基于輪系的繩驅動解耦機構的制作方法
專利名稱:基于輪系的繩驅動解耦機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于輪系的繩驅動解耦機構，尤其涉及多關節(jié)的繩驅動串聯(lián)機械臂系統(tǒng)。該機構包括固定輪、隨動輪、主動輪、導向滑輪、行星輪系。主動輪與關節(jié)連桿連接，固定輪與關節(jié)基座連接，利用行星輪系驅動隨動輪，實現(xiàn)隨動輪旋轉速度是關節(jié)連桿旋轉速度的1/2。后端關節(jié)的驅動繩索按隨動輪上的導線槽正反向纏繞，這樣，由關節(jié)連桿轉動引起的驅動繩索位移變化和由隨動輪轉動導致的位移變化相互抵消。經過解耦機構后的驅動繩索與關節(jié)連桿無相對位移，實現(xiàn)繩索的運動解耦。該解耦機構可以工作在0~300℃范圍內，工作范圍大，結構簡單、緊湊、可靠。該繩索運動解耦機構與繩驅動關節(jié)配套安裝，可以實現(xiàn)模塊化，應用范圍廣。
【專利說明】
基于輪系的繩驅動解耦機構
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于輪系的繩驅動解耦機構，尤其涉及多關節(jié)的繩驅動串聯(lián)運動耦合的機械臂系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前廣泛應用的機械臂體積質量大、結構復雜、剛性高、負載自重比低，抓取負載耗能大，效率低。為了降低機械臂的重量和轉動慣量，近年來，很多研究人員將繩索驅動技術運用到串聯(lián)機械臂中。
[0003]繩索驅動技術采用繩索傳遞運動和力。它將驅動單元全部安裝在基座上，通過繩索遠程傳遞運動和力，實現(xiàn)關節(jié)的運動。因為驅動單元外置，并且采用繩索傳動，機械臂的質量及體積可以大幅降低，但同時會引入關節(jié)耦合的問題。所謂關節(jié)運動耦合是指一個關節(jié)的運動導致另一個關節(jié)的附帶運動。在繩驅動串聯(lián)機械臂中，繩索驅動前端關節(jié)運動時會導致后端關節(jié)的驅動繩索的變化進而導致關節(jié)的附帶轉動。目前，針對關節(jié)解耦主要有兩種方法:一、采用運動控制算法進行主動解耦，隨著關節(jié)的增多，控制算法的復雜度會急劇增加;二、采用套索傳動，不存在運動耦合現(xiàn)象，但繩索與套索間摩擦大，且存在死區(qū)、間隙、遲滯等非線性特性，機械臂的控制精度及動態(tài)響應特性難以保證。因此，需要一種新的技術方案以解決上述問題。
【實用新型內容】
[0004]為了解決串聯(lián)繩驅動機械系統(tǒng)驅動繩索的運動耦合問題，本實用新型提供了一種基于輪系的繩驅動解耦機構及其解耦方法，結構簡單可靠，易于實現(xiàn)。
[0005]—種基于輪系的繩驅動解耦機構，其特征在于:
[0006]從前向后依次包括關節(jié)基座、固定輪、隨動輪、行星輪系、主動輪、當前關節(jié)連桿；其中固定輪與關節(jié)基座固定連接不能轉動;主動輪與當前關節(jié)連桿固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿轉動;隨動輪包括隨動輪主體；
[0007]上述的行星齒輪系包括固定齒輪、主動齒輪，左行星齒輪和右行星齒輪;各個齒輪的模數相同，并且固定齒輪與主動齒輪齒數相同，左行星齒輪和右行星齒輪齒數相同。固定齒輪與固定輪連接，主動齒輪與主動輪連接，左行星齒輪和右行星齒輪沿自身軸線方向運動受到限制，繞軸線可以轉動；左行星齒輪和右行星齒輪通過與固定齒輪、主動齒輪的嚙合限制隨動輪的軸向運動和周向轉動；
[0008]該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索、一根后端關節(jié)右驅動繩索；
[0009]上述隨動輪主體的前側安裝前側導線盤，后側安裝后側導線盤，前側導線盤和后側導線盤結構相同，均加工有同心圓環(huán)導線槽，同心圓環(huán)導線槽后端關節(jié)驅動繩索導線環(huán)槽;隨動輪主體上方還安裝左定滑輪模塊和右定滑輪模塊;左定滑輪模塊和右定滑輪模塊均為后端關節(jié)驅動繩索的導向定滑輪；
[0010]上述固定輪下方和主動輪下方均設置有兩個與輪軸軸線平行的通孔，且通孔進行圓角處理或安裝滑輪分別用于上述后端關節(jié)左驅動繩索、后端關節(jié)右驅動繩索的導向；
[0011]上述后端關節(jié)左驅動繩索的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元相連;之后先穿過固定輪上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊，再經過左定滑輪模塊換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應通孔后，左驅動繩索的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿相連；
[0012]上述后端關節(jié)右驅動繩索的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元相連;之后先穿過固定輪上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊，再經過右定滑輪模塊換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應通孔后，右驅動繩索的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿相連；
[0013]上述結構中所述順時針方向和逆時針方向均指從前向后觀察。
[0014]所述基于輪系的繩驅動解耦機構的解耦方法，其特征在于:
[0015]利用行星齒輪系的驅動，實現(xiàn)隨動輪運動角速度為當前關節(jié)連桿旋轉角速度ω的一半，即為ω/2。并且通過左行星齒輪、右行星齒輪與固定齒輪、主動齒輪的可靠嚙合，實現(xiàn)隨動輪正反向可靠驅動；
[0016]并通過后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索正反向圓弧走線纏繞，實現(xiàn)后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索位移變化率的是隨動輪運動角速率ω/2的2r倍，其中r為后端關節(jié)左、右驅動繩索沿著前、后導線盤上的驅動繩索導線環(huán)槽的走線半徑，ω為當前關節(jié)連桿的旋轉角速度；
[0017]由當前關節(jié)連桿轉動引起的后端關節(jié)左、右驅動繩索右端的末端將產生+ωΔtgr，_co Δ tgr的位移，其中以沿著繩索方向由驅動單元端指向關節(jié)端方向為正；由隨動輪轉動引起的后端關節(jié)左、右驅動繩索的右端末端將產生_2rg ω /2g Δ t、+2rg ω /2g Δ t的位移，其中以沿著繩索方向由驅動單元端指向關節(jié)端方向為正;兩者實現(xiàn)相互抵消；即無論當前關節(jié)連桿帶動主動輪如何旋轉，經過解耦機構后的后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索的后端與當前關節(jié)連桿無相對位移，實現(xiàn)關節(jié)間的解耦。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和效果:
[0019]本實用新型驅動繩索的運動被動解耦機構，可以實現(xiàn)關節(jié)運動時驅動繩索的運動被動解耦，無須主動解耦，簡化了運動控制算法。該機構采用繩索-滑輪的傳動機制，摩擦力小，響應性能好，避免了套索驅動的大摩擦、死區(qū)、遲滯等非線性驅動特性。該解耦機構可以工作在O?300°范圍內，工作范圍大，結構簡單、緊湊、可靠。該解耦機構與繩驅動關節(jié)配套安裝，可以實現(xiàn)模塊化，應用范圍廣，成本低。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型繩索運動解耦機構的立體分解圖；
[0021 ]圖2是本實用新型隨動盤主體的立體圖；
[0022]圖3是本實用新型繩索運動解親機構整體結構示意圖；
[0023]圖4是本實用新型驅動繩索纏繞方式的立體圖；
[0024]圖5是本實用新型驅動繩索的運動解耦過程示意圖；
[0025]圖中標號名稱:I固走輪;2隨動輪;3王動輪;4彳丁星齒輪系；
[0026]41固定齒輪;42主動齒輪;43左行星齒輪;44右行星齒輪；
[0027]21-1左定滑輪模塊;21-2右定滑輪模塊;22前側導線盤;23后側導線盤;24隨動輪主體;24-1導線盤安裝螺紋孔;24-2定滑輪軸孔;24-3套筒孔;24_4套筒安裝螺紋孔；
[0028]51當前關節(jié)左驅動繩索;52當前關節(jié)右驅動繩索；
[0029]61后端關節(jié)左驅動繩索;62后端關節(jié)右驅動繩索；
[0030]7關節(jié)基座;8當如關節(jié)連桿;9后端關節(jié)連桿；
[0031 ]101后端關節(jié)的驅動單元；102當前關節(jié)的驅動單元。
【具體實施方式】
[0032]附圖非限制性地公開了本實用新型所涉及及優(yōu)選實施的結構示意圖，以下將結合附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。
[0033]請參閱圖1及圖3所示，本實用新型公開了一種繩驅動串聯(lián)機械臂的驅動繩索運動被動解耦機構，從前向后依次包括關節(jié)基座7、固定輪1、隨動輪2、行星輪系4、主動輪3、當前關節(jié)連桿8;其中固定輪I與關節(jié)基座7固定連接不能轉動;主動輪3與當前關節(jié)連桿8固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿8轉動；固定齒輪41通過平鍵與固定輪I連接，主動齒輪42通過平鍵與主動輪3連接；隨動輪2通過安裝在隨動輪主體24上的左行星齒輪43、右行星齒輪44與主動齒輪42、固定齒輪41相嚙合，限制隨動輪2的軸向運動和軸向轉動；該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索61、一根后端關節(jié)右驅動繩索62 ；
[0034]其中，所述的固定輪I與關節(jié)基座7緊固，固定輪I輪盤表面加工有導線環(huán)槽，用于引導后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62走線，固定輪輪盤上加工有兩個與輪軸線平行的通孔，在經過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62導向。固定輪I上加工有齒輪軸孔和鍵槽，通過平鍵與固定齒輪41連接固定。
[0035]其中，所述的主動輪3與當前關節(jié)連桿8緊固，主動輪3輪盤表面加工有導線環(huán)槽，用于引導后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62走線，固定輪輪盤上加工有兩個與輪軸線平行的通孔，在經過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62導向。主動輪3上加工有齒輪軸孔和鍵槽，通過平鍵與主動齒輪42連接固定。
[0036]其中，所述隨動輪2包括左導線盤22、隨動輪主體24、右導線盤23、左定滑輪模塊21-1和右定滑輪模塊21-2，請參閱圖2所示。左定滑輪模塊21-1和右定滑輪模塊21-2及前側導線盤22，后側導線盤23用于后端關節(jié)驅動繩索的走線。前側導線盤22、后側導線盤23與隨動輪主體24通過螺釘緊固，并且兩導線盤結構相同，導線盤上的導線槽半徑相等，均為r，24-1為導線盤安裝螺紋孔。24-2為定滑輪軸孔，用于安裝定滑輪模塊，24-3為套筒孔，24-4為套筒安裝螺紋孔，用于固定套筒；
[0037]其中，所述行星輪系4中，各個齒輪的模數相同，固定齒輪41與主動齒輪42齒數相同，與左行星齒輪43、右行星齒輪44相嚙合。左行星齒輪43、右行星齒輪44為齒輪軸，采用軸承承受徑向載荷，軸承外圈與套筒配合，套筒通過螺釘固定于隨動輪主體24。限制當前關節(jié)連桿8的軸向位移、并調節(jié)左行星齒輪43、右行星齒輪44的旋轉角度，實現(xiàn)行星齒輪系4的可靠嚙合，驅動隨動輪2正反向旋轉。因為主動齒輪41與固定齒輪42齒數相同，左行星齒輪43、右行星齒輪44與主動齒輪41與固定齒輪42嚙合，可知隨動輪2旋轉的角速度為左行星齒輪43、右行星齒輪44的公轉角速度，行星齒輪公轉系桿的傳動比i = 1+z固/z主=2，由此可知，隨動輪2旋轉的角速度為主動輪3轉速的1/2。
[0038]其中，如圖3、4所示，所述當前關節(jié)連桿8的旋轉，采用當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52遠程驅動。當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52的上端的末端固定在當前關節(jié)連桿8上，下端的末端與當前關節(jié)驅動單元102固結。當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52纏繞在當前關節(jié)連桿8上，當前關節(jié)左驅動繩索51按逆時針方向纏繞，而當前關節(jié)右驅動繩索52以順時針方向纏繞。當前關節(jié)連桿8沿著如圖3方向轉動時，當前關節(jié)左驅動繩索51纏繞在當前關節(jié)連桿8上，當前關節(jié)右驅動繩索52從當前關節(jié)連桿8上剝離，且剝離量與纏繞量對應的繩長相等，不會導致某根繩索過于緊繃或松弛的現(xiàn)象，確保繩索正反向驅動的可靠性。
[0039]其中，如圖3、4、5中所示，所述后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62，后端關節(jié)左驅動繩索61的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元101相連;之后先穿過固定輪I上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤22的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊21-1，再經過左定滑輪模塊21-1換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤23的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應通孔后，后端關節(jié)左驅動繩索61的末端用于與后端關節(jié)連桿9相連;后端關節(jié)右驅動繩索62的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元101相連;之后先穿過固定輪I上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤22的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊21-2，再經過右定滑輪模塊21-2換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤23的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應通孔后，后端關節(jié)右驅動繩索62的末端與后端關節(jié)連桿9相連；由于后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62沿著前側導線盤22、后側導線盤23上的導線環(huán)槽纏繞，并且前側導線盤22、后側導線盤23上的導線環(huán)槽半徑相等，均為r，所以隨動輪2轉動導致的后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62右側末端的位移速率是隨動輪旋轉角速率的2r倍。如圖5左圖所示，當主動輪3以圖3所示方向、ω角速度轉動時，通過主動輪3上通孔的導向，后端關節(jié)左驅動繩索61沿著后側導線盤23上的導線環(huán)槽脫離，后端關節(jié)左驅動繩索61的右側末端產生+ωA tgr位移，而后端關節(jié)右驅動繩索62沿著后側導線盤23上的導線環(huán)槽纏繞，后端關節(jié)右驅動繩索62的右側末端產生-ω Atgr位移(ω為主動輪3的旋轉角速度，r為前側導線盤22、后側導線盤23上驅動繩索導線環(huán)槽的半徑，以沿著繩索方向向上為正)。如圖5右圖所示，由于行星齒輪系4的驅動，隨動輪2以ω/2角速度跟隨主動輪3同向轉動，隨動輪2旋轉的角度ωAt/2。因為隨動輪2轉動后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62右側末端的位移速率是隨動輪2角速率的2r倍，所以后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62的右側末端的位移大小為ω Δ t/2g2r= ω Δ tgr。隨動輪2的轉動，導致后端關節(jié)左驅動繩索61會繼續(xù)沿著前側、后側導線盤上的導線環(huán)槽纏繞，纏繞長度為ω Atgr，也即后端關節(jié)左驅動繩索61的右端將產生-ω △ tgr位移。后端關節(jié)右驅動繩索62的一部分將沿著前側、后側導線盤上的導線環(huán)槽脫離，脫離長度為ω Atgr，也就是后端關節(jié)右驅動繩索62的右端將產生+ ω △ tgr位移(沿著繩索方向向上為正)。后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62在經過解耦模塊后，它們右側的末端與當前關節(jié)連桿8無相對移動，實現(xiàn)繩長補償。也即后端關節(jié)的兩根驅動繩索沒有因當前關節(jié)轉動而產生與后端關節(jié)間的相對移動。實現(xiàn)了當前關節(jié)與后端關節(jié)的運動解耦。
【主權項】
1.一種基于輪系的繩驅動解耦機構，其特征在于: 從前向后依次包括關節(jié)基座(7)、固定輪(I)、隨動輪(2)、行星輪系(4)、主動輪(3)、當前關節(jié)連桿(8);其中固定輪(I)與關節(jié)基座(7)固定連接不能轉動;主動輪(3)與當前關節(jié)連桿(8)固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿(8)轉動;隨動輪(2)包括隨動輪主體(24); 上述的行星齒輪系(4)包括固定齒輪(41)、主動齒輪(42)，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44);各個齒輪的模數相同，并且固定齒輪(41)與主動齒輪(42)齒數相同，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)齒數相同；固定齒輪(41)與固定輪(I)連接，主動齒輪(42)與主動輪(3)連接，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)沿自身軸線方向運動受到限制，繞軸線可以轉動；左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)通過與固定齒輪(41)、主動齒輪(42)的嚙合限制隨動輪(2)的軸向運動和周向轉動； 該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索(61)、一根后端關節(jié)右驅動繩索(62); 上述隨動輪主體(24)的前側安裝前側導線盤(22)，后側安裝后側導線盤(23)，前側導線盤(22)和后側導線盤(23)結構相同，均加工有同心圓環(huán)導線槽，同心圓環(huán)導線槽后端關節(jié)驅動繩索導線環(huán)槽；隨動輪主體(24)上方還安裝左定滑輪模塊(21-1)和右定滑輪模塊(21-2);左定滑輪模塊(21-1)和右定滑輪模塊(21-2)均為后端關節(jié)驅動繩索的導向定滑輪； 上述固定輪(I)下方和主動輪(3)下方均設置有兩個與輪軸軸線平行的通孔，且通孔進行圓角處理或安裝滑輪分別用于上述后端關節(jié)左驅動繩索(61)、后端關節(jié)右驅動繩索(62)的導向； 上述后端關節(jié)左驅動繩索(61)的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元(101)相連;之后先穿過固定輪(I)上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤(22)的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊(21-1)，再經過左定滑輪模塊(21-1)換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤(23)的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪(3)上的對應通孔后，左驅動繩索(61)的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿(9)相連； 上述后端關節(jié)右驅動繩索(62)的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元(101)相連;之后先穿過固定輪(I)上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤(22)的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊(21-2)，再經過右定滑輪模塊(21-2)換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤(23)的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪(3)上的對應通孔后，右驅動繩索(62)的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿(9)相連； 上述結構中所述順時針方向和逆時針方向均指從前向后觀察。
【文檔編號】B25J9/10GK205704177SQ201620317890
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】印亮, 蔣素榮, 徐偉, 華達人, 蔣萌, 陳柏, 白東明, 趙鵬, 吳洪濤, 張超
【申請人】南京航空航天大學
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于輪系的繩驅動解耦機構，尤其涉及多關節(jié)的繩驅動串聯(lián)機械臂系統(tǒng)。該機構包括固定輪、隨動輪、主動輪、導向滑輪、行星輪系。主動輪與關節(jié)連桿連接，固定輪與關節(jié)基座連接，利用行星輪系驅動隨動輪，實現(xiàn)隨動輪旋轉速度是關節(jié)連桿旋轉速度的1/2。后端關節(jié)的驅動繩索按隨動輪上的導線槽正反向纏繞，這樣，由關節(jié)連桿轉動引起的驅動繩索位移變化和由隨動輪轉動導致的位移變化相互抵消。經過解耦機構后的驅動繩索與關節(jié)連桿無相對位移，實現(xiàn)繩索的運動解耦。該解耦機構可以工作在0~300℃范圍內，工作范圍大，結構簡單、緊湊、可靠。該繩索運動解耦機構與繩驅動關節(jié)配套安裝，可以實現(xiàn)模塊化，應用范圍廣。
【專利說明】
基于輪系的繩驅動解耦機構
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于輪系的繩驅動解耦機構，尤其涉及多關節(jié)的繩驅動串聯(lián)運動耦合的機械臂系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前廣泛應用的機械臂體積質量大、結構復雜、剛性高、負載自重比低，抓取負載耗能大，效率低。為了降低機械臂的重量和轉動慣量，近年來，很多研究人員將繩索驅動技術運用到串聯(lián)機械臂中。
[0003]繩索驅動技術采用繩索傳遞運動和力。它將驅動單元全部安裝在基座上，通過繩索遠程傳遞運動和力，實現(xiàn)關節(jié)的運動。因為驅動單元外置，并且采用繩索傳動，機械臂的質量及體積可以大幅降低，但同時會引入關節(jié)耦合的問題。所謂關節(jié)運動耦合是指一個關節(jié)的運動導致另一個關節(jié)的附帶運動。在繩驅動串聯(lián)機械臂中，繩索驅動前端關節(jié)運動時會導致后端關節(jié)的驅動繩索的變化進而導致關節(jié)的附帶轉動。目前，針對關節(jié)解耦主要有兩種方法:一、采用運動控制算法進行主動解耦，隨著關節(jié)的增多，控制算法的復雜度會急劇增加;二、采用套索傳動，不存在運動耦合現(xiàn)象，但繩索與套索間摩擦大，且存在死區(qū)、間隙、遲滯等非線性特性，機械臂的控制精度及動態(tài)響應特性難以保證。因此，需要一種新的技術方案以解決上述問題。
【實用新型內容】
[0004]為了解決串聯(lián)繩驅動機械系統(tǒng)驅動繩索的運動耦合問題，本實用新型提供了一種基于輪系的繩驅動解耦機構及其解耦方法，結構簡單可靠，易于實現(xiàn)。
[0005]—種基于輪系的繩驅動解耦機構，其特征在于:
[0006]從前向后依次包括關節(jié)基座、固定輪、隨動輪、行星輪系、主動輪、當前關節(jié)連桿；其中固定輪與關節(jié)基座固定連接不能轉動;主動輪與當前關節(jié)連桿固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿轉動;隨動輪包括隨動輪主體；
[0007]上述的行星齒輪系包括固定齒輪、主動齒輪，左行星齒輪和右行星齒輪;各個齒輪的模數相同，并且固定齒輪與主動齒輪齒數相同，左行星齒輪和右行星齒輪齒數相同。固定齒輪與固定輪連接，主動齒輪與主動輪連接，左行星齒輪和右行星齒輪沿自身軸線方向運動受到限制，繞軸線可以轉動；左行星齒輪和右行星齒輪通過與固定齒輪、主動齒輪的嚙合限制隨動輪的軸向運動和周向轉動；
[0008]該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索、一根后端關節(jié)右驅動繩索；
[0009]上述隨動輪主體的前側安裝前側導線盤，后側安裝后側導線盤，前側導線盤和后側導線盤結構相同，均加工有同心圓環(huán)導線槽，同心圓環(huán)導線槽后端關節(jié)驅動繩索導線環(huán)槽;隨動輪主體上方還安裝左定滑輪模塊和右定滑輪模塊;左定滑輪模塊和右定滑輪模塊均為后端關節(jié)驅動繩索的導向定滑輪；
[0010]上述固定輪下方和主動輪下方均設置有兩個與輪軸軸線平行的通孔，且通孔進行圓角處理或安裝滑輪分別用于上述后端關節(jié)左驅動繩索、后端關節(jié)右驅動繩索的導向；
[0011]上述后端關節(jié)左驅動繩索的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元相連;之后先穿過固定輪上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊，再經過左定滑輪模塊換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應通孔后，左驅動繩索的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿相連；
[0012]上述后端關節(jié)右驅動繩索的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元相連;之后先穿過固定輪上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊，再經過右定滑輪模塊換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應通孔后，右驅動繩索的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿相連；
[0013]上述結構中所述順時針方向和逆時針方向均指從前向后觀察。
[0014]所述基于輪系的繩驅動解耦機構的解耦方法，其特征在于:
[0015]利用行星齒輪系的驅動，實現(xiàn)隨動輪運動角速度為當前關節(jié)連桿旋轉角速度ω的一半，即為ω/2。并且通過左行星齒輪、右行星齒輪與固定齒輪、主動齒輪的可靠嚙合，實現(xiàn)隨動輪正反向可靠驅動；
[0016]并通過后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索正反向圓弧走線纏繞，實現(xiàn)后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索位移變化率的是隨動輪運動角速率ω/2的2r倍，其中r為后端關節(jié)左、右驅動繩索沿著前、后導線盤上的驅動繩索導線環(huán)槽的走線半徑，ω為當前關節(jié)連桿的旋轉角速度；
[0017]由當前關節(jié)連桿轉動引起的后端關節(jié)左、右驅動繩索右端的末端將產生+ωΔtgr，_co Δ tgr的位移，其中以沿著繩索方向由驅動單元端指向關節(jié)端方向為正；由隨動輪轉動引起的后端關節(jié)左、右驅動繩索的右端末端將產生_2rg ω /2g Δ t、+2rg ω /2g Δ t的位移，其中以沿著繩索方向由驅動單元端指向關節(jié)端方向為正;兩者實現(xiàn)相互抵消；即無論當前關節(jié)連桿帶動主動輪如何旋轉，經過解耦機構后的后端關節(jié)左驅動繩索和后端關節(jié)右驅動繩索的后端與當前關節(jié)連桿無相對位移，實現(xiàn)關節(jié)間的解耦。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和效果:
[0019]本實用新型驅動繩索的運動被動解耦機構，可以實現(xiàn)關節(jié)運動時驅動繩索的運動被動解耦，無須主動解耦，簡化了運動控制算法。該機構采用繩索-滑輪的傳動機制，摩擦力小，響應性能好，避免了套索驅動的大摩擦、死區(qū)、遲滯等非線性驅動特性。該解耦機構可以工作在O?300°范圍內，工作范圍大，結構簡單、緊湊、可靠。該解耦機構與繩驅動關節(jié)配套安裝，可以實現(xiàn)模塊化，應用范圍廣，成本低。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型繩索運動解耦機構的立體分解圖；
[0021 ]圖2是本實用新型隨動盤主體的立體圖；
[0022]圖3是本實用新型繩索運動解親機構整體結構示意圖；
[0023]圖4是本實用新型驅動繩索纏繞方式的立體圖；
[0024]圖5是本實用新型驅動繩索的運動解耦過程示意圖；
[0025]圖中標號名稱:I固走輪;2隨動輪;3王動輪;4彳丁星齒輪系；
[0026]41固定齒輪;42主動齒輪;43左行星齒輪;44右行星齒輪；
[0027]21-1左定滑輪模塊;21-2右定滑輪模塊;22前側導線盤;23后側導線盤;24隨動輪主體;24-1導線盤安裝螺紋孔;24-2定滑輪軸孔;24-3套筒孔;24_4套筒安裝螺紋孔；
[0028]51當前關節(jié)左驅動繩索;52當前關節(jié)右驅動繩索；
[0029]61后端關節(jié)左驅動繩索;62后端關節(jié)右驅動繩索；
[0030]7關節(jié)基座;8當如關節(jié)連桿;9后端關節(jié)連桿；
[0031 ]101后端關節(jié)的驅動單元；102當前關節(jié)的驅動單元。
【具體實施方式】
[0032]附圖非限制性地公開了本實用新型所涉及及優(yōu)選實施的結構示意圖，以下將結合附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。
[0033]請參閱圖1及圖3所示，本實用新型公開了一種繩驅動串聯(lián)機械臂的驅動繩索運動被動解耦機構，從前向后依次包括關節(jié)基座7、固定輪1、隨動輪2、行星輪系4、主動輪3、當前關節(jié)連桿8;其中固定輪I與關節(jié)基座7固定連接不能轉動;主動輪3與當前關節(jié)連桿8固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿8轉動；固定齒輪41通過平鍵與固定輪I連接，主動齒輪42通過平鍵與主動輪3連接；隨動輪2通過安裝在隨動輪主體24上的左行星齒輪43、右行星齒輪44與主動齒輪42、固定齒輪41相嚙合，限制隨動輪2的軸向運動和軸向轉動；該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索61、一根后端關節(jié)右驅動繩索62 ；
[0034]其中，所述的固定輪I與關節(jié)基座7緊固，固定輪I輪盤表面加工有導線環(huán)槽，用于引導后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62走線，固定輪輪盤上加工有兩個與輪軸線平行的通孔，在經過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62導向。固定輪I上加工有齒輪軸孔和鍵槽，通過平鍵與固定齒輪41連接固定。
[0035]其中，所述的主動輪3與當前關節(jié)連桿8緊固，主動輪3輪盤表面加工有導線環(huán)槽，用于引導后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62走線，固定輪輪盤上加工有兩個與輪軸線平行的通孔，在經過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62導向。主動輪3上加工有齒輪軸孔和鍵槽，通過平鍵與主動齒輪42連接固定。
[0036]其中，所述隨動輪2包括左導線盤22、隨動輪主體24、右導線盤23、左定滑輪模塊21-1和右定滑輪模塊21-2，請參閱圖2所示。左定滑輪模塊21-1和右定滑輪模塊21-2及前側導線盤22，后側導線盤23用于后端關節(jié)驅動繩索的走線。前側導線盤22、后側導線盤23與隨動輪主體24通過螺釘緊固，并且兩導線盤結構相同，導線盤上的導線槽半徑相等，均為r，24-1為導線盤安裝螺紋孔。24-2為定滑輪軸孔，用于安裝定滑輪模塊，24-3為套筒孔，24-4為套筒安裝螺紋孔，用于固定套筒；
[0037]其中，所述行星輪系4中，各個齒輪的模數相同，固定齒輪41與主動齒輪42齒數相同，與左行星齒輪43、右行星齒輪44相嚙合。左行星齒輪43、右行星齒輪44為齒輪軸，采用軸承承受徑向載荷，軸承外圈與套筒配合，套筒通過螺釘固定于隨動輪主體24。限制當前關節(jié)連桿8的軸向位移、并調節(jié)左行星齒輪43、右行星齒輪44的旋轉角度，實現(xiàn)行星齒輪系4的可靠嚙合，驅動隨動輪2正反向旋轉。因為主動齒輪41與固定齒輪42齒數相同，左行星齒輪43、右行星齒輪44與主動齒輪41與固定齒輪42嚙合，可知隨動輪2旋轉的角速度為左行星齒輪43、右行星齒輪44的公轉角速度，行星齒輪公轉系桿的傳動比i = 1+z固/z主=2，由此可知，隨動輪2旋轉的角速度為主動輪3轉速的1/2。
[0038]其中，如圖3、4所示，所述當前關節(jié)連桿8的旋轉，采用當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52遠程驅動。當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52的上端的末端固定在當前關節(jié)連桿8上，下端的末端與當前關節(jié)驅動單元102固結。當前關節(jié)左驅動繩索51、當前關節(jié)右驅動繩索52纏繞在當前關節(jié)連桿8上，當前關節(jié)左驅動繩索51按逆時針方向纏繞，而當前關節(jié)右驅動繩索52以順時針方向纏繞。當前關節(jié)連桿8沿著如圖3方向轉動時，當前關節(jié)左驅動繩索51纏繞在當前關節(jié)連桿8上，當前關節(jié)右驅動繩索52從當前關節(jié)連桿8上剝離，且剝離量與纏繞量對應的繩長相等，不會導致某根繩索過于緊繃或松弛的現(xiàn)象，確保繩索正反向驅動的可靠性。
[0039]其中，如圖3、4、5中所示，所述后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62，后端關節(jié)左驅動繩索61的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元101相連;之后先穿過固定輪I上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤22的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊21-1，再經過左定滑輪模塊21-1換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤23的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應通孔后，后端關節(jié)左驅動繩索61的末端用于與后端關節(jié)連桿9相連;后端關節(jié)右驅動繩索62的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元101相連;之后先穿過固定輪I上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤22的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊21-2，再經過右定滑輪模塊21-2換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤23的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應通孔后，后端關節(jié)右驅動繩索62的末端與后端關節(jié)連桿9相連；由于后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62沿著前側導線盤22、后側導線盤23上的導線環(huán)槽纏繞，并且前側導線盤22、后側導線盤23上的導線環(huán)槽半徑相等，均為r，所以隨動輪2轉動導致的后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62右側末端的位移速率是隨動輪旋轉角速率的2r倍。如圖5左圖所示，當主動輪3以圖3所示方向、ω角速度轉動時，通過主動輪3上通孔的導向，后端關節(jié)左驅動繩索61沿著后側導線盤23上的導線環(huán)槽脫離，后端關節(jié)左驅動繩索61的右側末端產生+ωA tgr位移，而后端關節(jié)右驅動繩索62沿著后側導線盤23上的導線環(huán)槽纏繞，后端關節(jié)右驅動繩索62的右側末端產生-ω Atgr位移(ω為主動輪3的旋轉角速度，r為前側導線盤22、后側導線盤23上驅動繩索導線環(huán)槽的半徑，以沿著繩索方向向上為正)。如圖5右圖所示，由于行星齒輪系4的驅動，隨動輪2以ω/2角速度跟隨主動輪3同向轉動，隨動輪2旋轉的角度ωAt/2。因為隨動輪2轉動后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62右側末端的位移速率是隨動輪2角速率的2r倍，所以后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62的右側末端的位移大小為ω Δ t/2g2r= ω Δ tgr。隨動輪2的轉動，導致后端關節(jié)左驅動繩索61會繼續(xù)沿著前側、后側導線盤上的導線環(huán)槽纏繞，纏繞長度為ω Atgr，也即后端關節(jié)左驅動繩索61的右端將產生-ω △ tgr位移。后端關節(jié)右驅動繩索62的一部分將沿著前側、后側導線盤上的導線環(huán)槽脫離，脫離長度為ω Atgr，也就是后端關節(jié)右驅動繩索62的右端將產生+ ω △ tgr位移(沿著繩索方向向上為正)。后端關節(jié)左驅動繩索61、后端關節(jié)右驅動繩索62在經過解耦模塊后，它們右側的末端與當前關節(jié)連桿8無相對移動，實現(xiàn)繩長補償。也即后端關節(jié)的兩根驅動繩索沒有因當前關節(jié)轉動而產生與后端關節(jié)間的相對移動。實現(xiàn)了當前關節(jié)與后端關節(jié)的運動解耦。
【主權項】
1.一種基于輪系的繩驅動解耦機構，其特征在于: 從前向后依次包括關節(jié)基座(7)、固定輪(I)、隨動輪(2)、行星輪系(4)、主動輪(3)、當前關節(jié)連桿(8);其中固定輪(I)與關節(jié)基座(7)固定連接不能轉動;主動輪(3)與當前關節(jié)連桿(8)固定連接，跟隨當前關節(jié)連桿(8)轉動;隨動輪(2)包括隨動輪主體(24); 上述的行星齒輪系(4)包括固定齒輪(41)、主動齒輪(42)，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44);各個齒輪的模數相同，并且固定齒輪(41)與主動齒輪(42)齒數相同，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)齒數相同；固定齒輪(41)與固定輪(I)連接，主動齒輪(42)與主動輪(3)連接，左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)沿自身軸線方向運動受到限制，繞軸線可以轉動；左行星齒輪(43)和右行星齒輪(44)通過與固定齒輪(41)、主動齒輪(42)的嚙合限制隨動輪(2)的軸向運動和周向轉動； 該機構還包括一根后端關節(jié)左驅動繩索(61)、一根后端關節(jié)右驅動繩索(62); 上述隨動輪主體(24)的前側安裝前側導線盤(22)，后側安裝后側導線盤(23)，前側導線盤(22)和后側導線盤(23)結構相同，均加工有同心圓環(huán)導線槽，同心圓環(huán)導線槽后端關節(jié)驅動繩索導線環(huán)槽；隨動輪主體(24)上方還安裝左定滑輪模塊(21-1)和右定滑輪模塊(21-2);左定滑輪模塊(21-1)和右定滑輪模塊(21-2)均為后端關節(jié)驅動繩索的導向定滑輪； 上述固定輪(I)下方和主動輪(3)下方均設置有兩個與輪軸軸線平行的通孔，且通孔進行圓角處理或安裝滑輪分別用于上述后端關節(jié)左驅動繩索(61)、后端關節(jié)右驅動繩索(62)的導向； 上述后端關節(jié)左驅動繩索(61)的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元(101)相連;之后先穿過固定輪(I)上的對應通孔，再按順時針方向沿著前側導線盤(22)的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達左定滑輪模塊(21-1)，再經過左定滑輪模塊(21-1)換向180度，再按逆時針方向沿著后側導線盤(23)的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪(3)上的對應通孔后，左驅動繩索(61)的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿(9)相連； 上述后端關節(jié)右驅動繩索(62)的前端用于與后端關節(jié)的驅動單元(101)相連;之后先穿過固定輪(I)上的對應通孔，再按逆時針方向沿著前側導線盤(22)的驅動繩索導線環(huán)槽自下而上到達右定滑輪模塊(21-2)，再經過右定滑輪模塊(21-2)換向180度，再按順時針方向沿著后側導線盤(23)的驅動繩索導線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪(3)上的對應通孔后，右驅動繩索(62)的末端與后端關節(jié)的旋轉連桿(9)相連； 上述結構中所述順時針方向和逆時針方向均指從前向后觀察。
【文檔編號】B25J9/10GK205704177SQ201620317890
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】印亮, 蔣素榮, 徐偉, 華達人, 蔣萌, 陳柏, 白東明, 趙鵬, 吳洪濤, 張超
【申請人】南京航空航天大學
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