本发明涉及多关节机器人领域，具体地说是一种柔性传动机械手臂及控制系统。
背景技术
水平多关节机器人(中文译名：选择顺应性装配机器手臂)具有四个轴和四个运动自由度：x,y,z方向的平动自由度和绕z轴的转动自由度，其在x,y方向上具有顺从性，而在z轴方向上具有良好的刚度。水平多关节机器人的基本构型包括基座、大臂、小臂和末端组件四个部分，其中大臂和小臂是串联的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限的空间中进行作业并收回，基座和大臂连接于一轴，大臂和小臂连接于二轴，三轴和四轴位于小臂和末端构件之间。现有技术中，驱动二轴的电机和减速机以及驱动三轴和四轴的电机均布置于小臂上，对于高速运动的机械手惯量较大。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种柔性传动机械手臂及控制系统，驱动装置设置于基座内，有效减小运动构件的运动惯量，消耗功率小，更加节能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种柔性传动机械手臂及控制系统，包括基座、大臂和小臂，基座和大臂通过一轴转动连接，大臂和小臂通过二轴转动连接，包括拉索驱动装置、拉索卷筒、拉索和齿轮组件，所述拉索驱动装置和拉索卷筒设置于基座内，且拉索卷筒通过所述拉索驱动装置驱动旋转，所述齿轮组件设置于大臂与小臂连接一端，所述拉索卷筒通过拉索与所述齿轮组件中的主动齿轮轮轴相连，所述齿轮组件中的从动输出齿轮设置在所述二轴上。
所述拉索驱动装置的动力输出轴上设有两个拉索卷筒，在所述齿轮组件的主动齿轮轮轴上设有两个被动轮，所述两个拉索卷筒分别通过不同的拉索与所述两个被动轮相连。
所述拉索包括拉索套和钢丝绳，钢丝绳设置于所述拉索套中，所述拉索套一端与基座的壳体固连，另一端与大臂和小臂连接一端固连，所述两条拉索内的钢丝绳一端分别缠绕在不同的拉索卷筒上，另一端分别缠绕在不同的被动轮上。
所述两个拉索卷筒同轴设置且设有拉索预紧装置。
所述拉索预紧装置包括第一凸耳、第二凸耳和弹簧，第一凸耳固装于第一拉索卷筒上，第二凸耳与第一凸耳同侧且穿过所述第一拉索卷筒后与第二拉索卷筒固连，相邻的第一凸耳和第二凸耳为一组并通过弹簧相连，沿着圆周方向均布有多组第一凸耳和第二凸耳。
所述拉索预紧装置为弹簧，在两个拉索卷筒上沿着周向设有多个弧形槽，每个弧形槽内均设有弹簧，且所述弹簧两端分别与不同拉索卷筒相连。
所述大臂上设有一个齿轮箱，所述齿轮组件中的主动齿轮轮轴设置于所述齿轮箱内，所述齿轮组件中的从动输出齿轮设置在所述二轴上。
所述二轴通过轴承安装于大臂端部，在所述二轴上下两端均设有旋转密封。
在所述大臂端部一侧设有油压平衡装置。
所述油压平衡装置为波纹管。
在所述大臂端部内设有伺服码盘，在所述二轴两端设有电器构件。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明将拉索驱动装置设置于基座内，大臂和小臂中只含有质量较小的轻量化传动构件和伺服码盘，相较于现有技术，运动构件运动惯量小，这样伺服再生电阻消耗功率小，更加节能。
2、本发明在运动构件中，只有伺服码盘的直流信号线，而无拉索驱动装置的交流动力线，并在二轴两端分别引入一个可以无限旋转的电器构件传送伺服码盘的检测信号，这样避免了传统供电方式的线缆相对运动。
3、本发明的机械手在制动的过程中对安装基础的冲击振动较小，并能获得稳定的最佳载荷平衡，高速轴由轴承支持，所以无需增加零件就可满足径向载荷规格的需要，工作效率高，并且在主要的减速机构部分采用了耐磨性和耐疲劳性优异的高碳铬轴承钢，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的a处示意图，
图3为图1中拉索预紧装置的一个实施例的示意图，
图4为图3中的两个拉索卷筒剖视图，
图5为图1中拉索预紧装置的另一个实施例的示意图，
图6为图5中的b-b剖视图。
其中，101为控制系统，102为基座，103为电机，104为第一拉索卷筒，105为拉索预紧装置，106为第二拉索卷筒，107为拉索，108为拉索套，109为第一被动轮，110为钢丝绳，111为第二被动轮，112为齿轮组，113为旋转密封，114为齿轮箱，115为油压平衡装置，116为大臂，117为伺服码盘，118为轴承，119为小臂，120为二轴，121为电器构件，122为一轴，123为第一凸耳，124为弹簧，125为第二凸耳，126为弧形槽，127为弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～2所示，水平多关节机器人的基本构型包括基座102、大臂116、小臂119和末端组件128四个部分，其中基座102和大臂116通过一轴122转动连接，大臂116和小臂119通过二轴120转动连接，所述基座102固定，在所述基座102外侧设有控制机械手运动的控制系统101。
如图1～2所示，本发明包括拉索驱动装置103、第一拉索卷筒104、第二拉索卷筒106、两条拉索107和一组齿轮组件112，其中拉索驱动装置103、第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106均设置于基座102壳体内，且所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106均安装于所述拉索驱动装置103的动力输出轴上，如图2所示，所述齿轮组件112设置于大臂116与小臂119相连一端端部，其中在大臂116上设有一个齿轮箱114，所述齿轮组件112中的主动齿轮轮轴设置于所述齿轮箱114内，所述齿轮组件112中的从动输出齿轮设置在所述二轴120上，在所述齿轮组件112的主动齿轮轮轴上设有两个被动轮，所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106分别通过不同的拉索107与所述两个被动轮相连。本实施例中，所述拉索驱动装置103为电机，所述齿轮组件为锥齿轮传动机构。
如图1～2所示，所述拉索107包括拉索套108和钢丝绳110，钢丝绳110设置于所述拉索套108中，且所述拉索套108一端与基座102的壳体固连，另一端与齿轮箱114固连，所述两条拉索107内的钢丝绳110一端伸入基座102内并分别缠绕在所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106上，另一端伸入所述齿轮箱114内并分别缠绕在齿轮箱114内的第一被动轮109和第二被动轮111上。
所述拉索107类似于自行车的刹车线，所述刹车线是个外部有钢丝支撑的柔性橡胶管，本发明中，所述拉索套108相当于橡胶管套，如果电机103不启动，第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106不会转动，拉索107内的钢丝绳110也不会被拉动，处于松弛状态，无论大臂116的壳体相对于基座102如何转动，所述齿轮箱114内的两个被动轮也不会被钢丝绳110拉动，所述齿轮组件112也就不会转动引起小臂119相对大臂116的转动。
如果电机103转动，第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106旋转分别拉紧两条拉索107内的钢丝绳110，进而通过两个被动轮拉动齿轮组件112同步转动驱动小臂119相对于大臂116转动。
所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106同轴设置且设有拉索预紧装置105，所述拉索预紧装置105用于使所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106在相反的方向上弹性自适应预紧。
如图3～4所示，所述拉索预紧装置105所采用的一种结构包括第一凸耳123、第二凸耳125和弹簧124，第一凸耳123固装于第一拉索卷筒104上，第二凸耳125与第一凸耳123同侧且穿过所述第一拉索卷筒104后与第二拉索卷筒106固连，相邻的第一凸耳123和第二凸耳125为一组并通过所述弹簧124相连，沿着圆周方向均布有多组第一凸耳123和第二凸耳125。所述弹簧124拉力使两个拉索卷筒错位消除间隙，并使所连钢丝绳110消隙预紧。
如图5～6所示，所述拉索预紧装置105所采用的另一种结构是在两个拉索卷筒上沿着周向设有多个弧形槽126，每个弧形槽126内均设有弹簧127，且所述弹簧127两端分别与不同拉索卷筒的槽端内壁固连，或者不同拉索卷筒槽内分别设有立柱，所述弹簧127两端分别与不同拉索卷筒上的立柱相连。装配时需使所述弹簧127有足够拉力，使第一拉索卷筒104后与第二拉索卷筒106同时拉紧钢丝绳110时实现消除间隙、加大预紧的目的。
如图1～2所示，所述二轴120通过轴承118安装于大臂116端部，在所述二轴120上下两端均设有旋转密封113，使二轴120所在空间完全密封。
如图1～2所示，在所述大臂116端部一侧设有油压平衡装置115，用于润滑齿轮组件112的润滑脂受热膨胀产生的体积增加将由所述油压平衡装置115弹性变形补偿。本实施例中，所述油压平衡装置115为波纹管，齿轮组件112运动的动能转化为热能，润滑脂受热膨胀，此时依靠波纹管将所述封闭空间中的过剩压力能转化为波纹管的伸展弹性势能存储起来，需要时释放出去，其结构简单，成本较低。
如图1～2所示，在所述大臂116端部内设有伺服码盘117，在所述二轴120两端设有电器构件121，所述伺服码盘117用于检测小臂119相对于大臂116的旋转角度，所述伺服码盘117为本领域公知技术。两个电器构件121之间连有电缆，所述电器构件121用于实现数据传输，保证小臂119相对于116大臂外壳的可以无限圈运动。本实施例中，所述电器构件121为导电滑环，是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置，此为本领域公知技术。
本发明的工作原理为：
本发明中的拉索驱动装置103通过驱动所述第一拉索卷筒104和第二拉索卷筒106旋转拉紧两条拉索107，进而通过齿轮组件112驱动小臂119相对大臂116转动。现有技术驱动小臂119相对转动的结构电机、减速机是直接设置于大臂116或小臂119上，对于高速运动的机械手惯量较大，而本发明将拉索驱动装置103设置于基座102内，大臂116和小臂119中只含有质量较小的轻量化传动构件和伺服码盘，大大减小了高速运动机械手的惯量。由于运动构件中，只有伺服码盘117的直流信号线，而无拉索驱动装置103的交流动力线，因此在关节二轴120两端分别引入一个可以无限旋转的电器构件121，用于在旋转关节处传送伺服码盘117的检测信号，这样避免了传统供电方式的线缆相对运动。但由驱动部件到末端组件的柔性拉索108传动链较长，会引起振动频率改变、控制精度稳定性不高、驱动参数匹配较难等问题，所以控制系统101通过伺服码盘117采集全部运动末端的运动情况，通过多次运动工作周期的自学习功能，达到轻量化的机械手运动性能在控制层次的提升。