CN112454345B - 一种绳驱动关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人关节设计技术领域，具体涉及一种绳驱动关节模块，包括运动模块、固定模块、驱动模块、连杆以及绳索；所述运动模块包括运动基座以及与其活动连接的动滑轮组；所述固定模块包括固定基座以及与其活动连接的定滑轮组；所述连杆的两端分别与所述运动基座以及所述固定基座转动连接，所述动滑轮组设置在所述运动基座上，所述定滑轮组设置在所述固定基座上；所述运动模块以及所述固定模块通过所述绳索与所述驱动模块连接。本发明的绳驱动关节模块是一种刚度高，转动惯量低，体积小，重量轻，成本低的一自由度绳驱动关节模块，能有效地提高仿生机械手臂的安全性和高效性。

Description

一种绳驱动关节模块

技术领域

本发明涉及机器人关节设计技术领域，具体涉及一种绳驱动关节模块。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，机器人逐渐应用到各行各业，特别是在大型流水生产线上，机器人基本已经取代人工。在社会生产力不断提高，经济得到飞速发展的背景下，人们期望将机器人应用到普通生活中，如家庭护理、教育、迎宾等，但传统的机器人体积大、重量大、安全性不高等问题使其工作环境受到限制，为此需要更灵巧、轻便、安全的机器人来弥补这个缺陷。

绳驱动技术被认为是减轻机械臂重量、提高机械臂灵巧性和安全性的一个重要方法，主要原因有：1)绳索能够进行长距离传输，关节驱动电机可布置在靠近基座处，驱动力由绳索传输至关节；2)可减轻手臂重量、减少手臂体积，从而降低手臂的惯量，提高手臂的安全性；3)绳索传动不需要润滑，传输效率高；4)绳索传动更接近于人手臂的肌腱传动，具有很好的仿生性，拥有与生物体运动更接近的性能。

目前国内对一自由度变刚度关节有少量研究，如中国专利CN210998800U公开了一种绳驱动关节，可实现柔性缓冲，关节刚度可随负载的变化而变化，具有一定的创新性，但其结构不紧凑而且未能实现模块化，并没有充分利用绳驱动的优势。

发明内容

为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种绳驱动关节模块，本发明的绳驱动关节模块是一种刚度高，转动惯量低，体积小，重量轻，成本低的一自由度绳驱动关节模块，能有效地提高仿生机械手臂的安全性和高效性。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种绳驱动关节模块，包括运动模块、固定模块、驱动模块、连杆以及绳索；所述运动模块包括运动基座以及与其活动连接的动滑轮组；所述固定模块包括固定基座以及与其活动连接的定滑轮组；所述连杆的两端分别与所述运动基座以及所述固定基座转动连接，所述动滑轮组设置在所述运动基座上，所述定滑轮组设置在所述固定基座上；所述运动模块以及所述固定模块通过所述绳索与所述驱动模块连接。

在本发明中，固定模块与运动模块之间通过连杆进行连接，连杆可同时绕固定模块和运动模块摆动，固定模块和运动模块可以绕着连杆转动，绳索缠绕在动滑轮组和定滑轮组上，通过驱动模块在绳索上施加作用力，拉动动滑轮组和定滑轮组，驱动运动模块与固定模块做纯滚动运动，尺寸可灵活改变，动作实现灵巧，具有仿人肘关节的特性，整体结构简单且紧凑，质量轻，体积小，但是却具有高刚度的输出，而且还具有惯量小以及模块化等优点。

进一步的，所述动滑轮组的数量为两组，其中一组设置在所述运动基座的上部，另一组设置在所述运动基座的下部；所述定滑轮组的数量为两组，其中一组设置在所述固定基座的上部，另一组设置在所述固定基座的下部；所述运动基座上部的动滑轮组与所述固定基座上部的定滑轮组组合为第一滑轮组，所述运动基座下部的动滑轮组与所述固定基座下部的定滑轮组组合为第二滑轮组；所述驱动模块包括电机以及线轮，所述线轮与所述电机的输出轴连接，所述绳索缠绕在所述线轮上，所述绳索的两端穿过所述固定基座后分别与所述第一滑轮组以及所述第二滑轮组连接，绳索的一端缠绕在第一滑轮组，绳索的另一端缠绕在第二滑轮组，绳索的两个端点固定在固定基座上，绳索的长度是固定的，通过电机驱动线轮转动来完成绳索的拉扯，两端的绳索之间形成对抗运动，拉动运动基座和固定基座转动，通过绳索传递动力，可减轻机械手臂重量、减少机械手臂体积，从而降低机械手臂的惯量，提高手臂的安全性，而且绳索传动不需要润滑，传输效率高，绳索传动更接近于人手臂的肌腱传动，具有很好的仿生性，拥有与生物体运动更接近的性能。

进一步的，所述动滑轮组包括若干个独立转动的动滑轮，所述定滑轮组包括若干个独立转动的定滑轮，所述动滑轮之间以及所述定滑轮之间均设置有轴套，转动效果更好。

进一步的，缠绕在所述第一滑轮组上的绳索的段数与缠绕在所述第二滑轮组上的绳索的段数相同，且与整体关节的输出刚度满足以下数量关系：关节的输出刚度＝电机端输出刚度×绳索段数的平方，结构虽然简单，但是通过调整绳索的段数，可以大大提高关节的输出刚度，具有体积小刚度高的特点。

进一步的，所述运动基座上设置有用于与外部机构连接的第一通用接口，所述固定基座上设置有用于与外部机构连接的第二通用接口，两个通用接口用于与拥有对应接口的机构相连接，所连接的机构外形和尺寸不受限制，适用性更好，使用起来更加方便。

进一步的，所述第一通用接口通过螺钉固定在所述运动基座上，所述第二通用接口通过螺钉固定在所述固定基座上，连接的稳定性更高。

进一步的，所述驱动模块还包括减速器、电机座、滑轮座以及导向滑轮；所述电机设置在所述电机座上，所述电机通过所述减速器与所述线轮连接，所述导向滑轮设置在所述滑轮座上，所述绳索缠绕在所述线轮上，所述绳索的两端先经过所述导向滑轮再穿过所述固定基座后分别与所述第一滑轮组以及所述第二滑轮组连接，所述电机座与所述第二通用接口之间设置有用于限制所述绳索活动的刹车线管，所述电机座以及所述第二通用接口上设置有用于限制所述刹车线管移动的限位孔，传动以及导向效果更好，使用时的安全性更高。

进一步的，所述连杆的尺寸相同，所述连杆设置在所述运动基座与所述固定基座之间且位于所述第一滑轮组和所述第二滑轮组的两侧，所述连杆呈交叉设置，转动更加顺畅，传动效果更好。

进一步的，工作时，所述固定基座与所述运动基座在平面内的运动轨迹为半椭圆状，椭圆的滚动部分形状用等效圆代替，等效圆的圆心在椭圆短轴所在的直线上，滚动的相切点为两连杆的交点，避免了直接使用两个实际圆做滚动运动所带来的打滑问题，而且能使绳索长度的变化量尽可能的小，控制起来更加精准。

进一步的，所述固定基座上的两组定滑轮组的轴线连线与所述等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合；所述运动基座上的两组动滑轮组的轴线连线与所述等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合，使椭圆与等效圆之间偏差均匀变化，绳索的变化尽可能小，保证偏转的柔顺与精准。避免了直接使用两个实际圆做滚动运动所带来的打滑问题，而且能使绳索长度的变化量尽可能的小，控制起来更加精准。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对现有技术中机器人关节体积大、惯量大、安全性低的缺陷，以及绳索传动机器人难以实现高刚度输出和模块化等问题，本发明提供了一种高刚度一自由度的绳驱动关节模块，有效的解决了上述问题，该关节可应用于但不仅限于仿人机械臂肘关节，具有较高的通用性。

本发明利用两交叉连杆结构来实现固定模块与运动模块做两个近似圆的纯滚动运动，避免了直接使用两个实际圆做滚动运动所带来的打滑问题。

本发明的绳驱动关节模块同时实现了质量轻、体积小、高刚度输出、惯量小、模块化等优点，而且结构紧凑，尺寸可灵活改变，动作实现灵巧，具有仿人肘关节的特性。

本发明中的电机和减速器与固定模块和运动模块通过分开布置的方式使得具有实现关节功能的部分的质量得到减轻，而且电机位置不受限制，使用起来也更加方便。

而通过模块化的设计，意味着固定模块和运动模块所组成的关节模块可以单独控制和工作，通用接口的设计使得关节模块可以运用到任何所需的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种绳驱动关节模块的整体结构示意图；

图2为本发明的一种绳驱动关节模块的关节结构示意图；

图3为本发明的一种绳驱动关节模块的滑轮布置及绳索缠绕示意图；

图4为本发明的一种绳驱动关节模块的驱动模块的侧视图；

图5为本发明的一种绳驱动关节模块的导向滑轮的结构示意图；

图6为本发明的一种绳驱动关节模块的设计原理图。

图中：1、第一通用接口；2、运动基座；3、动滑轮；4、连杆；5、定滑轮；6、固定基座；7、第二通用接口；8、刹车线管；9、电机；10、减速器；11、电机座；12、滑轮座；13、导向滑轮；14、线轮；15、绳索；16、轴套。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例包括：

实施例一：

如图1-3所示，一种绳驱动关节模块，包括运动模块、固定模块、驱动模块、连杆4以及绳索15；运动模块包括运动基座2以及与其活动连接的动滑轮组；固定模块包括固定基座6以及与其活动连接的定滑轮组；连杆4的两端分别与运动基座2以及固定基座6转动连接，动滑轮组设置在运动基座2上，定滑轮组设置在固定基座6上；运动模块以及固定模块通过绳索15与驱动模块连接。

在本发明中，固定模块与运动模块之间通过连杆4进行连接，连杆4可同时绕固定模块和运动模块摆动，固定模块和运动模块可以绕着连杆4转动，绳索15缠绕在动滑轮组和定滑轮组上，通过驱动模块在绳索15上施加作用力，绳索15的张紧和拉伸力由驱动模块提供，从而拉动动滑轮组和定滑轮组，驱动运动模块与固定模块做纯滚动运动，尺寸可灵活改变，动作实现灵巧，具有仿人肘关节的特性，整体结构简单且紧凑，质量轻，体积小，但是却具有高刚度的输出，而且还具有惯量小以及模块化等优点。

如图1-2所示，动滑轮组的数量为两组，其中一组设置在运动基座2的上部，另一组设置在运动基座2的下部；定滑轮组的数量为两组，其中一组设置在固定基座6的上部，另一组设置在固定基座6的下部；运动基座2上部的动滑轮组与固定基座6上部的定滑轮组组合为第一滑轮组，运动基座2下部的动滑轮组与固定基座6下部的定滑轮组组合为第二滑轮组；驱动模块包括电机9以及线轮14，线轮14与电机9的输出轴连接，绳索15缠绕在线轮14上，绳索15的两端穿过固定基座6后分别与第一滑轮组以及第二滑轮组连接，绳索15的一端缠绕在第一滑轮组，绳索15的另一端缠绕在第二滑轮组，绳索两端点均固定在固定基座6上，绳索15的长度是固定的，通过电机9驱动线轮14转动来完成绳索15的拉扯，两端的绳索15之间形成对抗运动，拉动运动基座2绕固定基座6转动，通过绳索15传递动力，可减轻机械手臂重量、减少机械手臂体积，从而降低机械手臂的惯量，提高手臂的安全性，而且绳索15传动不需要润滑，传输效率高，绳索15传动更接近于人手臂的肌腱传动，具有很好的仿生性，拥有与生物体运动更接近的性能。

如图1和图3所示，动滑轮组包括若干个独立转动的动滑轮3，定滑轮组包括若干个独立转动的定滑轮5，动滑轮3之间以及定滑轮5之间均设置有轴套16，转动效果更好。

在本实施例中，缠绕在第一滑轮组上的绳索15的段数与缠绕在第二滑轮组上的绳索15的段数相同，且与整体关节的输出刚度满足以下数量关系：关节的输出刚度＝电机9端输出刚度×绳索15段数的平方，结构虽然简单，但是通过调整绳索15的段数，可以大大提高关节的输出刚度，具有体积小刚度高的特点。

在本实施例中，在第一滑轮组中，左侧的动滑轮组使用3个动滑轮3，右侧的定滑轮组使用4个定滑轮5，上下共缠绕6段绳索15上下各3段，共3圈，则关节的输出刚度＝电机9端输出刚度×绳索15段数的平方＝电机9端输出刚度×36，第二滑轮组同理可得。

本实施例并非因此限制本发明的专利范围，除了本实施例外，还可使用其他数量的动滑轮3与定滑轮组成滑轮组，两侧滑轮的数量亦可设置成相同数目，绳索15缠绕的段数也可根据滑轮组合方式和数量而定。

如图1-2所示，运动基座2上设置有用于与外部机构连接的第一通用接口1，固定基座6上设置有用于与外部机构连接的第二通用接口7，两个通用接口用于与拥有对应接口的机构相连接，所连接的机构外形和尺寸不受限制，适用性更好，使用起来更加方便。

在本实施例中，第一通用接口1通过螺钉固定在运动基座2上，第二通用接口7通过螺钉固定在固定基座6上，连接的稳定性更高。

如图4和图5所示，驱动模块还包括减速器10、电机座11、滑轮座12以及导向滑轮13；减速器10和滑轮座12均设置在电机座11上，电机9通过减速器10与线轮14连接，导向滑轮13设置在滑轮座12上，绳索15缠绕在线轮14上，绳索15的两端先经过导向滑轮13再穿过固定基座6后分别与第一滑轮组以及第二滑轮组连接，电机座11与第二通用接口7之间设置有用于限制绳索15活动的刹车线管8，电机座11以及第二通用接口7上设置有用于限制刹车线管8移动的限位孔，传动以及导向效果更好，使用时的安全性更高。

在本实施例中，连杆4的尺寸相同，连杆4设置在运动基座2与固定基座6之间且位于第一滑轮组和第二滑轮组的两侧，连杆4呈交叉设置，转动更加顺畅，传动效果更好。

在本实施例中，工作时，固定基座6与运动基座2在平面内的运动轨迹为半椭圆状，椭圆的滚动部分形状用等效圆代替，等效圆的圆心在椭圆短轴所在的直线上，滚动的相切点为两连杆4的交点，避免了直接使用两个实际圆做滚动运动所带来的打滑问题，而且能使绳索15长度的变化量尽可能的小，控制起来更加精准。

在本实施例中，固定基座6上的两组定滑轮组的轴线连线与等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合；运动基座2上的两组动滑轮组的轴线连线与等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合，使椭圆与等效圆之间偏差均匀变化，绳索15的变化尽可能小，保证偏转的柔顺与精准。

在本实施例中，使用两根连杆4交叉设计，连杆4连接固定基座6与运动基座2，当运动基座2偏转时两连杆4的交点p的轨迹为两个做纯滚动的椭圆，若设计中直接使用任意椭圆，则上下两组滑轮组的驱动绳索15的伸长量与缩短量将不相等，为了使绳索15的伸缩量尽可能小以至于可以忽略，本实施例中使用椭圆拟合圆的方法，即使连杆4交叉点的轨迹为两个近似圆，图6中虚线表示椭圆，点画线表示拟合圆，线条C2表示运动模块和线条C3表示运动模块代表了两个不同的运动状态，椭圆与圆的拟合偏差为d，本设计的目的是使得d尽可能小，而椭圆与圆的拟合遵循以下等式关系：

d(θ)＝r_e(θ)-r_c

其中re为两个椭圆做纯滚动运动的切点到拟合圆中心c0的距离，d0为拟合圆圆心与椭圆圆心的距离，le为连杆4长度，he为固定模块与运动模块之间的垂直距离，se为椭圆焦点与椭圆中心点的距离，θ为运动模块偏转角度的1/2，rc为拟合圆的半径，为了使得绳索15长度变化量尽可能小，还需要满足：固定基座6上的两组定滑轮组的轴线连线与等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合；运动基座2上的两组动滑轮组的轴线连线与等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合。如图2，连杆4交叉布置，使其交点p的运动轨迹如图6所示，使得运动模块与固定模块之间实现两个椭圆相切的纯滚动。如图1本实施例中使用4根连杆4布置在滑轮两侧，本实施例中在遵循连杆4交点p可实现两椭圆做纯滚动的前提下还可增加或删减连杆4的数量。

在本实施例中，驱动模块与固定模块和运动模块分开布置，两者之间通过刹车线管8和绳索15进行连接，使得驱动模块的安装位置可以不受限制。

如图4与图5所示，线轮14上的绳索15通过安装在滑轮座12上的导向滑轮13进行转向后通过刹车线管8连接到关节端，为了减少摩擦，导向滑轮13由带线槽的滑轮外圈与轴承组成，在绳索15运动过程中连接导向滑轮13与线轮14上的绳索15始终与导向滑轮13端面保持平行，图4中与电机座11底部平面垂直，导向滑轮13为绳索15提供转向使得缠绕在线轮14上的绳索15平行进入刹车线管8。

本实施例工作的一种方法为：驱动模块上的电机9经减速器10驱动线轮14转动，若线轮14转动过程中左侧绳槽收绳索15右侧绳槽放绳索15，即左侧线槽上的绳索15圈数增加右侧圈数减少，则绳索15的运动状态经刹车线管8导向后传输到关节上，由于电机座11与第二通用接口7上都设置有限制刹车线管8轴向运动的限位孔，在拉紧刹车线管8内部的绳索15后，刹车线管8可固定在限位孔内，当缠绕在关节模块上部的滑轮组上的绳索15受到拉力时，固定基座6上部的定滑轮5与运动基座2上部的动滑轮3将在绳索15拉力的作用下逐渐靠近，而下部的滑轮组上的绳索15伸长，使得固定基座6下部的定滑轮5与运动基座2下部的动滑轮3距离逐渐被拉开，由此实现驱动关节做纯滚动运动。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种绳驱动关节模块，其特征在于，包括运动模块、固定模块、驱动模块、连杆以及绳索；所述运动模块包括运动基座以及与其活动连接的动滑轮组；所述固定模块包括固定基座以及与其活动连接的定滑轮组；所述连杆的两端分别与所述运动基座以及所述固定基座转动连接，所述动滑轮组设置在所述运动基座上，所述定滑轮组设置在所述固定基座上；所述运动模块以及所述固定模块通过所述绳索与所述驱动模块连接；

所述动滑轮组的数量为两组，其中一组设置在所述运动基座的上部，另一组设置在所述运动基座的下部；所述定滑轮组的数量为两组，其中一组设置在所述固定基座的上部，另一组设置在所述固定基座的下部；所述运动基座上部的动滑轮组与所述固定基座上部的定滑轮组组合为第一滑轮组，所述运动基座下部的动滑轮组与所述固定基座下部的定滑轮组组合为第二滑轮组；所述驱动模块包括电机以及线轮，所述线轮与所述电机的输出轴连接，所述绳索缠绕在所述线轮上，所述绳索的两端穿过所述固定基座后分别与所述第一滑轮组以及所述第二滑轮组连接；

所述动滑轮组包括若干个独立转动的动滑轮，所述定滑轮组包括若干个独立转动的定滑轮，所述动滑轮之间以及所述定滑轮之间均设置有轴套；

所述连杆的尺寸相同，所述连杆设置在所述运动基座与所述固定基座之间且位于所述第一滑轮组和所述第二滑轮组的两侧，所述连杆呈交叉设置。

2.根据权利要求1所述的绳驱动关节模块，其特征在于，缠绕在所述第一滑轮组上的绳索的段数与缠绕在所述第二滑轮组上的绳索的段数相同，且与整体关节的输出刚度满足以下数量关系：关节的输出刚度＝电机端输出刚度×绳索段数的平方。

3.根据权利要求1所述的绳驱动关节模块，其特征在于，所述运动基座上设置有用于与外部机构连接的第一通用接口，所述固定基座上设置有用于与外部机构连接的第二通用接口。

4.根据权利要求3所述的绳驱动关节模块，其特征在于，所述第一通用接口通过螺钉固定在所述运动基座上，所述第二通用接口通过螺钉固定在所述固定基座上。

5.根据权利要求3所述的绳驱动关节模块，其特征在于，所述驱动模块还包括减速器、电机座、滑轮座以及导向滑轮；所述减速器设置在所述电机座上，所述电机通过所述减速器与所述线轮连接，所述导向滑轮设置在所述滑轮座上，所述绳索缠绕在所述线轮上，所述绳索的两端先经过所述导向滑轮再穿过所述固定基座后分别与所述第一滑轮组以及所述第二滑轮组连接，所述电机座与所述第二通用接口之间设置有用于限制所述绳索活动的刹车线管，所述电机座以及所述第二通用接口上设置有用于限制所述刹车线管移动的限位孔。

6.根据权利要求5所述的绳驱动关节模块，其特征在于，工作时，所述固定基座与所述运动基座在平面内的运动轨迹为半椭圆状，椭圆的滚动部分形状用等效圆代替，等效圆的圆心在椭圆短轴所在的直线上，滚动的相切点为两连杆的交点。

7.根据权利要求6所述的绳驱动关节模块，其特征在于，所述固定基座上的两组定滑轮组的轴线连线与所述等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合；所述运动基座上的两组动滑轮组的轴线连线与所述等效圆的圆心在同一平面上，且该平面上经过等效圆圆心的法线与椭圆的短轴重合。

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