CN112847424B - 一种刚度放大绳驱动单自由度关节 - Google Patents

一种刚度放大绳驱动单自由度关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刚度放大绳驱动单自由度关节，包括驱动电机、驱动绳轮、正向驱动绳、反向驱动绳，放大绳轮组、正向导引滑轮组、反向导引滑轮组、转向滑轮组一上方转向滑轮、转向滑轮组一下方转向滑轮、转向滑轮组二、放大绳轮组滑轮转轴、上驱动连杆、下驱动连杆、上驱动支架、下驱动支架等部件，该关节的驱动通过一个电机实现正反转，驱动绳交叉布置在放大绳轮上下两侧，通过调整放大绳轮上的缠绕绳数可以调整关节刚度和扭矩的放大系数，同时也可以通过调整放大绳轮直径实现关节刚度和扭矩的放大。相对于传统的绳驱动关节具有高刚度、高扭矩等优点；采用该绳驱动单自由度关节的绳驱动机械臂具有柔性高、转动惯量小和负载自重比高等优点。

Description

一种刚度放大绳驱动单自由度关节
技术领域
本发明涉及一种机器人关节，尤其涉及一种刚度放大绳驱动单自由度关节。
背景技术
随着机器人的快速发展，机器人在人类生产活动中逐渐展现出重要的作用，其中协作机器人是当前机器人技术发展的重要方向。
在协作机器人领域中，研究人员通常采用类似工业机器人的驱动方式，即在关节处采用驱动电机和减速器的组合实现机器人关节的驱动，采用这种驱动关节的协作机器人通常比较笨重，负载自重比小，同时刚性关节导致机器人的柔顺性较差。
该类协作机器人通常采用阻抗控制实现机器人的柔顺控制，但是这种控制方式需要在机器人关节安装高精度的传感器，这导致机器人的成本大幅提高，同时传感器损坏时，则会对人造成严重威胁。
发明内容
本发明的目的是提供一种刚度放大绳驱动单自由度关节。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的刚度放大绳驱动单自由度关节，包括驱动电机15、驱动绳轮16、正向驱动绳L2、反向驱动绳L1、放大绳轮组5、正向导引滑轮组7、反向导引滑轮组9、转向滑轮组一上方转向滑轮10、转向滑轮组一下方转向滑轮11、转向滑轮组二下方转向滑轮2-1、转向滑轮组二上方转向滑轮2、放大绳轮组滑轮转轴6、上驱动连杆13,13-1、下驱动连杆2,2-1、上驱动支架14、下驱动支架1；
所述驱动电机15与上驱动支架14相连，两侧的上驱动连杆13,13-1通过螺栓与上驱动支架14相连，正向导引滑轮组7中的四个滑轮通过正向导引滑轮组滑轮转轴8与两侧的上驱动连杆13,13-1相连，反向导引滑轮组9的四个滑轮通过反向导引滑轮组滑轮轴12与两侧的上驱动连杆13,13-1相连，转向滑轮组一上方转向滑轮10和下方转向滑轮11通过螺栓与下驱动支架3,3-1相连，放大绳轮组5中四个滑轮通过放大绳轮组滑轮转轴与两侧的上驱动连杆13,13-1和下驱动连杆3,3-1相连，位置通过挡圈固定，转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1和下方转向滑轮4,4-1通过螺栓与下驱动支架1相连，两侧的下驱动连杆3,3-1通过螺栓与下驱动支架1相连。
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刚度放大绳驱动单自由度关节，利用放大绳轮组实现关节扭矩和刚度的放大，与传统机械臂关节相比，具有结构紧凑，可拆卸性能好，运动空间大，关节的减速比具有可调性，一个电机驱动一个关节。
附图说明
图1a、图1b分别为本发明实施例提供的刚度放大绳驱动单自由度关节的两个整体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的刚度放大绳驱动单自由度关节的放大绳轮组示意图。
图3a、3b分别为本发明实施例中的刚度放大绳驱动单自由度关节的整体和局部绳布局方案。
图4为本发明实施例中的刚度放大绳驱动单自由度关节的正向驱动绳的走线方案。
图5为本发明实施例中的刚度放大绳驱动单自由度关节的反向驱动绳的走线方案。
图6a、6b分别为本发明实施例中的刚度放大绳驱动单自由度关节的另一种绳布局方案的两个示意图。
图7a、7b分别为本发明实施例中的刚度放大绳驱动单自由度关节的另一种关节构型的两个示意图。
图中：
1为下驱动支架、2和2-1为转向滑轮组二上方转向滑轮、3和3-1为下驱动连杆、4和4-1为转向滑轮组二下方转向滑轮、5为放大绳轮组、5-1,5-2,5-3和5-4为放大滑轮组滑轮、6为放大绳轮组滑轮转轴、7为正向导引滑轮组、8为正向导引滑轮组滑轮转轴、9为反向导引滑轮组、10为转向滑轮组一上方转向滑轮、11为转向滑轮组一下方转向滑轮、12为反向导引滑轮组滑轮轴、13和13-1为上驱动连杆、14为上驱动支架、15为驱动电机、16为驱动绳轮，L1为反向驱动绳，L2为正向驱动绳。
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。
本发明的刚度放大绳驱动单自由度关节，其较佳的具体实施方式是：
包括驱动电机15、驱动绳轮16、放大绳轮组5、正向导引滑轮组7、反向导引滑轮组9、转向滑轮组一上方转向滑轮10和转向滑轮组一下方转向滑轮11、转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1和转向滑轮组二下方转向滑轮4,4-1、放大绳轮组滑轮转轴6、上驱动连杆13,13-1、下驱动连杆3,3-1、上驱动支架14、下驱动支架1；
所述驱动电机15上驱动支架14相连，两侧的上驱动连杆13,13-1通过螺栓与上驱动支架14相连，正向导引滑轮组7中的四个滑轮通过正向导引滑轮组滑轮转轴8与两侧的上驱动连杆13,13-1相连，反向导引滑轮组9的四个滑轮通过反向导引滑轮组滑轮轴12与两侧的上驱动连杆相连13,13-1，转向滑轮组一上方转向滑轮10和下方转向滑轮11通过螺栓与下驱动支架1相连，放大绳轮组5中四个滑轮通过放大绳轮组滑轮转轴6与两侧的上驱动连杆13,13-1和下驱动连杆2,2-1相连，位置通过挡圈固定，转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1和下方转向滑轮4,4-1通过螺栓与上驱动支架14相连，两侧的下驱动连杆3,3-1通过螺栓与下驱动支架1相连。
放大绳轮组5是由4个滑轮组成，每个滑轮有两个绕绳的槽道。
正向驱动绳L2的一端固定在上驱动支架14上，通过正向导引滑轮组7中的左侧第一个滑轮，然后绕过放大绳轮组5左侧第一个滑轮5-4槽道，通过转向滑轮组二下方转向滑轮4-1，然后绕过放大绳轮组5左侧第二个滑轮5-3槽道，穿过正向导引滑轮组7左侧第二个滑轮，然后绕过转向滑轮组一上方滑轮10，然后绕过正向导引滑轮组7左侧第三个滑轮，然后绕过放大绳轮组5第三个滑轮5-2槽道，绕过转向滑轮组二下方转向滑轮4，然后绕过放大绳轮组5左侧第四个滑轮5-1槽道，然后绕过正向导引滑轮组7左侧第四个滑轮，最后缠绕在固定在驱动电机15上的驱动绳轮16上。
反向驱动绳L1的一端，通过反向导引滑轮组9中的左侧第一个滑轮，然后绕过放大绳轮组5左侧第一个滑轮5-4槽道，通过转向滑轮组二上方滑轮2，然后通过放大绳轮组5左侧第二个滑轮5-3槽道，然后通过反向导引滑轮组9左侧第二个滑轮，然后通过转向滑轮组一下方转向滑轮4，然后绕过反向导引滑轮组9左侧第三个滑轮，然后绕过放大绳轮组5左侧第三个滑轮5-2槽道，然后通过转向滑轮组二上方转向滑轮2-1，然后绕过放大绳轮组5左侧第四个滑轮5-1槽道，然后绕过反向导引滑轮组9第四个滑轮，最后缠绕在固定在驱动电机15上的驱动绳轮16上。
转向滑轮组一上方转向滑轮10和下方转向滑轮11的的旋转中心线与正向导引滑轮组7的旋转中线垂直，转向滑轮组一上方转向滑轮10槽道直径与放大绳轮组5中间两个滑轮5-2,5-3的槽道之间的距离相同，转向滑轮组二下转向滑轮4,4-1槽道直径与放大绳轮组5的两个滑轮5-1,5-4槽道之间的距离相同。
转向滑轮组一上方转向滑轮10和下方转向滑轮11旋转中心线与反向导引滑轮组9的旋转中心线垂直，转向滑轮组一下方转向滑轮槽道直径中与放大绳轮组5中间两个滑轮5-2,5-3的槽道之间的距离相同，转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1槽道直径与放大绳轮组5的两个滑轮5-1,5-4槽道之间的距离相同。
调整放大绳轮组5的滑轮个数和转向滑轮组一和二的滑轮个数能调整旋转的刚度和扭矩的放大倍数。
本发明的刚度放大绳驱动单自由度关节，采用绳驱动的协作机器人，驱动电机后置能够实现机器人的轻量化设计，负载自重比高，关节具有被动柔顺性。利用放大绳轮组实现关节扭矩和刚度的放大，与传统机械臂关节相比，具有结构紧凑，可拆卸性能好，运动空间大，关节的减速比具有可调性，一个电机驱动一个关节。
本发明的刚度放大绳驱动单自由度关节为单自由度旋转关节，正向驱动绳收缩驱动关节顺时针运动，反向驱动绳伸长；反向驱动绳收缩驱动关节逆时针运动，正向驱动绳伸长；正向驱动绳和反向驱动绳交叉绕过放大绳轮组；调整放大绳轮组的直径可以调整关节放大扭矩；调整放大滑轮组的滑轮个数和缠绕的绳数可以调整关节的扭矩和刚度；转向滑轮组二的上方滑轮和下方滑轮可以平行布置，也可以倾斜布置。
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的放大绳轮组中的每个滑轮有连个轴向对称的走线槽道，分别用于缠绕正向驱动绳和反向驱动绳。
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的正向导引滑轮组是由4个相同的滑轮组成，起到调整走线方向的作用。
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的反向导引滑轮组是由4个相同的滑轮组成，起到调整走线方向的作用。
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的转向滑轮组一上方转向滑轮，用于正向驱动绳的转向，滑轮直径等于放大绳轮组中间两个滑轮外侧槽道之间的距离；
所述刚度放大绳驱动单自由度关机的转向滑轮组一下方转向滑轮，用于反向驱动绳的转向，滑轮直径等于放大绳轮组中间两个滑轮内侧槽道之间的距离；
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的转向滑轮组二上方转向滑轮，用于反向驱动绳的转向，滑轮直径等于放大绳轮组左侧或右侧两个滑轮外侧槽道之间的距离；
所述刚度放大绳驱动单自由度关节的转向滑轮组二下方转向滑轮，用于正向驱动绳的转向，滑轮直径等于放大绳轮组左侧或右侧两个滑轮滑内侧槽道之间的距离；
具体实施例：
一种刚度放大绳驱动单自由度关节，如图1a、图1b和图2所示包含下驱动支架1，转向滑轮组二下方转向滑轮4,4-1、转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1，下驱动连杆3,3-1,放大绳轮组5，放大绳轮组滑轮5-1、5-2、5-3和5-4，放大绳轮组滑轮转轴6，正向导引滑轮组滑轮7，正向导引滑轮转轴8，反向倒影滑轮组滑轮9，转向滑轮组一上方转向滑轮10，转向滑轮组一下方转向滑轮11，反向导引滑轮组滑轮轴12，上驱动连杆13,13-1，上驱动支架14，驱动电机15，驱动绳轮16，反向驱动绳L1，正向驱动绳L2。
如图3a、3b所示，正向驱动绳L1和反向驱动L2是交叉绕过放大绳轮组5上的两侧走线槽道，驱动绳的一端都是固定在上驱动支架14上，转向滑轮组一上方转向滑轮10和下方转向滑轮11固定在上驱动支架14上，正向导引滑轮组8和反向导引滑轮组9和正向导引滑轮组滑轮转轴8和反向导引滑轮组滑轮转轴12固定上驱动连杆13,13-1上。
如图4，正向驱动绳L2一端固定在上驱动支架14上，然后绕过正向导引滑轮组8，绕过转向滑轮组二下方转向滑轮4,4-1，然后绕过转向滑轮组一上方转向滑轮10，最后缠绕在驱动绳轮16上。
如图5，反向驱动绳L1一端固定在上驱动支架14上，然后绕过反向导引滑轮组8，绕过转向滑轮组二上方转向滑轮2,2-1，然后绕过转向滑轮组一下方转向滑轮11，最后缠绕在驱动绳轮16上。
图6a、6b显示的刚度放大绳驱动单自由度关机的设计原理，动滑轮组具有放大输出力Tout的作用，输出力Tout＝n·Tin，Tin是输入力，动滑轮组的缠绕绳数为n，动滑轮组整体位移量为Δxout，传动绳的变化量为Δxin＝n·Δxout，动滑轮组整体刚度为Kout＝Tout/Δxout＝n2K，K为绳的刚度。本发明基于动滑轮的运动原理设计，关节转角为θ(弧度制)，正向驱动绳的绳长变化量Δlp和反向驱动绳的绳长变化量Δln相同Δlp＝Δln＝nθr，根据虚功原理中的能量守恒得，τδ(θ)＝Tpullδ(Δl)-Tlossenδ(Δl)，
Figure BDA0002857424990000051
代入上式得，关节的扭矩为
Figure BDA0002857424990000052
这里ΔT是正向驱动绳和反向驱动绳张力差值，当一个驱动绳刚好处于松弛状态，另一根驱动绳刚好处于绳的断裂极限状态，此时的扭矩最大，可以发现关节最大扭矩与缠绕在放大绳轮组上的绳数目n、放大绳轮半径r和驱动绳极限张力Tmax有关，当关节构型确定后，关节扭矩是一个不与关节角变化的值，通过调整驱动绳之间的张力差即可调整关节扭矩，相比其他绳驱动关节，本发明提出的刚度放大绳驱动单自由度关节扭矩更易于控制；
正向驱动绳和反向驱动绳的绳长变化相同，
则Tpull＝kwire(lp+δ(Δl))，Tpull＝kwire(lp-δ(Δl))，
其中kwire为绳的刚度，
δτ＝nrΔT＝nr(Tpull-Tloosen)＝nr2kwireδ(Δl)＝nr2kwire nrδθ
Figure BDA0002857424990000061
这里K是关节刚度，本发明提出的刚度放大绳驱动单自由度关节的刚度与缠绕在放大绳轮组上的绳的数目n的平方呈正比，与放大绳轮半径的平方成正比，与绳的刚度成正比。
如图7a，图7b所示，刚度放大绳驱动单自由度关节的正向驱动绳和反向驱动绳的另一种布局方案和构型，转向滑轮组二上方转向滑轮和下方转向滑轮布置也可以交叉布置。
本发明提出的刚度放大绳驱动单自由度关节，与传统机器人的电机减速器驱动关节相比，可以大幅降低关节的体积和重量，同时提高了机器人的柔性；与传统的绳驱动关节，本发明的刚度、扭矩和减速比具有可调性，大幅提高机器人的负载能力。
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 (7)

1.一种刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，包括驱动电机(15)、驱动绳轮(16)、放大绳轮组(5)、正向导引滑轮组(7)、反向导引滑轮组(9)、转向滑轮组一上方转向滑轮(10)、转向滑轮组一下方转向滑轮(11)、转向滑轮组二上方转向滑轮(2,2-1)、转向滑轮组二下方转向滑轮(4,4-1)、放大绳轮组滑轮转轴(6)、上驱动连杆(13,13-1)、下驱动连杆(3,3-1)、上驱动支架(14)、下驱动支架(1)；
所述驱动电机(15)与上驱动支架(14)相连，两侧的上驱动连杆(13,13-1)通过螺栓与上驱动支架(14)相连，正向导引滑轮组(7)中的四个滑轮通过正向导引滑轮组滑轮转轴(8)与两侧的上驱动连杆(13,13-1)和下驱动连杆(3,3-1)相连，反向导引滑轮组(9)的四个滑轮通过反向导引滑轮组滑轮转轴(12)与两侧的上驱动连杆(13,13-1)相连，转向滑轮组一上方转向滑轮(10)和下方转向滑轮(11)通过螺栓与下驱动支架(1)相连，放大绳轮组(5)中四个滑轮(5-1,5-2,5-3,5-4)通过放大绳轮组滑轮转轴(6)与两侧的上驱动连杆(13,13-1)和下驱动连杆(3,3-1)相连，位置通过挡圈固定，转向滑轮组二上方转向滑轮(2,2-1)和下方转向滑轮(4,4-1)通过螺栓与下驱动支架(1)相连，两侧的下驱动连杆(3,3-1)通过螺栓与下驱动支架(1)相连。
2.根据权利要求1所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，放大绳轮组(5)是由4个滑轮(5-1,5-2,5-3,5-4)组成，每个滑轮有两个绕绳的槽道。
3.根据权利要求2所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，正向驱动绳(L)的一端固定在上驱动支架(14)上，通过正向导引滑轮组(7)中的左侧第一个滑轮，然后绕过放大绳轮组(5)左侧第一个滑轮(5-4)槽道，通过转向滑轮组二下方滑轮(4-1)，然后绕过放大绳轮组(5)第二个滑轮(5-3)槽道，穿过正向导引滑轮组(7)左侧第二个滑轮，然后绕过转向滑轮组一上方转向滑轮(10)，然后绕过正向导引滑轮组(7)左侧第三个滑轮，然后绕过放大绳轮组(5)第三个滑轮(5-2)槽道，绕过转向滑轮组二下方转向滑轮(4)，然后绕过放大绳轮组(5)左侧第四个滑轮(5-1)槽道，然后绕过正向导引滑轮组(7)左侧第四个滑轮，最后缠绕在驱动绳轮(16)上。
4.根据权利要求3所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，反向驱动绳(L1)的一端，通过反向导引滑轮组(9)中的左侧第一个滑轮，然后绕过放大绳轮组(5)左侧第一个滑轮(5-4)槽道，通过转向滑轮组二上方转向滑轮(2)，然后通过放大绳轮组(5)左侧第二个滑轮(5-3)槽道，然后通过反向导引滑轮组(9)左侧第二个滑轮，然后通过转向滑轮组一下方转向滑轮(11)，然后绕过反向导引滑轮组(9)左侧第三个滑轮，然后绕过放大绳轮组(5)左侧第三个滑轮(5-2)槽道，然后通过转向滑轮组二上方转向滑轮(2-1)，然后绕过放大绳轮组(5)左侧第四个滑轮(5-1)槽道，然后绕过反向导引滑轮组(9)第四个滑轮，最后缠绕在驱动绳轮(16)上。
5.根据权利要求4所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，转向滑轮组一上方转向滑轮(10)和下方转向滑轮(11)旋转中心线与正向导引滑轮组(7)的旋转中线垂直，转向滑轮组一上方转向滑轮(2,2-1)槽道直径与放大绳轮组(5)中间两个滑轮(5-2,5-3)的槽道之间的距离相同，转向滑轮组二下方转向滑轮(4,4-1)槽道直径与放大绳轮组(5)的两个滑轮(5-1,5-4)槽道之间的距离相同。
6.根据权利要求5所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，转向滑轮组一上方转向滑轮(10)和下方转向滑轮(11)旋转中心线与反向导引滑轮组(9)的旋转中心线垂直，转向滑轮组一下方转向滑轮(11)槽道中与放大绳轮组(5)中间两个滑轮(5-2,5-3)的槽道之间的距离相同，转向滑轮组二上方转向滑轮(2,2-1)槽道直径与放大绳轮组的两个滑轮槽道之间的距离相同。
7.根据权利要求6所述的刚度放大绳驱动单自由度关节，其特征在于，调整放大绳轮组(5)的滑轮个数和转向滑轮组一上方转向滑轮和下方转纵向滑轮和转向滑轮组二上方转向滑轮和下方转向滑轮个数能调整旋转的刚度和扭矩的放大倍数。
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