CN113386118B - 用于绳驱机械臂实现电机转角到绳长正弦映射的驱动模块 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，包括支承板、定导向机构、牵绳机构和曲柄，支承板设置有第一导轨；定导向机构设置在支承板的两侧，支承板的每一侧均排列设置有至少两个定导向机构；牵绳机构一端和第一导轨滑动连接，另一端设置有滑槽，牵绳机构位于两侧的定导向机构之间；曲柄的一端和支承板转动连接，另一端设置有转轴，转轴能在滑槽中滑动；两条驱动绳索分别固定于牵绳机构的两侧。曲柄转动并带动牵绳机构沿着第一导轨滑动，驱动绳索移动，并带动关节进行摆动，曲柄的转动和绳索呈正弦关系，配合驱动绳索到关节的空间转换还能提升为线性关系，有效降低柔性机械臂的控制难度。

Description

用于绳驱机械臂实现电机转角到绳长正弦映射的驱动模块

技术领域

本发明涉及一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，属于柔性机器人技术领域。

背景技术

目前，刚性机器臂在工业领域取得了广泛的应用，但是传统的工业机器臂质量大，机动性低，难以胜任灾害救援，管道清理等需要高度灵活性的任务。与传统刚性机器臂相比，超冗余度特性绳驱柔性机械臂具有出色的运动能力与环境适应性，可以在复杂、非结构化、受阻受限的特殊环境下，开展一系列工作。但是目前绳驱柔性机械臂的驱动模块的输出具有高度非线形的特点，导致驱动绳索在运动过程中变化量相互耦合且非线性，增加了控制的难度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，使得电机驱动空间到绳索空间的映射关系变为正弦映射关系，进一步地，配合驱动绳索空间到关节空间的转换可以将正弦关系提升为线性关系。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，包括支承板、定导向机构、牵绳机构和曲柄，支承板沿第一方向设置有第一导轨，所述的第一导轨设置在所述的支承板的一端，所述的支承板的两侧均设置有穿绳孔，所述支承板固定连接有驱动电机；定导向机构设置在所述的支承板的两侧，所述的支承板的每一侧均沿第二方向排列设置有至少两个所述的定导向机构；牵绳机构一端和所述的第一导轨滑动连接，另一端固定连接有驱动绳索且设置有滑槽，所述的滑槽沿所述的第二方向延设，所述的牵绳机构位于两侧的所述的定导向机构之间；曲柄的一端和所述的驱动电机的电机轴固定连接，以通过所述的驱动电机驱动所述的曲柄在所述的支承板上转动，另一端设置有转轴，所述的转轴插设于所述的滑槽中，并能在所述的滑槽中滑动；其中，所述的第一方向和所述的第二方向相互垂直；其中，所述的驱动绳索设置有两条，两条所述的驱动绳索分别固定于所述的牵绳机构的两侧，两条所述的驱动绳索绕所述的定导向机构并从所述的穿绳孔延伸至所述的支承板之外。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的驱动电机还连接有减速器。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的第一导轨位于所述的支承板的一端，所述的穿绳孔位于所述的支承板的一端，所述的穿绳孔设置有导线管卡槽，所述的导线管卡槽设置有供所述的驱动绳索穿设的导线孔。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的导线孔的出线端设置有导线管，所述的驱动绳索穿设于所述的导线管中。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的支承板设置有两个导轨安装块，两个所述的导轨安装块位于所述的牵绳机构的两侧，所述的第一导轨的两端分别固定于两个所述的导轨安装块。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的支承板设置有沿所述的第一方向延伸的第二导轨，所述的第二导轨滑动连接有两个所述的动导向机构，两个所述的动导向机构能分别滑动至所述的支承板的两侧，以分别配合所述的支承板的两侧的所述的定导向机构对所述的驱动绳索导向。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的定导向机构包括底座、轮框、滑轮和轮轴，底座固定于所述的支承板；轮框设置于所述的底座上；滑轮内嵌于所述的滑轮框中；轮轴穿插于轮框和所述的滑轮中，所述的轮轴的末端通过螺纹连接固定于所述的底座，所述的滑轮和所述的轮轴转动连接。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的滑轮和所述的轮框之间设置有垫片。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的曲柄设置有所述的转轴的一端设置有通孔，所述的通孔和所述的滑槽对应设置，所述的转轴插设于所述的通孔并穿设于所述的滑槽中，所述的转轴的一端设置有抵接块，另一端通过螺纹连接固定连接有固定帽。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的第一导轨滑动连接有滑块，所述的牵绳机构和所述的滑块固定连接。

本发明的有益效果是：曲柄转动并带动牵绳机构沿着第一导轨进行滑动，以拉扯固定在牵绳机构上的驱动绳索在第一方向上移动，并带动柔性机械臂中的关节进行摆动，其中，曲柄的转动角度和绳索移动的映射关系为正弦映射关系，有效降低柔性机械臂的控制难度。具体地，若第一导轨110的长度为M，而曲柄400转动角度为θ，那么绳索移动的距离是Msinθ。

附图说明

图1是本发明的实施例的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块的立体示意图；

图2是本发明的实施例的曲柄、第一导轨和牵绳机构之间的结构的爆炸图；

图3是本发明的实施例的定导向机构的爆炸图；

图4是本发明的实施例的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块的示意图；

图5是本发明的实施例的驱动绳索和导线管卡槽的安装示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1至图5，本发明的实施例中的一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，包括支承板100、定导向机构200、牵绳机构300和曲柄400，支承板100沿第一方向设置有第一导轨110，第一导轨110设置在支承板100的一端，支承板100的两侧均设置有穿绳孔；定导向机构200设置在支承板100的两侧，支承板100的每一侧均沿第二方向排列设置有至少两个定导向机构200；牵绳机构300一端和第一导轨110滑动连接，另一端固定连接有驱动绳索500且设置有滑槽310，滑槽310沿第二方向延设，牵绳机构300位于两侧的定导向机构200之间；曲柄400的一端和支承板100转动连接，另一端设置有转轴410，转轴410插设于滑槽310中，并能在滑槽310中滑动；其中，第一方向和第二方向相互垂直；其中，驱动绳索500设置有两条，两条驱动绳索500分别固定于牵绳机构300的两侧，两条驱动绳索500绕定导向机构200并从穿绳孔延伸至支承板100之外。

具体而言，参照图1和图4，以图1中的A向为第一方向，B向为第二方向，A向和B向相互垂直，曲柄400和支承板100转动连接的一端为第一端401，相对地，曲柄400设置有转轴410的一端为第二端402，通过电机等驱动机构驱动曲柄400的第一端401，使曲柄400绕一确定的轴心转动，同时，曲柄400的第二端402做圆周运动，位于曲柄400的第二端402的转轴410随着曲柄400的第二端402摆动并做圆周运动，同时，转轴410在滑槽310内移动，带动牵绳机构300沿着支承板100进行滑动。

具体而言，同一个牵绳机构300的两侧的驱动绳索500，是用于控制柔性机械臂中的一个关节的两个方向的摆动动作，其中，两个摆动方向同属于一个自由度，在牵绳机构300滑动的同时，会拉扯固定在牵绳机构300上的驱动绳索500在第一方向上移动，以拉扯柔性机械臂中的关节进行摆动，通过两条驱动绳索500的伸缩，以使柔性机械臂能在同一个摆动路径上向两个相反的方向摆动。

需要提及的是，参照图1，由牵绳机构300的两侧延伸出来的驱动绳索500分别绕过支承板100的两侧的定导向机构200，最终从支承板100上的穿绳孔处伸出并连接到柔性机械臂的关节处，以控制柔性机械臂的单节关节。

需要提及的是，曲柄400、第一导轨110和牵绳机构300之间形成曲柄400滑块111结构，在本发明的驱动模块中，若第一导轨110的长度为M，而曲柄400转动角度为θ，那么驱动绳索500移动的距离是Msinθ。使得电机驱动空间到绳索空间的映射关系变为正弦映射关系，降低柔性机械臂的控制难度。

需要提及的是，配合驱动绳索500的空间到被控制的关节的空间的转换可以将电机驱动空间到绳索空间的正弦映射关系正弦关系提升为线性关系。

在一些实施例中，参照图1，还包括驱动电机600，驱动电机600和曲柄400固定连接以驱动曲柄400在支承板100上转动。驱动电机600的输出轴连接至曲柄400的第一端401并和曲柄400固定连接，以驱动曲柄400转动，其中，在一些具体的实施方式中，驱动电机600连接有垂直减速器610，并通过驱动电机600和垂直减速器610配合来对曲柄400进行驱动，其中，电机连接垂直减速固定在支承板100上，电机连接减速器610驱动曲柄400，使曲柄400以竖直位置为初始位置开始左右摆动，配合导轨的运动导引使得牵绳机构300在第一方向上运动，并带动驱动绳索500在第一方向上移动。

驱动绳索500从牵绳机构300处引出，经过定导向机构200的导向作用，使驱动绳索500沿第二方向从穿绳孔穿出支承板100，为了避免驱动绳索500晃动，参照图5，在一些实施例中，第一导轨110位于支承板100的一端，穿绳孔位于支承板100的一端，穿绳孔设置有导线管卡槽120，导线管卡槽120设置有供驱动绳索500穿设的导线孔121。在引导驱动绳索500穿出支承板100之外时，通过在穿绳孔的位置设置导线管卡槽120，使驱动绳索500经过导线孔121并引出支承板100之外，通过导线孔121约束驱动绳索500的位置，减少驱动绳索500的晃动，提高控制的精准度。

为了配合导线孔121对驱动绳索500进行约束，并提高位置约束的效果，参照图1和图5，在一些实施例中，导线孔121的出线端设置有导线管122，驱动绳索500穿设于导线管122中。驱动绳索500穿过导线管122，并和柔性机械臂的关节固定连接，以对柔性机械臂进行精确控制。

在一些实施例中，参照图4，滑槽310垂直于第一导轨110。滑槽310内的转轴410随着曲柄400摆动而左右摆动，并驱动牵绳机构300沿着第一方向滑动，其中，以牵绳机构300位于竖直方向为初始位置，若滑槽310垂直于第一导轨110，则当驱动电机600驱动曲柄400向两侧分别摆动同样的角度，该牵绳机构300向相反两个方向所位移的距离相等，大大地降低了柔性机械臂的控制难度，此外，由于滑槽310垂直于第一导轨110，当使用者往不同方向进行控制时，使用者可以通过转动同样的角度，以拉动驱动绳索500移动相等的距离，提高控制的准确性和便利性。

在一些实施例中，支承板100设置有两个导轨安装块112，两个导轨安装块112位于牵绳机构300的两侧，第一导轨110的两端分别固定于两个导轨安装块112。利用两个导轨安装块112来固定第一导轨110，避免第一导轨110晃动，同时，两个导轨安装块112位于牵绳机构300的两侧，避免牵绳机构300运动时和导轨安装块112之间发生干涉。

在一些实施例中，支承板100设置有沿第一方向延伸的第二导轨130，第二导轨130滑动连接有两个动导向机构700，两个动导向机构700能分别滑动至支承板100的两侧，以分别配合支承板100的两侧的定导向机构200对驱动绳索500导向。

在利用定导向机构200对驱动绳索500进行导向时，为了提高驱动绳索500移动时候的稳定性，将两个动导向机构700移动至支承板100的两侧，并和驱动绳索500形成相抵，以对驱动绳索500提供预紧力，使驱动绳索500处于绷紧状态，待使用者利用驱动绳索500来驱动柔性机械臂时，能使驱动电机600驱动的负载完整地传递到柔性机械臂的关节上，以达到准确控制柔性机械臂进行摆动的效果，提高使用者对柔性机械臂的控制的准确度。

需要提及的是，参照图4，在支承板100的同一侧设置有两个定导向机构200，两个定导向机构200沿第二方向排列，以引导位于该侧的驱动绳索500沿第二方向延伸出支承板100，并连接至柔性机械臂上的关节中，滑动设置在第二导轨130上的动导向机构700滑动至两个定导向机构200之间，并和两个定导向机构200沿一直线排列，以配合定导向机构200对驱动绳索500进行导向，提高驱动绳索500的预紧力。

在一些实施例中，参照图3，定导向机构200包括底座210、轮框220、滑轮230和轮轴240，底座210固定于支承板100；轮框220设置于底座210上；滑轮230内嵌于滑轮230框220中；轮轴240穿插于轮框220和滑轮230中，轮轴240的末端通过螺纹连接固定于底座210，滑轮230和轮轴240转动连接。定导向机构200是用于对驱动绳索500进行导向的，具体而言，该滑轮230是用于对驱动绳索500进行导向的，驱动绳索500嵌入到滑轮230中的槽内，以对驱动绳索500进行导向，底座210固定于支承板100上，用于和轮轴240固定连接，而轮轴240穿设于轮框220和滑轮230中，以使得滑轮230能以轮轴240为轴心做轴向转动，滑轮230转动，以将定导向机构200和驱动绳索500之间的摩擦转换成滚动摩擦，减小摩擦力，降低摩擦力对驱动绳索500移动的影响，以便准确控制柔性机械臂进行摆动，提高使用者对柔性机械臂的控制的准确度。

滑轮230在转动的过程中，容易产生在轴向方向上的跳动，因此，在本发明的实施例中，通过设置轮框220来约束滑轮230在轴向上的位置，而轮框220和滑轮230之间是通过抵接来进行约束，为了减少两者之间的摩擦力，在一些实施例中，滑轮230和轮框220之间设置有垫片250。垫片250设置在滑轮230和轮框220之间，能降低滑轮230和轮框220之间的摩擦，使滑轮230转动的过程更加顺滑，其中，需要提及的是，轮框220是用于限制滑轮230在沿轮轴240的轴向方向上的位置，避免滑轮230在转动的过程中发生偏移以影响到驱动绳索500的运动，以便准确控制柔性机械臂进行摆动，提高使用者对柔性机械臂的控制的准确度。

在一些实施例中，参照图2，曲柄400设置有转轴410的一端设置有通孔420，通孔420和滑槽310对应设置，转轴410插设于通孔420并穿设于滑槽310中，转轴410的一端设置有抵接块440，另一端通过螺纹连接固定连接有固定帽430。固定帽430固定于转轴410，配合转轴410的抵接块440使曲柄400和牵绳机构300连接在一起，使转轴410能穿设于滑槽310中而不会脱出，此外，通过固定帽430和抵接块440分别从转轴410的两端分别与曲柄400和牵绳机构300抵接，以避免曲柄400和牵绳机构300在转轴410的轴向方向上跳动。

在一些实施例中，第一导轨110滑动连接有滑块111，牵绳机构300和滑块111固定连接。滑块111和牵绳机构300固定连接，可带动牵绳机构300进行滑动，具体而言，曲柄400的第一端401绕一确定的轴心(驱动电机600的电机轴)转动，同时，曲柄400的第二端402做圆周运动，位于曲柄400的第二端402的转轴410随着曲柄400的第二端402摆动并做圆周运动，由于滑块111和第一导轨110之间的约束，转轴410在滑槽310内移动，并带动牵绳机构300具有沿着第一方向移动的趋势，由于滑块111和牵绳机构300固定连接，则牵绳机构300随着滑块111在支承板100上的第一导轨110进行滑动。

附图标记列表

100、支承板

110、第一导轨

111、滑块

120、导线管卡槽

121、导线孔

122、导线管

130、第二导轨

200、定导向机构

210、底座

220、轮框

230、滑轮

240、轮轴

250、垫片

300、牵绳机构

310、滑槽

400、曲柄

401、第一端

402、第二端

410、转轴

420、通孔

430、固定帽

440、抵接块

500、驱动绳索

600、驱动电机

610、减速器

700、动导向机构。

Claims (10)

1.一种应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，包括：

支承板(100)，沿第一方向设置有第一导轨(110)，所述的第一导轨(110)设置在所述的支承板(100)的一端，所述的支承板(100)的两侧均设置有穿绳孔，所述支承板(100)固定连接有驱动电机(600)；

定导向机构(200)，设置在所述的支承板(100)的两侧，所述的支承板(100)的每一侧均沿第二方向排列设置有至少两个所述的定导向机构(200)；

牵绳机构(300)，一端和所述的第一导轨(110)滑动连接，另一端固定连接有驱动绳索(500)且设置有滑槽(310)，所述的滑槽(310)沿所述的第二方向延设，所述的牵绳机构(300)位于两侧的所述的定导向机构(200)之间；

曲柄(400)，一端和所述的驱动电机(600)的电机轴固定连接，以通过所述的驱动电机(600)驱动所述的曲柄(400)在所述的支承板(100)上转动，另一端设置有转轴(410)，所述的转轴(410)插设于所述的滑槽(310)中，并能在所述的滑槽(310)中滑动；

其中，所述的第一方向和所述的第二方向相互垂直；

其中，所述的驱动绳索(500)设置有两条，两条所述的驱动绳索(500)分别固定于所述的牵绳机构(300)的两侧，两条所述的驱动绳索(500)绕所述的定导向机构(200)并从所述的穿绳孔延伸至所述的支承板(100)之外。

2.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的驱动电机(600)还连接有减速器(610)。

3.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的第一导轨(110)位于所述的支承板(100)的一端，所述的穿绳孔位于所述的支承板(100)的一端，所述的穿绳孔设置有导线管(122)卡槽(120)，所述的导线管(122)卡槽(120)设置有供所述的驱动绳索(500)穿设的导线孔(121)。

4.根据权利要求3所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的导线孔(121)的出线端设置有导线管(122)，所述的驱动绳索(500)穿设于所述的导线管(122)中。

5.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的支承板(100)设置有两个导轨安装块(112)，两个所述的导轨安装块(112)位于所述的牵绳机构(300)的两侧，所述的第一导轨的两端分别固定于两个所述的导轨安装块(112)。

6.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的支承板(100)设置有沿所述的第一方向延伸的第二导轨(130)，所述的第二导轨(130)滑动连接有两个动导向机构(700)，两个所述的动导向机构(700)能分别滑动至所述的支承板(100)的两侧，以分别配合所述的支承板(100)的两侧的所述的定导向机构(200)对所述的驱动绳索(500)导向。

7.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的定导向机构(200)包括：

底座(210)，固定于所述的支承板(100)；

轮框(220)，设置于所述的底座(210)上；

滑轮(230)，内嵌于所述的滑轮(230)框(220)中；

轮轴(240)，穿插于轮框(220)和所述的滑轮(230)中，所述的轮轴(240)的末端通过螺纹连接固定于所述的底座(210)，所述的滑轮(230)和所述的轮轴(240)转动连接。

8.根据权利要求7所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的滑轮(230)和所述的轮框(220)之间设置有垫片(250)。

9.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的曲柄(400)设置有所述的转轴(410)的一端设置有通孔(420)，所述的通孔(420)和所述的滑槽(310)对应设置，所述的转轴(410)插设于所述的通孔(420)并穿设于所述的滑槽(310)中，所述的转轴(410)的一端设置有抵接块(440)，另一端通过螺纹连接固定连接有固定帽(430)。

10.根据权利要求1所述的应用于绳驱柔性机械臂的实现电机转角到绳索长度正弦映射的驱动模块，其特征在于，所述的第一导轨(110)滑动连接有滑块(111)，所述的牵绳机构(300)和所述的滑块(111)固定连接。

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