一種用於繩索驅動型柔性機械臂的驅動裝置的製作方法

2023-10-06 15:12:39

本發明涉及機械臂的驅動裝置，具體涉及一種用於繩索驅動型柔性機械臂的驅動裝置

背景技術：

繩索驅動的連續體機械臂的臂身通常由彈性體組成，在彈性體上固定剛性盤，並用三根或更多的驅動繩索依次穿過這些剛性盤的過線孔，通過驅動繩索的收放運動實現機械臂的空間運動。繩索驅動的方式是對傳統機器人驅動方式的一種發展，但是由於繩索自身的物理特性使它存在一些缺點，一方面，它必須具有冗餘力才可以實現力閉合；另一方面，現有的常規驅動繩索在大載荷下會產生較大的彈性變形。

公開號cn102672715a的中國專利公開了一種助老/助殘用繩驅動機械臂，該發明的繩索採用拉線鋼絲繩，繩索的導向是通過導向輪以及圓形光孔來實現，鋼絲繩在穿過圓形光孔和繞過導向輪的時候易發生打滑，且鋼絲繩與圓形光孔之間由於摩擦易存在較大間隙，鋼絲繩在驅動過程中容易出現較大的誤差，影響控制精度。

公開號cn205704177u的中國專利提供了一種繩驅動外骨骼機械臂的臂長調節機構，該機構的收繩裝置是通過電機驅動繞線輪旋轉繞繩來進行收放繩，由於繞線輪在收繩過程中，繩索繞入繞線輪的位置不斷發生變化，使得電機旋轉角位移和收繩量不成比例，加大了電機的控制難度。

技術實現要素：

針對上述機械臂的不足，並基於繩索驅動柔性機械臂的特點，本發明旨在提供一種新型的驅動裝置，用以減小繩索驅動型連續體機械臂的驅動誤差和改善電機控制難度大的問題。

本發明目的通過下述技術方案來實現：一種用於繩索驅動型柔性機械臂的驅動裝置，包括支架、柔性機械臂、多根驅動繩索及多個驅動模塊，驅動模塊固定在支架的上部端板上，柔性機械臂固定在支架的下部端板上，每根驅動繩索從每個驅動模塊伸出後依次穿過柔性機械臂的各個連接盤的過線孔，直至與末端連接盤固連，單個驅動模塊可實現對單根驅動繩索的拉伸運動；

所述的驅動繩索為橫截面成正方形的帶齒繩索，其主體用橡膠製成，在內部縱向上嵌有四條細鋼絲，繩索的外部帶有整周的梯形齒；

所述的柔性機械臂由多個連接盤、柔性體和手爪組成，連接盤的上下表面與柔性體相連，末端連接盤與手爪連接，用來抓取目標物體，除末端連接盤外，其餘連接盤為帶有四個均布的十字形孔的圓盤，驅動繩索通過導向裝置a從十字形孔中穿過，所述導向裝置a主要包括四個導向齒輪a、導向齒輪蓋a，四個導向齒輪a安裝在連接盤的十字形孔中且與導向齒輪蓋a連接，導向齒輪蓋a固定在連接盤上，四個導向齒輪a通過與驅動繩索的梯形齒相嚙合，實現對驅動繩索的固定及導向；

所述的驅動模塊包括箱體、導向裝置b、動力裝置、收繩裝置以及編碼器反饋裝置，所述箱體包括皆為正方體殼形結構的上箱體和下箱體，上、下箱體通過螺栓連接，所述的導向裝置b位於上箱體上，導向裝置b主要包括四個導向齒輪b、導向齒輪蓋b，導向裝置b的安裝結構相同於導向裝置a，所述動力裝置主要由電機、同步帶輪a、同步帶組成，其中電機通過螺釘固定在下箱體上，同步帶輪a安裝在電機軸上；

所述的收繩裝置主要由同步帶輪b、導杆支撐輪、導杆、滾珠滑道、收繩捲筒、螺紋定位軸、軸承a、軸承b、軸承透蓋a、軸承透蓋b以及螺母組成，所述的螺紋定位軸的中部為矩形螺紋，利用其兩端的一段方形定位鍵，將兩端分別固定在下箱體的方形槽內，所述的收繩捲筒通過滾珠滑道安裝在導杆上，所述導杆有四個，均為兩端帶螺紋的圓柱形鋼製零件，每個導杆穿過一組軸向相對的滾珠滑道，並且一端穿過同步帶輪b和軸承透蓋b上的通孔，用螺母固定，另一端穿過導杆支撐輪和軸承透蓋a，用螺母固定，所述的同步帶輪b通過軸承b和軸承透蓋b聯接在螺紋定位軸的一端，所述的導杆支撐輪通過軸承a和軸承透蓋a聯接在螺紋定位軸的另一端；

所述的編碼器反饋裝置主要由編碼器、編碼器同步輪、壓緊裝置組成，壓緊裝置包括兩個導向齒輪c、下蓋和上蓋，兩個導向齒輪c用螺釘固定在下座和上蓋上，壓緊裝置的安裝結構類似於導向裝置a，所述的編碼器同步輪加工有v型收繩滾道，並在收繩滾道上加工出與驅動繩索上的梯形齒相嚙合的齒槽，驅動繩索通過壓緊裝置與編碼器同步輪緊密嚙合，編碼器測量出驅動繩索的移動量並反饋給電機，調整電機的旋轉量。

進一步地，所述驅動繩索的末端分別裸露5cm長鋼絲，用於和末端連接盤固定；所述導向裝置a的安裝結構為：連接盤的十字形孔設有帶圓角的正方形槽，槽底平面與導向齒輪a的軸向中心平面平齊，導向齒輪蓋a設有十字形孔並在下部設有與連接盤相配合的半軸孔，導向齒輪a為帶有漸開線齒輪的齒輪軸，齒輪軸的兩側軸段安裝在連接盤和導向齒輪蓋a的十字形孔中；所述的收繩捲筒為圓柱形結構，在其軸向中心設有與螺紋定位軸相配合的內矩形螺紋，在其外圓柱面設有與中心內矩形螺紋螺距和旋向均一致的螺旋形v型收繩滾道，並在收繩滾道上設有與驅動繩索上的梯形齒相嚙合的齒槽，收繩捲筒端面上設有周向均布的四個通孔，在通孔的兩端各設有一段螺紋，並在其兩端各固定一個帶有外螺紋的滾珠滑道。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1.採用齒型驅動繩索，能夠有效地減小由於驅動繩索與孔的間隙或驅動繩索自身彈性變形而引起的繩驅動誤差。

2.將機械臂的連接盤上的導線孔設計為十字形孔，並在每個孔中安裝有4個導向齒輪，用以對驅動繩索的固定及導向，有效地減小由於驅動繩索與孔的間隙或驅動繩索自身的彈性變形而引起的繩驅動誤差。

3.設計出一種收繩裝置，通過螺旋驅動的方式，改善了以往收(放)繩時由於收繩捲筒的出繩口位置的不斷改變而引起的驅動誤差；且收繩捲筒上加工有相應的齒槽，能夠減小驅動繩索由於彈性變形引起的誤差。

附圖說明

圖1為用於繩索驅動型柔性機械臂的驅動裝置的結構示意圖。

圖2為圖1所示驅動裝置的a部放大圖。

圖3為圖1所示驅動裝置的驅動模塊的外形示意圖。

圖4為圖3所示驅動模塊的內部結構示意圖。

圖5為圖4所示驅動模塊的b部放大圖。

圖6為圖4所示驅動模塊的收繩裝置結構示意圖。

圖中：1-驅動模塊、2-連接盤、3-柔性體、4-驅動繩索、5-支架、6-手爪、7-導向齒輪蓋a、8-螺釘a、9-導向齒輪a、10-下箱體、11-螺栓組、12-上箱體、13-導向齒輪蓋b、14-導向齒輪b、15-螺釘b、16-編碼器、17-螺紋定位軸、18-導杆支撐輪、19-導杆、20-電機、21-同步帶、22-同步帶輪a、23-同步帶輪b、24-軸承b、25-軸承透蓋b、26-編碼器同步輪、27-下座、28-導向齒輪c、29-上蓋、30-螺釘c、31-滾珠滑道、32-收繩捲筒、33-軸承透蓋a、34-螺母、35-軸承a。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明：

如圖1所示，本發明實施例的一種用於繩索驅動型柔性機械臂的驅動裝置，包括柔性機械臂、4根驅動繩索4及4個驅動模塊1，驅動模塊1通過螺栓組固定在鋁合金支架5的上部端板上；由連接盤2、柔性體3、和手爪6組成的柔性機械臂的一端固定在支架5的下部端板上；驅動繩索4從驅動模塊1伸出後依次固定在支架的上部端板上。末端連接盤與手爪6連接，用來抓取目標物體。

如圖2所示，驅動繩索4通過導向裝置a從連接盤2的十字形孔中穿過，導向裝置a主要包括4個導向齒輪a9、導向齒輪蓋a7。連接盤2採用鋁合金材質，除末端連接盤外，每個連接盤2採用4個均布的十字形孔的圓盤的結構形式。在每個十字形孔處加工出帶圓角的正方形槽，槽底平面與導向齒輪a9的軸向中心平面平齊，用以安裝4個導向齒輪a9。鋼質材料的導向齒輪a9為帶有漸開線齒輪的齒輪軸，齒輪軸的兩側軸段安裝在由連接盤2和導向齒輪蓋a7加工出來的軸孔中，導向齒輪蓋a7為鋁合金材料，加工有十字形孔並在下部帶有與連接盤2相配合的半軸孔的端蓋形式。用螺釘a8將導向齒輪蓋a7固定在圓盤2上。驅動繩索4從十字形孔中穿過，導向齒輪a9對驅動繩索4起固定及導向的作用。驅動繩索4為橫截面成正方形的帶齒繩索，其主體用橡膠製成，並且在內部縱向上嵌有四條細鋼絲，另外，在驅動繩索的末端分別裸露5cm長鋼絲，用於和末端連接盤固定；驅動繩索4的外部帶有整周的梯形齒，過渡部分做圓角處理。

如圖3所示，驅動模塊的上箱體12和下箱體10皆為正方體殼形結構，上下箱體的材料為鋁合金材料，通過螺栓組11將上下箱體連接起來。正方形結構便於多個驅動模塊1的安裝使用。安裝在上箱體12上的導向裝置b包括導向齒輪蓋b13、4個導向齒輪b14等，具體安裝結構相同於連接盤2上的導向裝置a。導向齒輪蓋b13採用鋁合金材質，導向齒輪b14採用鋼質材料。驅動繩索4經過與驅動模塊1的導向齒輪b14的嚙合從導向裝置b中引出。

參見圖4，驅動模塊1的內部結構採用半剖圖的形式加以表達。驅動模塊1包括箱體、導向裝置、動力裝置、收繩裝置以及編碼器反饋裝置。箱體主要由下箱體10、上箱體12、螺栓組11組成。動力裝置主要由電機20、同步帶輪a22、同步帶21組成，其中電機20通過螺釘固定在下箱體10上，同步帶輪a22安裝在電機軸上。同步帶輪a22採用鋁合金材料。

圖5所示為壓緊裝置和安裝在上箱體上的導向裝置b的局部放大圖，壓緊裝置包括安裝在下座27上的2個導向齒輪c28、上蓋29等組成。壓緊裝置的2個鋼製導向齒輪c28與編碼器同步輪26相配合，將驅動繩索4壓緊在鋼製編碼器同步輪26上。下座27固定在下箱體10上，鋁合金上蓋29通過螺釘c30和下座27相固定。壓緊裝置的安裝結構類似於連接盤2上的導向裝置a。

如圖6所示，收繩裝置主要由螺紋定位軸17、軸承a35、軸承b24、軸承透蓋a33、軸承透蓋b25、導杆支撐輪18、同步帶輪b23、導杆19、螺母34、滾珠滑道31、收繩捲筒32等組成。鋼質材料的螺紋定位軸17中部為矩形螺紋，利用其兩端的一段方形定位鍵，將兩端分別固定在下箱體10的方形槽內。收繩捲筒32為圓柱形結構，採用鋼質材料，在其軸向中心設有與螺紋定位軸17相配合的內矩形螺紋，在其外圓柱面設有與中心內矩形螺紋螺距和旋向均一致的螺旋形v型收繩滾道，並在收繩滾道上加工出與驅動繩索4上的齒型相嚙合的齒槽。收繩捲筒32端面上設有周向均布的四個通孔，在通孔的兩端加工有一段螺紋，並在其兩端各固定一個帶有外螺紋的滾珠滑道31。同步帶輪b23通過軸承b24和鋁合金軸承透蓋b25聯接在螺紋定位軸17的一端，鋁合金導杆支撐輪18通過軸承a35和鋁合金軸承透蓋a33聯接在螺紋定位軸17的另一端。同步帶輪b23、導杆支撐輪18的端面上均設有四個周向均布的通孔，4個導杆19為兩端帶螺紋的圓柱形鋼製零件，每個導杆19穿過一組軸向相對的滾珠滑道31，並且一端穿過同步帶輪b23和軸承透蓋b25上的通孔，並通過螺母34固定；另一端穿過導杆支撐輪18和軸承透蓋a33，並通過螺母34固定。

將收繩捲筒32安裝在螺紋定位軸17上時，初始安裝位置的收繩捲筒32出繩口要與編碼器同步輪26平齊。編碼器同步輪26上也加工有與收繩捲筒32上相同的v型收繩滾道和齒槽，用於和驅動繩索4相配合。纏繞在收繩捲筒32的驅動繩索4繞過編碼器同步輪26後，經過與壓緊裝置的導向齒輪c28嚙合，再和上箱體上的導向裝置b的導向齒輪b14相嚙合，伸出驅動模塊1。

如圖4所示，電機20驅動電機同步帶輪a22旋轉，通過同步帶21驅動收繩裝置中支承在螺紋定位軸17上的同步帶輪b23旋轉，從而帶動收繩裝置旋轉。同步帶輪23上固定有4根導杆19，導杆19隨同步帶輪b23一起旋轉。收繩捲筒32通過滾珠滑道31安裝在導杆19上，另一方面，由於收繩捲筒32與固定在箱體上的螺紋定位軸17是螺紋連接的，收繩捲筒32在同步帶輪的驅動下，實現螺旋運動。收繩滾筒32的內螺紋與螺紋定位軸17的外螺紋螺距相同，旋向一致，且收繩滾筒32的收繩滾道的螺距、旋向均與收繩滾筒32的內螺紋保持一致，故可以實現在整個收繩或放繩過程中，收繩滾筒32的出繩口與上箱體12的出繩口相對位置保持不變。

編碼器反饋裝置主要由編碼器16、編碼器同步輪26、壓緊裝置組成。從收繩滾筒32出來的驅動繩索4通過壓緊裝置與編碼器同步輪26緊密嚙合，同步輪上26加工有v型收繩滾道，並在收繩滾道上加工出與驅動繩索4上的齒型相嚙合的齒槽。編碼器16測量出驅動繩索4的移動量並反饋給電機20，調整電機20的旋轉量。