CN109176491A - 一种绳索驱动的单自由度模块及采用其的多自由度机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绳索驱动的单自由度模块及采用其的多自由度机构，单自由度模块包括固定平台、活动平台、连接支链和驱动支链；驱动支链包括第一定滑轮、第二定滑轮、第一动滑轮、第二动滑轮、两根绳索和绳索驱动器，第一定滑轮和第二定滑轮设在固定平台上，二者分别设在连接支链的两侧；第一动滑轮和第二动滑轮设在活动平台上，二者分别设在连接支链的两侧，并第一定滑轮和第一动滑轮设在连接支链的同侧；其中一根绳索的一端相对第一定滑轮固定，另一端绕过第一动滑轮连接至绳索驱动器；另一根绳索的一端相对第二定滑轮固定，另一端绕过第二动滑轮连接至绳索驱动器。本发明能够适用于负载较大的场合，并且具备体积小、质量轻的优点。

Description

一种绳索驱动的单自由度模块及采用其的多自由度机构

技术领域

本发明属于机器人关节技术领域，具体涉及一种绳索驱动的单自由度模块及采用其的多自由度机构。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在生活和生产中应用越来越广泛，但由于相关技术的有待完善和成熟，离现实大规模、低成本和多领域的应用还有很远的距离。现有机器人往往需要针对不同的应用场合进行适应性设计，例如服务机器人或者是工业机器人等，这类机器人由于很难具备功能的扩展性和构型的可重构性，造成了机器人研发周期长、应用局限等问题，严重制约机器人的推广和在多领域内的应用。目前，机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度、运动速度、降低成本和提高可靠性的重要途径，也是当今世界研究和开发的一个趋势，其中，采用绳索驱动的模块化机器人技术成了人们研究的热点。

绳索驱动机器人是通过绳索将动平台(或末端执行器)与静平台连接起来的机器人，它具有工作空间大、负载质量比高和易于模块化的优点。

例如中国专利文献201410364262.6中公开了一种主机器人单自由度摆转关节模块，包括有第一摆动基座、第二摆动基座、第一关节轴、第二关节轴，第一关节轴和第二关节轴的一端分别与第二摆动基座固连，实现轴向定位，第一关节轴和第二关节轴的另一端与第一摆动基座通过轴承做相对转动，第一摆动基座与第二摆动基座能绕关节轴线作相对转动。由于其结构特性，导致其关节负载小，无法适用于大负载的场合。

再例如中国专利文献201010242196.7公开了一种单自由度机器人摆转关节模块，主要包括伺服电机及光电编码器组件、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出轴、电机座、关节座、轴承及轴套和端盖、一对锥齿轮和关节转轴等。电机轴通过轴套与谐波减速器的波发生器连接，而谐波减速器的输出刚轮与输出盘固接。后者与关节转轴之间是一对锥齿轮。关节转轴通过梯形键与关节摆动件连接而最终实现运动和动力的传输。该技术方案中采用电机及谐波减速器控制，在增大输出力矩的同时，导致整体结构较大，配合过于繁琐，安装和拆卸都不易进行。

综合上述可知，现有技术中依旧存在如何提高关节模块输出负载能力的同时，避免增大体积和质量的难题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种绳索驱动的单自由度模块及采用其的多自由度机构，其能够适用于大负载的场合，并且具备体积小、质量轻的优点。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种绳索驱动的单自由度模块，包括固定平台、活动平台、用于连接活动平台与固定平台的连接支链和用于调整活动平台与固定平台相对位置的驱动支链；

其中，驱动支链包括第一定滑轮、第二定滑轮、第一动滑轮、第二动滑轮、两根绳索和至少一个绳索驱动器，第一定滑轮和第二定滑轮设在固定平台上，二者分别设在连接支链的两侧；第一动滑轮和第二动滑轮设在活动平台上，二者分别设在连接支链的两侧，并第一定滑轮和第一动滑轮设在连接支链的同侧；

其中一根绳索的一端相对第一定滑轮固定，另一端绕过第一动滑轮连接至绳索驱动器；另一根绳索的一端相对第二定滑轮固定，另一端绕过第二动滑轮连接至绳索驱动器；

绳索驱动器的转动，驱动其中一根绳索被收短，另一根绳索被放长，从而改变第一动滑轮与第一定滑轮之间、第二动滑轮与第二定滑轮之间的相对距离，使得活动平台相对固定平台进行转动。

本发明中通过绳索及滑轮组的使用，可以增大绳索的拉力，优选的，通过设置多条驱动支链，便可以负载较大的载荷，在保证体积结构较小的情况下，大大增加了该单自由度模块的承载能力。其中，还可以通过控制驱动支链中的绳索的收短量和放长量，以精准控制活动平台的位置。

其中，本发明中的活动平台相对于固定平台在做单自由度转动，活动平台的转动是在第一定滑轮和第二定滑轮所在平面内的转动；具体的，活动平台中的第一动滑轮、第二动滑轮，与固定平台中的第一定滑轮、第二定滑轮位于同一平面内。

根据本发明的另一种具体实施方式，连接支链包括支撑连杆，支撑连杆的一端通过转动轴承铰接于固定平台，支撑连杆的另一端通过转动轴承铰接于活动平台。其中，支撑连杆属于刚性连杆，在活动平台相对于固定平台的运动过程中，其仅仅相对活动平台(和固定平台)转动，不会变形，也不会发生其它方向的跳动；优选的，连接支链包括两个支撑连杆，两个支撑连杆分别对称设在活动平台与固定平台的两侧。

为了提高支撑连杆与固定平台、活动平台之间相对转动的稳定性，在固定平台和活动平台上均设有用于安装连接轴承的轴承座结构，进一步提高结构的紧凑性。

进一步优选的，位于固定平台的连接轴承与第一定滑轮和第二定滑轮等间距设置；位于活动平台的连接轴承与第一动滑轮和第二动滑轮等间距设置。

本方案中的两根绳索之间可以相互连接，并通过相同的绳索驱动器控制，也可以两根绳索之间不连接，分别采用不同的绳索驱动器控制；需要说明的是，在两种情况下，两根绳索的变化率(指代单位时间内绳索长度变化的值)应当一致。

根据本发明的另一种具体实施方式，连接支链包括两根随动连杆，两根随动连杆的始端相互铰接，其中一根随动连杆的末端固定在固定平台，另一根随动连杆的末端固定在活动平台，此时，分别通过不同的绳索驱动器控制两根绳索的收短及放长，两根随动连杆之间相对铰接点的转动，从而实现活动平台相对固定平台进行转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，活动平台和固定平台之间相抵而形成接触面，接触面为圆弧面，并接触面具有齿轮段，活动平台的齿轮段与固定平台的齿轮段之间相互啮合，需要说明的是，本方案中，在活动平台和固定平台之间相抵是指，活动平台在转动过程中为了提高转动的稳定性而与固定平台相接触，在活动平台转动过程中，活动平台与固定平台接触的位置发生变化，从而形成在固定平台、活动平台均形成具有一定弧度的、连续的接触面，为了防止二者之间出现打滑现象，优选的，在接触面设有由外凸的齿形成的齿轮段，活动平台的齿轮段与固定平台的齿轮段之间相互啮合可以大大提高转动的平稳性。

进一步的，还可以通过在接触面设有内陷的槽结构，并在槽结构中设有绳索，采用绳索对拉的方式以防止活动平台与固定平台之间的打滑现象。

根据本发明的另一种具体实施方式，活动平台相对固定平台的最大转动角度为180度。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动支链还包括绳索导向装置，绳索导向装置包括第一导向滑轮和第二导向滑轮，第一导向滑轮设在绳索驱动器和第一动滑轮之间，第二导向滑轮设在绳索驱动器和第二动滑轮之间，绕过第一动滑轮的绳索经过第一导向滑轮的导向后，再绕过绳索驱动器，接着再经过第二导向滑轮的导向后，绕过第二动滑轮。本方案设置绳索导向装置的目的在于，将绳索驱动器部分(包括动力源例如电机、减速器等部件)后置，可以进一步减小体积，有利于模块化进程。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动支链的数目有2－4个，多个驱动支链之间相互并联，例如设置三个驱动支链。

另一方面，本发明提供了一种绳索驱动的多自由度机构，其包括多个前述的单自由度模块相互串联形成。

本发明结构轻巧，可以根据设计需求进行模块化选择，有利于多自由度机构的发展。

本发明的有益之处在于：

1、本发明具有拉力放大机制，通过绳索及滑轮组的结合使用，可以大大增加绳索的拉力，在保证具有较小体积的前提下，可以极大地增加该单自由度模块的承载能力；

2、本发明中的绳索驱动器部分可以设在机器人的其他位置，进行适当的后置，而不设置于固定平台，可以有效地降低关节模块部分的质量、体积，并且具备惯性小的优势。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明单自由度模块实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明单自由度模块实施例1的剖面示意图；

图3是本发明单自由度模块实施例1的一种状态的原理示意图；

图4是图3的机构简图；

图5是本发明单自由度模块实施例1的另一种状态的原理示意图；

图6是图5的机构简图；

图7是本发明单自由度模块实施例1的活动平台的位置变化示意图；

图8是本发明单自由度模块实施例2的原理示意图；

图9是本发明单自由度模块实施例3的机构简图；

图10是本发明单自由度模块实施例4的一种机构简图；

图11是本发明单自由度模块实施例4的另一种机构简图；

图12是本发明多自由度机构实施例5的整体结构示意图；

图13是本发明多自由度机构实施例5的结构简图。

具体实施方式

实施例1

如图1－7所示，一种绳索驱动的单自由度模块，包括固定平台1、活动平台2、连接支链3和驱动支链4。

其中，连接支链3包括支撑连杆31和转动轴承，如图1和图2所示，支撑连杆31的一端通过第一转动轴承32铰接至固定平台1，支撑连杆31的另一端通过第二转动轴承33铰接至活动平台2，为了提高支撑连杆31与固定平台1、活动平台2之间相对转动的稳定性，在固定平台1和活动平台2上还可以设有用于安装连接轴承的内陷的轴承座结构34，进一步提高结构的紧凑性。

再次参见图2，驱动支链4包括第一定滑轮41、第二定滑轮42、第一动滑轮43、第二动滑轮44、两根绳索和绳索驱动器45，第一定滑轮41和第二定滑轮42设在固定平台1上，第一动滑轮43和第二动滑轮44设在活动平台2上，其中，第一定滑轮41和第一动滑轮43设在支撑连杆31的一侧，第二定滑轮42和第二动滑轮44设在支撑连杆31的另一侧。

参见图3，绳索L₁的一端相对第一定滑轮41固定(具体例如固定在第一定滑轮41上)，另一端绕过第一动滑轮43连接至绳索驱动器45；绳索L₂的一端相对第二定滑轮42固定(具体例如固定在第二定滑轮42上)，另一端绕过第二动滑轮44连接至绳索驱动器45。

本实施例中第一定滑轮41和第一转动轴承32之间的距离与第二定滑轮42和第一转动轴承32之间的距离相同，第一动滑轮43和第二转动轴承33之间的距离与第二动滑轮44和第二转动轴承33之间的距离相同，如图4、图6所示，其中，A点代表第一动滑轮43的位置，B点代表第二动滑轮44的位置，C点代表第一定滑轮41的位置，D点代表第二定滑轮42的位置，H代表支撑连杆31；此时，第一定滑轮41和第一动滑轮43之间的距离L₁，与第二定滑轮42和第二动滑轮44之间的距离L₂的和始终不变，即L₁+L₂＝2H，此种状态下，绳索L₁和绳索L₂的变化率相同。

为了使结构更加紧凑，绳索L₁和绳索L₂之间可以相互连接，并通过相同的绳索驱动器45控制，此时当绳索L₁被收短一定长度时，绳索L₂被放长相同的长度；应当理解，在本发明的其它示例中，绳索L₁和绳索L₂之间也可以不连接，二者分别采用不同的绳索驱动器45进行控制，同样可以实现当绳索L₁被收短一定长度时，绳索L₂被放长相同的长度。

其中，绳索驱动器45例如包括绳索绞盘和驱动电机等。

参见图5、图6，其示出了在绳索驱动器45的控制下，绳索L₁被收短，绳索L₂被放长，从而改变第一动滑轮43与第一定滑轮41之间、第二动滑轮44与第二定滑轮42之间的距离；

再猜参见图2，本实施例具有两个转动自由度R1和R2，通过同时控制绳索L₁和绳索L₂的收短和放长，可以使得第一动滑轮43和第二动滑轮44所在的活动平台2，相对于第一定滑轮41和第二定滑轮42所在的固定平台1具有唯一的转动自由度R。

参见图7，活动平台2相对于固定平台1的最大转动角度为θ，本实施例中的活动平台2的最大转动角度θ为180度。

本实施例中的驱动支链4的数目有多个，例如设置三个驱动支链4，三个驱动支链4之间相互并联，可以在保证较大承载能力的基础上，大大减少单个绳索上的拉力。

本实施例中的连接支链3也可以设置两个，其中，固定平台1和活动平台2设在同一水平面内，优选的，两个连接支链3例如对称设在活动平台2与固定平台1的两侧。

实施例2

如图8所示，一种绳索驱动的单自由度模块，在实施例1的基础上，本实施例中的活动平台2和固定平台1之间相抵而形成接触面5，其中，接触面5为圆弧面。

参见图8，为了提高运转的稳定性，活动平台2在相对固定平台1的转动过程中与固定平台1相接触，活动平台2与固定平台1接触的位置发生变化，从而形成在固定平台1、活动平台2均形成具有一定弧度的、连续的接触面5，为了防止二者之间出现打滑现象，在接触面设有向外凸的齿形成的齿轮段51，活动平台2的齿轮段与固定平台1的齿轮段之间相互啮合可以大大提高转动的平稳性。

实施例3

如图9所示，一种绳索驱动的单自由度模块，本实施例与实施例1的区别在于，第一定滑轮41和第一转动轴承32之间的距离与第二定滑轮42和第一转动轴承32之间的距离不同，第一动滑轮43和第二转动轴承33之间的距离与第二动滑轮44和第二转动轴承33之间的距离不同。

其中，A1点代表第一动滑轮43的位置，B1点代表第二动滑轮44的位置，C1点代表第一定滑轮41的位置，D1点代表第二定滑轮42的位置，H1代表支撑连杆31；本实施例中的绳索L₃和绳索L₄之间不连接，此时，绳索L₃和绳索L₄的变化率也不相同，并分别采用不同的绳索驱动器45控制两根绳索的收短量及放长量。

实施例4

如图10－11所示，一种绳索驱动的单自由度模块，本实施例与实施例1的区别在于，连接支链3包括两根随动连杆35，两根随动连杆35的始端相互铰接，其中一根随动连杆35的末端固定在固定平台1，另一根随动连杆35的末端固定在活动平台2。

其中，A2点代表第一动滑轮43的位置，B2点代表第二动滑轮44的位置，C2点代表第一定滑轮41的位置，D2点代表第二定滑轮42的位置。

本实施例中的绳索L₅和绳索L₆之间不连接，此时，绳索L₅和绳索L₆的变化率也不相同，并分别通过不同的绳索驱动器45控制两根绳索的收短量及放长量，此时，两根随动连杆35之间相对铰接点36的转动，从而实现活动平台2相对固定平台1进行转动。

实施例5

如图12－13所示，一种绳索驱动的两自由度机构，其采用实施例1所提供的单自由度模块，具体包括模块一6、模块二7和连接模块一6与模块二7的中间连接件8。

其中，模块一6所在平面与模块二7所在平面之间相交，两个平面之间的夹角为α，也即模块一6中活动平台转动过程所在平面与模块二7中活动平台转动过程所在平面之间的夹角，优选的，α的角度可以根据设计需要进行选择，同时对中间连接件8进行适配设计。

进一步的，参见图12，其中，A3代表模块一的活动平台61的第一动滑轮，B3代表模块一的活动平台61的第二动滑轮，C3代表模块一的固定平台62的第一定滑轮，D3代表模块一的固定平台62的第二定滑轮；A4代表模块二的活动平台71的第一动滑轮，B4代表模块二的活动平台71的第二动滑轮，C4代表模块二的固定平台72的第一定滑轮，D4代表模块二的固定平台72的第二定滑轮；中间连接件8分别与模块一的活动平台61、模块二的固定平台72相连接，进而实现整个机构两个自由度的转动。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种绳索驱动的单自由度模块，包括：

固定平台；

活动平台；

用于连接所述活动平台与所述固定平台的连接支链；

用于调整所述活动平台与所述固定平台相对位置的驱动支链；

其中，所述驱动支链包括第一定滑轮、第二定滑轮、第一动滑轮、第二动滑轮、两根绳索和至少一个绳索驱动器，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮设在所述固定平台上，二者分别设在所述连接支链的两侧；所述第一动滑轮和所述第二动滑轮设在所述活动平台上，二者分别设在所述连接支链的两侧，并所述第一定滑轮和所述第一动滑轮设在所述连接支链的同侧；

其中一根绳索的一端相对所述第一定滑轮固定，另一端绕过所述第一动滑轮连接至所述绳索驱动器；另一根绳索的一端相对所述第二定滑轮固定，另一端绕过所述第二动滑轮连接至所述绳索驱动器；

所述绳索驱动器的转动，驱动其中一根绳索被收短，另一根绳索被放长，从而改变所述第一动滑轮与所述第一定滑轮之间、所述第二动滑轮与所述第二定滑轮之间的相对距离，使得所述活动平台相对所述固定平台进行转动。

2.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述连接支链包括支撑连杆，所述支撑连杆的一端通过转动轴承铰接于所述固定平台，所述支撑连杆的另一端通过转动轴承铰接于所述活动平台。

3.如权利要求2所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，位于所述固定平台的连接轴承与所述第一定滑轮和所述第二定滑轮等间距设置；位于所述活动平台的连接轴承与所述第一动滑轮和所述第二动滑轮等间距设置。

4.如权利要求3所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，两根绳索之间相互连接，并其中一根绳索被收短的长度与另一根绳索被放长的长度相同。

5.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述连接支链包括两根随动连杆，两根所述随动连杆的始端相互铰接，其中一根所述随动连杆的末端固定在所述固定平台，另一根所述随动连杆的末端固定在所述活动平台。

6.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述活动平台和所述固定平台之间相抵而形成接触面，所述接触面为圆弧面，并所述接触面具有齿轮段，所述活动平台的齿轮段与所述固定平台的齿轮段之间相互啮合。

7.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述活动平台相对所述固定平台的最大转动角度为180度。

8.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述驱动支链还包括绳索导向装置，所述绳索导向装置包括第一导向滑轮和第二导向滑轮，所述第一导向滑轮设在所述绳索驱动器和所述第一动滑轮之间，所述第二导向滑轮设在所述绳索驱动器和所述第二动滑轮之间，绕过所述第一动滑轮的绳索经过所述第一导向滑轮的导向后，再绕过所述绳索驱动器，接着再经过所述第二导向滑轮的导向后，绕过所述第二动滑轮。

9.如权利要求1所述的绳索驱动的单自由度模块，其特征在于，所述驱动支链的数目有2－4个，多个所述驱动支链之间相互并联。

10.采用多个如权利要求1－9之一所述绳索驱动的单自由度模块相互串联形成的多自由度机构。