CN113043260B - 一种可解耦的绳驱动机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绳索驱动机械臂领域。目的是提出一种可解耦的绳索驱动机械臂，以消除前端关节运动时对后端关节造成的耦合。技术方案是：一种可解耦的绳驱动机械臂，包括底座、通过大臂主轴可转动地定位在底座上的大臂、通过小臂主轴可转动地定位在大臂上的小臂、固定在小臂上的平台、设置在底座上的第一电机与第二电机、传递第一电机动力驱动大臂转动的第一传动机构、传递第二电机动力驱动大臂转动的第二传动机构、与两个传动机构配合的解耦机构；其特征在于：所述第一传动机构包括由第一电机驱动的大臂驱动轮、与大臂主轴固定的大臂传动轮、两端分别缠绕固定在大臂驱动轮与大臂传动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳。

Description

一种可解耦的绳驱动机械臂

技术领域

本发明涉及绳索驱动机械臂领域，具体是涉及一种具有解耦功能的绳索驱动机械臂。

背景技术

绳驱动技术依靠绳索来传递力与运动的方式，实现对关节转动的控制，绳索可以沿着任意路径进行远距离传输力与运动，因而能够将全部的驱动单元安装在基座上。由于传动绳索很轻，驱动单元外置能避免臃肿粗大的关节结构、降低关节重量与转动惯量、增加自身承重比、降低成本，同时传动绳索因其本身的柔性，加强了机器人的缓冲吸振的能力，一定程度上改善了机器人的人机交互安全性，很好地解决了传统机械臂存在的问题，但也带来了关节之间的耦合问题。绳驱动机器人存在其固有的运动耦合问题。由于后端关节的驱动绳索需要经过前端关节走线，当前端关节转动时，后端关节驱动绳索会由于前端关节的转动产生一定的绳长变化，从而使后端关节产生一定的关节角变化，即两个关节的运动不独立，关节间产生运动耦合。

目前针对这种耦合的解耦方法主要采用控制算法进行主动解耦和设计解耦机构进行解耦，算法解耦的复杂度会随着关节的增多而大大增加，并且对于前端关节是回转关节以及前后关节之间的运动耦合是非线性的情况，难以通过控制算法进行主动解耦；若采用套索结构，虽然不存在运动耦合，但是驱动绳索与套索之间为滑动摩擦，不仅摩擦力大，且存在死区、间隙、迟滞等非线性特性，机械臂的控制精度难以保证。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提出一种可解耦的绳索驱动机械臂，以消除前端关节运动时对后端关节造成的耦合。

本发明的技术方案是：

一种可解耦的绳驱动机械臂，包括底座、通过大臂主轴可转动地定位在底座上的大臂、通过小臂主轴可转动地定位在大臂上的小臂、固定在小臂上的平台、设置在底座上的第一电机与第二电机、传递第一电机动力驱动大臂转动的第一传动机构、传递第二电机动力驱动大臂转动的第二传动机构、与两个传动机构配合的解耦机构；其特征在于：

所述第一传动机构包括由第一电机驱动的大臂驱动轮、与大臂主轴固定的大臂传动轮、两端分别缠绕固定在大臂驱动轮与大臂传动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳；所述第二传动机构包括由第二电机驱动的小臂驱动轮、与小臂主轴固定的小臂传动轮、两端分别缠绕固定在小臂驱动轮与小臂传动轮上并且缠绕方向相反的两条第二传动绳；

所述解耦机构包括与大臂驱动轮同轴固定的解耦驱动轮、可转动地定位在大臂主轴上的解耦传动轮与小臂从动轮、可转动地定位在解耦传动轮外圆周面上的解耦盘、两端分别缠绕固定在解耦驱动轮与解耦传动轮上并且缠绕方向相反的两条解耦传动绳；所述解耦传动轮布置在两个小臂从动轮之间，小臂从动轮的间距与解耦盘的外径相适合，解耦盘的转动轴线与大臂主轴的轴线垂直相交，解耦盘与大臂主轴的间距与小臂从动轮的外径相适合；

所述第二传动绳还依次绕过其中一个小臂从动轮、解耦盘、另一个小臂从动轮，两条第二传动绳在小臂从动轮与解耦盘上的缠绕方向相反。

所述大臂主轴、小臂主轴、第一电机输出轴、第二电机输出轴平行布置。

所述大臂驱动轮与解耦驱动轮同轴布置；所述大臂传动轮、解耦传动轮与小臂从动轮同轴布置。

所述底座上设有轴承座，与大臂固定的大臂主轴可转动地定位在轴承座上，与小臂固定的小臂主轴可转动地定位在大臂上。

所述解耦驱动轮外径为解耦传动轮外径的一半；所述大臂驱动轮和大臂传动轮外径相同。

所述底座上设有用于检测大臂转动角度的第一编码器；所述大臂上设有用于检测小臂转动角度的第二编码器。

本发明的有益效果是：

本发明所采用的解耦机构与第一传动机构、第二传动机构进行配合，可以省去算法解耦的复杂度，简化绳驱动机械臂的控制算法，通过解耦盘绕大臂主轴公转抵消大臂转动时对小臂产生的耦合影响，从而实现大小臂之间的运动解耦，其工作范围大、控制精度高、结构简单可靠、体积较小，可以很好地优化机械臂的设计，提高机械臂控制精度，简化机械臂控制的复杂度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的第一传动机构与解耦机构的立体结构示意图。

图3是图2的主视结构示意图。

图4是图2的左视结构示意图。

图5是本发明的解耦盘、解耦传动轮、小臂从动轮的示意图。

图6是图5的***图。

图7是本发明的第二传动绳在解耦机构上的缠绕方式示意图。

图8是图7中其中一条第二传动绳的示意图。

图9是三关节机械臂的示意图。

图10是四关节机械臂的示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种可解耦的绳驱动机械臂，包括底座1、大臂5、小臂6、平台7、第一传动机构、第二传动机构、解耦机构、第一电机、第二电机。

所述底座上设有轴承座1.1。所述大臂上固定大臂主轴9，大臂通过大臂主轴可转动地定位在轴承座上。所述小臂上固定小臂主轴10，小臂通过小臂主轴可转动地定位在大臂上。所述平台设置在小臂端部，外部设备安装在平台上。

所述轴承座上设有第一编码器(图中省略)，第一编码器与大臂主轴连接用于检测大臂转动角度，大臂上设有第二编码器(图中省略)，第二编码器与小臂主轴连接用于检测小臂转动角度。

所述第一电机与第二电机设置在底座上，第一传动机构用于传递第一电机动力驱动大臂转动，第二传动机构用于传递第二电机动力驱动小臂转动，解耦机构用于配合第一传动机构与第二传动机构。所述底座上还设有第一驱动轴8与第二驱动轴7，第一驱动轴同轴连接第一电机的输出轴，第二驱动轴同轴连接第二电机的输出轴。

所述第一传动机构中：大臂驱动轮2固定在第一驱动轴上，大臂传动轮2.1固定在大臂主轴上，第一传动绳11连接大臂驱动轮与大臂传动轮；第一传动绳的数量为两条，这两条第一传动绳的端部以相反方向缠绕在大臂驱动轮与大臂传动轮上。所述大臂驱动轮和大臂传动轮外径相同。

所述第二传动机构中：小臂驱动轮4固定在第二驱动轴上，小臂传动轮4.2固定在小臂主轴上，第二传动绳12连接小臂驱动轮与小臂传动轮；第二传动绳的数量为两条，这两条第二传动绳的端部以相反方向缠绕固定在小臂驱动轮与小臂传动轮上。

所述小臂驱动轮包括第一小臂驱动轮4-1与第二小臂驱动轮4-2，第一小臂驱动轮的外径大于第二小臂驱动轮的外径，小臂传动轮包括第一小臂传动轮4-3与第二小臂传动轮4-4，第一小臂传动轮的外径大于第二小臂传动轮的外径，第一小臂驱动轮与第一小臂传动轮的外径之比等于第二小臂驱动轮与第二小臂传动轮的外径之比。其中一条第二传动绳的两端分别连接第一小臂驱动轮与第一小臂传动轮，另一条第二传动绳的端部连接第二小臂驱动轮与第二小臂传动轮，并且这两条第二传动绳的中部还缠绕在解耦机构上。

所述解耦机构包括解耦驱动轮3、解耦传动轮3.1、小臂从动轮4.1、解耦盘3.2、解耦传动绳13。两个解耦驱动轮固定在第一驱动轴上(与大臂驱动轮同轴固定)，解耦传动轮与两个小臂从动轮可转动地定位在大臂主轴上，两条解耦传动绳的端部以相反方向缠绕在解耦传动轮与其中一个解耦驱动轮上；小臂从动轮分别布置在解耦传动轮的两侧，解耦盘可转动地定位在解耦传动轮外圆周面上，小臂从动轮的间距与解耦盘的半径相适合，解耦盘的转动轴线与大臂主轴的轴线垂直相交，解耦盘到大臂主轴的间距与小臂从动轮的半径相适合。所述解耦驱动轮外径为解耦传动轮外径的一半。

如图3和图7所示，其中一条的第二传动绳的一端连接第一小臂驱动轮，另一端依次绕过左侧的小臂从动轮、解耦盘、右侧的小臂从动轮后连接第一小臂传动轮，另一条的第二传动绳的一端连接第二小臂驱动轮，另一端依次绕过右侧的小臂从动轮、解耦盘、左侧的小臂从动轮后连接第二小臂传动轮，同时，这两条第二传动绳在小臂从动轮与解耦盘上的缠绕方向相反。

如图2所示和图7所示，对于连接第一小臂驱动轮与第一小臂从动轮的第二传动绳，其在左侧的小臂从动轮上绕过1/4圈，其在右侧的小臂从动轮上绕过3/4圈，其在解耦盘上绕过半圈；对于连接第二小臂驱动轮与第二小臂从动轮的第二传动绳，其在左侧的小臂从动轮上绕过3/4圈，其在右侧的小臂从动轮上绕过1/4圈，其在解耦盘上绕过半圈。

所述解耦原理：当大臂驱动轮带动大臂传动轮转动时，大臂转动，同时，和大臂驱动轮同轴的解耦驱动轮也转动相同角度，解耦驱动轮带动解耦传动轮绕大臂主轴转动，由于解耦盘固定在解耦传动轮上因此也会随之转动(解耦盘绕大臂主轴公转，同时解耦盘进行自转，两个小臂从动轮的转动方向相反)，当大臂主轴转动θ角时，解耦传动轮与解耦盘绕大臂主轴转动θ/2角，通过解耦盘绕大臂主轴的小幅度圆周运动来抵消因大臂转动引起的小臂驱动绳索位移，从而实现大小臂之间的运动解耦。

本发明还可在多关节的机械臂上采用解耦机构：解耦盘与各小臂传动轮的层数一一对应，同时层数对应着经过解耦机构之后的所有关节驱动绳数量，每个关节均由两根驱动绳驱动，因此在解耦机构后每增加一个关节，解耦盘与小臂传动轮的层数均增加两层，当面对多关节解耦时，沿各自转轴方向增加解耦盘与小臂传动轮的层数即可实现多关节解耦。

一般来说常用的机械臂具有3到6个自由度，随着机械臂的自由度数量的增加，运动灵活性会增加，对于绳驱而言自由度数量的增加其解耦机构的数量与复杂度也会相应增加。绳驱中常见机械臂的结构包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节。腰关节一般是回转关节，肩关节、肘关节和腕关节一般为俯仰旋转关节，绳驱动机械臂考虑到绕线方式和机械臂的动力学特性，一般都会把电机放置在腰部，这样，第1个关节(腰关节)和第2个关节(肩关节)直接通过电机传动装置实现驱动，第3个关节(肘关节)开始通过放置在腰关节的电机远程进行绳驱动并且需要进行解耦；

对于三关节的机械臂而言，只需要对第3个关节进行解耦即可，解耦机构需要安装在第2个关节上。如图9所示为三自由度绳驱动机械臂，标号A1表示第1个关节，标号A2表示第2个关节，标号A3表示第3个关节，第1个关节绕竖直轴转动，第2关节、第3关节绕水平轴转动，电机驱动位于第1关节，所以只要在第2关节上设置解耦机构对第3关节解耦。在第2关节处设置一个解耦机构，解耦盘与小臂传动轮的层数为2层，即可实现第2关节对第3关节的解耦。第3关节为末端关节，无需解耦，即实现了三自由度绳驱动机械臂整体解耦方案设计。

对于四关节的机械臂而言，需要对第3和第4个关节进行解耦，解耦机构需要安装在第2和第3个关节上。如图10所示为四自由度绳驱动机械臂，标号A1表示第1个关节，标号A2表示第2个关节，标号A3表示第3个关节，标号A4表示第4个关节。第1个关节绕竖直轴转动，第2、3、4关节绕水平轴转动。在第2关节处设置一个解耦机构，解耦盘与小臂传动轮的层数为4层，即可实现第2关节对第3关节以及第4关节的解耦；在第3关节处设置一个解耦机构，解耦盘与小臂传动轮的层数为2层，即可实现第3关节对第4关节的解耦，第4关节为末端关节，无需解耦，即实现了四自由度绳驱动机械臂整体解耦方案设计。

Claims (6)

1.一种可解耦的绳驱动机械臂，包括底座(1)、通过大臂主轴(9)可转动地定位在底座上的大臂(5)、通过小臂主轴(10)可转动地定位在大臂上的小臂(6)、固定在小臂上的平台(7)、设置在底座上的第一电机与第二电机、传递第一电机动力驱动大臂转动的第一传动机构、传递第二电机动力驱动大臂转动的第二传动机构、与两个传动机构配合的解耦机构；其特征在于：

所述第一传动机构包括由第一电机驱动的大臂驱动轮(2)、与大臂主轴固定的大臂传动轮(2.1)、两端分别缠绕固定在大臂驱动轮与大臂传动轮上并且缠绕方向相反的两条第一传动绳(11)；所述第二传动机构包括由第二电机驱动的小臂驱动轮(4)、与小臂主轴固定的小臂传动轮(4.2)、两端分别缠绕固定在小臂驱动轮与小臂传动轮上并且缠绕方向相反的两条第二传动绳(12)；

所述解耦机构包括与大臂驱动轮同轴固定的解耦驱动轮(3)、可转动地定位在大臂主轴上的解耦传动轮(3.1)与小臂从动轮(4.1)、可转动地定位在解耦传动轮外圆周面上的解耦盘(3.2)、两端分别缠绕固定在解耦驱动轮与解耦传动轮上并且缠绕方向相反的两条解耦传动绳(13)；所述解耦传动轮布置在两个小臂从动轮之间，小臂从动轮的间距与解耦盘的外径相适合，解耦盘的转动轴线与大臂主轴的轴线垂直相交，解耦盘与大臂主轴的间距与小臂从动轮的外径相适合；

所述第二传动绳还依次绕过其中一个小臂从动轮、解耦盘、另一个小臂从动轮，两条第二传动绳在小臂从动轮与解耦盘上的缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种可解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述大臂主轴、小臂主轴、第一电机输出轴、第二电机输出轴平行布置。

3.根据权利要求2所述的一种可解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述大臂驱动轮与解耦驱动轮同轴布置；所述大臂传动轮、解耦传动轮与小臂从动轮同轴布置。

4.根据权利要求3所述的一种可解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述底座上设有轴承座(1.1)，与大臂固定的大臂主轴可转动地定位在轴承座上，与小臂固定的小臂主轴可转动地定位在大臂上。

5.根据权利要求4所述的一种可解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述解耦驱动轮外径为解耦传动轮外径的一半；所述大臂驱动轮和大臂传动轮外径相同。

6.根据权利要求5所述的一种可解耦的绳驱动机械臂，其特征在于：所述底座上设有用于检测大臂转动角度的第一编码器；所述大臂上设有用于检测小臂转动角度的第二编码器。

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