CN113172597B - 一种线绳驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种线绳驱动机构，包括驱动轴、线绳、导向轮、引导装置和供能装置；引导装置包括压轮和定位部件，压轮和导向轮均安装于该定位部件上；驱动轴沿其轴向依次分为花键轴、线槽轴和丝杆轴；花键轴通过花键螺母与供能装置连接，由供能装置驱动花键轴转动，且花键轴与花键轴螺母键配合实现驱动轴的周向定位；线槽轴用于固定和缠绕线绳，该线绳由导向轮导出，且通过线槽轴与压轮之间的滚动接触以压紧线绳；丝杆轴与一丝杆螺母相配合，使得驱动轴在旋转的同时产生沿轴向的平移。本发明解决了已有机器人用线驱动控制装置中存在的无法精准建模控制、驱动系统设备沉重、空间利用率低和通用性低等问题。

Description

一种线绳驱动机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种线绳驱动机构。

背景技术

线驱动相较于传统的电机直接控制关节形式，可以将执行机构和较重的驱动机构分离，从而增加机器人执行器的负载，减少执行末端的惯性，提升动态反应性能；还有线驱动的分布可灵活设置，几何空间占用少，适合用于布置空间狭小且自由度数量较多的场合；除此外，线驱动形式也与人体肌腱的运行模式类似，其控制上具有柔性，可满足一定的仿生学背景和要求，适用于需要人机交互的场景。因此，线驱动在机器人技术领域得到了广泛应用，尤其是在灵巧手和连续体机器人等领域。

目前线驱动的控制装置主要有两种，一种是绞车结构，一种是直线丝杆导轨结构。

绞车结构是将线绳缠绕在卷筒上，通过电机控制卷筒旋转，从而控制线绳的长度，该种线驱动控制方式因为结构简单、绕线量大、移置方便而被广泛应用，主要运用于建筑、矿山、码头等物料升降和平拖，在机器人技术领域通过对绞车机构小型化，主要用于灵巧手领域上各手指的线驱动控制。但是这种简单的控制方法也存在一定问题，首先是线绳在滚筒上的斜度不可控，滚筒表面平整，线绳在滚筒上缠绕时没有完全的导引约束，因此可能由于与滚筒接触位置的不同而缠绕成不同斜度；其次是线绳缠绕的直径不可控，线绳可能会缠绕到之前已缠绕的线绳之上，或者因为缺少与滚筒完全贴合的约束，如果线绳的拉应力较小，会导致线绳松弛的贴附在滚筒上；上述两点原因导致了线绳由于结构的欠约束而存在缠绕的随机性，无法精准建模；最后该类装置无法对线绳伸长量或缩短量做到闭环控制，从而无法保证在使用时的精准控制，目前更多的与人工操作结合，应用于开关量控制的场合。

直线丝杆导轨结构由直线导轨、丝杆和丝杆螺母组成，直线丝杆导轨原理是丝杆螺母与直线导轨滑块固定，直线导轨主体通过轴承约束丝杆轴，再将线绳固定在直线导轨上，通过滑轮等引导方式使线绳伸缩方向与丝杆轴平行，则电机带动丝杆轴旋转时，旋转运动通过丝杆和丝杆螺母之间的配合而转换为直线导轨滑块的直线运动。该机构约束完整，可以实现精准稳定的传动控制，所以在目前的线驱动式连续体机器人中应用广泛。但是该种结构仍存在设备沉重、空间利用率低、通用性低等问题。一个直线丝杆导轨仅能控制一根绳，而一个连续体机器人一般需要由十几根绳控制，因此需要十几个直线丝杆导轨装置作为驱动，会造成驱动系统的设备沉重，从而不适用于类似急救车、战地车等需要搬运的急救场合的应用；同时，对于修长的连续体机器人，其中距离驱动关节最远端(蛇头处)的关节的线绳的伸缩量范围很大，越靠近驱动系统其关节的线绳伸缩量范围越小，因此所使用的直线丝杆导轨结构需要匹配控制不同关节的线绳，在设计上即要求直线丝杆导轨驱动装置的行程设计为不同的行程。一种设计策略是为了简便，一般选取线绳的最大伸缩的范围作为所有直线丝杆导轨的行程进行批量制作，不过虽然简化了结构设计，也导致了只有控制蛇头的关节(距离驱动器最远端的关节)应用了直线丝杆导轨的所有行程，控制其余关节的直线丝杆导轨驱动装置的行程并未完全使用。假设连续体机器人共有6个关节，那么最靠近驱动系统的关节的控制绳的伸缩范围仅为最远端关节的六分之一，因此丝杆滑台的大部分(六分之五)的长度并未使用，这导致了驱动系统的空间利用率低。另一种策略是为了节省空间而定制行程的直线丝杆导轨结构，但是这除了导致制作成本增加以外，还会造成驱动系统的空间分布设计上较为复杂，之后如果连续体机器人执行装置参数的改动，直线丝杆导轨也很难变动，通用性较差。因此，直线丝杆导轨的驱动结构存在设备沉重，以及空间利用率和通用性难以兼得的问题。

发明内容

本发明的目的是解决机器人技术领域的传统线驱动控制装置中如绞车、直线丝杆导轨结构中存在的无法精准建模控制、驱动系统设备沉重、空间利用率低和通用性低等问题，提出一种用于线驱动的控制装置，本发明具有结构简单、控制精准、绕线量大和空间占用率小等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种线绳驱动机构，其特征在于，包括驱动轴、线绳、导向轮、引导装置和供能装置；所述引导装置包括压轮和定位部件，所述压轮和导向轮均安装于该定位部件上；所述驱动轴沿其轴向依次分为花键轴、线槽轴和丝杆轴；所述花键轴通过花键螺母与所述供能装置连接，由所述供能装置驱动所述花键轴转动，且所述花键轴与花键轴螺母键配合实现所述驱动轴的周向定位；所述线槽轴用于固定和缠绕线绳，该线绳由所述导向轮导出，且通过所述线槽轴与压轮之间的滚动接触以压紧线绳；所述丝杆轴与一丝杆螺母相配合，使得所述驱动轴在旋转的同时产生沿轴向的平移。

进一步地，所述线槽轴的个数为至少一个；当设置多个线槽轴时，各线槽轴沿所述驱动轴的轴向依次排布，各线槽轴的直径、导程和长度可以相同或者不同。

进一步地，所述线槽轴上缠绕有1根或多根线绳，各线绳分别缠绕于线槽轴的不同区域，且各线绳分别由相应的一个导向轮导出。

本发明的特点及有益效果：

本发明的核心是驱动轴设计，该驱动轴既有绕轴转动，又有轴向移动。它的核心部分为花键轴、线槽轴、丝杆轴三部分，其中花键轴用于传导从动力源输入的旋转运动，丝杆轴用于使驱动轴产生轴向平移，如此就将旋转运动转换为了一个旋转运动加一个平移运动。同时线槽轴上的螺旋导线槽的导程和旋向与丝杆轴相同，则在驱动轴运动过程中，线槽轴的螺旋导线槽的截面可以一直保持不变的重合情况，则线绳从线槽引导出时，其引出的位置在绝对坐标系下始终不会发生变化，这保证了滚筒式线驱动控制方式的稳定性。

本发明同时设计了导引装置，用于保证线绳始终处于与导线槽的良好配合状态，并通过滑轮的换向将线绳的伸缩传递给前方执行装置。

本发明通过电机的转动控制驱动轴的转动，从而实现线驱动中的线绳伸缩的控制。该控制装置把丝杆传动和滚筒绕线方式相结合，使其同时具有直线丝杆导轨控制精准和绞车类结构绕线量大、移置方便的优点，同时结构简单，占用空间小，适用于小型连续体机器人的驱动控制以及需要实现搬运的急救场景下的应用。

附图说明

图1是本发明的整体装配的示意图；

图2是本发明的整体爆炸图的示意图；

图3是本发明的驱动轴的结构示意图；

图4是本发明的驱动轴与配合零件的结构示意图；

图5是本发明的用于引导和压紧线绳的导引装置的结构示意图；

图6是本发明的可同时输出2根线绳相同伸长和收缩量的布置方法的示意图；

图7是本发明的可同时输出2根线绳相同伸长和收缩量的缠线方法的示意图；

图8是本发明的可同时输出4根线绳相同伸长和收缩量的缠线方法的示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种线驱动机构，结合附图及实施例详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例的一种线绳驱动装置，包括驱动轴1、丝杆螺母2、花键螺母3、固定座4、导引装置5、伺服电机6、电机固定板7、同步带和带轮8、限位板9、导向轮10和线绳11。其中，伺服电机6、电机固定板7、同步带和带轮8以及限位板9共同构成供能装置。

如图3和图4所示，驱动轴1由沿其轴向依次排布的花键轴101、线槽轴102和丝杆轴103三部分组成。

花键轴101用于在传递伺服电机6的旋转运动的同时保证驱动轴1可以沿该驱动轴的轴向进行平移运动。花键可以但不限于使用滚珠花键、矩形花键等完成相同运动形式，本实例中使用滚珠花键。花键螺母3中的滚珠与花键轴101上的沟槽形成花键配合，花键轴101与花键螺母3形成驱动轴1的周向定位，即花键轴101和花键螺母3在轴向可以自由移动，但是在周向的旋转上花键轴101和花键螺母3保持一致。除花键螺母外，其他能实现仅使驱动轴旋转，但是不限制驱动轴的轴向平移的零配件对本发明同样适用。

线槽轴102用于固定和缠绕线绳11。线槽轴102上设有螺旋形线槽，螺旋形线槽的导程和旋向分别与丝杆轴103的导程和旋向相同，其线槽形状大小和圈数等尺寸可以根据线绳11的粗细、伸缩范围自行设计。线槽轴102的两端均分别设有穿线孔和顶丝固定孔，用于穿过线绳和固定住线绳11的绳头。固定好后，线绳11螺旋缠绕在线槽之中，最优的，在位于线槽全长中间的地方将线绳11通过导向轮10引出，则需要线绳11伸长时，驱动轴1按一个方向旋转，已缠绕的线绳被释放；需要线绳11缩短时，驱动轴1反方向旋转，未被缠绕的线绳11被缠绕至线槽中。若线绳11由位于线槽全长中间的地方导出，即线绳11的初始位置设置在线槽轴102中间，在极限使用情况时，会使线绳11的放出和收回量相同。具体地，线绳11在放出和收回时，会分别从线槽轴102中间两边的线槽导出，考虑极限情况，即线绳11完全缠绕在线槽轴102或完全脱离线槽轴102时，初始位置放置在中间，会使线绳11的放出和收回量相同。

线槽轴102的缠绕方式约束了线绳的斜度，避免了线绳的堆叠，相较于绞车的缠绕方式提高了控制精准度；通过改变线槽轴102的直径、导程、长度等参数即可灵活改变控制线绳伸缩量的范围，一般设计时线槽轴102上可留下较多的缠绕余量，相较于丝杆直线导轨的导轨滑块的输出方式更为灵活、且占用空间小。

丝杆轴103和丝杆螺母2配合，使得驱动轴1在旋转的同时产生轴向的平移。

固定座4为U形支座，固定座4的一端侧壁上设有供花键轴101穿过的第一通孔401，在穿过该第一通孔401后的花键轴101上套设花键螺母3，且花键螺母3的两端分别设有一个止推衬套301，以约束花键螺母3沿花键轴101轴向的平移(即花键螺母3轴向被止推轴承301限位，只能旋转不能轴向移动，花键轴101与花键螺母3只有旋转是一致的，花键轴101可以相对花键螺母3轴向滑动)，其中靠近固定座4(图中所示为右侧)的止推衬套由固定座4限位，远离固定座4(图中所示为左侧)的止推衬套由一限位板9限位。固定座4的另一端侧壁上设有供丝杆轴103和丝杆螺母2穿过的穿过的第二通孔402，通过丝杆轴103旋进或旋出丝杠螺母2改变驱动轴1沿其轴向的平移位置。

供能装置中，同步带和带轮8包括主动带轮803、从动带轮802以及连接于两带轮之间的同步带801。通过固定于固定座4靠近花键轴101的侧壁上的电机固定板7将伺服电机6安装于固定座4的下部。伺服电机6的输出轴穿过电机固定板7，并在伺服电机6的输出轴上固定套设主动带轮803，从动带轮固定套接于花键螺母3上。主动带轮803将伺服电机6输出轴的旋转运动通过同步带801传递至从动带轮802，进而带动花键螺母3转动，花键螺母3通过与花键轴101之间的花键配合可沿花键轴101的轴向作平移运动并带动花键轴101同步转动。

如图5所示，导引装置5主要包括压轮503和定位部件；定位部件包括定位主体501、定位销轴502和旋转弹簧504。

定位主体501中部具有容纳压轮503的腔体505，压轮503采用带有光轴的包胶压轮，定位主体501的侧壁上开设有供压轮503的光轴穿过的槽口；定位主体501侧壁上位于槽口附件还设有用于给旋转弹簧504提供轴向定位的圆柱凸起506，定位主体501的侧壁上还设有用于固定旋转弹簧504一端的块状凸起507。定位主体501的顶部设有与定位销轴502紧配合的通孔；定位主体501的底部通过螺栓与固定座4的底部连接。

旋转弹簧504的一端与压轮503的光轴上的凹槽限位接触，旋转弹簧504的主体在定位主体501的圆柱凸起506缠绕后，其另一端由块状凸起507固定。通过旋转弹簧504给压轮503施加一定的推力，以保证压轮503与线槽轴102之间的滚动接触。

定位销轴502用于轴向固定导向轮10，从而完成线绳11的换向输出。

压轮503的光轴受定位主体501的槽口约束，可在槽口区域内自由平移；压轮503在定位主体501的腔体505内仅可沿压轮的轴向自由转动，压轮503的光轴与压轮主体之间通过轴承配合，因此压轮503的光轴不转动，仅压轮503转动，压轮503的光轴与旋转弹簧504和定位主体501的槽口配合，在槽口内平移运动。压轮503的光轴始终受到旋转弹簧504的推力，这保证了压轮503的滚筒表面与线槽轴102的滚动接触配合，在驱动轴1旋转时，压轮503也会滚动旋转，从而在线槽轴102上缠绕的线绳11被压轮503压紧，保证了线绳11在线槽轴102中线槽上的约束，避免绞车式缠绕可能出现的线绳未完全贴合滚筒导致线绳伸缩量不可控的情况。进一步地，压轮503采用包胶压轮，可减小对线绳11的摩擦，进而延长线绳11的使用周期。

下面结合图1至图5对本实施例的线绳驱动机构的整体约束方式和传动方式进行描述。

其整体约束方式为，固定座4上，中间部分完全固定导引装置5、右侧完全固定丝杆螺母2，左侧完全固定电机固定板7和轴向约束的花键螺母3右侧的止推衬套301。

电机固定板7上固定伺服电机6。

限位板9通过直柱902与固定座4固定，其中间的孔901轴向约束花键螺母3左侧的止推衬套301。

因为花键螺母3两边的止推衬套301均被约束，所以花键螺母3被止推衬套301轴向约束。

从动带轮802与花键螺母3固定，主动带轮803与伺服电机6的输出轴固定，同步带801用于两带轮间的传动，从而实现将动力通过同步带和带轮8传递给花键螺母3，再由花键螺母3传递给驱动轴1的传动过程。

其整体传动方式为，花键轴101通过与从动带轮802固定，将伺服电机6输出的旋转运动转换为驱动轴1的旋转运动，而丝杆轴103与固定在固定座4上的丝杆螺母2配合，使驱动轴1在旋转的同时，固定的丝杆螺母2带动驱动轴1产生沿轴方向的平移运动。

线绳11缠绕于线槽轴102上，线槽的导程与旋向均与丝杆轴103相同，则在驱动轴1旋转过程中，线槽轴102上导出线绳的位置始终保持不变。

导引装置5中的压轮503压紧线槽轴102，使线绳11被约束在线槽中，保证线绳11的伸缩量可控。同时导引装置5上的定位销轴502轴向固定导向轮10，对于线绳从其他方向导出的情况，可以根据使用需求，设计不同包含若干个导向轮10的线绳导引系统，实现线绳11从不同方向导出。

由此通过控制伺服电机6的转动，实现了对线绳10的伸缩量的精准控制。

此外，该线驱动的控制装置的灵活性还体现在可以扩展为同时控制两根线绳伸长和收缩的模式，如图6和图7所示。图6中展示了扩展方法，即在固定板4上再固定一套导引装置5、导向轮10和线绳11。图7为两根线绳1101和1102的缠绕方式，两根线绳1101和1102的绳头分别在线槽轴102两端的穿线孔中固定，然后都在线槽内向中间缠绕并通过导向轮引出，则在驱动轴转动时，一根线绳拉伸的同时另一个线绳实现相同长度的收缩，此种方法可用于由两根线绳驱动的单自由度关节的控制。

参见图8，在其他实施例中，驱动轴1上设有沿驱动轴1轴向排布的两个线槽轴1021和1022；每个线槽轴上可缠绕一根或者两根线绳(各线槽轴上线绳的固定和缠绕方式如前所述)，每根线绳分别由相应的一个导向轮(导向轮在图8中未示意出)导出。进一步地，两个线槽轴1021和1022的直径和长度可以相同或者不同，各线槽轴上分别设有螺旋形线槽，各螺旋形线槽的导程和旋向均分别与丝杆轴的导程和旋向相同，使得不同线槽轴上的线绳的伸缩量可以相同或者不同。类似的，还可沿驱动轴1的轴向设置更多的线槽轴，以满足不同线绳伸缩量控制的要求。

在其他实施例中，供能装置中的伺服电机还可替换为其他类型的电机，如步进电机、蜗轮蜗杆电机或者直流无刷电机等。伺服电机还可替换为旋转气缸或者液压马达等。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种线绳驱动机构，其特征在于，包括驱动轴、线绳、导向轮、引导装置和供能装置；所述引导装置包括压轮和定位部件，所述压轮和导向轮均安装于该定位部件上；所述驱动轴沿其轴向依次分为花键轴、线槽轴和丝杆轴；所述花键轴通过花键螺母与所述供能装置连接，由所述供能装置驱动所述花键轴转动，且所述花键轴与花键轴螺母键配合实现所述驱动轴的周向定位；所述线槽轴用于固定和缠绕线绳，该线绳由所述导向轮导出，且通过所述线槽轴与压轮之间的滚动接触以压紧线绳；所述丝杆轴与一丝杆螺母相配合，使得所述驱动轴在旋转的同时产生沿轴向的平移。

2.根据权利要求1所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述线槽轴上设有螺旋形线槽，该螺旋形线槽的导程和旋向分别与所述丝杆轴的导程和旋向相同。

3.根据权利要求2所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述导向轮位于线槽轴上的线槽全长的中间位置处。

4.根据权利要求1所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述供能装置包括驱动电机、固定套接于该驱动电机的输出轴上的主动带轮、固定套接于所述花键螺母上的从动带轮、以及连接于所述主动带轮和从动带轮之间的传动带。

5.根据权利要求4所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述驱动电机为伺服电机。

6.根据权利要求4所述的线绳驱动机构，其特征在于，还包括一固定座，所述固定座一端设有供所述花键轴穿过的第一通孔，在穿过该第一通孔后的花键轴上套设所述花键螺母；所述固定座另一端设有供所述丝杆螺母和丝杆轴穿过的第二通孔；所述定位部件位于所述固定座一侧，且两者固接。

7.根据权利要求1所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述定位部件中部具有容纳所述压轮的腔体，所述压轮在该腔体内仅可沿压轮的轴线自由转动；所述定位部件的一侧设有与所述压轮的转轴连接的弹簧，用于保证所述压轮的滚筒表面与线槽轴之间的滚动接触配合。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述线槽轴的个数为至少一个；当设置多个线槽轴时，各线槽轴沿所述驱动轴的轴向依次排布，各线槽轴的直径和长度可以相同或者不同，各线槽轴上分别设有螺旋形线槽，各螺旋形线槽的导程和旋向均分别与所述丝杆轴的导程和旋向相同。

9.根据权利要求8所述的线绳驱动机构，其特征在于，所述线槽轴上缠绕有1根或多根线绳，各线绳分别缠绕于线槽轴的不同区域，且各线绳分别由相应的一个导向轮导出。

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