[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

说明书

本发明公开了一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法，涉及绳驱动机械臂领域，解决了多关节间驱动绳索的运动耦合及绳索摩擦问题。该机构包括固定轮、随动轮盘组、主动轮、驱动导线盘、解耦导线盘。主动轮与关节连杆连接，固定轮与关节基座连接，解绳索沿着解耦导线盘绳槽及中心轮的滑轮正反向缠绕，驱动随动轮盘组以关节连杆旋转速度的1/2旋转。后端关节的驱动绳索沿着驱动导线盘的绳槽及中心轮的滑轮缠绕，由关节连杆转动引起的驱动绳索位移变化和由随动轮盘组转动导致的位移变化相互抵消，实现绳索的运动解耦。绳索由滑轮导向，摩擦可忽略不计。该解耦机构结构紧凑、可靠，无摩擦特性保证关节精准力位控制；模块化的设计应用范围广。

技术领域

本发明涉及一种无摩擦的绳驱动被动解耦机构及其解耦减摩方法，尤其涉及多关节绳驱动串联运动耦合的机械臂系统及其精确的力位控制。

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来降低机械臂运动质量和运动体积，但同时会引入关节耦合的问题。

在现有的解耦技术中，针对绳索运动耦合的被动解耦机构及其解耦方法(专利号：2016102364834)中阐述了一种解耦方法，在该方案中，主动轮与关节连杆连接，固定轮与关节基座连接，利用解耦绳索的正反向缠绕驱动随动轮，实现随动轮运动速度是关节连杆旋转速度的1/2。后端关节的驱动绳索按随动轮上的导线槽正反向缠绕，这样，由关节连杆转动引起的驱动绳索位移变化和由随动轮转动导致的位移变化相互抵消。经过解耦机构后的驱动绳索与关节连杆无相对位移，实现绳索的运动解耦。该方案虽实现了解耦，但在实际实验中发现，绳索在进入导线盘、出导线盘的位置存在绳索与导线盘边缘的拐角的摩擦，在导线盘上缠绕运动的时候存在绳索与金属盘面的摩擦，两类摩擦均无法忽视。由此带来的问题包括：一、输出效率低；二、难以建立精确摩擦模型，对于绳驱动关节力位精准控制无法实现，控制性能受限；三、绳索磨损严重，使用寿命短。而在实际应用中，尤其是工业生产中，这三方面的不良影响将使绳驱动关节机器人发挥不出固有的优势，甚至无法满足要求，应用范围受限。因此，需要一种新的改良的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了解决现有解耦技术中存在的摩擦问题，本发明提供了一种无摩擦的绳索被动解耦机构，减摩效果明显，易于实现。

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、固定轮、随动轮盘组、主动轮和当前关节连杆；还包括中心轴；

其中固定轮与关节基座固定连接不能转动；固定轮、随动轮盘组均通过轴承安装于中心轴上可相对转动，但轴向位移被限制；主动轮与中心轴固连一起转动，同时与当前关节连杆固定连接；

上述随动轮盘组包括中心轮，中心轮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、前侧大平面推力滚针轴承；中心轮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、后侧大平面推力滚针轴承；

中心轮前侧表面同轴安装前侧解耦导线盘和前侧驱动导线盘；后侧表面同轴安装后侧解耦导线盘和后侧驱动导线盘；前侧解耦导线盘、后侧解耦导线盘具有半径为r₁的圆环导线槽，前侧驱动导线盘、后侧解耦导线盘具有半径为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位于前侧解耦导线盘径向外侧；其中前侧解耦导线盘与中心轴之间安装有前侧小法兰轴承，前侧解耦导线盘通过前侧小法兰轴承支撑并压向中心轮前侧表面，使前侧解耦导线盘的轴向端面与前侧小平面推力滚针轴承保持接触；其中前侧驱动导线盘与前侧解耦导线盘之间安装有前侧大法兰轴承，前侧驱动导线盘通过前侧大法兰轴承支撑并压向中心轮前侧表面，使前侧驱动导线盘的轴向端面与前侧大平面推力滚针轴承保持接触；