本发明涉及机械驱动领域，尤其涉及一种绳驱动机械臂关节的解耦机构及其解耦方法。
背景技术：
传统机械臂大都将驱动器电机直接安装在关节处，这使得机械臂的体积质量大、转动惯量大、结构复杂、负载自重比低。
绳驱动技术采用绳索远程传递运动和力，实现对关节转动的控制，因而能够将全部的驱动单元安装在基座上。由于传动绳索很轻，且驱动单元外置，所以机械臂的结构得到了很大的简化，质量和转动惯量以及体积都得到了大幅度的降低，从而很好地解决了传统机械臂存在的问题，但同时也带来了关节之间的耦合问题。
在绳驱动串联机械臂中，由于前端关节的转动会引起穿过前端关节的后端关节驱动绳索在过渡轮上缠绕量的变化，从而对后端关节产生一个附加的运动，即两个关节的运动不独立。
目前针对这种耦合的解耦方法主要有采用控制算法进行主动解耦和设计解耦机构进行解耦两种，算法解耦会随着关节的增多，其复杂度会大大增加，且对于前端关节是回转关节的，前后关节之间的运动耦合是非线性的，也就难以通过控制算法进行主动解耦；采用套索结构，不存在运动耦合，但是驱动绳索与套索之间为滑动摩擦，不仅摩擦力大，且存在死区、间隙、迟滞等非线性特性，机械臂的控制精度难以保证。
技术实现要素：
为解决现有解耦方法存在的问题，本发明提供了一种绳驱动解耦机构以解决绳驱动串联机械臂各关节之间的运动耦合问题，该解耦机构结构简单可靠，工作范围大，摩擦力小。
本发明的技术方案为：
一种绳驱动机械臂关节的解耦机构，所述的机械臂结构包括：前臂、后臂、并排布置且与后臂固定连接的两定位杆一、与前臂固定连接的两两一组、并排布置的定位杆二和定位杆三以及单独的定位杆四；
所述解耦机构包括导向滑轮组五、过渡轮、解耦组件、导向滑轮组三和后端关节驱动绳索，所述过渡轮至少包括过渡轮一，所述后端关节驱动绳索至少包括后端关节驱动绳索左段和后端关节驱动绳索右段；
所述导向滑轮组五由导向滑轮五套在所述定位杆一上组成，每一定位杆一上套至少一个导向滑轮五，所述导向滑轮五至少包括第一导向滑轮五和第二导向滑轮五；
所述解耦组件自上而下依次包括：解耦部件一、导向滑轮组四、解耦部件二、导向滑轮组一；
所述解耦部件一由主动轮、解耦绳索驱动轮一和解耦绳索驱动轮二依次固定连接在关节连杆上所组成；
所述过渡轮一套在所述关节连杆上，且在所述解耦绳索驱动轮一和所述解耦绳索驱动轮二之间；
所述导向滑轮组四由导向滑轮四套在所述定位杆二上组成，每一定位杆二上套至少三个导向滑轮四，所述导向滑轮四至少包括：第一导向滑轮四、第二导向滑轮四、第三导向滑轮四、第四导向滑轮四、第五导向滑轮四和第六导向滑轮四；
所述解耦部件二由并排布置的位移补偿装置一和位移补偿装置二组成，所述位移补偿装置一由固定块一、至少一个导向滑轮二和固定块三依次连接在滑梁一上组成，所述位移补偿装置二由固定块二、至少一个导向滑轮二和固定块四依次连接在滑梁二上组成，所述导向滑轮二至少包括第一导向滑轮二和第二导向滑轮二；
所述前臂上开的两滑槽用于限制对应的滑梁作上下移动；
所述导向滑轮组一由第一导向滑轮一和第二导向滑轮一依次套在所述定位杆四上组成；
所述解耦组件还包括解耦绳索，所述解耦绳索包括解耦绳索一和解耦绳索二；
所述解耦绳索一的上段绕过所述解耦绳索驱动轮一、所述第一导向滑轮四和所述第二导向滑轮四固定在所述固定块一和所述固定块二的上表面，所述解耦绳索二的上段绕过所述解耦绳索驱动轮二、所述第五导向滑轮四和所述第六导向滑轮四固定在所述固定块三和所述固定块四的上表面，所述解耦绳索一的下段绕过所述第一导向滑轮一固定在所述固定块一和所述固定块二的下表面，所述解耦绳索二的下段绕过所述第二导向滑轮一固定在所述固定块三和所述固定块四的下表面，使得工作时所述滑梁一和所述滑梁二只承受弯矩作用，防止滑梁一和滑梁二发生侧翻；
所述导向滑轮组三由导向滑轮三套在所述定位杆三上组成，每一定位杆三上套至少一个导向滑轮三，所述导向滑轮三至少包括第一导向滑轮三和第二导向滑轮三；
所述两定位杆三位于所述解耦组件外侧、所述滑梁一和所述滑梁二上方，两侧各一；
所述后端关节驱动绳索包括后端关节驱动绳索左段和后端关节驱动绳索右段，所述后端关节驱动绳索左段的下端与后端关节驱动器相连，之后向上顺时针绕过所述第一导向滑轮三换向180°，再向下逆时针绕过所述滑梁一上的第一导向滑轮二换向180°，然后向上通过所述第三导向滑轮四、所述过渡轮一以及所述第一导向滑轮五后与后端关节的驱动轮相连；
所述后端关节驱动绳索右段的下端与后端关节驱动器相连，之后先向上逆时针绕过所述第二导向滑轮三换向180°，向下再顺时针绕过所述滑梁二上的第二导向滑轮二换向180°，然后向上通过所述第四导向滑轮四、所述过渡轮一以及所述第二导向滑轮五后与后端关节的驱动轮相连；
当前关节驱动绳索连接主动轮和当前关节驱动器。
更进一步地，所述过渡轮一的轮槽直径是所述解耦绳索驱动轮一和所述解耦绳索驱动轮二轮槽直径的2倍。
一种绳驱动机械臂关节解耦机构的解耦方法，利用过渡轮的轮槽直径是解耦绳索驱动轮轮槽直径的2倍，实现滑梁一和滑梁二的位移变化率是后端关节驱动绳索末端位移变化率wr的1/2，即wr/2，其中，w是当前关节连杆的转动角速度，r为过渡轮的轮槽半径；
由于解耦绳索一和解耦绳索二与两滑梁的连接作用，无论当前关节连杆是正转还是反转，都能实现导向滑轮二稳定准确的位移；
由当前关节连杆逆时针转动引起的后端关节驱动绳索左段上端的末端将产生+wr的位移，后端关节驱动绳索右段上端的末端将产生-wr的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器指向关节方向为正；滑梁一向下移动，滑梁二向上移动，由滑梁一和滑梁二移动引起的后端关节驱动绳索左段上端的末端将产生-2wr/2的位移，后端关节驱动绳索右段上端的末端将产生+2wr/2的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器指向关节方向为正；前后的位移实现相互抵消，即无论主动轮带动当前关节连杆如何转动，经过解耦关节的后端关节驱动绳索左段和后端关节驱动绳索右段的末端与当前关节连杆之间无相对位移；
当当前关节驱动器带动主动轮以角速度w顺时针转动时，当前关节连杆顺时针转动，后端关节驱动绳索左段上端的末端将产生-wr的位移，后端关节驱动绳索右段上端的末端将产生+wr的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器指向关节方向为正；滑梁一向上移动，滑梁二向下移动，由滑梁一和滑梁二移动引起的后端关节驱动绳索左段上端的末端将产生+2wr/2的位移，后端关节驱动绳索右段上端的末端将产生-2wr/2的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器指向关节方向为正；前后的位移实现相互抵消，即无论主动轮带动当前关节连杆如何转动，经过解耦关节的后端关节驱动绳索左段和后端关节驱动绳索右段的末端与当前关节连杆之间无相对位移，从而实现关节间的运动解耦。
本发明相对现有技术的有益之处在于：
1、绳驱动机械臂的解耦关节可以实现关节驱动绳索的运动被动解耦，由于不需要采用主动解耦，简化了机械臂的控制算法；
2、本发明采用绳索-滑轮的传动形式，摩擦力小，避免了套索驱动的大摩擦、死区和迟滞等非线性驱动特性；
3、该解耦机构可以工作在0～300°范围内，工作范围大，且增加过渡轮及相应的导向滑轮个数可以解耦多个关节间的运动耦合，结构简单，可靠。
附图说明
图1是本发明的绳驱动机械臂解耦机构的整体结构图；
图2是本发明的解耦组件图；
图3是本发明的后端关节驱动绳走线图；
图4是本发明的位移补偿装置结构图；
图5是本发明的当前关节驱动绳索走线图；
图6是本发明的前后机械臂连接方式图；
图中标号名称：1-定位杆一；2-定位杆二；3-定位杆三；4-定位杆四；5-关节连杆；61-解耦绳索驱动轮一；62-解耦绳索驱动轮二；7-主动轮；81-过渡轮一；91-滑梁一；92-滑梁二；101-固定块一；102-固定块二；103-固定块三；104-固定块四；11-后端关节驱动绳索；111-后端关节驱动绳索左段；112-后端关节驱动绳索右段；121-第一导向滑轮一；122-第二导向滑轮一；131-第一导向滑轮二；132-第二导向滑轮二；141-第一导向滑轮三；142-第二导向滑轮三；151-第一导向滑轮四；152-第二导向滑轮四；153-第三导向滑轮四；154-第四导向滑轮四；155-第五导向滑轮四；156-第六导向滑轮四；161-第一导向滑轮五；162-第二导向滑轮五；15-当前关节驱动绳索；16-解耦绳索一；17-解耦绳索二；18-前臂；19-后臂；20-滑槽；201-当前关节驱动器；202-后端关节驱动器。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及及优选实施的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示的本发明的绳驱动机械臂关节的解耦机构，机械臂结构包括：前臂18、后臂19、并排布置且与后臂19固定连接的两定位杆一1、与前臂18固定连接的两两一组、并排布置的定位杆二2和定位杆三3以及单独的定位杆四4；
前臂18与后臂19通过关节连杆5连接，关节连接5转动时带动后臂19转动，如图6所示；
所述解耦机构包括：导向滑轮组五、过渡轮一81、解耦组件、导向滑轮组三和后端关节驱动绳索11；所述导向滑轮组五由导向滑轮五套在定位杆一1上组成，每一定位杆一1上套一个导向滑轮五，所述导向滑轮五包括第一导向滑轮五161和第二导向滑轮五162；
所述解耦组件如图2所示，自上而下依次包括：解耦部件一、导向滑轮组四、解耦部件二、导向滑轮组一；
所述解耦部件一由主动轮7、解耦绳索驱动轮一61和解耦绳索驱动轮二62依次固定连接在关节连杆5上组成；
过渡轮一81套在关节连杆5上，处在解耦绳索驱动轮一61和解耦绳索驱动轮二62之间，其中，过渡轮81的轮槽直径是解耦绳索驱动轮一61和解耦绳索驱动轮二62轮槽直径的2倍，见图1；
所述导向滑轮组四由导向滑轮四套在定位杆二2上组成，每一定位杆二2上套三个导向滑轮四，所述导向滑轮四包括：第一导向滑轮四151、第二导向滑轮四152、第三导向滑轮四153、第四导向滑轮四154、第五导向滑轮四155和第六导向滑轮四156；
如图4所示的解耦部件二，其由并排布置的位移补偿装置一和位移补偿装置二组成，所述位移补偿装置一由固定块一101、第一导向滑轮二131和固定块三103依次连接在滑梁一91上组成，所述位移补偿装置二由固定块二102、第二导向滑轮二132和固定块四104依次连接在滑梁二92上组成；
前臂18上加工有两滑槽20用于限制滑梁一91和滑梁二92作上下移动；
所述导向滑轮组一由第一导向滑轮一121和第二导向滑轮一122依次套在定位杆四4上组成；
关节连杆5、定位杆二2和定位杆四4自上而下依次排列，滑梁一91和滑梁二92位于定位杆二2和定位杆四4之间；
所述解耦组件还包括解耦绳索，所述解耦绳索包括解耦绳索一16和解耦绳索二17；
解耦绳索一16的上段绕过解耦绳索驱动轮一61、第一导向滑轮四151和第二导向滑轮四152固定在固定块一101和固定块二102的上表面，解耦绳索二117的上段绕过解耦绳索驱动轮二62、第五导向滑轮四155和第六导向滑轮四156固定在固定块三103和固定块四104的上表面，解耦绳索一16的下段绕过第一导向滑轮一121固定在固定块一101和固定块二102的下表面，解耦绳索二17的下段绕过第二导向滑轮一122固定在固定块三103和固定块四104的下表面，这样在工作时，两滑梁只承受弯矩作用，可防止发生侧翻；
所述导向滑轮组三由导向滑轮三套在定位杆三3上组成，每一定位杆三3上套一个导向滑轮三，所述导向滑轮三包括第一导向滑轮三141和第二导向滑轮三142；
两定位杆三3位于所述解耦组件的外侧、滑梁一91和滑梁二92上方，两侧各一；
如图1、3所示，后端关节驱动绳索11包括后端关节驱动绳索左段111和后端关节驱动绳索右段112两部分，后端关节驱动绳索左段111的下端与后端关节驱动器202相连，之后向上顺时针绕过第一导向滑轮三141换向180°，再向下逆时针绕过滑梁一91上的第一导向滑轮二131换向180°，然后向上通过第三导向滑轮四153、过渡轮81以及第一导向滑轮五161后与后端关节的驱动轮相连；
后端关节驱动绳索右段112的下端与后端关节驱动器202相连，之后先向上逆时针绕过第二导向滑轮三142换向180°，向下再顺时针绕过滑梁二92上的第二导向滑轮二132换向180°，然后向上通过第四导向滑轮四154、过渡轮81以及第二导向滑轮五162后与后端关节的驱动轮相连；
当前关节驱动绳索15连接主动轮7和当前关节驱动器201，如图5所示。
本发明的绳驱动机械臂关节解耦机构的解耦方法，利用过渡轮一81的轮槽直径是解耦绳索驱动轮一61和解耦绳索驱动轮二62轮槽直径的2倍，实现滑梁一91和滑梁二92的位移变化率是后端关节驱动绳索11末端位移变化率wr的1/2，即wr/2，其中，w是当前关节连杆5的转动角速度，r为过渡轮一81的轮槽半径；
由于解耦绳索一16和解耦绳索二17与两滑梁的连接作用，无论当前关节连杆5是正转还是反转，都能实现导向滑轮二稳定准确的位移；
当当前关节驱动器201带动主动轮7以角速度w逆时针转动时，当前关节连杆5逆时针转动，后端关节驱动绳索左段111上端的末端将产生+wr的位移，后端关节驱动绳索右段112上端的末端将产生-wr的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器202指向关节方向为正；滑梁一91向下移动，滑梁二92向上移动，由滑梁一91和滑梁二92移动引起的后端关节驱动绳索左段111上端的末端将产生-2wr/2的位移，后端关节驱动绳索右段112上端的末端将产生+2wr/2的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器202指向关节方向为正；前后的位移实现相互抵消，即无论主动轮7带动当前关节连杆5如何转动，经过解耦关节的后端关节驱动绳索左段111和后端关节驱动绳索右段112的末端与当前关节连杆5之间无相对位移，即后端关节驱动绳索11没有因当前关节转动而产生相对于后端关节的移动；
当当前关节驱动器201带动主动轮7以角速度w顺时针转动时，当前关节连杆5顺时针转动，后端关节驱动绳索左段111上端的末端将产生-wr的位移，后端关节驱动绳索右段112上端的末端将产生+wr的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器202指向关节方向为正；滑梁一91向上移动，滑梁二92向下移动，由滑梁一91和滑梁二92移动引起的后端关节驱动绳索左段111末端将产生+2wr/2的位移，后端关节驱动绳索右段112末端将产生-2wr/2的位移，其中，以沿着绳索方向由后端关节驱动器202指向关节方向为正；前后的位移实现相互抵消，即无论主动轮7带动当前关节连杆5如何转动，经过解耦关节的后端关节驱动绳索左段111和后端关节驱动绳索右段112的末端与当前关节连杆5之间无相对位移，即后端关节驱动绳索11没有因当前关节转动而产生相对于后端关节的移动，它们的末端与当前关节连杆无相对移动，实现当前关节与后端关节之间的运动解耦。
应当指出的是，本发明通过增加过渡轮和相应的导向滑轮可以解耦更多的后端的关节，以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。