一种高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置

1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展，应用高速度、高精度、高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注，由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低，因而柔性机械臂受到了越来越多的关注与研究；其中，绳驱柔性机械臂具有结构简单、运动灵活等优点，已经在空间探索、灾害救援、核电设备维修等领域取得了良好的应用。
3.现有的一种绳驱柔性机械臂当中，其绳索张紧调节装置依靠伺服电机驱动凸轮，凸轮抵接绳索，通过转动偏心轮来调节绳索的位置，起到了控制绳驱柔性臂的目的；这种方式不但调节过程不够线性，不利于提高调节精度，而且凸轮与绳索之间的磨损较大，一定程度上削弱了整套装置的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置，能够提高驱动绳索控制精度的同时，提高装置使用寿命。
5.本发明的高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置，包括：基座；滑块，设置在基座上，滑块能够相对于基座升降，滑块上转动连接有带槽动滑轮，带槽动滑轮由一根驱动绳索绕过；张紧装置，设置在基座上，驱动绳索的第一端连接张紧装置，驱动绳索的第二端连接滚动关节；升降驱动装置，设置在基座上，升降驱动装置用于驱动滑块相对于基座升降。
6.根据本发明的一些实施例，滑块上沿上下方向分布有两个带槽动滑轮，两个带槽动滑轮分别由一根驱动绳索绕过，基座的上下两端均设置有张紧装置，两根驱动绳索的第一端分别连接上下两端的张紧装置，两个驱动绳索的第二端连接滚动关节。
7.根据本发明的一些实施例，高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置还包括设置在基座上的转换滑轮组，第一端连接下端的张紧装置的驱动绳索通过转换滑轮组连接滚动关节。
8.根据本发明的一些实施例，升降驱动装置包括：伺服电机，设置在基座上；滚珠丝杆，转动连接于基座上，滚珠丝杆沿上下方向延伸，滚珠丝杆与伺服电机驱动连接；丝杆螺母，与滚珠丝杆螺纹配合，丝杆螺母与滑块连接。
9.根据本发明的一些实施例，伺服电机和滚珠丝杆之间连接有联轴器。
10.根据本发明的一些实施例，升降驱动装置还包括驱动器，驱动器设置在基座上，驱动器与伺服电机电连接，驱动器设置在伺服电机的外侧。
11.根据本发明的一些实施例，基座上设置有沿上下方向延伸的滑动导轨，滑块与滑动导轨滑动配合。
12.根据本发明的一些实施例，基座上端设置有定滑轮组件，驱动绳索通过定滑轮组件连接滚动关节。
13.根据本发明的一些实施例，张紧装置包括：中空螺栓，设置在基座上；弹簧，设置在中空螺栓远离基座的一侧；驱动绳索穿过中空螺栓与弹簧，驱动绳索的第一端设置有圆头，圆头抵接弹簧。
14.根据本发明的一些实施例，张紧装置还包括内螺纹帽，内螺纹帽连接于弹簧和中空螺栓之间，内螺纹帽与中空螺栓螺纹连接，驱动绳索依次穿过中空螺栓、内螺纹帽与弹簧。
15.应用上述高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置，在运行过程当中，升降驱动装置带动滑块在基座上升降，滑块上的带槽动滑轮跟随滑块移动升降，使得驱动绳索的第二端拉动滚动关节，驱动滚动关节变形；当滑块改变运动方向时，张紧装置能够将松弛的绳索拉紧，显著的减少闭环驱动绳索的变向回隙，提高柔性臂运动的精度；同时，驱动绳索第二端的运动距离与滑块的升降距离线性相关，能够有效简化升降驱动装置的控制难度，提高驱动绳索的控制精度，同时驱动绳索和动滑轮之间的滑动摩擦较少，长期运行后绳索的磨损程度较低，有效提高了装置的使用寿命。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本发明实施例中一种高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置的轴测图；
19.图2为本发明实施例中驱动电控一体装置连接并驱动的球滚动关节机械臂的轴测图；
20.图3为图1中伺服驱动组件的轴测图；
21.图4为图1中部分伺服驱动组件的轴测图；
22.图5为本发明实施例中闭环绳索驱动装置的示意图；
23.图6为图5中部分闭环绳索驱动装置的轴测图；
24.图7为图1中滑轮组件的示意图；
25.图8为图1中张紧装置的示意图；
26.上述附图包含以下附图标记。
27.标号名称标号名称标号名称101导绳装置1211角接触球轴承131定滑轮座102滚动关节122丝杆螺母1321带槽定滑轮11伺服驱动组件123滑块14张紧装置111伺服电机1231滑块座141中空螺栓
112驱动器1232带槽动滑轮142内螺纹帽113联轴器124滑动导轨143锁紧头114支撑连接件1242导轨配合部144弹簧12闭环绳索驱动装置125驱动绳索15基座121滚珠丝杆13定滑轮组件
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具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
32.参照图1、图3至图8，本实施例的高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置，包括：基座15；滑块123，设置在基座15上，滑块123能够相对于基座15升降，滑块123上转动连接有带槽动滑轮1232，带槽动滑轮1232由一根驱动绳索125绕过；张紧装置14，设置在基座15上，驱动绳索125的第一端连接张紧装置14，驱动绳索125的第二端连接滚动关节102；升降驱动装置，设置在基座15上，升降驱动装置用于驱动滑块123相对于基座15升降。
33.应用上述高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置，在运行过程当中，升降驱动装置带动滑块123在基座15上升降，滑块123上的带槽动滑轮1232跟随滑块123移动升降，使得驱动绳索125的第二端拉动滚动关节102，驱动滚动关节102变形；当滑块123改变运动方向时，张紧装置14能够将松弛的绳索拉紧，显著的减少闭环驱动绳索125的变向回隙，提高柔性臂运动的精度；同时，驱动绳索125第二端的运动距离与滑块123的升降距离线性相关，能够有效简化升降驱动装置的控制难度，提高驱动绳索125的控制精度，同时驱动绳索125和动滑轮之间的滑动摩擦较少，长期运行后绳索的磨损程度较低，有效提高了装置的使用寿命。
34.其中，升降驱动装置能够通过多种方式驱动滑块123升降，例如通过直线电机直接驱动滑块123升降，或者通过伺服电机111带动齿轮齿条机构驱动滑块123升降等。
35.具体地，滑块123上沿上下方向分布有两个带槽动滑轮1232，两个带槽动滑轮1232分别由一根驱动绳索125绕过，基座15的上下两端均设置有张紧装置14，两根驱动绳索125的第一端分别连接上下两端的张紧装置14，两个驱动绳索125的第二端连接滚动关节102。
36.如图2所示为球滚动关节102机械臂的轴测图，本实施例的高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置作为驱动箱，通过导绳装置101为一个双自由度的滚动关节102，提供一组两根闭环的驱动绳索125，当滑块123上升或者下降时，两根驱动绳索125的运动大小相等，方向相反，可以控制球滚动关节102在相应自由度上的运动；其中球滚动关节102及机械臂的其他结构，可以参考本技术人的在先申请。
37.如图1、图5所示，本实施例的高刚度低回隙的闭环绳驱柔性臂驱动电控一体装置还包括设置在基座15上的转换滑轮组，第一端连接下端的张紧装置14的驱动绳索125通过转换滑轮组连接滚动关节102；两根驱动绳索125的第一根通过带槽动滑轮1232后连接球滚动关节102，第二根依次通过动滑轮和转换滑轮组换向后连接球滚动关节102，使得同一个滑块123连接的两根驱动绳索125能够分别连接滚动关节102上端面的两端。
38.如图3、图4所示，升降驱动装置包括：伺服电机111，设置在基座15上；滚珠丝杆121，转动连接于基座15上，滚珠丝杆121沿上下方向延伸，滚珠丝杆121与伺服电机111驱动连接；丝杆螺母122，与滚珠丝杆121螺纹配合，丝杆螺母122与滑块123连接；其中，伺服电机111带动滚珠丝杆121转动，使得滚珠丝杆121驱动滑块123升降；具体地，滚珠丝杆121两端通过角接触球轴承1211连接在基座15上，丝杆螺母122通过滑块座1231与滑块123连接，带动滑块123一同升降；其中滚珠丝杆121的公称直径优选为16mm，精度等级优选为7级，保证柔性机械臂运行的平稳；而将丝杆螺母122与滑块123相连接，可以利用滚珠丝杆121分散驱动绳索125造成的倾覆力矩，减少相应的弯曲变形，提高柔性机械臂的控制精度。
39.如图6所示，基座15上设置有沿上下方向延伸的滑动导轨124，滑块123与滑动导轨124滑动配合；具体地，滑动导轨124上设置有能够上下滑动的导轨配合部1242，滑块123与导轨配合部1242连接。
40.如图5、图6所示，滑块123作为本实施例的驱动箱当中的关键装置，可以带动同一自由度上的两根驱动绳索125同时运动，其中，滑块123连接滑块座1231，滑块座1231同时连接丝杆螺母122和导轨配合部1242；滑块座1231上的通孔通过优选的过渡配合与丝杆螺母122的外圆柱面连接，同时滑块座1231上的直板通过四处螺纹孔与导轨配合部1242连接。
41.其中，滑块123带有两个带槽动滑轮1232，用于将两根绳索实现反向绕线，考虑到驱动绳索125的半径，带槽动滑轮1232的槽宽与有效半径应当优选为合适的尺寸，在有限的空间内，最大程度的减少绳索走线的曲率半径，避免由于曲率过小导致绳索的应力集中与弹塑性变形，提高驱动箱的伺服刚度。
42.如图3、图4所示，伺服电机111和滚珠丝杆121之间连接有联轴器113；升降驱动装置还包括驱动器112，驱动器112设置在基座15上，驱动器112与伺服电机111电连接，驱动器112设置在伺服电机111的外侧；其中，升降驱动装置由伺服电机111、驱动器112、联轴器113、电机固定盘以及支撑连接件114构成；作为整个驱动箱的动力源，可以提供绳索驱动力以及满足伺服运动精度的要求；其中伺服电机111采用足够功率的带编码器的直流有刷电机，电机输出轴和滚珠丝杆121同轴，驱动器112布置在对应的伺服电机111的外侧，方便连线与调试，联轴器113采用润滑良好的十字滑块123式金属联轴器113，可以保证电机输出轴到滚珠丝杆121的刚性连接，同时避免由于电机输出轴和丝杆轴的同轴度误差带来的装配应力，提高伺服精度。
43.如图3所示，为了针对同一个滚动关节102不同自由度、以及多个滚动关节102驱动
的需要，基座15上沿圆周分布有多个滑块123与张紧装置14，每一个滑块123均对应有一个独立的升降驱动装置，其中驱动器112与伺服电机111呈圆周状分布在电机固定盘上。
44.如图7所示，基座15顶端设置有多个定滑轮组件13，每个定滑轮组件13包括一个定滑轮座131和转动设置在定滑轮座131上的带槽定滑轮1321，多个定滑轮组件13呈圆周状分布在基座15顶端，用于改变驱动绳索125的方向，以及形成所需的驱动绳索125的走线轨迹；如图2所示，在本实施例当中，每个滚动关节102需要两组共计4根驱动绳索125驱动，因此每个球滚动关节102由两个滑块123独立控制一个自由度。
45.如图8所示，张紧装置14包括：中空螺栓141，设置在基座15上；弹簧144，设置在中空螺栓141远离基座15的一侧；驱动绳索125穿过中空螺栓141与弹簧144，驱动绳索125的第一端设置有圆头，圆头抵接弹簧144；其中，为了调节张紧力，张紧装置14还包括内螺纹帽142，内螺纹帽142连接于弹簧144和中空螺栓141之间，内螺纹帽142与中空螺栓141螺纹连接，驱动绳索125依次穿过中空螺栓141、内螺纹帽142与弹簧144。
46.具体地，张紧装置14由中空螺栓141、内螺纹帽142、锁紧头143、弹簧144组成，中空螺栓141通过螺纹连接在基座15上对应设置的螺纹孔处，且中空螺栓141通过其设置的外螺纹与内螺纹帽142的内螺纹构成螺纹配合，锁紧头143与绳索固定并位于内螺纹帽142内部，弹簧144的两端分别抵接内螺纹帽142和圆头，驱动绳索125穿过中空螺栓141、内螺纹帽142、锁紧头143以及弹簧144后，连接在绳端设置的源头上，通过转动中空螺栓141相对于基座15的位置即可调节驱动绳索125的初始张力。
47.当驱动绳索125处于拉紧状态时，锁紧头143能够抵接中空螺栓141端部，限制绳索的位置，使得弹簧144的弹性不会影响绳索的驱动刚性和响应速度，而当一组驱动绳索125变向时，原先张紧的驱动绳索125变为放松状态，由于驱动箱各部件的机械间隙以及绳索的弹性变形，放松的驱动绳索125会存在回隙，影响控制精度；而本实施例当中，当绳索由于变向而放松时，锁紧头143脱离与中空螺栓141的抵接，弹簧144张紧带动圆头运动，使得整个绳索张紧，在这个过程当中可以通过调节内螺纹帽142相对于中空螺栓141的位置，调节弹簧144弹力的大小，显著减少驱动绳索125变向时的回隙。
48.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。