致时，便能保证工作过程中，牵引孔71与分离点之间的绳索段始终与卷筒3轴线垂直。这样，电机1的转动角度行程对应着卷筒3的转动角度行程，而通过卷筒3的转动角度行程又能准确计算牵引孔71中绳索4的位移长度，使绳索4输出量达到精确化控制。

本实施例中螺旋导向槽6和卡槽31是卷筒3表面的同一个螺旋凹槽。卡槽31位于螺旋凹槽的槽根，螺旋导向槽6位于螺旋凹槽的槽壁。由于是同一个螺旋凹槽，可以保证两者轴向移动速率一致，同时方便制造。

导向件5固定在卷筒3的底部，导向齿61位于导向件5上，并与螺旋凹槽的槽壁相配合。导向齿61优选采用聚甲醛塑料制作，具有自润滑性，导向齿61的宽度等于螺旋凹槽上部的螺旋导向槽6宽度，从而恰好啮合，又不会影响槽根的绳索4。同时导向齿61还具有一个倾斜角度，使得卡齿与螺旋导向槽6恰好相切。

卷筒3固定连接有花键轴8，花键轴8与传动轮2轴向滑动配合。传动轮2的轴心制有与花键轴8相配合的花键套81，并通过花键轴8带动卷筒3旋转工作，同时不会约束卷筒3的轴向平动。

以下是本发明的优选实施例2。

如图4和图5所示，本实施例是在实施例1的基础上进行改进，与实施例1不同的是，本实施例中花键轴8与传动轮2固定连接，并且花键轴8采用滚珠花键，花键轴8上设有能轴向移动的花键套81，卷筒3安装在花键套81上。

本实施例的导向件5固定在安装座7的侧壁上，位于牵引孔71的一侧，导向件5上的导向齿61与螺旋凹槽上部的螺旋导向槽6相配合。

以下是本发明的优选实施例3。

如图6至图8所示，本实施例的绳索驱动装置，同样包括由电机1带动旋转的传动轮2，随传动轮2旋转的卷筒3，以及卷绕在卷筒3上的绳索4。

电机1、传动轮和卷筒3分别设置在安装座上，卷筒3能在旋转过程中相对于传动轮2轴向移动。在卷筒3表面制有螺旋形的用于卡绕绳索4的卡槽31。卷筒3的轴向移动速率与绳索4在卡槽31内的轴向移动速率相同。

安装座设有用以引导卷筒3轴向移动的导向件5。卷筒3与导向件5之间设有与卡槽31相同螺旋度的螺旋导向槽6，以及设有与螺旋导向槽6相配合的导向齿61。

传动轮2转动设置在安装座7上，并通过同步带11与电机1上的驱动轮12相连接。电机1采用大扭矩的力矩电机，电机1通过驱动轮12和同步带11带动传动轮2旋转。

安装座7设有穿过绳索4的牵引孔71。绳索4穿过牵引孔71，并卷绕在卷筒3的卡槽31内。

与实施例1不同的是，本实施例的螺旋导向槽6和卡槽31是分体设置。在卷筒3轴心制有圆孔，导向件5安装在圆孔内，螺旋导向槽6位于圆孔与导向件5之间。卷筒3的盘面与传动轮2的盘面之间设有至少两根导向杆9。

螺旋导向槽6位于导向件5的表面，而导向齿61位于圆孔的内壁。当然本实施例也可以相应变化，使螺旋导向槽6位于圆孔的内壁，而导向齿61位于导向件5上。

本实施例中，卷筒3通过至少两根导向杆9，实现与传动轮2一起转动，同时卷筒3可以沿导向杆9滑动，不会约束其轴向移动。导向杆9的数量优选为三根或四根。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种提高控制精度的绳索驱动装置，包括由电机(1)带动旋转的传动轮(2)，随传动轮(2)旋转的卷筒(3)，以及卷绕在所述卷筒(3)上的绳索(4)，其特征是：所述的卷筒(3)能在旋转过程中相对于所述的传动轮(2)轴向移动，在卷筒(3)表面制有螺旋形的用于卡绕绳索(4)的卡槽(31)；所述卷筒(3)的轴向移动速率与所述绳索(4)在卡槽(31)内的轴向移动速率相同。

2.根据权利要求1所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：具有固定在安装座上，并用以引导卷筒(3)轴向移动的导向件(5)；所述卷筒(3)与导向件(5)之间设有与所述卡槽(31)相同螺旋度的螺旋导向槽(6)，以及设有与螺旋导向槽(6)相配合的导向齿(61)。

3.根据权利要求2所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的传动轮(2)转动设置在安装座(7)上，并通过同步带(11)与所述电机(1)上的驱动轮(12)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的安装座(7)设有穿过所述的绳索(4)的牵引孔(71)。

5.根据权利要求2至4任一权利要求所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的螺旋导向槽(6)和卡槽(31)是卷筒(3)表面的同一个螺旋凹槽；所述的卡槽(31)位于螺旋凹槽的槽根，所述的螺旋导向槽(6)位于螺旋凹槽的槽壁；所述的导向件(5)固定在卷筒(3)的一侧，所述的导向齿(61)位于所述的导向件(5)上。

6.根据权利要求5所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的卷筒(3)固定连接有花键轴(8)，所述的花键轴(8)与所述的传动轮(2)轴向滑动配合。

7.根据权利要求5所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的卷筒(3)轴向滑动设置在花键轴(8)上，所述的花键轴(8)与传动轮(2)固定连接。

8.根据权利要求2至4任一权利要求所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的螺旋导向槽(6)和卡槽(31)分体设置；在所述卷筒(3)轴心制有圆孔，所述的导向件(5)安装在所述的圆孔内，所述的螺旋导向槽(6)位于所述圆孔与导向件(5)之间；所述卷筒(3)的盘面与传动轮(2)的盘面之间设有至少两根导向杆(9)。

9.根据权利要求8所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的螺旋导向槽(6)位于圆孔的内壁；所述的导向齿(61)位于所述的导向件(5)上。

10.根据权利要求8所述的一种提高控制精度的绳索驱动装置，其特征是：所述的螺旋导向槽(6)位于导向件(5)的表面；所述的导向齿(61)位于圆孔的内壁。