CN112440272A - 一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及绳索驱动机械臂领域。目的是提出一种可解耦的绳索驱动机械臂，以消除前端关节对后端关节造成的耦合。技术方案是：一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：该机械臂包括底座、可转动地定位在底座上的大臂、可转动地定位在大臂上的小臂、固定在小臂上的平台、设置在底座上通过第一传动机构驱动大臂转动的第一电机、设置在底座上通过第二传动机构驱动小臂转动的第二电机、与第二传动机构配合的解耦机构；所述第一传动机构包括由第一电机驱动的第一电机轮、与大臂固定的大臂驱动轮、两端分别缠绕固定在第一电机轮与大臂驱动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳。
Description
技术领域
本发明涉及绳索驱动机械臂领域，具体是涉及一种可解耦的绳索驱动机械臂。
背景技术
绳驱动技术采用绳索远程传递运动和力，实现对关节转动的控制，因而能够将全部的驱动单元安装在基座上。由于传动绳索很轻，且驱动单元外置，所以机械臂的结构得到了很大的简化，质量和转动惯量以及体积都得到了大幅度地降低，从而很好地解决了传统机械臂存在的问题，但同时也带来了关节之间的耦合问题。在现有的绳驱动机械臂中，由于前端关节的转动会引起穿过前端关节的后端关节驱动绳索在过渡轮上缠绕量的变化，从而对后端关节产生一个附加的运动，即两个关节的运动不独立。
目前针对这种耦合的解耦方法主要采用控制算法进行主动解耦和设计解耦机构进行解耦，算法解耦的复杂度会随着关节的增多而大大增加，并且对于前端关节是回转关节以及前后关节之间的运动耦合是非线性的情况，难以通过控制算法进行主动解耦；若采用套索结构，不存在运动耦合，但是驱动绳索与套索之间为滑动摩擦，不仅摩擦力大，且存在死区、间隙、迟滞等非线性特性，机械臂的控制精度难以保证。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提出一种可解耦的绳索驱动机械臂，以消除前端关节对后端关节造成的耦合。
本发明的技术方案是：
一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：该机械臂包括底座、可转动地定位在底座上的大臂、可转动地定位在大臂上的小臂、固定在小臂上的平台、设置在底座上通过第一传动机构驱动大臂转动的第一电机、设置在底座上通过第二传动机构驱动小臂转动的第二电机、与第二传动机构配合的解耦机构；
所述第一传动机构包括由第一电机驱动的第一电机轮、与大臂固定的大臂驱动轮、两端分别缠绕固定在第一电机轮与大臂驱动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳；
所述第二传动机构包括由第二电机驱动的第二电机轮、可转动地定位在大臂上的小臂驱动轮与定轮、与小臂固定的小臂从动轮、第二传动绳、第三传动绳；
所述解耦机构包括可转动地定位大臂上并与底座固定的第一解耦轮、可滑动地定位在大臂上的上滑架与下滑架、固定在上滑架上的第三解耦轮、可转动地定位在上滑架上的上动轮、固定在下滑架上的第二解耦轮、可转动地定位在下滑架上的下动轮、一端同时缠绕固定在第一解耦轮上并且另一端分别缠绕固定在第二解耦轮或第三解耦轮上的两条解耦绳；所述两条解耦绳的缠绕方向相反；
所述第二传动绳的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、下动轮后缠绕固定在小臂从动轮上；所述第三传动绳的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、上动轮后缠绕固定在小臂从动轮上；所述第二传动绳与第三传动绳的缠绕方向相反；
所述大臂驱动轮、小臂驱动轮、第一解耦轮、大臂转动轴线同轴布置；所述第三解耦轮与上动轮同轴布置；所述第二解耦轮与下动轮同轴布置；所述小臂从动轮与小臂转动轴线同轴布置。
所述大臂转动轴线、小臂转动轴线、定轮转动轴线、第一电机轮转动轴线、第二电机轮转动轴线、上动轮转动轴线、下动轮转动轴线互相平行。
所述底座上设有轴承座，与大臂固定的大臂主轴可转动地定位在轴承座上，与大臂固定的小臂主轴可转动地定位在大臂上。
所述大臂上设有用于引导上滑架与下滑架运动的导轨。
所述第一电机轮、第二电机轮、上动轮、下动轮、大臂驱动轮、小臂驱动轮、定轮、小臂从动轮的外径相同。
所述第一解耦轮、第二解耦轮、第三解耦轮的外径相同。
所述第一解耦轮外径为大臂驱动轮外径的一半。
所述底座上设有用于检测大臂转动角度的第一编码器；所述大臂上设有用于检测小臂转动角度的第二编码器。
本发明的有益效果是：
本发明所采用的解耦机构与第一传动机构、第二传动机构进行配合，可以省去算法解耦的复杂度，通过解耦轮随滑架的上下运动来抵消因大臂转动引起的小臂驱动绳索位移，从而实现大小臂之间的运动解耦，其工作范围大、控制精度高、结构简单。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图之一。
图2是本发明的立体结构示意图之二。
图3是本发明的大臂的立体结构示意图之一。
图4是本发明的大臂的立体结构示意图之二。
图5是本发明的大臂的立体结构示意图之三。
图6是第二传动绳的连接关系示意图。
图7是第三传动绳的连接关系示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，包括底座1、大臂2、小臂3、平台4、第一传动机构、第二传动机构、解耦机构、第一电机、第二电机。
所述底座上设有轴承座24。所述大臂包括一对大臂板2.1以及设置在大臂板之间的多个大臂连接柱2.2，大臂上还固定大臂主轴25，大臂通过大臂主轴可转动地定位在轴承座上。所述小臂包括一对小臂板3.1以及设置在小臂板之间的多个小臂连接柱3.2，小臂上还固定小臂主轴26，小臂通过小臂主轴可转动地定位在大臂上。所述平台设置在小臂端部，外部设备安装在平台上。
所述轴承座上设有第一编码器31，第一编码器与大臂主轴连接用于检测大臂转动角度，大臂上设有第二编码器32，第二编码器与小臂主轴连接用于检测小臂转动角度。
所述第一电机与第二电机(图中省略两个电机)设置在底座上，第一传动机构用于传递第一电机动力驱动大臂转动，第二传动机构用于传递第二电机动力驱动小臂转动，解耦机构用于配合第二传动机构。
所述第一传动机构中：第一电机轮5与第一电机转轴固定，大臂驱动轮7与大臂主轴同轴固定，第一传动绳21的两端分别缠绕固定在第一电机轮与大臂驱动轮上；第一传动绳的数量为两条，并且两条第一传动绳以相反方向缠绕在第一电机轮与大臂驱动轮上。
所述第二传动机构中：第二电机轮6与第二电机转轴固定，小臂驱动轮8可转动地定位在大臂主轴上，定轮9通过定轮主轴20可转动地定位在大臂上，小臂从动轮10与小臂主轴同轴固定；第二传动绳22的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、下动轮后缠绕固定在小臂从动轮上(如6所示，第二传动绳22从第二电机轮6上顺时针引出后，先向上延伸并在小臂驱动轮8上绕一圈，再向上延伸并在定轮9上绕半圈，然后向下延伸并在下动轮18上绕半圈，最后向上延伸并缠绕固定在小臂从动轮10上，缠绕方向全部为顺时针)；第三传动绳23的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、上动轮后缠绕固定在小臂从动轮上；在第二电机轮、小臂驱动轮、定轮、小臂从动轮上，第二传动绳与第三传动绳的缠绕方向相反(如7所示，第三传动绳23从第三电机轮6上逆时针引出后，先向上延伸并在小臂驱动轮8上绕一圈，再向上延伸并在定轮9上绕半圈，然后向下延伸并在上动轮15上绕半圈，最后向上延伸并缠绕固定在小臂从动轮10上，缠绕方向全部为逆时针)；在下动轮与上动轮上，第二传动绳与第三传动绳的缠绕方向也相反。
所述解耦机构中：上滑架14与下滑架17可滑动地定位在大臂上，大臂上设有用于引导上滑架与下滑架运动的导轨27(导轨平行于大臂)；上滑架上设有第三解耦轮13、上动轮15与上连接轴16，第三解耦轮与上连接轴同轴固定，上动轮可转动地定位在上连接轴上；下滑架上设有第二耦轮12、下动轮18与下连接轴19，第二解耦轮与下连接轴同轴固定，下动轮可转动地定位在下连接轴上；第一解耦轮11可转动地定位大臂主轴上并与轴承座固定，第一解耦轮与第二解耦轮、第三解耦轮之间设置两条解耦绳30；其中一条解耦绳的两端分别缠绕固定在第一解耦轮与第二解耦轮上，另一条解耦绳的两端以相反方向分别缠绕固定在第一解耦轮与第三解耦轮上。
所述定轮、上滑架、下滑架依次布置在小臂主轴与大臂主轴之间。所述第一电机轮、第二电机轮、上动轮、下动轮、大臂驱动轮、小臂驱动轮、定轮、小臂从动轮的外径相同。所述第一解耦轮、第二解耦轮、第三解耦轮的外径相同。所述第一解耦轮外径为大臂驱动轮外径的一半。
所述大臂主轴、小臂主轴、第一电机转轴、第二电机转轴、定轮主轴、上连接轴、下连接轴互相平行。
本发明的工作原理是：第一电机轮工作时通过第一传动绳使大臂发生转动，第二电机轮工作时通过第二传动绳使小臂发生转动，而在大臂板转动的过程中，通过第二解耦轮和第三解耦轮的上下运动抵消大臂转动时对小臂产生的耦合影响，以此实现解耦的目的。
Claims (8)
1.一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：该机械臂包括底座(1)、可转动地定位在底座上的大臂(2)、可转动地定位在大臂上的小臂(3)、固定在小臂上的平台(4)、设置在底座上通过第一传动机构驱动大臂转动的第一电机、设置在底座上通过第二传动机构驱动小臂转动的第二电机、与第二传动机构配合的解耦机构；
所述第一传动机构包括由第一电机驱动的第一电机轮(5)、与大臂固定的大臂驱动轮(7)、两端分别缠绕固定在第一电机轮与大臂驱动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳(21)；
所述第二传动机构包括由第二电机驱动的第二电机轮(6)、可转动地定位在大臂上的小臂驱动轮(8)与定轮(9)、与小臂固定的小臂从动轮(10)、第二传动绳(22)、第三传动绳(23)；
所述解耦机构包括可转动地定位大臂上并与底座固定的第一解耦轮(11)、可滑动地定位在大臂上的上滑架(14)与下滑架(17)、固定在上滑架上的第三解耦轮(13)、可转动地定位在上滑架上的上动轮(15)、固定在下滑架上的第二解耦轮(12)、可转动地定位在下滑架上的下动轮(18)、一端同时缠绕固定在第一解耦轮上并且另一端分别缠绕固定在第二解耦轮或第三解耦轮上的两条解耦绳(30)；所述两条解耦绳的缠绕方向相反；
所述第二传动绳的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、下动轮后缠绕固定在小臂从动轮上；所述第三传动绳的一端缠绕固定在第二电机轮上，另一端依次绕过小臂驱动轮、定轮、上动轮后缠绕固定在小臂从动轮上；所述第二传动绳与第三传动绳的缠绕方向相反；
所述大臂驱动轮、小臂驱动轮、第一解耦轮、大臂转动轴线同轴布置；所述第三解耦轮与上动轮同轴布置；所述第二解耦轮与下动轮同轴布置；所述小臂从动轮与小臂转动轴线同轴布置。
2.根据权利要求1所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述大臂转动轴线、小臂转动轴线、定轮转动轴线、第一电机轮转动轴线、第二电机轮转动轴线、上动轮转动轴线、下动轮转动轴线互相平行。
3.根据权利要求2所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述底座上设有轴承座(24)，与大臂固定的大臂主轴(25)可转动地定位在轴承座上，与大臂固定的小臂主轴(26)可转动地定位在大臂上。
4.根据权利要求3所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述大臂上设有用于引导上滑架与下滑架运动的导轨(27)。
5.根据权利要求4所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述第一电机轮、第二电机轮、上动轮、下动轮、大臂驱动轮、小臂驱动轮、定轮、小臂从动轮的外径相同。
6.根据权利要求5所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述第一解耦轮、第二解耦轮、第三解耦轮的外径相同。
7.根据权利要求6所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述第一解耦轮外径为大臂驱动轮外径的一半。
8.根据权利要求7所述的一种可实现运动解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述底座上设有用于检测大臂转动角度的第一编码器(31)；所述大臂上设有用于检测小臂转动角度的第二编码器(32)。
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