可重构的绳驱动串联解耦机械臂关节及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂关节及其工作方法，解决了多关节串联绳驱动机械臂的各关节间的运动耦合问题。并基于该解耦机构，设计了两种不同类型的模块化绳驱动关节。根据目标任务的需求，变换关节的旋转类型、增减机械臂关节的个数，实现多种构型机械臂的组装，该应用方式应用范围广，实现成本低。由于该机械臂驱动单元置于基座处，采用绳索远程驱动，减小了关节的转动惯量，提高了驱动的响应特性。并且，绳索的柔顺性将大大提升机械臂与环境交互的安全性。本发明专利技术的绳驱动模块化关节结构紧凑，转动惯量低、驱动响应快，关节柔顺性好，安全交互性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人领域，尤其是一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂关节及其工作方法。
技术介绍
目前广泛应用的机械臂体积质量大、结构复杂、刚性高、关节柔顺性差，与环境交互安全性低。并且，机器人负载自重比低，抓取负载耗能大，效率低。为了降低机械臂的重量和转动惯量，提高机械臂负载自重比，近年来，很多研究人员提出新型的绳驱动技术。绳驱动技术采用绳索传递运动和力。它主要将电机、驱动装置全部安装在基座上，通过绳索传递运动和力至关节处，实现关节的运动。因为驱动单元外置，并且采用绳索传动，机械臂的质量及体积可以大幅降低。而将驱动单元外置，同时会引入关节耦合的问题。所谓关节运动耦合是指一个关节的运动导致另一个关节的附带运动。在绳驱动串联机械臂中，绳索驱动前端关节运动时会导致后端关节的驱动绳索附带变化，进而导致关节的附带转动。目前针对关节解耦主要有两种方法：一、采用运动控制算法进行主动解耦，随着关节的增多，控制算法的复杂度急剧增加；二、采用套索传动，并不存在运动耦合现象，但绳索与套索间摩擦较大，且存在死区、间隙、迟滞等非线性特性，机械臂的控制精度及动态响应特性难以保证。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。通过对现有技术的文献检索发现，中国专利号：CN102672715A，名称：一种助残/助老用绳驱动机械臂，该专利公布了一种助残/助老用绳驱动机械臂，机械臂每个转动关节的驱动电机都安装在底座驱动箱内，利用绳驱动系统将驱动电机的动力传到各个转动关节，实现对转动关节的驱动。然而，该机械臂采用套索传动机制，难以减小传动过程中绳索与套筒间的摩擦，并且存在死区、间隙、迟滞等诸多非线性特性，机械臂的控制精度、动态特性难以保证。其他的一些文献，如：公开号CN102941573，名称为一种绳驱动多关节机器人、公开号1995777A，名称为用于机械臂的钢丝绳传动机构。他们对基于绳索传动的串联机械臂做了一些有益的工作，但都未解决串联关节绳索运动的耦合问题。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
技术实现思路
为了提高机器人的负载自重比，并且解决串联绳驱动机械臂各个关节间的运动耦合问题，本专利技术提供了两种基于绳索运动解耦机构的模块化的绳驱动旋转关节及其方法。本专利技术涉及的一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂回转关节，其特征在于：包括回转基座、回转连杆、绳索运动解耦机构、导向滑轮、回转连杆承载轴承；其中回转关节的旋转轴线与回转连杆轴线重合；其中上述的绳索运动解耦机构实现对后端驱动绳索的运动解耦，实现回转关节与后端关节的运动解耦，从前向后依次包括固定轮、随动轮、行星轮系、主动轮；固定轮固定不能转动，主动轮可以绕自身中心轴线旋转；随动轮包括随动轮主体；上述的行星齿轮系包括固定齿轮、主动齿轮，左行星齿轮和右行星齿轮；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮与主动齿轮齿数相同，左行星齿轮和右行星齿轮齿数相同；固定齿轮与固定轮连接，主动齿轮与主动轮连接，左行星齿轮和右行星齿轮均安装于随动轮主体，绕轴线可以转动但沿自身轴线方向运动受到限制；左行星齿轮和右行星齿轮通过与固定齿轮、主动齿轮的啮合限制随动轮的轴向运动和周向转动；该机构还包括一根后端关节左驱动绳索、一根后端关节右驱动绳索；关节左驱动绳索、关节右驱动绳索；上述随动轮包括随动轮主体，随动轮主体的前侧安装前侧导线盘，后侧安装后侧导线盘，前侧导线盘和后侧导线盘结构相同，均加工有同心圆环导线槽，同心圆环导线槽后端关节驱动绳索导线环槽；随动轮主体上方还安装左定滑轮模块和右定滑轮模块；左定滑轮模块和右定滑轮模块均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；上述固定轮下方和主动轮下方均设置有两个与轮轴轴线平行的通孔，且通孔进行圆角处理或安装滑轮分别用于上述后端关节左驱动绳索、后端关节右驱动绳索的导向；上述后端关节左驱动绳索的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块，再经过左定滑轮模块换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，左驱动绳索的末端与后端关节的旋转连杆相连；上述后端关节右驱动绳索的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块，再经过右定滑轮模块换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，右驱动绳索的末端与后端关节的旋转连杆相连；上述关节左驱动绳索的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮固连，关节左驱动绳索逆时针缠绕在主动轮上；上述关节右驱动绳索的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮固连，关节右驱动绳索顺时针缠绕在主动轮上；上述结构中所述顺时针方向和逆时针方向均指从前向后观察；上述绳索运动解耦机构的固定轮与回转关节中的回转基座固定连接，主动轮与回转连杆固定连接；回转连杆承载轴承内圈安装在回转连杆上，外圈安装在回转基座的轴孔中，采用轴用弹性挡圈、轴肩进行轴线固定；回转连杆承载轴承承受回转关节的轴向和径向载荷；导向滑轮固定安装在回转基座上，对关节左驱动绳索、关节右驱动绳索进行导向。利用行星齿轮系的驱动，实现随动轮运动角速度为回转连杆旋转角速度ω的一半，即为ω/2；并且通过左行星齿轮、右行星齿轮与固定齿轮、主动齿轮的可靠啮合，实现随动轮正反向可靠驱动；并通过后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索位移变化率的是随动轮运动角速率ω/2的2r倍，其中r为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后导线盘上的驱动绳索导线环槽的走线半径，ω为回转连杆的旋转角速度；由回转连杆转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生+ωΔtgr，-ωΔtgr的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；由随动轮转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2rgω/2gΔt、+2rgω/2gΔt的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；两者实现相互抵消；即无论回转连杆带动主动轮如何旋转，经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索的后端与回转连杆无相对位移，实现关节间的解耦；上述回转关节采用典型的绳索双拉驱动；回转基座固定不动，关节左驱动绳<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂回转关节，其特征在于：包括回转基座(11)，回转连杆(12)，绳索运动解耦机构(3)，导向滑轮(13)，回转连杆承载轴承(14)；其中回转关节(1)的旋转轴线与回转连杆(12)轴线重合；其中上述的绳索运动解耦机构(3)实现对后端驱动绳索的运动解耦，实现回转关节(1)与后端关节的运动解耦；从前向后依次包括固定轮(31)、随动轮(32)、行星轮系(34)、主动轮(33)；固定轮(31)固定不能转动，主动轮(33)可以绕自身中心轴线旋转；随动轮(32)包括随动轮主体(32‑4)；上述的行星齿轮系(34)包括固定齿轮(34‑1)、主动齿轮(34‑2)，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮(34‑1)与主动齿轮(34‑2)齿数相同，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)齿数相同；固定齿轮(34‑1)与固定轮(31)连接，主动齿轮(34‑2)与主动轮(33)连接，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)均安装于随动轮主体(32‑4)，绕轴线可以转动但沿自身轴线方向运动受到限制；左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)通过与固定齿轮(34‑1)、主动齿轮(34‑2)的啮合限制随动轮(32)的轴向运动和周向转动；该机构还包括一根后端关节左驱动绳索(35‑1)、一根后端关节右驱动绳索(35‑2)；关节左驱动绳索(36‑1)、关节右驱动绳索(36‑2)；上述随动轮主体(32‑4)的前侧安装前侧导线盘(32‑2)，后侧安装后侧导线盘(32‑3)，前侧导线盘(32‑2)和后侧导线盘(32‑3)结构相同，均加工有同心圆环导线槽，同心圆环导线槽后端关节驱动绳索导线环槽；随动轮主体(32‑4)上方还安装左定滑轮模块(32‑11)和右定滑轮模块(32‑12)；左定滑轮模块(32‑11)和右定滑轮模块(32‑12)均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；上述固定轮(31)下方和主动轮(33)下方均设置有两个与轮轴轴线平行的通孔，且通孔进行圆角处理或安装滑轮分别用于上述后端关节左驱动绳索(35‑1)、后端关节右驱动绳索(35‑2)的导向；上述后端关节左驱动绳索(35‑1)的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮(31)上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘(32‑2)的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块(32‑11)，再经过左定滑轮模块(32‑11)换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘(32‑3)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，左驱动绳索(35‑1)的末端与后端关节的旋转连杆相连；上述后端关节右驱动绳索(35‑2)的前端用于与后端关节的驱动单元相连；之后先穿过固定轮(31)上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘(32‑2)的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块(32‑12)，再经过右定滑轮模块(32‑12)换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘(32‑3)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，右驱动绳索(35‑2)的末端与后端关节的旋转连杆相连；上述关节左驱动绳索(36‑1)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮(33)固连，关节左驱动绳索(36‑1)逆时针缠绕在主动轮(33)上；上述关节右驱动绳索(36‑2)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮(33)固连，关节右驱动绳索(36‑2)顺时针缠绕在主动轮(33)上；上述结构中所述顺时针方向和逆时针方向均指从前向后观察；上述绳索运动解耦机构(3)的固定轮(31)与回转关节(1)中的回转基座(11)固定连接，主动轮(33)与回转连杆(12)固定连接；回转连杆承载轴承(14)内圈安装在回转连杆(12)上，外圈安装在回转基座(11)的轴孔中，采用轴用弹性挡圈、轴肩进行轴线固定；回转连杆承载轴承(14)承受回转关节(1)的轴向和径向载荷；导向滑轮(13)固定安装在回转基座(11)上，对关节左驱动绳索(36‑1)、关节右驱动绳索(36‑2)进行导向。...

【技术特征摘要】
1.一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂回转关节，其特征在于：
包括回转基座(11)，回转连杆(12)，绳索运动解耦机构(3)，导向滑轮(13)，
回转连杆承载轴承(14)；其中回转关节(1)的旋转轴线与回转连杆(12)轴线
重合；
其中上述的绳索运动解耦机构(3)实现对后端驱动绳索的运动解耦，实现
回转关节(1)与后端关节的运动解耦；从前向后依次包括固定轮(31)、随动轮
(32)、行星轮系(34)、主动轮(33)；固定轮(31)固定不能转动，主动轮(33)
可以绕自身中心轴线旋转；随动轮(32)包括随动轮主体(32-4)；
上述的行星齿轮系(34)包括固定齿轮(34-1)、主动齿轮(34-2)，左行星
齿轮(34-3)和右行星齿轮(34-4)；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮(34-1)
与主动齿轮(34-2)齿数相同，左行星齿轮(34-3)和右行星齿轮(34-4)齿数
相同；固定齿轮(34-1)与固定轮(31)连接，主动齿轮(34-2)与主动轮(33)
连接，左行星齿轮(34-3)和右行星齿轮(34-4)均安装于随动轮主体(32-4)，
绕轴线可以转动但沿自身轴线方向运动受到限制；左行星齿轮(34-3)和右行星
齿轮(34-4)通过与固定齿轮(34-1)、主动齿轮(34-2)的啮合限制随动轮(32)
的轴向运动和周向转动；
该机构还包括一根后端关节左驱动绳索(35-1)、一根后端关节右驱动绳索
(35-2)；关节左驱动绳索(36-1)、关节右驱动绳索(36-2)；
上述随动轮主体(32-4)的前侧安装前侧导线盘(32-2)，后侧安装后侧导
线盘(32-3)，前侧导线盘(32-2)和后侧导线盘(32-3)结构相同，均加工有同
心圆环导线槽，同心圆环导线槽后端关节驱动绳索导线环槽；随动轮主体(32-4)
上方还安装左定滑轮模块(32-11)和右定滑轮模块(32-12)；左定滑轮模块(32-11)
和右定滑轮模块(32-12)均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；
上述固定轮(31)下方和主动轮(33)下方均设置有两个与轮轴轴线平行的
通孔，且通孔进行圆角处理或安装滑轮分别用于上述后端关节左驱动绳索(35-1)、
后端关节右驱动绳索(35-2)的导向；
上述后端关节左驱动绳索(35-1)的前端用于与后端关节的驱动单元相连；
之后先穿过固定轮(31)上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘(32-2)
的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块(32-11)，再经过左定滑轮模块
(32-11)换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘(32-3)的驱动绳索导
线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，左驱动绳索(35-1)的
末端与后端关节的旋转连杆相连；
上述后端关节右驱动绳索(35-2)的前端用于与后端关节的驱动单元相连；

\t之后先穿过固定轮(31)上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘(32-2)
的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块(32-12)，再经过右定滑轮模块
(32-12)换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘(32-3)的驱动绳索导
线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，右驱动绳索(35-2)的
末端与后端关节的旋转连杆相连；
上述关节左驱动绳索(36-1)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮
(33)固连，关节左驱动绳索(36-1)逆时针缠绕在主动轮(33)上；
上述关节右驱动绳索(36-2)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮
(33)固连，关节右驱动绳索(36-2)顺时针缠绕在主动轮(33)上；
上述结构中所述顺时针方向和逆时针方向均指从前向后观察；
上述绳索运动解耦机构(3)的固定轮(31)与回转关节(1)中的回转基座
(11)固定连接，主动轮(33)与回转连杆(12)固定连接；
回转连杆承载轴承(14)内圈安装在回转连杆(12)上，外圈安装在回转基
座(11)的轴孔中，采用轴用弹性挡圈、轴肩进行轴线固定；回转连杆承载轴承
(14)承受回转关节(1)的轴向和径向载荷；导向滑轮(13)固定安装在回转
基座(11)上，对关节左驱动绳索(36-1)、关节右驱动绳索(36-2)进行导向。
2.据权利要求1所述可重构的绳驱动串联解耦机械臂回转关节的工作方法，
其特征在于：
利用行星齿轮系(34)的驱动，实现随动轮(32)运动角速度为回转连杆(12)
旋转角速度ω的一半，即为ω/2；并且通过左行星齿轮(34-3)、右行星齿轮(34-4)
与固定齿轮(34-1)、主动齿轮(34-2)的可靠啮合，实现随动轮(32)正反向
可靠驱动；
并通过后端关节左驱动绳索(35-1)和后端关节右驱动绳索(35-2)正反向
圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索(35-1)和后端关节右驱动绳索(35-2)
位移变化率的是随动轮运动角速率ω/2的2r倍，其中r为后端关节左、右驱动
绳索沿着前、后导线盘上的驱动绳索导线环槽的走线半径，ω为回转连杆(12)
的旋转角速度；
由回转连杆(12)转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生
+ωΔtgr，-ωΔtgr的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为
正；由随动轮(32)转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2rgω
/2gΔt、+2rgω/2gΔt的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向
为正；两者实现相互抵消；即无论回转连杆(12)带动主动轮(33)如何旋转，

\t经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索(35-1)和后端关节右驱动绳索(35-2)
的后端与回转连杆(12)无相对位移，实现关节间的解耦；
上述回转关节(1)采用典型的绳索双拉驱动；回转基座(11)固定不动，
关节左驱动绳索(36-1)和关节右驱动绳索(36-2)的前端与回转关节的驱动单
元固定，绳索的后端与绳索运动解耦机构(3)中的主动轮(33)固结；关节左
驱动绳索(36-1)和关节右驱动绳索(36-2)缠绕在主动轮(33)上，并且缠绕
方向相反；通过对两驱动绳索的拉、放操作实现对回转关节(1)的驱动；驱动
过程中，拉、放对应的绳长相等，两根绳索不会产生紧绷或松弛的现象，确保了
关节正反向驱动的可靠性。
3.一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂俯仰旋转关节，其特征在于：
俯仰旋转关节(2)包括俯仰旋转基座(21)，俯仰旋转连杆(22)...

【专利技术属性】
技术研发人员：印亮，蒋素荣，张超，白东明，吴洪涛，陈柏，吴志恒，张磊，殷杰，华达人，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32