CN110745636B - 一种弹性预紧柔性丝驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性预紧柔性丝驱动装置，包括驱动盘、柔性丝轮和弹性预紧机构，驱动盘与柔性丝轮同轴装配，通过轴承转动连接，驱动盘上设有驱动块，柔性丝轮上设有随动块，随动块与驱动块同圆周设置，当随动块的一侧面与驱动块上的一侧面贴合时，驱动盘能够带动柔性丝轮转动；柔性丝轮的圆周面上设有驱动丝槽和收卷丝槽，分别用于驱动柔性丝和收卷柔性丝的缠绕，驱动丝槽和收卷丝槽的旋向相反；弹性预紧机构的弹性预紧装置能以弹性拉紧方式收缩收卷柔性丝。本发明形成弹性预紧的单向驱动装置，柔性丝轮不自锁，并可在柔性丝轮两侧收卷驱动柔性丝，能解决柔性丝容易缠绕的问题，能保障驱动柔性丝输出端的安全，能提高柔性丝驱动装置的使用寿命。

Description

一种弹性预紧柔性丝驱动装置

技术领域

本发明涉及柔性丝驱动装置技术领域，具体涉及一种弹性预紧柔性丝驱动装置。

背景技术

对于很多康复设备及机器人设备来说，执行机构部分重量轻、体积小和复杂性低，要求相应的驱动装置能配合该类执行机构。对某些康复设备来说，要求执行机构在出问题、断电后能保证系统不会自锁，从而确保人身安全。

柔性丝驱动方式可以将驱动机构远程放置，动力通过柔性丝传导至执行机构。该种驱动方式的执行机构通常重量轻，体积小，结构简单，维护方便，因而相对应的，需要配套的有效的驱动机构。

但柔性丝驱动装置较容易出现柔性丝缠绕的问题，从而降低驱动装置的使用寿命，某些情况下还容易导致柔性丝输出端出现安全问题。

因此针对要求执行器扭矩大、体积小、重量轻的场合而需采用柔性丝驱动的设备，比如人体康复设备、助力设备、各种灵巧机器人等，需要提供安全有效的驱动装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种弹性预紧柔性丝驱动装置，以能够驱动扭矩大、体积小、重量轻的执行机构，且能使该类执行机构不自锁，并解决柔性丝容易缠绕的问题，以保障应用对象的安全及提高柔性丝驱动装置的使用寿命。

本发明提供一种弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置包括驱动盘、柔性丝轮和弹性预紧机构，其中，所述驱动盘与所述柔性丝轮同轴装配，通过轴承转动连接，所述驱动盘上设有驱动块，所述柔性丝轮上设有随动块，所述随动块与所述驱动块同圆周设置，当所述随动块的一侧面与所述驱动块上的一侧面贴合时，所述驱动盘能够带动所述柔性丝轮转动；所述柔性丝轮的圆周面上设有驱动丝槽和收卷丝槽，分别用于驱动柔性丝和收卷柔性丝的缠绕，所述驱动丝槽和收卷丝槽的旋向相反；所述弹性预紧机构设有弹性预紧装置和收卷柔性丝，所述收卷柔性丝缠绕在所述柔性丝轮的收卷丝槽上并在缠绕端被固定，所述弹性预紧装置能以弹性拉紧方式收卷所述收卷柔性丝。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动盘的一圆周面上设有所述驱动块，所述驱动块为楔形，所述柔性丝轮的底面上设有所述随动块，所述随动块为楔形，所述驱动块的侧面能与所述随动块的侧面贴合匹配。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动丝槽和所述收卷丝槽各为一圈。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动丝槽为一个或多个。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置还包括扭矩转接盘，所述驱动盘与所述扭矩转接盘同轴固定装配。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设置于所述扭矩转接盘与所述驱动盘之间，所述扭矩传感器与所述扭矩转接盘及所述驱动盘同轴固定安装。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置还包括柔性丝护罩，所述柔性丝护罩套设于所述柔性丝轮外，所述柔性丝护罩固定设置，所述柔性丝轮与所述柔性丝护罩转动设置，所述柔性丝护罩上设有驱动丝导槽和收卷丝导槽，分别用于穿过所述驱动柔性丝和收卷柔性丝，所述驱动丝导槽和收卷丝导槽平行设置。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述柔性丝护罩上设有限位块，所述柔性丝轮上设有碰块，所述限位块与所述碰块同圆周设置，当所述碰块与所述限位块侧面贴合时，所述限位块用于止挡所述柔性丝轮的旋转。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置还包括电机减速单元和安装板，所述电机减速单元的外圈固定在所述安装板上，所述电机减速单元的输出端连接所述驱动盘。

上述的弹性预紧柔性丝驱动装置，所述驱动装置还包括柔性丝挡块，所述柔性丝挡块设置在所述驱动柔性丝的输出端，所述驱动柔性丝穿过所述柔性丝挡块后与执行机构连接。

本发明采用弹性预紧机构进行组合收卷，形成弹性预紧的单向驱动装置。

本发明在电机驱动收缩驱动柔性丝时，电机减速器能带动驱动柔性丝绳收缩。电机驱动机构在朝放松驱动柔性丝绳方向转动时，电机驱动机构不对驱动柔性丝绳起作用，驱动柔性丝可被柔性丝绳输出端的力带动运动，不被电机带动。

柔性丝轮为可自由转动的，可使系统不自锁。驱动柔性丝缠绕在柔性丝轮上，收卷机构收卷柔性丝反向缠绕在柔性丝轮上，弹簧收卷机构通过收卷柔性丝传动。在没有电机驱动带动驱动柔性丝运动的情况下，在收卷机构带动下，柔性丝轮会在很小的弹簧力的带动下向驱动柔性丝收缩的方向转动，直到柔性丝轮上的随动块与电机驱动机构的驱动块贴紧或者驱动柔性丝受力阻止柔性丝轮转动。

本发明双侧设置柔性丝使得驱动柔性丝在两边力任一边的作用下都能够被收缩，是一种自动回转的柔性丝驱动装置。

总之，本发明的弹性预紧柔性丝驱动装置，能够驱动扭矩大、体积小、重量轻的执行机构，且能使该类执行机构不自锁，并能解决柔性丝容易缠绕的问题，能够保障应用对象的安全及提高柔性丝驱动装置的使用寿命。

附图说明

图1a为本发明一实施例弹性预紧柔性丝驱动装置整体结构示意图；

图1b为本发明一实施例弹性预紧柔性丝驱动装置爆炸结构示意图；

图2为本发明一实施例弹性预紧柔性丝驱动装置剖视结构示意图；

图3为本发明一实施例弹性预紧柔性丝驱动装置去掉柔性丝护罩后的爆炸结构示意图；

图4a为本发明一实施例驱动盘结构示意图；

图4b为本发明一实施例驱动盘另一角度结构示意图；

图5a为本发明一实施例柔性丝轮结构示意图；

图5b为本发明一实施例柔性丝轮另一角度结构示意图；

图6为本发明一实施例弹性预紧柔性丝驱动装置去掉柔性丝护罩后的俯视结构示意图；

附图标号说明：

1电机减速单元、2安装板、3扭矩转接盘、4扭矩传感器、5驱动盘、6柔性丝压板、7柔性丝轮、8轴承、9轴承压盖、10碰块、11轴套、12轴承、13限位块、14柔性丝护罩、15柔性丝弹簧盒、16驱动柔性丝、17柔性丝挡块、18六角螺柱、19平圆头螺钉、20螺钉、21螺钉、22收卷柔性丝、23鲍登线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明提供一种柔性丝可以弹性预紧的驱动装置，以解决柔性丝容易缠绕的问题，以使驱动取消后柔性丝能够跟随，提高柔性丝传动的寿命及可靠性，并只在一个方向驱动执行机构，在停止驱动后，使得执行机构能够不自锁，自由活动，从而保障执行机构的安全可靠。

本发明针对柔性丝设计了专门的驱动结构，采用电机减速器驱动，并可集成扭矩传感器和角度传感器等。本发明采用弹性预紧机构组合驱动，形成弹性预紧的单向驱动装置。

在电机驱动收缩驱动柔性丝时，电机减速器能带动驱动柔性丝收缩。电机驱动机构在朝放松驱动柔性丝方向转动时，电机驱动机构不对驱动柔性丝起作用，柔性丝可被柔性丝输出端的力带动运动，不被电机带动。

柔性丝轮为可自由转动的。驱动柔性丝缠绕在柔性丝轮上，弹簧收卷机构的柔性丝反向缠绕在柔性丝轮上，弹簧收卷机构通过收卷柔性丝带动柔性丝轮转动。在没有电机驱动带动驱动柔性丝运动的情况下，在收卷机构带动下，柔性丝轮会在弹簧力的带动下向驱动柔性丝收缩的方向转动，直到柔性丝轮上的随动块与电机驱动机构的驱动块贴紧或者驱动柔性丝受力绷紧阻止柔性丝轮转动。

本发明双侧设置柔性丝使得主动驱动柔性丝及不驱动柔性丝时，柔性丝都能够被收缩到弹簧绷紧的状态，是一种自动回转的柔性丝驱动装置。

本发明采用的电机减速器能够集成角度传感器，可将角度传感器外圈固定在安装板上。电机减速器输出端还可集成扭矩传感器，扭矩传感器与驱动轮连接。驱动轮上设置有驱动块，驱动轮与柔性丝轮同轴布置，驱动轮带有凸出的轴，与柔性丝轮采用轴承配合连接。柔性丝轮上设置有随动块，旋转时会与驱动轮的驱动块侧面咬合以被驱动。柔性丝轮圆周面可开有两条U形槽，分别固定驱动柔性丝和弹簧收卷机构的柔性丝。两条柔性丝缠绕方向相反。柔性丝轮外部有柔性丝护罩，以防止柔性丝脱出U形槽，护罩与柔性丝轮同轴，与柔性丝轮也用轴承配合连接，护罩固定在安装板上。在护罩上装有限位块，柔性丝轮上设有相应的碰块，匹配贴合后可以防止柔性丝轮旋转超过一周，防止柔性丝过度缠绕。

驱动柔性丝绳的输出端处可设有一柔性丝挡块，有孔允许柔性丝穿过，并可设有台阶用于鲍登线(例如自行车刹车线管)外管的固定。鲍登线可防止柔性丝的堆积折叠。

弹簧收卷机构包括一恒力弹簧盒，弹簧盒伸出一根收卷柔性丝，柔性丝可以拉出，也可被弹簧力收回。收卷柔性丝末端固定在柔性丝轮的一个U形槽中，弹簧盒收卷柔性丝与驱动柔性丝绳平行设置，缠绕方向相反，弹簧盒固定在安装板上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本装置中所设计的驱动机构和执行机构是相对分离的。相比液压机构来说，本装置减少了密封件，没有泄露，驱动噪音小，尤其适用于安静、干净的场合使用。相比齿轮、丝杠等机械传动来说，传导更为直接，力传递结构只用一根柔性丝，结构得以大大简化，对于相同行程，总体结构小，重量轻，可大大减少执行机构的整体重量。执行机构可采用现有执行机构的结构，比如可以是电动推杆结构、液压缸结构。本发明由于可以省掉机械或者液压的部分结构，也可以很大程度上降低成本。

柔性丝驱动是单向驱动的，柔性丝轮本身可以随动不自锁，当用于康复机器人或者其他与人交互的机器人时，人的动作导致执行器在向柔性丝收缩方向动作时，柔性丝轮会随动转动，不会对人的动作产生干涉。

收卷柔性丝采用恒力弹簧盒，可以在柔性丝驱动过程中，始终保证柔性丝随动预紧状态，防止出现柔性丝脱离柔性丝轮槽，出现夹缠，同时，实现了柔性丝与柔性丝轮之间的滚动接触，降低了柔性丝预紧过程中的摩擦损耗，提高了柔性丝的可靠性和寿命。

本发明中柔性丝可以是任意适于传动的丝绳，可以是金属的如柔性丝等，也可以是非金属的如尼龙绳等。

本装置中采取的扭力传感器与柔性丝驱动机构同轴安装并保持同步转动，可以实时获取旋转扭矩数值，以此用于柔性丝驱动的反馈控制量，实现柔性丝驱动的精确控制。

装置中的关键传动部件都是以同轴装配的，其优势在于结构设计紧凑，工艺性实现简单，传动功能性高。

实施例

如图1a、1b所示，本发明实施例包括电机减速单元1、安装板2、扭矩转接盘3、扭矩传感器4、驱动盘5、柔性丝压板6、柔性丝轮7、轴承8、轴承压盖9、丝轮碰块10、轴套11、轴承12、限位块13、柔性丝护罩14、柔性丝弹簧盒(弹性预紧装置)15、驱动柔性丝16、柔性丝挡块17、六角螺柱18、平圆头螺钉19、螺钉20、螺钉21。收卷柔性丝22。

如图1b所示，电机减速单元1外圈固定在安装板2上，扭矩传感器4通过扭矩转接盘3连接在电机减速单元1的输出端，驱动盘5通过止口固定到扭矩传感器4上。驱动盘5与柔性丝轮7之间设置轴承，驱动盘5上有凸出的轴头，用于安装轴承8。

如图2所示，柔性丝轮7安装在轴承8外圈，通过轴承压盖9固定。如图4a、4b所示，驱动盘5上有凸出的楔形块，与柔性丝轮7下部的楔形块处于同一圆周，两个楔形块侧面贴合时，驱动盘可以把驱动力传递到柔性丝轮上。驱动盘5上有凸出的楔形块为驱动盘5圆周向外延伸的凸台。如图5a、5b所示，柔性丝轮7下部的楔形块为柔性丝轮7下端面向下延伸的凸台。

如图3所示，柔性丝轮7在圆周侧面上开有两条U形槽，分别用作驱动柔性丝16与收卷柔性丝22的缠绕槽，并在端面开有凹槽7-1固定柔性丝。驱动柔性丝16嵌入柔性丝轮的U形槽中，头部绕成小圈16-1，嵌入柔性丝轮7上端面的凹槽7-1中，柔性丝压板6通过螺钉20和螺钉21压紧驱动柔性丝绳16，使其固定在柔性丝轮7上。

如图2所示，驱动盘5的轴头上部安装有轴承12，通过轴套11定位，柔性丝护罩14上有轴承孔与轴承12配合，柔性丝护罩14外圈固定在安装板2上，防止柔性丝脱出U形槽，同时也作为驱动盘5的支撑。

如图1所示，柔性丝护罩14内部固定有限位块13，柔性丝轮7端面固定有丝轮碰块10，限位块13和丝轮碰块10分布在同一圆周，上下方向交错作为限位结构。当所述碰块与所述限位块侧面贴合时，所述限位块用于止挡所述柔性丝轮的旋转。柔性丝轮7端面固定有丝轮碰块10的结构如图6所示。

柔性丝弹簧盒15是一个标准的弹簧盒结构，柔性丝收卷在盒内，盒内有恒力涡卷弹簧提供收卷力，收卷力根据系统摩擦力选定。柔性丝22缠绕在柔性丝轮7的另外一处U形槽中，通过螺钉固定在柔性丝轮7的端面。

进一步地，如图3所示，驱动柔性丝10头部绕成O形状16-1，可以从市场采购标准的柔性丝压环，并放置在柔性丝轮7上端面的凹槽7-1中，再用柔性丝压板6压紧固定。

进一步地，驱动柔性丝16另一端从柔性丝护罩14的一侧导槽口伸出，平直进入前方柔性丝绳挡块17内孔中。挡块17设有台阶可用于自行车刹车线管(鲍登线)外管的固定。如图2所示，鲍登线是一种类似于自行车闸线的组件，软管里面设有柔性丝芯。所述鲍登线23可以包括软管和穿在软管外的鱼骨珠组件，柔性丝从软管中穿过。也可以采用市场现有的鲍登线。

进一步地，如图3所示，柔性丝弹簧盒15的柔性丝22缠绕在柔性丝轮7的U形槽中，端头绕成O形15-1，通过平圆头螺钉19固定在柔性丝轮7的端面凹槽7-2中。

进一步地，柔性丝弹簧盒15的壳体通过六角螺柱18固定在安装板2上。弹簧盒收卷柔性丝22从柔性丝护罩14一侧导槽中引入，此时与驱动柔性丝16以相反的方向绕在柔性丝轮7上。

进一步地，柔性丝轮7圆周上的U形槽可以根据柔性丝的使用要求增加或减少。如需增加驱动柔性丝时，可在柔性丝轮7的外圆上增加额外的一道导向槽。

柔性丝16的输出端头可以与执行机构相连，柔性丝绳16可以驱动执行机构进行运动。弹簧收卷机构柔性丝弹簧盒15通过收卷柔性丝22传动，预紧机构收卷柔性丝22相对柔性丝16以反向缠绕在柔性丝轮7上。由于弹簧的弹性拉力，收卷柔性丝22一直对柔性丝轮7保持拉紧的状态。因此，本发明在整个过程中可保证柔性丝不松脱、不缠绕。

进一步地，如图2所示，电机减速单元1驱动驱动盘5旋转。电机减速单元1将动力和扭矩依次传递给扭矩转接盘3、扭矩传感器4、驱动盘5，使得这些元件随其一同旋转。

驱动轮5沿收缩驱动柔性丝16的方向转动时，也就是使驱动柔性丝16缠绕柔性丝轮7时，驱动轮5凸出的楔形块与柔性丝轮7下面的楔形块在旋转时侧面会贴紧咬合，从而驱动轮5能带动柔性丝轮7按照一个方向旋转，如图1所示的逆时针方向旋转。此时电机减速器能带动驱动柔性丝16收缩，如图1的逆时针转动方向。此种情况下，在柔性丝16输出端连接的执行机构就被电机驱动运动。

驱动轮5朝相反方向转动时(限于转动一圈内)，即如图1所示的顺时针方向转动，因驱动轮5与柔性丝轮7的楔形块侧面脱离，驱动轮5不再驱动柔性丝轮7，因此柔性丝16能被柔性丝输出端(如图1所示的柔性丝绳挡块17连接处的执行件)的力带动运动，而不被驱动电机带动。此时柔性丝轮7由柔性丝16带动也朝顺时针转动，但因其转动速度小于驱动轮5的转速，因而相互之间不发生驱动关系(都限于旋转一周内)。此种情况下，相当于柔性丝16输出端的执行机构可不受电机驱动，而可以自行运动。因此，本发明的电机驱动装置只是单向(朝一个方向)驱动。

同时，柔性丝轮7还可自由转动，在弹性装置收卷柔性丝22弹性力的带动下，柔性丝轮7会在很小的弹簧力的带动下向驱动柔性丝16收缩的方向转动，如图1所示的逆时针方向转动，而此时驱动盘5因电机减速单元1停止驱动而停止转动。转动接近一圈，直到柔性丝轮7上的楔形块与驱动轮5的楔形块在另一侧面贴紧或者驱动柔性丝16受力阻止柔性丝轮7转动。

本发明实施例还包括柔性丝挡块17。挡块17设有台阶可用于自行车刹车线管(鲍登线)外管的固定。柔性丝穿过挡块17的内孔。如此设计，可使得柔性丝16输出端不易堆积柔性丝，进一步保障执行机构的可靠运行。

从上述实施例看出，本发明的执行机构在出问题、断电后(即不被电机驱动运动时)能保证系统不会自锁，执行机构可自行活动，从而确保执行机构的可靠与安全。而本发明的整个驱动机构结构紧凑，体积小，重量轻，使用方便灵活，通过柔性丝传动执行机构，能够有效地传递动力，从而实现对柔性丝自动化控制，因此具有极大的推广应用价值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括驱动盘、柔性丝轮和弹性预紧机构，其中，

所述驱动盘与所述柔性丝轮同轴装配，通过轴承转动连接，所述驱动盘上设有驱动块，所述柔性丝轮上设有随动块，所述随动块与所述驱动块同圆周设置，当所述随动块的一侧面与所述驱动块上的一侧面贴合时，所述驱动盘能够带动所述柔性丝轮转动；

所述柔性丝轮的圆周面上设有驱动丝槽和收卷丝槽，分别用于驱动柔性丝和收卷柔性丝的缠绕，所述驱动丝槽和收卷丝槽的旋向相反；

所述弹性预紧机构设有弹性预紧装置和收卷柔性丝，所述收卷柔性丝缠绕在所述柔性丝轮的收卷丝槽上并在缠绕端被固定，所述弹性预紧装置能以弹性拉紧方式收卷所述收卷柔性丝。

2.根据权利要求1所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动盘的一圆周面上设有所述驱动块，所述驱动块为楔形，所述柔性丝轮的底面上设有所述随动块，所述随动块为楔形，所述驱动块的侧面能与所述随动块的侧面贴合匹配。

3.根据权利要求1或2所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动丝槽和所述收卷丝槽各为一圈。

4.根据权利要求3所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动丝槽为一个或多个。

5.根据权利要求1或2或4所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括扭矩转接盘，所述驱动盘与所述扭矩转接盘同轴固定装配。

6.根据权利要求5所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设置于所述扭矩转接盘与所述驱动盘之间，所述扭矩传感器与所述扭矩转接盘及所述驱动盘同轴固定安装。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括柔性丝护罩，所述柔性丝护罩套设于所述柔性丝轮外，所述柔性丝护罩固定设置，所述柔性丝轮与所述柔性丝护罩转动设置，所述柔性丝护罩上设有驱动丝导槽和收卷丝导槽，分别用于穿过所述驱动柔性丝和收卷柔性丝，所述驱动丝导槽和收卷丝导槽平行设置。

8.根据权利要求7所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述柔性丝护罩上设有限位块，所述柔性丝轮上设有碰块，所述限位块与所述碰块同圆周设置，当所述碰块与所述限位块侧面贴合时，所述限位块用于止挡所述柔性丝轮的旋转。

9.根据权利要求1或2或4或6或8所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括电机减速单元和安装板，所述电机减速单元的外圈固定在所述安装板上，所述电机减速单元的输出端连接所述驱动盘。

10.根据权利要求9所述的弹性预紧柔性丝驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括柔性丝挡块，所述柔性丝挡块设置在所述驱动柔性丝的输出端，所述驱动柔性丝穿过所述柔性丝挡块后与执行机构连接。

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