一种张力可控的非滑环式收放线机构

1.本发明涉及收放线设备，特别涉及一种张力可控的非滑环式收放线机构。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展，移动机器人的应用领域越来越广，包括工业生产线的多机器人协同作业，家庭用服务机器人与极端环境下的操作机器人等，其中极端环境下的操作机器人对机器人系统可靠性与寿命要求极高，如核电站检测机器人，空间站舱外机器人，以及水下机器人等。移动机器人需要解决的关键技术之一是其电源与电信号线缆的动态收放。当前虽然充电电池技术与无线通讯技术都得到了长足发展，但在极端环境下，为保证可靠的供电与通讯，通常还是采用线缆式供电。采用线缆供电(包括电源与信号)，需要解决的关键问题是如何实现对移动目标进行动态跟随式的收线与放线。
3.工业中常用的收放线机构多是采用滑环装置的滚筒式结构，通过电机驱动滚筒转动，实现对线缆的收紧与释放。这种装置在特殊环境下的移动机器人领域应用存在两个问题，第一个问题是滑环装置导致了系统的可靠性低，使用寿命短。导电滑环是通过金属片接触滑动实现结构在转动的过程中保持电路连通，这种技术在特殊环境下，如空间、水下，受灰尘、水汽影响，容易造成接触不稳定甚至短路等故障问题。另外，摩擦传动机构工作中磨损较大，通常寿命较短；第二个问题是难以实现对移动机器人进行动态跟随，移动机器人运动比较随机，动态性强，传统收放线机构不具有感知能力，难以实现对动态目标的自主跟随。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种张力可控的非滑环式收放线机构，以解决现有技术中使用导电滑环装置存在张力不可控制，不能满足极端环境下的移动机器人的实时动态跟随式供电需求的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种张力可控的非滑环式收放线机构，包括绕线臂、线缆定位组件、线缆、绕线筒及支架，其中线缆定位组件和绕线筒设置于支架上，绕线臂底座设置于绕线筒内部，线缆的一端缠绕于绕线筒上，另一端依次经过绕线臂和线缆定位组件；所述绕线臂具有绕线和排线两个自由度，用于线缆的收放和排列，所述线缆定位组件用于线缆的定位。
7.所述绕线臂包括直线运动平台和与所述直线运动平台的输出端连接的转动臂，所述直线运动平台设置于所述绕线筒的内壁上，具有沿所述绕线筒的轴线方向运动的自由度；
8.所述转动臂具有绕所述绕线筒的轴线转动的自由度。
9.所述直线运动平台包括电机ⅰ、编码器ⅰ、丝杠、丝母、滑台及基座，其中基座与所述绕线筒的内壁连接，丝杠可转动地设置于基座上，且与所述绕线筒的轴线平行；所述丝母与所述丝杠螺纹连接，所述滑台与丝母连接；所述电机ⅰ设置于所述基座上，且输出端通过齿
轮传动机构与所述丝杠连接；所述编码器ⅰ设置于所述电机ⅰ的端部。
10.所述转动臂包括电机ⅱ、编码器ⅱ、行星轮减速器、转动连杆、调向连杆、凹槽滚轮组件ⅰ及限位环，其中行星轮减速器设置于所述直线运动平台上，且输入端与电机ⅱ的输出轴连接，编码器ⅱ设置于电机ⅱ的后端；
11.所述转动连杆的一端与所述行星轮减速器的输出轴连接，另一端与调向连杆连接，所述调向连杆位于所述绕线筒的外侧；
12.所述调向连杆上设有多组凹槽滚轮组件ⅰ及位于多组凹槽滚轮组件ⅰ的外侧的多个限位环；所述线缆依次经过多组凹槽滚轮组件ⅰ，且通过个多个限位环防止脱落。
13.所述调向连杆的前端设有两个圆柱滚轮组件ⅰ，所述线缆夹持于两个圆柱滚轮组件ⅰ之间。
14.所述线缆定位组件包括下支架、前支架及后支架，其中下支架的下端与所述支架连接，所述下支架的顶部设有前支架和后支架，所述前支架和后支架用于定位所述线缆。
15.所述前支架和所述后支架上均设有四个圆柱滚轮组件ⅱ，四个圆柱滚轮组件ⅱ呈口字型布设，从而形成过线孔。
16.所述的张力可控的非滑环式收放线机构，还包括测力组件，所述测力组件设置于所述线缆定位组件的前端，用于实时测量所述线缆的张力。
17.所述测力组件包括底板、压力传感器、左立柱、右立柱、压板组件及凹槽滚轮组件ⅱ，其中底板与所述线缆定位组件连接，左立柱和右立柱与底板连接；压力传感器设置于底板上，且位于左立柱和右立柱之间；
18.所述压板组件与左立柱和右立柱滑动连接，且与所述压力传感器连接；所述凹槽滚轮组件ⅱ设置于所述压板组件上，用于对所述线缆进行导向。
19.所述压板组件包括压板、左压簧、右压簧及滑动压板，其中压板和滑动压板均与所述左立柱和所述右立柱滑动连接，且压板与所述压力传感器连接；所述左压簧和所述右压簧分别套设于所述左立柱和所述右立柱上，并且均受限于滑动压板和压板之间。
20.本发明的优点及有益效果是：
21.适用于极端环境下的高可靠线缆供电：传统导电滑环式的收放线机构，采用金属片接触滑动式供电，可靠性低，尤其在极端环境下，如潮湿、导电粉尘多的场合，易造成短路等事故。本发明利用两自由度绕线臂主动缠绕线缆，可规避使用导电滑环，大大提高供电安全性与可靠性。
22.智能化的动态自适应收放线控制：本发明的系统中布置了测力装置，可实时测量线缆张力，结合控制算法，可实现对移动目标进行动态自适应收放线控制。另外，测力装置中采用了压簧缓冲技术，可容许线缆两端存在一定的位置跟随误差，降低了线缆收放线位置控制精度的要求，提高了控制系统的可靠性。
23.适应不同线径线缆的整齐排放：传统收放线机构难以做到对不用线缆的整齐排放，本发明利用两自由度的绕线臂主动绕线，通过调节绕线电机与排线电机的速度关系，即可实现对不同线径线缆进行整齐排放。
附图说明
24.图1为本发明一种张力可控的非滑环式收放线机构的轴测图；
25.图2为本发明中绕线臂的结构示意图；
26.图3为本发明中直线运动平台的结构示意图；
27.图4为本发明中绕线机构的结构示意图；
28.图5为本发明中凹槽滚轮组件的结构示意图；
29.图6为本发明中圆柱滚轮组件的结构示意图；
30.图7为本发明中测力组件的结构示意图；
31.图8为本发明中线缆导向组件的结构示意图；
32.图中：1为绕线臂，11为直线运动平台，111为电机ⅰ，112为编码器ⅰ，113为驱动齿轮，114为从动齿轮，115为丝杠，116为丝母，117为滑台，118为基座，12为转动臂，121为电机ⅱ，122为编码器ⅱ，123为行星轮减速器，124为转动连杆，125为调向连杆，1251为l型杆，1252为弧形杆，126为凹槽滚轮组件ⅰ，1261为凹槽滚轮，1262为转轴ⅰ，1263为轴承ⅰ，1264为挡圈ⅰ，127为限位环，128为圆柱滚轮组件ⅰ，1281为圆柱滚轮，1282为转轴ⅱ，1283为轴承ⅱ，1284为挡圈ⅱ，2为测力组件，21为底板，22为压力传感器，23为压板，24为左立柱，25为左压簧，26为右立柱，27为右压簧，28为滑动压板，29为凹槽滚轮组件ⅱ，3为线缆定位组件，31为下支架，32为前支架，33为后支架，34为圆柱滚轮组件ⅱ，4为线缆，5为绕线筒，6为支架。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
34.如图1所示，本发明提供的一种张力可控的非滑环式收放线机构，包括绕线臂1、线缆定位组件3、线缆4、绕线筒5及支架6，其中线缆定位组件3和绕线筒5设置于支架6上，绕线臂1底座设置于绕线筒5的内部，缠绕线缆的操作机构置于绕线筒5的外部，线缆4的一端缠绕于绕线筒5上，另一端依次经过绕线臂1和线缆定位组件3；绕线臂1具有绕线和排线两个自由度，分别用于线缆4的收放以及排列，线缆定位组件3用于线缆4的定位。
35.如图2所示，本发明的实施例中，绕线臂1为两自由运动机构，具有绕线自由度与排线自由度。具体地，绕线臂1包括直线运动平台11和与直线运动平台11的输出端连接的转动臂12，直线运动平台11设置于绕线筒5的内壁上，具有沿绕线筒5的轴线方向运动的自由度，即排线自由度；转动臂12具有绕绕线筒5的轴线转动的自由度，即绕线自由度。直线运动平台11和与转动臂12共同组成两自由度串联式机构。绕线筒5为中空式圆筒形结构，内部安装绕线臂基座，外部可排放线缆。
36.如图3所示，本发明的实施例中，直线运动平台11包括电机ⅰ111、编码器ⅰ112、丝杠115、丝母116、滑台117及基座118，其中基座118与绕线筒5的内壁连接，丝杠115可转动地设置于基座118上，且与绕线筒5的轴线平行；丝母116与丝杠115螺纹连接，滑台117与丝母116连接；电机ⅰ111设置于基座118上，且输出端通过齿轮传动机构与丝杠115连接；编码器ⅰ112设置于电机ⅰ111的端部。
37.具体地，齿轮传动机构包括驱动齿轮113和从动齿轮114，其中驱动齿轮113设置于电机ⅰ111的输出端，从动齿轮114设置于丝杠115的端部，且与驱动齿轮113啮合，电机ⅰ111通过驱动齿轮113和从动齿轮114带动丝杠115转动，从而带动丝母116和滑台117沿轴向运
动。
38.本发明的实施例中，编码器ⅰ112同轴安装于电机ⅰ111的后端，用于反馈电机ⅰ111的运动位置。滑台117的表面设计有供转动臂12安装的螺纹接口。在基座118下部前后位置均设计有与绕线筒5连接的螺纹接口，用于将绕线臂1安装到绕线筒5的内部，但绕线臂1的部分结构处于绕线筒5的外部实现绕线功能，如图1所示。
39.如图4所示，本发明的实施例中，转动臂12包括电机ⅱ121、编码器ⅱ122、行星轮减速器123、转动连杆124、调向连杆125、凹槽滚轮组件ⅰ126及限位环127，其中行星轮减速器123设置于直线运动平台11上，且输入端与电机ⅱ121的输出轴连接，编码器ⅱ122设置于电机ⅱ121的后端；转动连杆124的一端与行星轮减速器123的输出轴连接，另一端与调向连杆125连接，调向连杆125位于绕线筒5的外侧；调向连杆125上设有多组凹槽滚轮组件ⅰ126及位于多组凹槽滚轮组件ⅰ126的外侧的多个限位环127；线缆4依次经过多组凹槽滚轮组件ⅰ126，且通过个多个限位环127防止脱落。
40.进一步地，调向连杆125的前端设有两个圆柱滚轮组件ⅰ128，线缆4夹持于两个圆柱滚轮组件ⅰ128之间，两个圆柱滚轮组件ⅰ128用于对线缆4进行侧向限位。
41.本发明的实施例中，调向连杆125包括l型杆1251和弧形杆1252，其中l型杆1251的一端与转动连杆124连接，另一端与弧形杆1252可拆卸连接，且连接位置可调。两个圆柱滚轮组件ⅰ128设置于l型杆1251的前端，l型杆1251和弧形杆1252的顶部均排列有多个凹槽滚轮组件ⅰ126。
42.本发明的实施例中，编码器ⅱ122同轴安装于电机ⅱ121的后端，用于反馈电机ⅱ121的运动位置。行星轮减速器123同轴固定安装于电机ⅱ121的输出轴，用于放大电机的输出转矩，并驱动转动连杆124作回转运动，实现对线缆4的缠绕。另外，行星轮减速器123的输出轴与绕线筒5的轴线重合。调向连杆125固定安装于转动连杆124的一端，在组装时，可以调整调向连杆125的方向，使得线缆4的出线方向相切于绕线筒5的圆周方向。在转动连杆124与调向连杆125的上部设计有供线缆穿过的槽型特征，在槽型特征的中间安装若干个凹槽滚轮组件ⅰ126以减小线缆4运动时的阻力，在槽型特征的上部安装若干个限位环127，通过限位环127对线缆4进行限位，如图1、图4所示。
43.如图5所示，本发明的实施例中，凹槽滚轮组件ⅰ126包括凹槽滚轮1261、转轴ⅰ1262、轴承ⅰ1263及挡圈ⅰ1264，其中凹槽滚轮1261的外表中部为凹槽形特征，可对圆柱形的线缆4进行限位，凹槽滚轮1261的内孔安装两个轴承ⅰ1263，两个轴承ⅰ1263同轴安装于转轴ⅰ1262上，凹槽滚轮1261可绕转轴ⅰ1262自由转动。在两个轴承ⅰ1263的外端分别布置一个挡圈ⅰ1264对轴承ⅰ1263进行限位。转轴ⅰ1262的两端设计有一定的长度余量，用于对转轴ⅰ1262进行安装固定。由于采用了滚动轴承支撑，凹槽滚轮1261可以极小的摩擦力绕转轴ⅰ1262进行转动。凹槽滚轮组件设计成模块化组件，在系统中多处使用。
44.如图6所示，本发明的实施例中，圆柱滚轮组件ⅰ128包括圆柱滚轮1281、转轴ⅱ1282、轴承ⅱ1283及挡圈ⅱ1284，其中圆柱滚轮1281的内部中心孔安装两个轴承ⅱ1283，两个轴承ⅱ1283同轴安装于转轴ⅱ1282上，圆柱滚轮1281可绕转轴ⅱ1282自由转动，圆柱滚轮1281用于滚动支撑线缆4的运行，减小线缆4的运行阻力。在两个轴承ⅱ1283的外端分别安装一个挡圈ⅱ1284，对轴承ⅱ1283进行限位。转轴ⅱ1282的两端设计有一定的长度余量，用于对转轴ⅱ1282进行安装固定。由于采用了滚动轴承支撑，圆柱滚轮1281可以极小的摩
擦力绕转轴ⅱ1282进行转动。圆柱滚轮组件设计成模块化组件，在系统中多处使用。
45.如图8所示，本发明的实施例中，线缆定位组件3包括下支架31、前支架32及后支架33，其中下支架31的下端与支架6连接，下支架31的顶部设有前支架32和后支架33，前支架32和后支架33用于定位线缆4。
46.进一步地，前支架32和后支架33上均设有四个圆柱滚轮组件ⅱ34，四个圆柱滚轮组件ⅱ34呈口字型布设，从而形成线缆4能穿过的过线孔，四个圆柱滚轮组件ⅱ34实现对线缆4的导向与限位。
47.本发明的实施例中，线缆定位组件3的主要作用是对线缆4的缠绕进行预先定位，使即将进入缠绕的线缆输入点处于绕线筒5的轴线上，如图1所示。为能对线缆4进行上下左右四个方向定位，在前支架32上安装四组圆柱滚轮组件ⅱ34，在四组圆柱滚轮组件ⅱ34中间预留一定空间的过线孔，线缆4可从中间过线孔穿过，利用四个方向的圆柱滚轮组件ⅱ34进行限位。为保证线缆4的平整性，在后支架33上也同理安装四组圆柱滚轮组件ⅱ34对线缆4进行限位，这种设计能保证前、后支架之间的一段线缆都处于直线状态，实现了对缠绕线缆的预先整理、定位功能。
48.如图1所示，在上述实施例的基础上，本发明提供的一种张力可控的非滑环式收放线机构，还包括测力组件2，测力组件2设置于线缆定位组件3的前端，可实时测量线缆4的张力，用于绕线机构对移动机器人的动态跟随控制。
49.如图7所示，本发明的实施例中，测力组件2包括底板21、压力传感器22、左立柱24、右立柱26、压板组件及凹槽滚轮组件ⅱ29，其中底板21与线缆定位组件3连接，左立柱24和右立柱26与底板21连接；压力传感器22设置于底板21上，且位于左立柱24和右立柱26之间；压板组件与左立柱24和右立柱26滑动连接，且与压力传感器22连接；凹槽滚轮组件ⅱ29设置于压板组件上，用于对线缆4进行导向。凹槽滚轮组件ⅱ29是模块化组件，与凹槽滚轮组件ⅰ126相同。
50.具体地，压板组件包括压板23、左压簧25、右压簧27及滑动压板28，其中压板23和滑动压板28均与左立柱24和右立柱26滑动连接，且压板23与压力传感器22连接；左压簧25和右压簧27分别套设于左立柱24和右立柱26上，并且均受限于滑动压板28和压板23之间。
51.具体地，滑动压板28的两侧设计有通孔，分别与左立柱24和右立柱26形成孔、轴滑动配合，即滑动压板28可沿左立柱24和右立柱26上下滑动，并可对左压簧25和右压簧27产生正压力。当线缆4穿过凹槽滚轮组件ⅱ29的中间凹槽特征并在线缆4中存在一定张力时，线缆4将对凹槽滚轮组件ⅱ29产生向下压力，滑动压板28将向下运动，对左压簧25和右压簧27产生正压力，左压簧25和右压簧27又将压力传递给压板23，安装于压板23下部的压力传感器22即可测量压板23承受的压力，通过一定的换算，即可求得线缆4中的张力值。由于压簧具有缓冲作用，因此可以容许线缆4两端的位置跟随存在一定误差，降低了对移动机器人线缆动态跟随控制的精度要求。
52.本发明的实施例中，绕线臂1为两自由运动机构，可实现对线缆4的收放以及排列，由直线运动自由度与回转自由度的联合运动实现。两个自由度均由伺服电机驱动，能进行高精度的位置控制。通过调节两组电机的运动速度，可适应不同线径的线缆排列收放，实现一机多用。传统滚筒式收放线机构，利用电机驱动绕线筒转动进行收放线，由于绕线筒一直处于运动状态，因此需要借助滑环装置将静止端线缆与运动端线缆的电路进行连接。而本
发明采用绕线臂1主动将线缆4缠绕在绕线筒5上，绕线筒5始终处于静止状态，因此可规避使用滑环装置，整条线缆4从静止端到移动机器人端是一条完整、未分段的线缆，供电可靠性与使用寿命大大提升。
53.本发明的实施例中，测力组件2通过滚轮与弹簧机构将线缆4中的张力转换为压力传感器的压力值，可实时测量线缆4中的张力，控制系统可根据线缆张力大小实时改变绕线臂1的运动方向，当线缆张力大于设定值时，绕线臂1放线，当线缆张力小于设定值时，绕线臂1收线。因此，可实现对移动目标进行动态跟随式收放线控制。
54.本发明提供的一种张力可控的非滑环式收放线机构，适用于极端环境下的移动机器人的收放线作业，具备线缆张力测量、移动目标自适应动态跟随能力，并且规避了使用导电滑环，保证了系统具备高可靠性与长寿命特征。尤其适用于空间舱外机器人、水下机器人等环境苛刻、又对可靠性、使用寿命要求极高的场合。本发明不但解决了传统绕线机构使用导电滑环造成的可靠性低、寿命短的问题，也解决了传统绕线机构不具备张力测量、难以自主跟随移动目标的难题。另外，通过两自由度绕线臂的主动缠绕技术，使系统能适用于不同线径线缆的收放任务，真正实现了一机多用。因此，本发明在绕线机构领域具有很强的竞争力。
55.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。