CN109940659A - 一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，所述机械臂包括通过肘关节转轴首尾相连的大臂和小臂；所述柔索驱动弹性机构包括设置在大臂上的中心滑轮和偏心滑轮，并且所述中心滑轮的中心转轴与所述肘关节转轴位于同一直线；还包括设置在所述小臂上的弹性伸缩机构；所述弹性伸缩机构包括固定在小臂上的固定端和可自由伸缩的活动端；所述柔索驱动弹性机构还包括柔索；所述柔索绕在中心滑轮和偏心滑轮上，并且柔索一端连接在所述弹性伸缩机构的活动端，另一端连接在小臂上。本发明能够消除大臂转动给小臂重力矩变化带来的影响，补偿小臂对肘关节产生的重力矩，补偿精度高，机械磨损小，使用寿命长。

Description

一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构

技术领域

本发明属于机器人的机械臂领域，涉及一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构。

背景技术

移动机器人机械臂是装载在移动机器人底盘上的执行装置，可随机器人运动到任意位置并完成其作业任务，机械臂大多数采用的是关节式结构，在作业时关节驱动力矩除了克服外界负载，还需要克服机械臂自身重力对关节产生的转矩，不仅在一定程度上限制了机械臂的负载能力，而且在电机制动失效的情况下，由于机械臂自身重力造成机械臂下落，威胁到人员及机器人的安全。

现有机械臂的重力矩补偿方式可以根据补偿方法分为两大类：一是主动式重力矩补偿，将机械臂关节的电机换成输出力矩更大的驱动电机，机械臂的位置变化时，通过控制驱动电机的输出力矩补偿重力矩，无需外加补偿装置，只需要根据机械臂的位置改变电机的电枢电压，就可以完成机械臂关节处的重力矩补偿，但更换电机带来机械臂各零部件尺寸的更改，成本也会相应增加；二是被动式重力矩补偿，根据静平衡原理，利用附加的平衡块、弹簧装置或外部装置来实现机械臂关节处的重力矩平衡，被动式补偿只需要在机械臂上配置一个额外的附加补偿装置，不需要额外提供能量。

现有的被动式重力矩补偿的实现方式主要有结构补偿、配重补偿和弹簧设计补偿。结构补偿依靠机械结构的合理布置来实现，不适合用在复杂的机器人系统上；配重补偿依靠增加额外质量将机构的质心和轴心线重合，容易实现，但增大了装置的质量和惯性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，能够消除大臂转动给小臂重力矩变化带来的影响，补偿小臂对肘关节产生的重力矩，补偿精度高，机械磨损小，使用寿命长。

技术方案：本发明提出一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，所述机械臂包括通过肘关节转轴首尾相连的大臂和小臂，所述小臂可在大臂和小臂所在平面内，绕肘关节转轴旋转；所述柔索驱动弹性机构包括设置在大臂上的中心滑轮和偏心滑轮，并且所述中心滑轮的中心转轴与所述肘关节转轴位于同一直线；

所述柔索驱动弹性机构还包括设置在所述小臂上的弹性伸缩机构；所述弹性伸缩机构包括固定在小臂上的固定端和可自由伸缩的活动端；当所述固定端位于活动端与中心转轴之间，所述弹性伸缩机构为压缩状态；当所述活动端位于固定端与中心转轴之间，所述弹性伸缩机构为拉伸状态；

所述柔索驱动弹性机构还包括柔索；所述柔索绕在中心滑轮和偏心滑轮上，并且柔索一端连接在所述弹性伸缩机构的活动端，另一端连接在小臂上。

进一步，所述柔索驱动弹性机构还包括设置在所述小臂上的定滑轮；所述柔索在中心滑轮、偏心滑轮和定滑轮上缠绕若干圈；并且所述柔索的另一端的固定点位于偏心滑轮轴心和定滑轮轴心的连线上。

进一步，所述弹性伸缩机构包括连接在柔索的一端的滑块和若干平行穿过滑块的导向杆，所述滑块沿导向杆滑动；每个所述导向杆外均套装有弹簧；所述弹簧的一端均固定在滑道的定位端面上，另一端均连接在滑块上；当所述定位端面位于滑块与中心转轴之间，所述弹簧为压缩状态；当所述滑块位于定位端面与中心转轴之间，所述弹簧为拉伸状态。

进一步，所述导向杆方向与小臂的延伸方向同向，并且所述中心转轴位于导向杆所在直线上。

进一步，所述柔索驱动弹性机构还包括可拆装连接在大臂上的大臂固定架以及可拆装连接在小臂上的小臂固定架；所述中心滑轮和偏心滑轮固定在大臂固定架上；所述定滑轮和导向杆固定在小臂固定架上。

有益效果：本发明在使用时，随着机械臂而运动，滑轮之间的位置变化会使得柔索拉动弹性伸缩机构发生形变，从而能够产生随位置变化的补偿力矩。当只有大臂发生转动时，滑轮的相对位置不会发生变化，使得大臂转动不会引起弹簧发生形变，从而大臂的转动不会影响重力矩补偿模块进行补偿；当只有小臂发生转动时，弹簧发生形变，产生相应的补偿力矩。本发明结构简单，运动平稳性好，补偿精度高；机械磨损小，使用寿命长。

附图说明

图1表示本发明在机械臂上的安装示意图；

图2表示本发明的结构示意图；

图3A表示仅小臂转动时重力矩补偿的原理图；

图3B表示大小臂同时转动时重力矩补偿的原理图；

图4A表示中心滑轮、偏心滑轮和定滑轮的绕线简图；

图4B表示中心滑轮、偏心滑轮和定滑轮的受力分析图；

图5表示本发明在移动机器人上的安装示意图。

具体实施方式

如图1和图2，一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，所述机械臂包括通过肘关节转轴首尾相连的大臂1和小臂2，所述小臂2可在大臂1和小臂2所在平面内，绕旋转肘关节旋转。

所述柔索驱动弹性机构包括设置在大臂1上的中心滑轮4和偏心滑轮5，并且所述中心滑轮4的中心转轴3与所述肘关节转轴位于同一直线。

所述柔索驱动弹性机构还包括设置在所述小臂2上的弹性伸缩机构和定滑轮7。所述弹性伸缩机构包括滑块8和若干平行穿过滑块8的导向杆9，所述滑块8沿导向杆9滑动；每个所述导向杆9外均套装有弹簧10。所述弹簧10的一端均固定一定位端面上，另一端均连接在滑块8上。当所述定位端面位于滑块8与中心转轴3之间，所述弹簧10为压缩状态；当所述滑块8位于定位端面与中心转轴3之间，所述弹簧10为拉伸状态。本实施例中定位端面位于滑块8与中心转轴3之间，所述弹簧10为压缩状态，弹簧10的数量为两根。

所述导向杆9方向与小臂2的延伸方向同向，并且所述中心转轴3位于导向杆9所在直线上。

所述柔索驱动弹性机构还包括柔索6。本实施例的绕线方式如图4A所示，所述柔索6一端连接在滑块8上，绕过中心滑轮4和偏心滑轮5，然后另一端固定在定滑轮7上。柔索6对定滑轮7产生的力作用在小臂2上，从而对小臂2产生补偿力矩，而对中心滑轮4和偏心滑轮5产生的力矩作用在大臂1上，不会影响对小臂2的重力矩补偿。

所述柔索驱动弹性机构还包括可拆装连接在大臂1上的大臂固定架11以及可拆装连接在小臂2上的小臂固定架12；所述中心滑轮4和偏心滑轮5固定在大臂固定架11上；所述定滑轮7和导向杆9固定在小臂固定架上。

本发明用于小臂2相对于中心转轴3的重力矩补偿。因此，中心滑轮4受到的缠绕的柔索6的切向力，与中心转轴3位于同一直线，不产生力矩；柔索6对定滑轮7的切向作用力，产生补偿力矩，并且与小臂2的重力矩方向相反。

本发明的使用原理如图3A所示，当大臂1不转动时，小臂2从水平位置绕中心转轴3逆时针转动β度，小臂2的重力矩减小。此时偏心滑轮5与定滑轮7距离变小，弹簧10伸长，压缩量变小，定滑轮7处的补偿力矩减小，从而补偿小臂2在中心转轴3处的重力矩。

另外一般工作情况下，大臂1也是需要转动的。如图3B所示，大臂1逆时针转动α度，小臂2逆时针转动β度，则偏心滑轮5相对于地面逆时针转动α度，偏心滑轮5相对于大臂1的位置与初始状态一致；定滑轮7相对于初始位置绕中心转轴3逆时针旋转了α+β度，即柔索驱动弹性机构在图3A的初始状态条件下整体逆时针旋转了α度，由此可见大臂1的转动不会影响小臂2转动时的重力矩补偿过程。

补偿力矩的大小计算如图4B所示，为方便计算，图中I表示中心滑轮4的轴心，П表示偏心滑轮5的轴心，Ш表示定滑轮7的轴心。设小臂2的初始位置为竖直向上，滑轮I、П、Ш的初始位置为一条铅垂直线，滑轮П、Ш均在滑轮I上方，由于滑轮I、П、Ш的半径相同，可以忽略半径，将受力平移到滑轮中心处。当小臂2转动一个角度θ时，滑轮Ш随小臂2转动一个同样的角度θ，而滑轮I、П因为固定在大臂1上，不随小臂2的转动而转动，则三个滑轮组成的三角形在滑轮I处的夹角为θ；假设滑轮I与滑轮П之间的距离为a，滑轮I与滑轮Ш之间的距离为b，其中为柔索(6)对滑轮Ш产生的力，则此时为

2k(l(θ)+l₀-(b-a))

其中k是弹簧的刚度，l₀是弹簧初始变形的长度，l(θ)是滑轮I与滑轮Ш之间的距离，可以通过解三角形来确定，2是由于弹簧组14由两根同样的弹簧组成。

根据受力分析，力对滑轮I中心产生的力矩可以写为通过解三角形可以得到ID的长度为ab sinθ/l(θ)，于是力矩可以写为F_sab sinθ/l(θ)，其中F_s为力

使弹簧初始变形的长度l₀为b-a，此时柔索(6)的拉力F_s为2kl(θ)，当其他条件已知时，只需要使弹簧的刚度系数满足条件

F_sab sinθ/l(θ)＝mg l sin(θ)

其中mgl为小臂2的重力在中心转轴3处的力矩，就可以使小臂2的重力矩理论上得到完全补偿。从而可以得到弹簧的刚度系数k为mgl/2ab，所述m、g、l为已知量，通过选择合适的弹簧，在确定弹簧的刚度系数之后，选取合适的滑轮间距a、b来完成对小臂2的重力矩补偿。

图4B所示只是其中一种绕线方式的力矩计算，若该绕组系统采用多匝数的绕法，将会把需要的合力分到多绕组的每根柔索6上，可以显著降低柔索6的拉力，减小柔索6的磨损，增加其使用寿命。根据现有的绕组系统，在图4B的基础上介绍两种绕线方式计算：

(1)绕线在П、Ш两个滑轮中绕n圈，最后固定在滑轮Ш上。其中柔索6上的拉力为2k(2n-1)(l(θ)+l₀-(b-a))，对于弹簧初始变形长度为b-a，则产生的补偿力矩为2k(2n-1)²ab sinθ，对应的弹簧的刚度系数为mgl/2ab(2n-1)²。

(2)绕线在I、П、Ш三个滑轮中绕n圈，最后固定在I上。其中产生的柔索6上的拉力为2kn(l(θ)+l₀-(b-a))，对于弹簧初始变形长度为b-a，则产生的补偿力矩为2kn²ab sinθ，对应的弹簧刚度系数为mgl/2abn²。

不同的绕线方式在已经选取弹簧的刚度系数k的情况下，可以通过适当的调整滑轮间距a、b的值，完全的补偿小臂2的等效重力矩，使得电机的功率直接作用于负载。

如图5所示，将本发明装配到移动机器人底盘13的基座14上，大臂固定架11固定在大臂1上，大臂固定架11的一端轴固定在底座1上；大臂固定架12固定在小臂2上。当机械臂运动时，柔索驱动弹性机构随着机械臂而运动，大臂1的转动不会影响重力矩补偿。

Claims (5)

1.一种用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，所述机械臂包括通过一肘关节转轴首尾相连的大臂(1)和小臂(2)，所述小臂(2)可在大臂(1)和小臂(2)所在平面内，绕肘关节转轴旋转，其特征在于：所述柔索驱动弹性机构包括设置在大臂(1)上的中心滑轮(4)和偏心滑轮(5)，并且所述中心滑轮(4)的中心转轴(3)与所述肘关节转轴位于同一直线；

所述柔索驱动弹性机构还包括设置在所述小臂(2)上的弹性伸缩机构；所述弹性伸缩机构包括固定在小臂(2)上的固定端和可自由伸缩的活动端；当所述固定端位于活动端与中心转轴(3)之间，所述弹性伸缩机构为压缩状态；当所述活动端位于固定端与中心转轴(3)之间，所述弹性伸缩机构为拉伸状态；

所述柔索驱动弹性机构还包括柔索(6)；所述柔索(6)绕在中心滑轮(4)和偏心滑轮(5)上，并且柔索(6)一端连接在所述弹性伸缩机构的活动端，另一端连接在小臂(2)上。

2.根据权利要求1所述的用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，其特征在于：所述柔索驱动弹性机构还包括设置在所述小臂(2)上的定滑轮(7)；所述柔索(6)在中心滑轮(4)、偏心滑轮(5)和定滑轮(7)上缠绕若干圈；并且所述柔索(6)的另一端的固定点位于偏心滑轮(5)轴心和定滑轮(7)轴心的连线上。

3.根据权利要求2所述的用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，其特征在于：所述弹性伸缩机构包括连接在柔索(6)的一端的滑块(8)和若干平行穿过滑块(8)的导向杆(9)，所述滑块(8)沿导向杆(9)滑动；每个所述导向杆(9)外均套装有弹簧(10)；所述弹簧(10)的一端均固定一定位端面上，另一端均连接在滑块(8)上；当所述定位端面位于滑块(8)与中心转轴(3)之间，所述弹簧(10)为压缩状态；当所述滑块(8)位于定位端面与中心转轴(3)之间，所述弹簧(10)为拉伸状态。

4.根据权利要求3所述的用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，其特征在于：所述导向杆(9)方向与小臂(2)的延伸方向同向，并且所述中心转轴(3)位于导向杆(9)所在直线上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于机械臂重力矩补偿的柔索驱动弹性机构，其特征在于：所述柔索驱动弹性机构还包括可拆装连接在大臂(1)上的大臂固定架(11)以及可拆装连接在小臂(2)上的小臂固定架(12)；所述中心滑轮(4)和偏心滑轮(5)固定在大臂固定架(11)上；所述定滑轮(7)和导向杆(9)固定在小臂固定架(12)上。