[发明专利]无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法

权利要求书

1.一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构，其特征在于：

从前向后依次包括关节基座(5)、固定轮(1)、随动轮盘组(2)、主动轮(3)和当前关节连杆(4)；还包括中心轴(213)；

其中固定轮(1)与关节基座(5)固定连接不能转动；固定轮(1)、随动轮盘组(2)均通过轴承安装于中心轴(213)上可相对转动，但轴向位移被限制；主动轮(3)与中心轴(213)固连一起转动，同时与当前关节连杆(4)固定连接；

上述随动轮盘组(2)包括中心轮(206)，中心轮(206)前侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有前侧小平面推力滚针轴承(211-1)、前侧大平面推力滚针轴承(212-1)；中心轮(206)后侧表面有两道环形同轴凹槽，径向从内到外分别安装有后侧小平面推力滚针轴承(211-2)、后侧大平面推力滚针轴承(212-2)；

中心轮(206)前侧表面同轴安装前侧解耦导线盘(209-1)和前侧驱动导线盘(210-1)；后侧表面同轴安装后侧解耦导线盘(209-2)和后侧驱动导线盘(210-2)；前侧解耦导线盘(209-1)、后侧解耦导线盘(209-2)具有半径为r₁的圆环导线槽，前侧驱动导线盘(210-1)、后侧解耦导线盘(209-2)具有半径为r₂的圆环导线槽，四个环形导线槽均同轴；

其中前侧驱动导线盘(210-1)位于前侧解耦导线盘(209-1)径向外侧；其中前侧解耦导线盘(209-1)与中心轴(213)之间安装有前侧小法兰轴承(207-1)，前侧解耦导线盘(209-1)通过前侧小法兰轴承(207-1)支撑并压向中心轮(206)前侧表面，使前侧解耦导线盘(209-1)的轴向端面与前侧小平面推力滚针轴承(211-1)保持接触；其中前侧驱动导线盘(210-1)与前侧解耦导线盘(209-1)之间安装有前侧大法兰轴承(208-1)，前侧驱动导线盘(210-1)通过前侧大法兰轴承(208-1)支撑并压向中心轮(206)前侧表面，使前侧驱动导线盘(210-1)的轴向端面与前侧大平面推力滚针轴承(212-1)保持接触；

其中后侧驱动导线盘(210-2)位于后侧解耦导线盘(209-2)径向外侧；其中后侧解耦导线盘(209-2)与中心轴(213)之间安装有后侧小法兰轴承(207-2)，后侧解耦导线盘(209-2)通过后侧小法兰轴承(207-2)支撑并压向中心轮(206)后侧表面，使后侧解耦导线盘(209-2)的轴向端面与后侧小平面推力滚针轴承(211-2)保持接触；其中后侧驱动导线盘(210-2)与后侧解耦导线盘(209-2)之间安装有后侧大法兰轴承(208-2)，后侧驱动导线盘(210-2)通过后侧大法兰轴承(208-2)支撑并压向中心轮(206)后侧表面，使后侧驱动导线盘(210-2)的轴向端面与后侧大平面推力滚针轴承(212-2)保持接触；

上述中心轮(206)前侧表面还固定有前导向滑轮模块(203)，包括左前导向滑轮模块(203-1)和右前导向滑轮模块(203-2)，左前导向滑轮模块(203-1)和右前导向滑轮模块(203-2)均由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；中心轮(206)后侧表面还固定有后导向滑轮模块(205)，左后导向滑轮模块(205-1)和右后导向滑轮模块(205-2)，左后导向滑轮模块(205-1)和右后导向滑轮模块(205-2)均由一个解耦绳索导向滑轮和驱动绳索导向滑轮组成；

中心轮(206)上方安装有定滑轮模块(204)，左定滑轮模块(204-1)和右定滑轮模块(204-2)；左定滑轮模块(204-1)和右定滑轮模块(204-2)均由一个解耦绳索定滑轮和驱动绳索定滑轮组成；

该机构还包括一根左解耦绳索(201)、一根右解耦绳索(202)、一根后端关节左驱动绳索(71)、一根后端关节右驱动绳索(72)；

上述固定轮(1)下方和主动轮(3)下方均设置有与中心轴(213)轴线平行的两个圆形通孔和两个方形通孔，两个圆孔进行圆角处理，用于上述左解耦绳索(201)、右解耦绳索(202)的导向；两个方形孔处安装导向滑轮，用于上述后端关节左驱动绳索(71)、后端关节右驱动绳索(72)的导向；

上述左解耦绳索(201)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再按顺时针方向沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块(203-1)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块(204-1)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块(205-1)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；

上述右解耦绳索(202)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再按逆时针方向沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块(203-2)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块(204-2)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块(205-2)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；

上述后端关节左驱动绳索(71)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达左前导向滑轮模块(203-1)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达左定滑轮模块(204-1)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达左后导向滑轮模块(205-1)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自上而下缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)相连；

上述后端关节右驱动绳索(72)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再按逆时针方向沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达右前导向滑轮模块(203-2)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达右定滑轮模块(204-2)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达右后导向滑轮模块(205-2)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再按顺时针方向沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)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。

2.据权利要求1所述无摩擦的绳驱动被动解耦机构的解耦减摩方法，其特征在于：

由当前关节的驱动单元(82)拉动当前关节左驱动绳索(61)与当前关节右驱动绳索(62)，从而驱动主动轮(3)转动，同时带动当前关节连杆(4)转动；由于左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的前端与固定轮(1)固定，左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的末端与主动轮(3)固定，利用左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的正反向圆弧走线缠绕，实现随动轮盘组(2)运动角速度为关节旋转角速度ω的一半，即为ω/2，并且左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)始终保持张紧，实现随动轮盘组正反向可靠驱动；

当前关节的驱动单元(82)驱动主动轮转动同时，后端关节的驱动单元(81)抱闸；由于后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)的前端与后端关节的驱动单元(81)相连，末端与后端关节连杆(9)相连，所以端部无位移变化；通过后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)正反向圆弧走线缠绕，实现后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)位移变化率的是随动轮盘组(2)运动角速率ω/2的2r₂倍，其中r₂为后端关节左、右驱动绳索沿着前、后侧驱动导线盘的绳槽的走线半径，ω为当前关节连杆的旋转角速度；

由当前关节连杆(4)转动引起的后端关节左、右驱动绳索右端的末端将产生+ωΔt·r₂，-ωΔt·r₂的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；由随动轮盘组(2)转动引起的后端关节左、右驱动绳索的右端末端将产生-2r₂·ω/2·Δt、+2r₂·ω/2·Δt的位移，其中以沿着绳索方向由驱动单元端指向关节端方向为正；两者实现相互抵消；即无论当前关节连杆(4)和主动轮(3)如何旋转，经过解耦机构后的后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)的后端与当前关节连杆(4)无相对位移，实现关节间的解耦；

上述左解耦绳索(201)和右解耦绳索(202)的前端与固定轮(1)固定，之后先穿过固定轮(1)上的对应圆形通孔，再沿着前侧解耦导线盘(209-1)的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块(203)，经过解耦绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块(204)，经过解耦绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块(205)，经过解耦绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧解耦导线盘(209-2)的绳槽自上而下缠绕，再穿过主动轮(3)上的对应圆形通孔后，绳索的末端与主动轮(3)固定；后端关节左驱动绳索(71)和后端关节右驱动绳索(72)的前端用于与后端关节的驱动单元(81)相连，之后先穿过固定轮(1)上的对应方形通孔，经过引入导向滑轮导向后，再沿着前侧驱动导线盘(210-1)的绳槽自下而上缠绕，到达前导向滑轮模块(203)，经过驱动绳索导向滑轮导向后到达定滑轮模块(204)，经过驱动绳索定滑轮转向，到达后导向滑轮模块(205)，经过驱动绳索导向滑轮导向后，再沿着后侧驱动导线盘(210-2)的绳槽自下而上缠绕，经过引出导向滑轮导向引出，再穿过主动轮(3)上的对应方形通孔后，绳索的末端与后端关节连杆(9)相连；在整个运动过程中，左、右解耦绳索和后端关节左、右驱动绳索与所接触表面无相对位移，故绳索本身不受到滑动摩擦力，只涉及绳索-滑轮的微小摩擦；除去绳索以外的摩擦形式主要包括滑轮本身的摩擦、导线盘轴向端面与平面推力滚针轴承的摩擦，这两种形式的摩擦极小，相较于驱动单元的驱动力而言可忽略不计。