CN112476477A - 一种绳驱动三自由度偏置关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绳驱动三自由度偏置关节，包括驱动电机、驱动绳、绳轮、驱动绞盘、导引滑轮组、交叉滚子轴承、导引孔、电机支撑架、轴承外压等部件，驱动电机通过绳轮驱动缠绕在绞盘上的绳，实现绞盘的旋转运动，第二个自由度和第三个自由度是通过导引滑轮组将驱动绳从布置在前一个驱动绞盘的旋转中心轴的绳轮引出，第一个绞盘旋转中心轴和第二个绞盘旋转中心轴相交于一点，第二个绞盘旋转中心轴和第三个绞盘旋转中心轴相交于一点，三个旋转中心轴不相交于一点。采用绳驱动的方式驱动绞盘实现关节的旋转运动，具有柔性高、转动惯量小和负载自重比高等优点，可有效对机器人驱动关节进行优化设计。

Description

一种绳驱动三自由度偏置关节
技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种绳驱动三自由度偏置关节。
背景技术
近年来，协作机器人在人类生活中得到广泛的应用。然而，传动协作机器人存在柔顺性差、安全性能差等问题，驱动关节多数是刚性结构，这也限制了协作机器人的发展。因此，具有柔顺驱动关节的协作机器人是未来发展的趋势。
传统协作机器人多数采用刚性驱动关节，其运动精度较高，但是柔顺性较差，为了提高机器人的柔顺性，常采用柔顺控制算法实现机器人的柔性，常用的的算法有导纳控制和阻抗控制，这些控制方法对控制器性能要求较高，这也导致了该类机器人制造成本高，同时这类方法的柔顺性一般，与实际要求仍有较大差距。
另一种方法是设计柔性关节提高机器人柔性，弹性材料和气动元件等构件应用大大提高了机器人的柔性，然而多数高柔性机器人刚度较低，运动精度较差，同时负载较小。绳能够实现任意路径运动和力的传递，设计绳的走线方案，将驱动力传递到关节处，实现关节的运动，同时绳自身的柔性可以有效提高驱动关节的柔性。
目前，机器人三自由度关节多数是三轴相交于一点，尤其是机器人肩关节配置，这会导致第三个自由度运动范围受限，偏置设计可以提高关节的运动范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种绳驱动三自由度偏置关节。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的绳驱动三自由度偏置关节，包括三自由度驱动装置，每个自由度驱动装置分别包括驱动电机、电机支架、交叉滚子轴承、轴承外压、绳轮、绞盘、绞盘盖板、导引滑轮组、连接盖支架、连接盖支架、连接支架支柱、导引孔；
所述驱动电机驱动绳轮，所述绳轮通过传动绳驱动绞盘，所述绳轮的两侧边缘布置两根传动绳，两根传动绳通过导引滑轮组和导引孔缠绕在绞盘，分别驱动绞盘的正反两个转动方向，所述交叉滚子轴承装于所述绞盘与电机支架之间，所述连接盖支架和连接支架支柱将电机支架与绞盘连接在一起。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的绳驱动三自由度偏置关节，与传动机械臂关节相比，具有结构紧凑，可拆卸性能好，运动空间大，关节之间的绳长变化没有耦合，关节减速比具备可调性。为减小关节重量和空间体积，电机安装绞盘旋转中心位置，每个电机通过缠绕方向相反的传动绳驱动一个旋转自由度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的绳驱动三自由度偏置关节整体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的绳驱动三自由度偏置关节分解结构示意图。
图3a、图3b分别为本发明实施例中第一个驱动电机及其传动绳连接示意图。
图4a、图4b分别为本发明实施例中第二个驱动电机及其传动绳连接示意图。
图5a、图5b分别为本发明实施例中第三个驱动电机及其传动绳连接示意图。
图6为本发明实施例中三个旋转中心轴的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的绳驱动三自由度偏置关节，其较佳的具体实施方式是：
包括三自由度驱动装置，每个自由度驱动装置分别包括驱动电机、电机支架、交叉滚子轴承、轴承外压、绳轮、绞盘、绞盘盖板、导引滑轮组、连接盖支架、连接盖支架、连接支架支柱、导引孔；
所述驱动电机驱动绳轮，所述绳轮通过传动绳驱动绞盘，所述绳轮的两侧边缘布置两根传动绳，两根传动绳通过导引滑轮组和导引孔缠绕在绞盘，分别驱动绞盘的正反两个转动方向，所述交叉滚子轴承装于所述绞盘与电机支架之间，所述连接盖支架和连接支架支柱将电机支架与绞盘连接在一起。
第一个自由度的驱动电机布置在第一个电机支架上；
第二个自由度的驱动电机布置在第一个自由度的绞盘的旋转中心位置，第二个电机支架通过螺栓与第一个绞盘盖板连接；
第三个自由度的驱动电机布置在第二个自由度的绞盘的旋转中心位置，第三个电机支架通过螺栓与第二个绞盘盖板连接。
第一个绞盘转动轴线与第二个绞盘转动轴线相交于一点，第二个绞盘转动轴线与第三个绞盘转动轴线相交于一点，三个绞盘的转动轴线不相交于一点。
每个自由度的减速是通过绞盘与绳轮的直径比值实现的，通过调节绞盘上的传动缠绕绳长度，改变绞盘的转角范围。
本发明的绳驱动三自由度偏置关节，可以提高关节柔性和运动灵活度。
本发明提出绳驱动三自由度偏置关节，包括三个驱动电机、驱动电机支架、交叉滚子轴承、轴承外压、绳轮、驱动绞盘盖板、导引滑轮组、连接盖板支架、连接盖板支架支柱、导引孔以及构件之前的连接件；该关节具有三个自由度，每个自由度之间的绳运动是解耦的；每个绞盘上缠绕两根驱动绳，这两根在通过导引滑轮组缠绕在驱动绳轮的两侧，通过绳轮上的绳固定孔将两根绳以相反的方向固定在绳轮的两侧，实现一个驱动电机控制一个自由度的正反转动；通过调整绳轮和绞盘的半径可以调节减速比，调整缠绕在绳轮和绞盘上的绳长可以调整旋转运动范围；第一个旋转自由度轴线与第二个旋转自由度轴线相交于一点，第二个旋转自由度轴线与第三个旋转自由度轴线相交于一点，但是三个旋转自由度轴线不相交于一点。
所述绳驱动三自由度偏置关节的第一个自由度为旋转自由度，电机驱动绳轮，绳轮通过驱动绳驱动绞盘运动，其中电机布置在电机支架上，绞盘和电机之间布置有交叉滚子轴承，使用轴承外压和螺栓将绞盘和电机之间连接起来。
所述绳驱动三自由度偏置关节的第二个自由度为旋转自由度，电机布置在第一个自由度驱动绞盘的旋转中心轴上，通过绞盘盖板与第一个绞盘连接在一起，缠绕在绳轮上传动绳通过导引滑轮组和导引孔缠绕在第二个驱动绞盘的两侧，驱动绞盘通过支架与第一绞盘盖板连接，实现第一个自由度的旋转带动第二个自由度的旋转，两者是以串联的方式连接。
所述绳驱动三自由度偏置关节的第三个自由度为旋转自由度，电机布置在第二个自由度驱动绞盘的旋转中心轴上，通过绞盘盖板与第二个绞盘连接在一起，缠绕在绳轮上传动绳通过导引滑轮组合导引孔缠绕在第二个驱动绞盘的两侧，驱动绞盘通过支架和第二个绞盘盖板连接，实现第二个自由度的旋转带动第三个自由度的旋转，两者是以串联的方式连接。
所述绳驱动三自由度偏置关节的三个自由度为旋转自由度，第一个自由度旋转轴线与第二个自由度旋转轴线相交于一点，第二个自由度旋转轴线与第三个自由度旋转轴线相交于一点，三个自由度旋转轴线不相交于一点，进而提高第三个自由度的运动范围。
具体实施例：
一种绳驱动三自由度偏置关节，如图1和2所示，包括三个自由度的驱动电机1-3、1-4和1-15，第一个电机支架1-2，第一个驱动绞盘1-8，第一个交叉滚子轴承1-6，第一个轴承内压1-5，第一个轴承外压1-7，第一个驱动绞盘盖板1-9，第一个连接盖板支架1-10，连接盖板支架支柱1-11-1和1-11-2，第一个驱动绳轮1-12，第二个驱动绳轮1-13，导引滑轮组1-14-1和1-14-2，第二个驱动绞盘支架1-16与第一个驱动绞盘盖板1-9连接，第二个交叉滚子轴承1-18，第二个轴承内压1-17，第二个轴承外压1-19，第二个驱动绞盘1-20，第二个连接盖板1-21，第二个连接盖板支架1-22，第二个连接盖板支架支柱1-23-1和1-23-2，第三个驱动绳轮1-24，导引滑轮组1-25-1和1-25-2，第三个驱动绞盘支架1-27，第三个驱动绞盘1-26，L1和L2是第一个自由度驱动绳，L3和L4是第二个自由度驱动绳，L5和L6是第三个自由度驱动绳。
如图3a、图3b所示，第一个驱动电机1-3通过螺栓连接到电机支架1-2上，第一个绞盘1-8通过轴承外压1-7和轴承内压1-5连接到电机支架1-2上，绞盘和支架之间的相对旋转是通过交叉滚子轴承1-6实现的，电机驱动绳轮1-12，绳轮通过传动绳L1和L2实现绞盘的正反转。
如图4a、图4b所示，第二个驱动电机1-4通过螺栓连接到驱动绞盘盖板1-9上，第二个驱动绞盘支架1-16通过螺栓与驱动绞盘连接盖板1-9连接，驱动绞盘支架和第二个驱动绞盘1-20之间的布置有交叉滚子轴承1-18，驱动绳轮1-13通过驱动绳L3和L4，经过导引滑轮组1-14-1缠绕在驱动绞盘1-20。
如图5a、图5b所示，第三个驱动电机1-15通过螺栓连接到驱动绞盘盖板1-21，绞盘支架1-27通过螺栓连接到绞盘盖板上，驱动绳轮1-24将传动绳L5和L6通过导引滑轮组1-25-1缠绕在驱动绞盘1-26上。
如图6所示，第一个旋转自由度的旋转中心轴与第二个旋转自由度的旋转中心轴相交于一点，第二个旋转自由度的旋转中心轴与第三个旋转自由度的旋转中心轴相交于一点，三个旋转中心轴不相交于一点。
由上述可知，本发明提出的绳驱动三自由度偏置关节，与传动机械臂关节相比，具有结构紧凑，可拆卸性能好，运动空间大，关节之间的绳长变化没有耦合，关节减速比具备可调性。为减小关节重量和空间体积，电机安装绞盘旋转中心位置，每个电机通过缠绕方向相反的传动绳驱动一个旋转自由度。
本发明的上述实施例仅仅是为清除地说明本发明所作的距离，而并非是对本机发明的实施方式的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种绳驱动三自由度偏置关节，其特征在于，包括三自由度驱动装置，每个自由度驱动装置分别包括驱动电机、电机支架、交叉滚子轴承、轴承外压、绳轮、绞盘、绞盘盖板、导引滑轮组、连接盖支架、连接盖支架、连接支架支柱、导引孔；
所述驱动电机驱动绳轮，所述绳轮通过传动绳驱动绞盘，所述绳轮的两侧边缘布置两根传动绳，两根传动绳通过导引滑轮组和导引孔缠绕在绞盘，分别驱动绞盘的正反两个转动方向，所述交叉滚子轴承装于所述绞盘与电机支架之间，所述连接盖支架和连接支架支柱将电机支架与绞盘连接在一起。
2.根据权利要求1所述的绳驱动三自由度偏置关节，其特征在于：
第一个自由度的驱动电机布置在第一个电机支架上；
第二个自由度的驱动电机布置在第一个自由度的绞盘的旋转中心位置，第二个电机支架通过螺栓与第一个绞盘盖板连接；
第三个自由度的驱动电机布置在第二个自由度的绞盘的旋转中心位置，第三个电机支架通过螺栓与第二个绞盘盖板连接。
3.根据权利要求1所述的绳驱动三自由度偏置关节，其特征在于，第一个绞盘转动轴线与第二个绞盘转动轴线相交于一点，第二个绞盘转动轴线与第三个绞盘转动轴线相交于一点，三个绞盘的转动轴线不相交于一点。
4.根据权利要求1、2或3所述的绳驱动三自由度偏置关节，其特征在于，每个自由度的减速是通过绞盘与绳轮的直径比值实现的，通过调节绞盘上的传动缠绕绳长度，改变绞盘的转角范围。
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