[发明专利]可重构的绳驱动串联解耦机械臂关节及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，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。

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、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。

发明内容

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，本发明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。

本发明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；