[发明专利]一种线绳驱动机构

说明书

本发明提出了一种线绳驱动机构，包括驱动轴、线绳、导向轮、引导装置和供能装置；引导装置包括压轮和定位部件，压轮和导向轮均安装于该定位部件上；驱动轴沿其轴向依次分为花键轴、线槽轴和丝杆轴；花键轴通过花键螺母与供能装置连接，由供能装置驱动花键轴转动，且花键轴与花键轴螺母键配合实现驱动轴的周向定位；线槽轴用于固定和缠绕线绳，该线绳由导向轮导出，且通过线槽轴与压轮之间的滚动接触以压紧线绳；丝杆轴与一丝杆螺母相配合，使得驱动轴在旋转的同时产生沿轴向的平移。本发明解决了已有机器人用线驱动控制装置中存在的无法精准建模控制、驱动系统设备沉重、空间利用率低和通用性低等问题。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种线绳驱动机构。

背景技术

线驱动相较于传统的电机直接控制关节形式，可以将执行机构和较重的驱动机构分离，从而增加机器人执行器的负载，减少执行末端的惯性，提升动态反应性能；还有线驱动的分布可灵活设置，几何空间占用少，适合用于布置空间狭小且自由度数量较多的场合；除此外，线驱动形式也与人体肌腱的运行模式类似，其控制上具有柔性，可满足一定的仿生学背景和要求，适用于需要人机交互的场景。因此，线驱动在机器人技术领域得到了广泛应用，尤其是在灵巧手和连续体机器人等领域。

目前线驱动的控制装置主要有两种，一种是绞车结构，一种是直线丝杆导轨结构。

绞车结构是将线绳缠绕在卷筒上，通过电机控制卷筒旋转，从而控制线绳的长度，该种线驱动控制方式因为结构简单、绕线量大、移置方便而被广泛应用，主要运用于建筑、矿山、码头等物料升降和平拖，在机器人技术领域通过对绞车机构小型化，主要用于灵巧手领域上各手指的线驱动控制。但是这种简单的控制方法也存在一定问题，首先是线绳在滚筒上的斜度不可控，滚筒表面平整，线绳在滚筒上缠绕时没有完全的导引约束，因此可能由于与滚筒接触位置的不同而缠绕成不同斜度；其次是线绳缠绕的直径不可控，线绳可能会缠绕到之前已缠绕的线绳之上，或者因为缺少与滚筒完全贴合的约束，如果线绳的拉应力较小，会导致线绳松弛的贴附在滚筒上；上述两点原因导致了线绳由于结构的欠约束而存在缠绕的随机性，无法精准建模；最后该类装置无法对线绳伸长量或缩短量做到闭环控制，从而无法保证在使用时的精准控制，目前更多的与人工操作结合，应用于开关量控制的场合。

直线丝杆导轨结构由直线导轨、丝杆和丝杆螺母组成，直线丝杆导轨原理是丝杆螺母与直线导轨滑块固定，直线导轨主体通过轴承约束丝杆轴，再将线绳固定在直线导轨上，通过滑轮等引导方式使线绳伸缩方向与丝杆轴平行，则电机带动丝杆轴旋转时，旋转运动通过丝杆和丝杆螺母之间的配合而转换为直线导轨滑块的直线运动。该机构约束完整，可以实现精准稳定的传动控制，所以在目前的线驱动式连续体机器人中应用广泛。但是该种结构仍存在设备沉重、空间利用率低、通用性低等问题。一个直线丝杆导轨仅能控制一根绳，而一个连续体机器人一般需要由十几根绳控制，因此需要十几个直线丝杆导轨装置作为驱动，会造成驱动系统的设备沉重，从而不适用于类似急救车、战地车等需要搬运的急救场合的应用；同时，对于修长的连续体机器人，其中距离驱动关节最远端(蛇头处)的关节的线绳的伸缩量范围很大，越靠近驱动系统其关节的线绳伸缩量范围越小，因此所使用的直线丝杆导轨结构需要匹配控制不同关节的线绳，在设计上即要求直线丝杆导轨驱动装置的行程设计为不同的行程。一种设计策略是为了简便，一般选取线绳的最大伸缩的范围作为所有直线丝杆导轨的行程进行批量制作，不过虽然简化了结构设计，也导致了只有控制蛇头的关节(距离驱动器最远端的关节)应用了直线丝杆导轨的所有行程，控制其余关节的直线丝杆导轨驱动装置的行程并未完全使用。假设连续体机器人共有6个关节，那么最靠近驱动系统的关节的控制绳的伸缩范围仅为最远端关节的六分之一，因此丝杆滑台的大部分(六分之五)的长度并未使用，这导致了驱动系统的空间利用率低。另一种策略是为了节省空间而定制行程的直线丝杆导轨结构，但是这除了导致制作成本增加以外，还会造成驱动系统的空间分布设计上较为复杂，之后如果连续体机器人执行装置参数的改动，直线丝杆导轨也很难变动，通用性较差。因此，直线丝杆导轨的驱动结构存在设备沉重，以及空间利用率和通用性难以兼得的问题。

发明内容