[发明专利]针对绳索运动耦合的被动解耦机构及其解耦方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对绳索运动耦合的被动解耦机构及其解耦方法，尤其涉及多关节的绳驱动串联运动耦合的机械臂系统。

背景技术

目前广泛应用的机械臂体积质量大、结构复杂、刚性高、负载自重比低，抓取负载能耗大，效率低。为了降低机械臂的重量和转动惯量，近年来，很多研究人员将绳索驱动技术运用到串联机械臂中。

绳索驱动技术采用绳索传递运动和力。它将驱动单元全部安装于基座，通过绳索远程传递运动和力，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，但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的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。

发明内容

为了解决串联绳驱动机械系统驱动绳索的运动耦合问题，本发明提供了一种针对绳索运动耦合的被动解耦机构及其解耦方法，简单可靠，易于实现。

本发明涉及的一种针对绳索运动耦合的被动解耦机构，其特征在于:

从前向后依次包括关节基座、固定轮、随动轮、主动轮、当前关节连杆；其中固定轮包括固定轮轮盘和固定轮轮轴，固定轮轮盘和固定轮轮轴相互固连并与关节基座固定连接，不能相对转动；随动轮和主动轮均通过轴承安装于固定轮轮轴上可转动，但轴向移动均被限制；主动轮与当前关节连杆固定连接；

该机构还包括一根左解耦绳索、一根右解耦绳索、一根后端关节左驱动绳索、一根后端关节右驱动绳索；

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，均加工有两同心圆环导线槽，两同心圆环导线槽分别为解耦绳索导线环槽和驱动绳索导线环槽；解耦绳索导线环槽和驱动绳索导线环槽的半径分别为r₁,r₂；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由同轴安装的一个解耦绳索定滑轮和一个驱动绳索定滑轮组成；

上述固定轮下方和主动轮下方均设置有四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左解耦绳索、右解耦绳索、后端关节左驱动绳索、后端关节右驱动绳索的导向；

上述左解耦绳索的前端与固定轮固定，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解耦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解耦绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，绳索的末端与主动轮固定；

上述右解耦绳索的前端与固定轮固定，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解耦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解耦绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮上的对应通孔后，绳索的末端与主动轮固定；

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，后端关节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，后端关节右驱动绳索的末端与后端关节的旋转连杆相连；

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。

上述的基于解耦绳索的绳索运动解耦机构的解耦方法，其特征在于：

利用左解耦绳索和右解耦绳索的正反向圆弧走线缠绕，实现随动轮运动角速度为当前关节连杆旋转角速度ω的一半，即为ω/2，并且左解耦绳索和右解耦绳索始终保持张紧，实现随动轮正反向可靠驱动；