CN109571452A - 一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构 - Google Patents

Abstract

一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，包括：基座、预紧模块、动平台模块和绳索卷绕驱动模块，其中：预紧模块、动平台模块和绳索卷绕驱动模块分别通过方形螺栓与基座连接，绳索卷绕驱动模块控制动平台模块的两个自由度的输出，预紧模块通过在基座位置调整实现绳索的张紧，共同驱动实现机构一平动和一转动的双自由度的空间运动。

Description

一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构

技术领域

本发明涉及机器人自动化装置领域，具体涉及一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构。

背景技术

两自由度的绳索驱动机构是指通过绳索牵引的方式，将两个电机的输出扭矩传递到末端的执行机构，实现执行机构的运动，从而完成操作任务。绳索驱动具有精度高，回程差小，体积紧凑，灵巧精简等优点。两自由度是指机构能够实现两种独立运动形式，例如转动和移动的任意组合形式。其中转动轴线的方向可以依据工况需求进行任意的设定，灵活性高。

目前，大部分两自由度的执行机构的运动形式是单纯的两个转动或者平动形式，同时双自由度的驱动往往采用串联的方式。在实现双自由度输出的过程中，需要将每个电机对应一个自由的的输出，另外一台驱动如电机需要和末端的输出机构固定，也就是驱动电机和末端执行器一起运动，这无疑增大了末端执行机构的运动惯量，降低运动机构的灵活性。现有机构为了保证运动精度和提高负载，会配套大质量的基座，以保证运动过程中，机构的刚度，造成整体装置体积大重量沉。且运动输出形式往往是单一的，要么是纯转动输出，或者是纯平动的形式，并且运动过程中受到结构限制，运动行程小，反应速度慢效率低等问题。

现有的双自由度机构驱动机构需要将驱动电机绑定执行机构跟随一起运动，同时基座往往质量较大，运动惯性大，受现有传统传动方式的限制，运动间隙较大。由于驱动机构基座一般具有较大的质量，运动过程具有一定的安全隐患。

经过对现有技术的检索发现，专利公开号为CN107411393A的专利申请记载了一种两自由度运动平台及动感模拟装置，包括基座、支撑机构、第一转动驱动机构和第二转动驱动机构,支撑机构安装在基座上；第一转动驱动机构包括第一旋转轴、连接体和第一驱动单元；第一旋转轴与支撑机构转动连接,连接体与第一旋转轴固定连接；第二转动驱动机构包括第二旋转轴、安装平台和第二驱动单元；安装平台与第二旋转轴固定连接,第二驱动单元安装在连接体上。但该现有技术的不足之处在于：驱动的电机一个布置在基座，一个布置在第二个自由度的运动关节上，增加了末端运动平台的运动惯量。同时，由于要多承担第二自由度的电机重量，基座的电机需要选取更大功率的型号。且该技术使得整体结构复杂化，并使整体重量变大。专利公开号为CN106272536A的专利申请记载了种两自由度串联伺服关节结构,其包括顶板、倾斜板、第一自由度机构以及第二自由度机构,所述顶板设有容置所述倾斜板的通孔；所述第一自由度机构包括电动顶杆、设置在所述倾斜板底部的对称设置的连动板、设置在所述顶板底部的对称设置的顶板连接板以及第一轴承连接件；所述第二自由度机构包括一级齿轮、二级齿轮以及固定连接所述倾斜板的电机和第二轴承连接件。但该现有技术的不足之处在于：该技术输出的形式为单纯的两个转动的自由度，无法实现平动的输出，并且转动的行程范围有所限制，并且转动轴线的方向如需要改变布置往往会受到自身结构上的限制。同时，由于采用齿轮等传统形式传动方式，回程差不可避免，进而降低了末端输出的精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种一平一转的双自由度驱动输出机构，适用于要求轻量化、高速和快响应的工作场景，该机构能够将主要质量布置在基座，不需要驱动电机随执行机构一起运动，实现末端机构的独立的转动和平动的效果，在简化运动过程同时，减少回程间隙，提高运动精度和工作效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，包括基座、预警模块、动平台模块和绳索卷绕驱动模块，基座包括支座、基座面板和导轨，其中，支座固定于基座面板一端，导轨固定在基座面板上；

预紧模块包括顶丝、固定座和预紧模块滑轮，固定座固定在基座面板上，顶丝和滑轮固定在固定座上；

动平台模块包括动平台转动圆盘、动平台滑轮、动平台安装板和滑块，滑轮固定在动平台安装板上，第一转动圆盘固定在动平台安装板上，滑块固定于动平台安装板底部，滑块与导轨配合并能沿着导轨滑动；

绳索卷绕驱动模块包括电机转动圆盘、电机、圆盘电机固定座和绳索，电机安装在圆盘电机固定座上，第二转动圆盘固定在电机输出轴上，由电机带动第二转盘转动，绳索卷绕驱动模块有2个；

支座、预紧模块、动平台模块和绳索卷绕驱动模块依次沿着基座面板长度方向布置。

进一步地，2个绳索卷绕驱动模块相对于基座面板宽度方向两侧布置；

进一步地，预警模块滑轮有2个且共轴，预紧模块滑轮的滑轮轴两端固定在固定座上，所预紧模块滑轮的滑轮轴平行于基座面板的宽度方向；

进一步地，绳索有2套，每套绳索连接着绳索卷绕驱动模块、动平台模块和预紧模块，并构成一个闭环，具体连接方式如下：

绳索通过缠绕的方式绕在第二转动圆盘上，再穿过动平台滑轮并卷绕在第一转动圆盘上，再通过预紧模块滑轮，最后结束在第二转动圆盘上；

进一步地，基座面板为铝型材；

进一步地，导轨有2条且布置在基座面板中间位置；

进一步地，第一转动圆盘的转盘轴与基座面板宽度方向平行；

进一步地，动平台模块滑轮共有2组，分别布置在第一转动圆盘两侧，每组有2个滑轮且共轴，动平台滑轮的滑轮轴与基座面板宽度方向平行；

进一步地，滑块有4个；

进一步地，当2个绳索卷绕驱动模块的电机转动方向和速度都相同时，第一转动圆盘匀速转动；当2个绳索卷绕驱动模块的电机转动方向相反，速度相同时，动平台模块匀速移动；当2个绳索卷绕驱动模块的电机转动速度不同时，动平台模块移动的同时，第一转动圆盘匀速转动。

有益效果：

本发明提供一种用于机器人自动化等领域的驱动输出机构，将驱动电机布置在基座上，通过绳索牵引的方式，将动力输出，不需将电机固定在末端执行机构上，实现一平动和一转动的双自由度输出，在简化机构的同时，达到轻量化、高速和快响应的效果。并且运动过程平稳，运动精确，可靠性高。本发明能够实现两种独立运动形式，例如转动和移动的任意组合形式。其中转动轴线的方向可以依据工况需求进行任意的设定，灵活性高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构图，

图2是本发明实施例1的俯视图，

图3是本发明实施例2的动平台模块立体图，

图4是本发明实施例2的动平台模块主视图，

图5是本发明实施例2的动平台模块半剖图。

附图标记：

1-基座，2-预紧模块，3-动平台模块，4-绳索卷绕驱动模块，5-基座面板，6-支座，7-导轨，8-螺钉，9-顶丝，10-固定座，11-预紧模块滑轮，12-滑轮中间隔离柱，13-滑轮轴，14-第一转动圆盘，15-转盘轴套，16-动平台模块滑轮，17-动平台安装板，18-转盘螺钉轴，19-滑块，20-转盘轴承，21-滑轮螺钉轴，22-第二转动圆盘，23-组合轴承，24-圆盘螺钉轴，25-圆盘电机固定座，26-电机，27-绳索，28-动平台安装板，29-第一转动圆盘，30-转盘轴套，31-第一组滑轮，32-第二组滑轮，33-转盘螺钉轴，34-滑块，35-转盘轴承，36-滑轮螺钉轴。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2所示，本实施例包括：基座1、预紧模块2、动平台模块3和绳索卷绕驱动模块4，其中：预紧模块2、动平台模块3和绳索卷绕驱动模块4分别通过螺栓与基座1连接，绳索卷绕驱动模块4控制动平台模块3的两个自由度的输出，预紧模块2通过在基座1位置调整实现绳索的张紧，共同驱动实现机构一平动和一转动的双自由度的空间运动。基座1包括：基座面板5、支座6、导轨7和配套的螺钉8，其中：基座面板支座6固定在基座面板5的一端，导轨7数量为两条，布置在基座面板5中间位置，通过螺钉8将支座6、导轨和基座面板5固定连接。

预紧模块2包括：顶丝9、固定座10、预紧模块滑轮11、滑轮中间隔离柱12和滑轮轴13，其中：滑轮轴13穿过两个预紧模块滑轮11和滑轮中间隔离柱12，滑轮轴13穿过固定座10的两边矩形滑槽并固定，顶丝9安装在固定座10的端面螺纹孔内，预紧模块共有2个。

动平台模块3包括：第一转动圆盘14、转盘轴套15、动平台模块滑轮16、动平台安装板17、转盘螺钉轴18、滑块19、转盘轴承20和滑轮螺钉轴21，其中：转盘轴承20安装在第一转动圆盘14两侧孔内，转盘轴套15顶在转盘轴承20端面，转盘14、转盘轴套15和转盘轴承20组合布置在动平台安装板17的中间位置，转盘螺钉轴18穿过动平台安装板17侧面孔、转盘14、转盘轴套15和转盘轴承20，实现各部件的固定。滑轮螺钉轴21穿过两个动平台模块滑轮16并与动平台安装板17安装孔固定。四个滑块19与动平台安装板17通过螺钉方式进行固定，滑块与导轨7配合且能在导轨上滑动，每条导轨上有2个滑块。

绳索卷绕驱动模块4包括：第二转动圆盘22、组合轴承23、圆盘螺钉轴24、圆盘电机固定座25、电机26和绳索27组成，其中：第二转动圆盘22两侧安装有组合轴承23，圆盘螺钉轴24穿过第二转动圆盘22、组合轴承23和圆盘电机固定座25的安装孔，实现固定。电机26安装在圆盘电机固定座25上，第二转动圆盘22一端开有不规则形状孔，电机26输出轴直接套在第二转动圆盘22的不规则形状孔内。绳索卷绕驱动模块4的数量为2个且相对于基座面板5两侧布置。

绳索27有2套，每套绳索依次连接着绳索卷绕驱动模块、动平台模块和预紧模块，并构成一个闭环，具体连接方式为：绳索27通过缠绕的方式绕在第二转动圆盘22上，再穿过动平台滑轮16并卷绕在第一转动圆盘14上，再通过预紧模块滑轮11，最后结束在第二转动圆盘22上，两套绳索独立且平行布置。

通过两个电机带动绳索转动，从而控制动平台模块的两个自由度的输出，当两个电机转动方向和速度都相同时，动平台模块的第一转动圆盘匀速转动，当两个电机的转动方向相反，转速相同时，动平台模块匀速移动；当两个电机的转动速度不同时，动平台模块同时实现转动和移动。

通过调整预紧模块在基座面板的位置可以实现绳索的张紧，共同驱动实现机构双自由度的空间运动。

根据不同的工况需求可以调整第一转动圆盘的安装方式，使得第一转动圆盘的转动轴与导轨方向的夹角在0-90度之间变动。本实施例即为第一转动圆盘的转动轴与导轨垂直的工况。

实施例2：

本实施例只是动平台模块与实施例1有所区别，其他结构与实施例1相同。本实施例中动平台模块中第一转动圆盘的转动轴线与导轨平行，具体结构如下：

如图3、4、5所示，动平台模块包括：动平台安装板28、第一转动圆盘29、转盘轴套30、第一组滑轮31、第二组滑轮32、转盘螺钉轴33、滑块34、转盘轴承35和滑轮螺钉轴36，其中：转盘轴承35安装在二号转盘29两侧孔内，转盘轴套30顶在转盘轴承35端面，第一转动圆盘29、转盘轴套30和转盘轴承35组合布置在动平台安装板28的中间位置，转盘螺钉轴33穿过动平台安装板28侧面孔、转盘29、转盘轴套30和转盘轴承35，实现各部件的固定，转盘螺钉轴33的轴线与导轨轴线的夹角为0度。滑轮螺钉轴穿过第一组滑轮31并与动平台安装板侧板28安装孔固定，另外第二组滑轮32的四个滑轮分别布置在动平台安装板28的内侧，通过滑轮螺钉轴36固定，第一组小滑轮31与第二组小滑轮32的中心线互相垂直。四个滑块34与动平台安装板28通过螺钉方式进行固定。

在本实施例中，绳索先通过第一组滑轮31，再通过第二组滑轮32转换方向后缠绕在第一转动圆盘上29，从而实现第一转动圆盘的转动方向与导轨平行。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，包括基座、预警模块、动平台模块和绳索卷绕驱动模块，其特征在于，

所述基座包括支座、基座面板和导轨，其中，所述支座固定于所述基座面板一端，所述导轨固定在所述基座面板上；

所述预紧模块包括顶丝、固定座和预紧模块滑轮，所述固定座固定在基座面板上，所述顶丝和滑轮固定在所述固定座上；

所述动平台模块包括动平台转动圆盘、动平台滑轮、动平台安装板和滑块，滑轮固定在动平台安装板上，所述第一转动圆盘固定在所述动平台安装板上，所述滑块固定于所述动平台安装板底部，所述滑块与所述导轨配合并能沿着所述导轨滑动；

所述绳索卷绕驱动模块包括电机转动圆盘、电机、圆盘电机固定座和绳索，所述电机安装在所述圆盘电机固定座上，所述第二转动圆盘固定在所述电机输出轴上，由所述电机带动所述第二转盘转动，所述绳索卷绕驱动模块有2个。

2.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，2个所述绳索卷绕驱动模块相对于基座面板宽度方向两侧布置。

3.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述预警模块滑轮有2个且共轴，所述预紧模块滑轮的滑轮轴两端固定在所述固定座上，所预紧模块滑轮的滑轮轴平行于所述基座面板的宽度方向。

4.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述绳索有2套，每套绳索连接着绳索卷绕驱动模块、动平台模块和预紧模块，并构成一个闭环，具体连接方式如下：

所述绳索通过缠绕的方式绕在所述第二转动圆盘上，再穿过所述动平台滑轮并卷绕在所述第一转动圆盘上，再通过所述预紧模块滑轮，最后结束在所述第二转动圆盘上。

5.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述基座面板为铝型材。

6.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述导轨有2条且布置在所述基座面板中间位置。

7.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述第一转动圆盘的转盘轴与所述基座面板宽度方向平行。

8.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述动平台模块滑轮共有2组，分别布置在所述第一转动圆盘两侧，每组有2个滑轮且共轴，所述动平台滑轮的滑轮轴与所述基座面板宽度方向平行。

9.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，所述滑块有4个。

10.如权利要求1所述的一平动和一转动的双自由度绳索驱动机构，其特征在于，当2个所述绳索卷绕驱动模块的电机转动方向和速度都相同时，所述第一转动圆盘匀速转动；当2个所述绳索卷绕驱动模块的电机转动方向相反，速度相同时，所述动平台模块匀速移动；当2个所述绳索卷绕驱动模块的电机转动速度不同时，所述动平台模块移动的同时，所述第一转动圆盘匀速转动。