[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

摘要

本发明公开了一种可重构的绳驱动串联解耦机械臂关节及其工作方法，解决了多关节串联绳驱动机械臂的各关节间的运动耦合问题。并基于该解耦机构，设计了两种不同类型的模块化绳驱动关节。根据目标任务的需求，变换关节的旋转类型、增减机械臂关节的个数，实现多种构型机械臂的组装，该应用方式应用范围广，实现成本低。由于该机械臂驱动单元置于基座处，采用绳索远程驱动，减小了关节的转动惯量，提高了驱动的响应特性。并且，绳索的柔顺性将大大提升机械臂与环境交互的安全性。本发明的绳驱动模块化关节结构紧凑，转动惯量低、驱动响应快，关节柔顺性好，安全交互性好。

主权项

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(11)，回转连杆(12)，绳索运动解耦机构(3)，导向滑轮(13)，回转连杆承载轴承(14)；其中回转关节的旋转轴线与回转连杆(12)轴线重合；其中上述的绳索运动解耦机构(3)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(31)、随动轮(32)、行星轮系、主动轮(33)；固定轮(31)固定不能转动，主动轮(33)可以绕自身中心轴线旋转；随动轮(32)包括随动轮主体(32‑4)；上述的行星轮系包括固定齿轮(34‑1)、主动齿轮(34‑2)，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)；各个齿轮的模数相同，并且固定齿轮(34‑1)与主动齿轮(34‑2)齿数相同，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)齿数相同；固定齿轮(34‑1)与固定轮(31)连接，主动齿轮(34‑2)与主动轮(33)连接，左行星齿轮(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)均安装于随动轮主体(32‑4)，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(34‑3)和右行星齿轮(34‑4)通过与固定齿轮(34‑1)、主动齿轮(34‑2)的啮合限制随动轮(32)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(35‑1)、一根后端关节右驱动绳索(35‑2)；关节左驱动绳索(36‑1)、关节右驱动绳索(36‑2)；上述随动轮主体(32‑4)的前侧安装前侧导线盘(32‑2)，后侧安装后侧导线盘(32‑3)，前侧导线盘(32‑2)和后侧导线盘(32‑3)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(32‑4)上方还安装左定滑轮模块(32‑11)和右定滑轮模块(32‑12)；左定滑轮模块(32‑11)和右定滑轮模块(32‑12)均为后端关节驱动绳索的导向定滑轮；上述固定轮(31)下方和主动轮(33)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(35‑1)、后端关节右驱动绳索(35‑2)的导向；上述后端关节左驱动绳索(35‑1)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(31)上的对应通孔，再按顺时针方向沿着前侧导线盘(32‑2)的驱动绳索导线环槽自下而上到达左定滑轮模块(32‑11)，再经过左定滑轮模块(32‑11)换向180度，再按逆时针方向沿着后侧导线盘(32‑3)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，左驱动绳索(35‑1)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(35‑2)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(31)上的对应通孔，再按逆时针方向沿着前侧导线盘(32‑2)的驱动绳索导线环槽自下而上到达右定滑轮模块(32‑12)，再经过右定滑轮模块(32‑12)换向180度，再按顺时针方向沿着后侧导线盘(32‑3)的驱动绳索导线环槽自上而下，再穿过主动轮(33)上的对应通孔后，右驱动绳索(35‑2)的末端与后端关节的旋转连杆相连；上述关节左驱动绳索(36‑1)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮(33)固连，关节左驱动绳索(36‑1)逆时针缠绕在主动轮(33)上；上述关节右驱动绳索(36‑2)的前端与关节的驱动单元相连，后端与主动轮(33)固连，关节右驱动绳索(36‑2)顺时针缠绕在主动轮(33)上；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；上述绳索运动解耦机构(3)的固定轮(31)与回转关节中的回转基座(11)固定连接，主动轮(33)与回转连杆(12)固定连接；回转连杆承载轴承(14)内圈安装在回转连杆(12)上，外圈安装在回转基座(11)的轴孔中，采用轴用弹性挡圈、轴肩进行轴线固定；回转连杆承载轴承(14)承受回转关节的轴向和径向载荷；导向滑轮(13)固定安装在回转基座(11)上，对关节左驱动绳索(36‑1)、关节右驱动绳索(36‑2)进行导向。