[发明专利]基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于轮系的绳驱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，抓取负载耗能大，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在基座上，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，控制算法的复杂度会急剧增加；二、采用套索传动，不存在运动耦合现象，但绳索与套索间摩擦大，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，本发明提供了一种基于轮系的绳驱动解耦机构及其解耦方法，结构简单可靠，易于实现。

一种基于轮系的绳驱动解耦机构，其特征在于:

从前向后依次包括关节基座、固定轮、随动轮、行星轮系、主动轮、当前关节连杆；其中固定轮与关节基座固定连接不能转动；主动轮与当前关节连杆固定连接，跟随当前关节连杆转动；随动轮包括随动轮主体；

上述的行星齿轮系包括固定齿轮、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沿自身轴线方向运动受到限制，绕轴线可以转动；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；

上述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；

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，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。

所述基于轮系的绳驱动解耦机构的解耦方法，其特征在于：

利用行星齿轮系的驱动，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。并且通过左行星齿轮、右行星齿轮与固定齿轮、主动齿轮的可靠啮合，实现随动轮正反向可靠驱动；

并通过后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索和后端关节右驱动绳索位移变化率的是随动轮运动角速率ω/2的2r倍，其中r为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后导线盘上的驱动绳索导线环槽的走线半径，ω为当前关节连杆的旋转角速度；