本發(fā)明涉及一種基于輪系的繩驅(qū)動解耦機構(gòu)及其解耦方法，尤其涉及多關(guān)節(jié)的繩驅(qū)動串聯(lián)運動耦合的機械臂系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
目前廣泛應(yīng)用的機械臂體積質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性高、負(fù)載自重比低，抓取負(fù)載耗能大，效率低。為了降低機械臂的重量和轉(zhuǎn)動慣量，近年來，很多研究人員將繩索驅(qū)動技術(shù)運用到串聯(lián)機械臂中。繩索驅(qū)動技術(shù)采用繩索傳遞運動和力。它將驅(qū)動單元全部安裝在基座上，通過繩索遠(yuǎn)程傳遞運動和力，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的運動。因為驅(qū)動單元外置，并且采用繩索傳動，機械臂的質(zhì)量及體積可以大幅降低，但同時會引入關(guān)節(jié)耦合的問題。所謂關(guān)節(jié)運動耦合是指一個關(guān)節(jié)的運動導(dǎo)致另一個關(guān)節(jié)的附帶運動。在繩驅(qū)動串聯(lián)機械臂中，繩索驅(qū)動前端關(guān)節(jié)運動時會導(dǎo)致后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動繩索的變化進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)的附帶轉(zhuǎn)動。目前，針對關(guān)節(jié)解耦主要有兩種方法：一、采用運動控制算法進(jìn)行主動解耦，隨著關(guān)節(jié)的增多，控制算法的復(fù)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(yīng)特性難以保證。因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決串聯(lián)繩驅(qū)動機械系統(tǒng)驅(qū)動繩索的運動耦合問題，本發(fā)明提供了一種基于輪系的繩驅(qū)動解耦機構(gòu)及其解耦方法，結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于實現(xiàn)。一種基于輪系的繩驅(qū)動解耦機構(gòu)，其特征在于:從前向后依次包括關(guān)節(jié)基座、固定輪、隨動輪、行星輪系、主動輪、當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿；其中固定輪與關(guān)節(jié)基座固定連接不能轉(zhuǎn)動；主動輪與當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿固定連接，跟隨當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿轉(zhuǎn)動；隨動輪包括隨動輪主體；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(shù)相同，并且固定齒輪與主動齒輪齒數(shù)相同，左行星齒輪和右行星齒輪齒數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動；該機構(gòu)還包括一根后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索、一根后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索；上述隨動輪主體的前側(cè)安裝前側(cè)導(dǎo)線盤，后側(cè)安裝后側(cè)導(dǎo)線盤，前側(cè)導(dǎo)線盤和后側(cè)導(dǎo)線盤結(jié)構(gòu)相同，均加工有同心圓環(huán)導(dǎo)線槽，同心圓環(huán)導(dǎo)線槽后端關(guān)節(jié)驅(qū)動繩索導(dǎo)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(guān)節(jié)驅(qū)動繩索的導(dǎo)向定滑輪；上述固定輪下方和主動輪下方均設(shè)置有兩個與輪軸軸線平行的通孔，且通孔進(jìn)行圓角處理或安裝滑輪分別用于上述后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索的導(dǎo)向；上述后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索的前端用于與后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元相連；之后先穿過固定輪上的對應(yīng)通孔，再按順時針方向沿著前側(cè)導(dǎo)線盤的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自下而上到達(dá)左定滑輪模塊，再經(jīng)過左定滑輪模塊換向180度，再按逆時針方向沿著后側(cè)導(dǎo)線盤的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應(yīng)通孔后，左驅(qū)動繩索的末端與后端關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)連桿相連；上述后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索的前端用于與后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元相連；之后先穿過固定輪上的對應(yīng)通孔，再按逆時針方向沿著前側(cè)導(dǎo)線盤的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自下而上到達(dá)右定滑輪模塊，再經(jīng)過右定滑輪模塊換向180度，再按順時針方向沿著后側(cè)導(dǎo)線盤的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪上的對應(yīng)通孔后，右驅(qū)動繩索的末端與后端關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)連桿相連；上述結(jié)構(gòu)中所述順時針方向和逆時針方向均指從前向后觀察。所述基于輪系的繩驅(qū)動解耦機構(gòu)的解耦方法，其特征在于：利用行星齒輪系的驅(qū)動，實現(xiàn)隨動輪運動角速度為當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿旋轉(zhuǎn)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(qū)動；并通過后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索和后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索正反向圓弧走線纏繞，實現(xiàn)后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索和后端關(guān)節(jié)右驅(qū)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(guān)節(jié)左、右驅(qū)動繩索沿著前、后導(dǎo)線盤上的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽的走線半徑，ω為當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿的旋轉(zhuǎn)角速度；由當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿轉(zhuǎn)動引起的后端關(guān)節(jié)左、右驅(qū)動繩索右端的末端將產(chǎn)生+ωΔt·r，-ωΔt·r的位移，其中以沿著繩索方向由驅(qū)動單元端指向關(guān)節(jié)端方向為正；由隨動輪轉(zhuǎn)動引起的后端關(guān)節(jié)左、右驅(qū)動繩索的右端末端將產(chǎn)生-2r·ω/2·Δt、+2r·ω/2·Δt的位移，其中以沿著繩索方向由驅(qū)動單元端指向關(guān)節(jié)端方向為正；兩者實現(xiàn)相互抵消；即無論當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿帶動主動輪如何旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過解耦機構(gòu)后的后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索和后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索的后端與當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿無相對位移，實現(xiàn)關(guān)節(jié)間的解耦。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果：本發(fā)明驅(qū)動繩索的運動被動解耦機構(gòu)，可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動時驅(qū)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(gòu)采用繩索-滑輪的傳動機制，摩擦力小，響應(yīng)性能好，避免了套索驅(qū)動的大摩擦、死區(qū)、遲滯等非線性驅(qū)動特性。該解耦機構(gòu)可以工作在0～300°范圍內(nèi)，工作范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠。該解耦機構(gòu)與繩驅(qū)動關(guān)節(jié)配套安裝，可以實現(xiàn)模塊化，應(yīng)用范圍廣，成本低。附圖說明圖1是本發(fā)明繩索運動解耦機構(gòu)的立體分解圖；圖2是本發(fā)明隨動盤主體的立體圖；圖3是本發(fā)明繩索運動解耦機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明驅(qū)動繩索纏繞方式的立體圖；圖5是本發(fā)明驅(qū)動繩索的運動解耦過程示意圖；圖中標(biāo)號名稱:1固定輪；2隨動輪；3主動輪；4行星齒輪系；41固定齒輪；42主動齒輪；43左行星齒輪；44右行星齒輪；21-1左定滑輪模塊；21-2右定滑輪模塊；22前側(cè)導(dǎo)線盤；23后側(cè)導(dǎo)線盤；24隨動輪主體；24-1導(dǎo)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；51當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索；52當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索；61后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索；62后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索；7關(guān)節(jié)基座；8當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿；9后端關(guān)節(jié)連桿；101后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元；102當(dāng)前關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元。具體實施方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及及優(yōu)選實施的結(jié)構(gòu)示意圖，以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。請參閱圖1及圖3所示，本發(fā)明公開了一種繩驅(qū)動串聯(lián)機械臂的驅(qū)動繩索運動被動解耦機構(gòu)，從前向后依次包括關(guān)節(jié)基座7、固定輪1、隨動輪2、行星輪系4、主動輪3、當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8；其中固定輪1與關(guān)節(jié)基座7固定連接不能轉(zhuǎn)動；主動輪3與當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8固定連接，跟隨當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8轉(zhuǎn)動；固定齒輪41通過平鍵與固定輪1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(zhuǎn)動；該機構(gòu)還包括一根后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、一根后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62；其中，所述的固定輪1與關(guān)節(jié)基座7緊固，固定輪1輪盤表面加工有導(dǎo)線環(huán)槽，用于引導(dǎo)后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)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(jīng)過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62導(dǎo)向。固定輪1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。其中，所述的主動輪3與當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8緊固，主動輪3輪盤表面加工有導(dǎo)線環(huán)槽，用于引導(dǎo)后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)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(jīng)過圓角處理后或在通孔口處安裝滑輪對后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62導(dǎo)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。其中，所述隨動輪2包括左導(dǎo)線盤22、隨動輪主體24、右導(dǎo)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(cè)導(dǎo)線盤22，后側(cè)導(dǎo)線盤23用于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動繩索的走線。前側(cè)導(dǎo)線盤22、后側(cè)導(dǎo)線盤23與隨動輪主體24通過螺釘緊固，并且兩導(dǎo)線盤結(jié)構(gòu)相同，導(dǎo)線盤上的導(dǎo)線槽半徑相等，均為r，24-1為導(dǎo)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；其中，所述行星輪系4中，各個齒輪的模數(shù)相同，固定齒輪41與主動齒輪42齒數(shù)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(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8的軸向位移、并調(diào)節(jié)左行星齒輪43、右行星齒輪44的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)行星齒輪系4的可靠嚙合，驅(qū)動隨動輪2正反向旋轉(zhuǎn)。因為主動齒輪41與固定齒輪42齒數(shù)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(zhuǎn)的角速度為左行星齒輪43、右行星齒輪44的公轉(zhuǎn)角速度，行星齒輪公轉(zhuǎn)系桿的傳動比i＝1+z固/z主＝2，由此可知，隨動輪2旋轉(zhuǎn)的角速度為主動輪3轉(zhuǎn)速的1/2。其中，如圖3、4所示，所述當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8的旋轉(zhuǎn)，采用當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索51、當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索52遠(yuǎn)程驅(qū)動。當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索51、當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索52的上端的末端固定在當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8上，下端的末端與當(dāng)前關(guān)節(jié)驅(qū)動單元102固結(jié)。當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索51、當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索52纏繞在當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8上，當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索51按逆時針方向纏繞，而當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索52以順時針方向纏繞。當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8沿著如圖3方向轉(zhuǎn)動時，當(dāng)前關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索51纏繞在當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8上，當(dāng)前關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索52從當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8上剝離，且剝離量與纏繞量對應(yīng)的繩長相等，不會導(dǎo)致某根繩索過于緊繃或松弛的現(xiàn)象，確保繩索正反向驅(qū)動的可靠性。其中，如圖3、4、5中所示，所述后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62，后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61的前端用于與后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元101相連；之后先穿過固定輪1上的對應(yīng)通孔，再按順時針方向沿著前側(cè)導(dǎo)線盤22的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自下而上到達(dá)左定滑輪模塊21-1，再經(jīng)過左定滑輪模塊21-1換向180度，再按逆時針方向沿著后側(cè)導(dǎo)線盤23的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應(yīng)通孔后，后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61的末端用于與后端關(guān)節(jié)連桿9相連；后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的前端用于與后端關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元101相連；之后先穿過固定輪1上的對應(yīng)通孔，再按逆時針方向沿著前側(cè)導(dǎo)線盤22的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自下而上到達(dá)右定滑輪模塊21-2，再經(jīng)過右定滑輪模塊21-2換向180度，再按順時針方向沿著后側(cè)導(dǎo)線盤23的驅(qū)動繩索導(dǎo)線環(huán)槽自上而下，再穿過主動輪3上的對應(yīng)通孔后，后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的末端與后端關(guān)節(jié)連桿9相連；由于后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62沿著前側(cè)導(dǎo)線盤22、后側(cè)導(dǎo)線盤23上的導(dǎo)線環(huán)槽纏繞，并且前側(cè)導(dǎo)線盤22、后側(cè)導(dǎo)線盤23上的導(dǎo)線環(huán)槽半徑相等，均為r，所以隨動輪2轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62右側(cè)末端的位移速率是隨動輪旋轉(zhuǎn)角速率的2r倍。如圖5左圖所示，當(dāng)主動輪3以圖3所示方向、ω角速度轉(zhuǎn)動時，通過主動輪3上通孔的導(dǎo)向，后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61沿著后側(cè)導(dǎo)線盤23上的導(dǎo)線環(huán)槽脫離，后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61的右側(cè)末端產(chǎn)生+ωΔt·r位移，而后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62沿著后側(cè)導(dǎo)線盤23上的導(dǎo)線環(huán)槽纏繞，后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的右側(cè)末端產(chǎn)生-ωΔt·r位移(ω為主動輪3的旋轉(zhuǎn)角速度，r為前側(cè)導(dǎo)線盤22、后側(cè)導(dǎo)線盤23上驅(qū)動繩索導(dǎo)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(qū)動，隨動輪2以ω/2角速度跟隨主動輪3同向轉(zhuǎn)動，隨動輪2旋轉(zhuǎn)的角度ωΔt/2。因為隨動輪2轉(zhuǎn)動后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62右側(cè)末端的位移速率是隨動輪2角速率的2r倍，所以后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的右側(cè)末端的位移大小為ωΔt/2·2r＝ωΔt·r。隨動輪2的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61會繼續(xù)沿著前側(cè)、后側(cè)導(dǎo)線盤上的導(dǎo)線環(huán)槽纏繞，纏繞長度為ωΔt·r，也即后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61的右端將產(chǎn)生-ωΔt·r位移。后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的一部分將沿著前側(cè)、后側(cè)導(dǎo)線盤上的導(dǎo)線環(huán)槽脫離，脫離長度為ωΔt·r，也就是后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62的右端將產(chǎn)生+ωΔt·r位移(沿著繩索方向向上為正)。后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動繩索61、后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動繩索62在經(jīng)過解耦模塊后，它們右側(cè)的末端與當(dāng)前關(guān)節(jié)連桿8無相對移動，實現(xiàn)繩長補償。也即后端關(guān)節(jié)的兩根驅(qū)動繩索沒有因當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生與后端關(guān)節(jié)間的相對移動。實現(xiàn)了當(dāng)前關(guān)節(jié)與后端關(guān)節(jié)的運動解耦。