一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节制造技术

本发明专利技术公开了一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节，包括由绳索驱动各自的关节转盘进行转动的俯仰轴模块、滚转轴模块和偏航轴模块，其中，所述俯仰轴模块的关节转盘与所述滚转轴模块通过第一连接支架相连，所述滚转轴模块的关节转盘与所述偏航轴模块通过第二连接支架相连。本发明专利技术通过绳索驱动各自的关节转盘进行转动的俯仰轴模块、滚转轴模块和偏航轴模块的设置，提升本发明专利技术模块化串联三轴云台关节的运动控制性能，具有一定的传动比且较为精确，而且在保证减少空间体积的情况下实现扭矩的传递，更优于传统减速机构的驱动方式，即可解决传统云台负载较低的问题。模块化连接的简约性提升了结构的稳定性，刚柔耦合特性保证人机交互的安全性。人机交互的安全性。人机交互的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节


[0001]本专利技术涉及云台关节领域，特别是涉及一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节。

技术介绍

[0002]随着人类科学的水平发展和技术的进步，机器人种类日新月异，机器人的研究以及其在各个领域的应用都在被广泛地关注着。在传统工业领域以及许多服务、科研领域，均常见各种多自由度机械臂。虽传统工业机器人在物流、装配等领域存在具有强大的优越性，但也因其质量高、惯性高、刚度大，使得作业人员在与其进行协同交互时极易发生危险，这将直接导致作业人员无法与其很好地进行交互，降低人机协作场合的工作效率，人机交互的安全性显然不足。
[0003]若要突破传统工业机器人边界，物理人机交互则是一个十分关键的突破口，因此绳驱动技术为实现安全的人机交互提供了实际的可能性。采用绳索等柔性介质驱动的方式，直接替代传统工业机器人齿轮、气压、液压等传动方式，并因其可在任意路径进行远程力与运动的传递，因此可直接将云台关节上的电机转移到基座或远离转动轴的位置，亦或使电机等硬件设备与关节零件高度集成，利用绳索的灵活布置，把驱动力传递至转动关节处，最终使云台关节产生运动。
[0004]采用绳驱动的方式能使机器人达到质量小、惯量小、自重载荷比大、人机交互安全性强、灵活性高、精度高、可靠性高等优良特性。随着时间的发展，机器人将全面进入服务、医疗、军事等领域，其人机交互的可靠性更为人们所看重，安全性原则的重要性不言而喻，因此绳驱动技术将在未来具有极其广阔的发展前景，甚至直接推动人类社会的进步与发展。/>[0005]现有技术1：
[0006]如图1所示，绳驱动冗余自由度并联机构的主要组成部分包括悬挂系统、绳索系统、运动平台和控制系统。悬挂系统是机构的支撑系统，绳索系统是机构的驱动系统，运动平台是机构的工作系统，控制系统是机构的核心系统。
[0007]绳驱动冗余自由度并联机构的绳索系统通常由多根绳索组成，绳索一端固定在悬挂系统上，另一端固定在运动平台上。通过控制绳索的张力，可以控制机构的运动轨迹和姿态。此外，绳驱动冗余自由度并联机构具有冗余自由度，即机构的自由度数量大于任务所需的自由度数量，但同时也增加了其运动解算的复杂性。
[0008]由于绳驱动冗余自由度并联机构的绳索数量较多，且存在冗余自由度，系统复杂度高，系统结构相对复杂，因此需要较为复杂的控制系统来控制机构的运动和姿态，增加了机构的技术设计水平和维护成本。
[0009]多条绳索需要同时调整，绳驱动机构多条绳索驱动，而且每个绳索都需要进行同步调整，具有极大的耦合特性，需要一定的时间和精度来完成。
[0010]绳索对机构自由度的限制，绳驱动冗余自由度并联机构的自由度受到绳索数量和
分布的限制，这可能会影响机构的灵活性和可操作性，另外刚度也存在一定上限。
[0011]现有技术2：
[0012]如图2所示，传统的三轴云台关节由三个旋转轴组成，分别是俯仰轴、横滚轴和偏航轴。三轴云台关节广泛应用于机器人、工业生产线、航空航天等领域中，用于实现机械臂、机器人手、平移台等设备的运动控制。俯仰轴负责机械臂或机器人手的上下运动，使其能够在垂直方向上自由旋转。横滚轴负责机械臂或机器人手的左右运动，使其能够在水平方向上自由旋转。偏航轴负责机械臂或机器人手的旋转运动，使其能够在垂直轴周围自由旋转。通过这三个轴的协同运动，三轴云台关节可以实现机械臂或机器人手在三个方向上的平稳、精确运动，从而完成各种复杂的操作任务。
[0013]通常三轴云台关节采用电机直接驱动或传统的齿轮、同步带驱动方式进行动力传输。
[0014]另一种传统的三轴云台关节如图3
‑
4所示，三轴云台关节的设计多采用传统的直驱方式进行动力的传输，不仅不能提高运动扭矩，保证传动比，倒置末端负载能力低，而且还难以降低系统的转动惯量，不利于电机的工作运行；而采用齿轮传动方式进行动力传输时精度难以保证，在产生巨大噪音的同时缺乏稳定性，精度水平较低难以达到控制要求。由于三轴云台关节需要同时实现多个方向的运动，某些机构的运动可能会干涉其他机构的运动，导致运动不协调或出现故障。

技术实现思路

[0015]为了解决如何保证绳驱动云台关节的稳定性和灵活性的同时降低维护成本，本专利技术提出一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节。
[0016]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0017]一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节，包括由绳索驱动各自的关节转盘进行转动的俯仰轴模块、滚转轴模块和偏航轴模块，其中，所述俯仰轴模块的关节转盘与所述滚转轴模块通过第一连接支架相连，所述滚转轴模块的关节转盘与所述偏航轴模块通过第二连接支架相连。
[0018]在一些实施例中，所述俯仰轴模块、所述滚转轴模块和所述偏航轴模块的关节转盘的中心线相交于同一点。
[0019]在一些实施例中，所述俯仰轴模块、所述滚转轴模块和所述偏航轴模块的关节转盘的转动角度为180度以上。
[0020]在一些实施例中，所述俯仰轴模块采用“8”字型联动绕线的绞盘驱动机构由电机驱动关节转盘；优选的，由电机转轴线盘对绳索进行存储，再引出两根绳索连接至关节转盘以顺/逆时针控制关节转盘转动，所述电机转轴线盘和所述关节转盘设有用于穿过绳索的孔位，所述绳索以张紧状态固定；优选地，所述关节转盘与所述电机转轴线盘的外径比率为4：1；优选地，所述关节转盘的内层安装有交叉滚子轴承；优选地，所述关节转盘为空心结构。
[0021]在一些实施例中，所述滚转轴模块采用由滑轮引导两根绳索联动绕线的绞盘驱动机构由电机驱动关节转盘；优选的，所述滚转轴模块的电机设置于所述第一连接支架上；优选的，由电机转轴线盘对绳索进行存储，再引出两根绳索连接至关节转盘以顺/逆时针控制
关节转盘转动，所述电机转轴线盘和所述关节转盘设有用于穿过绳索的孔位，所述绳索以张紧状态固定；优选地，所述关节转盘的内层安装有交叉滚子轴承；优选地，所述关节转盘为空心结构。
[0022]在一些实施例中，所述偏航轴模块采用双“8”字型联动绕线的绞盘驱动机构由电机驱动关节转盘；优选地，所述偏航轴模块包括内侧上层的电机转轴线盘、内侧下层的关节转盘、外侧上层线盘、转轴以及外侧下层线盘，由所述电机转轴线盘对绳索进行存储，一根绳索由所述电机转轴线盘绕线至所述外侧上层线盘，所述外侧上层线盘通过所述转轴耦合至所述外侧下层线盘，另一根绳索由所述外侧下层线盘绕线至所述关节转盘；优选地，所述关节转盘的内层安装有交叉滚子轴承；优选地，所述电机相对于所述关节转盘偏置。
[0023]在一些实施例中，所述偏航轴模块的内侧具有用于安装所述电机、所述电机转轴线盘和所述关节转盘的双层碳板结构，所述双层碳板结构上设置有固定盘，所述转轴通过所述法兰轴承固定于所述固定盘的外侧，所述双层碳板结构和所述固定盘设置有用于散热和/或观察的孔。
[0024]在一些实施例中，所述第一连接支架通过榫卯结构拼插而成。
[0025]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于绳索驱动的模块化串联三轴云台关节，其特征在于，包括由绳索驱动各自的关节转盘进行转动的俯仰轴模块、滚转轴模块和偏航轴模块，其中，所述俯仰轴模块的关节转盘与所述滚转轴模块通过第一连接支架相连，所述滚转轴模块的关节转盘与所述偏航轴模块通过第二连接支架相连。2.如权利要求1所述的模块化串联三轴云台关节，其特征在于，所述俯仰轴模块、所述滚转轴模块和所述偏航轴模块的关节转盘的中心线相交于同一点。3.如权利要求1或2所述的模块化串联三轴云台关节，其特征在于，所述俯仰轴模块、所述滚转轴模块和所述偏航轴模块的关节转盘的转动角度为180度以上。4.如权利要求1至3任一项所述的模块化串联三轴云台关节，其特征在于，所述俯仰轴模块采用“8”字型联动绕线的绞盘驱动机构由电机驱动关节转盘；优选地，由电机转轴线盘对绳索进行存储，再引出两根绳索连接至关节转盘以顺/逆时针控制关节转盘转动，所述电机转轴线盘和所述关节转盘设有用于穿过绳索的孔位，所述绳索以张紧状态固定；优选地，所述关节转盘与所述电机转轴线盘的外径比率为4：1；优选地，所述关节转盘的内层安装有交叉滚子轴承；优选地，所述关节转盘为空心结构。5.如权利要求1至3任一项所述的模块化串联三轴云台关节，其特征在于，所述滚转轴模块采用由滑轮引导两根绳索联动绕线的绞盘驱动机构由电机驱动关节转盘；优选的，所述滚转轴模块的电机设置于所述第一连接支架上；优选的，由电机转轴线盘对绳索进行存储，再引出两根绳索连接至关节转盘以顺/逆时针控制关节转盘转动，所述电机转轴线盘和所述关节转盘设有用于穿过绳索的孔位，所述绳索以张紧状态固定；优选地，所述关节转盘的内层安装有交叉滚子轴承；优选地，所述关节转盘为空心结构。6.如权利要求1至3任一项所述的模块化串...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学谦，梁华岳，夏崇坤，罗弘，朱贤琨，徐建乐，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：