一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置的制作方法

本发明涉及一种带有球导轮的柔索、线缆驱动装置，特别涉及一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置，适用于并联柔索机器人的柔索驱动。

背景技术：

柔索驱动代替传统刚性驱动方式，广泛应用于航空航天、增材制造、风洞支撑等领域，国内外对于并联柔索机器人进行了广泛深入的研究，fast大型射电望远镜是并联柔索机构的典型应用，barnett学者研制出一种适用于大规模打印的柔索驱动3d泡沫打印机样机，法国航天航空研究中心基于风洞试验支撑系统sacso项目设计研制了分别由7索和9索牵引的并联支撑系统。以上并联柔索机器人都采用了柔索驱动的方式，其中，运动学分析及运动控制是并联柔索机器人研究的重要内容。

为了保证柔索运动控制的准确性，柔索驱动装置中柔索的驱动点和末端牵引点位置需要准确固定。目前，柔索驱动装置通常采用导向轮或滚筒来导引或缠绕柔索，但柔索与导向轮或滚筒的接触点会随时发生变化，这会导致驱动点的不确定性。如何实现柔索驱动装置在空间运动中的定点输出，是本发明拟解决的一个技术问题。一种具有自动收绳功能的柔索驱动装置(cn109279457a)柔索经过导向轮垂直向上输出，柔索输出方向改变较大会产生较大的摩擦。一种具有防缠绕及高精度测力功能的柔索驱动装置(cn110274723a)采用周转支架使得柔索导向轮可跟随柔索转动，柔索在空间中运动时与导向轮之间的接触点会不断变化，难以实现柔索空间运动过程中的定点输出。一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法(cn106986277a)也采用了周转机构使得导向轮可跟随柔索转动，柔索绕导向轮轴线方向的转动过程中柔索的输出点会发生变化。可重构式柔索驱动并联机器人及其驱动装置(cn101602209a)两个关节轴承能做60度球副旋转，柔索卷筒本身宽度使得两个关节轴承间的柔索不在一条直线上，其输出点取决于轴承孔的大小。一种柔索驱动的仿生咀嚼装置(cn209682203u)其柔索卷筒具有横向宽度，输出点会随绳的缠绕而变化。

为了使柔索驱动点为定点，结合现有柔索驱动装置的特点和不足，一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置需满足以下两点要求：柔索的驱动点固定，以便为并联柔索机器人的运动学分析提供理论定点；柔索的输出方向可以灵活改变，确保柔索流畅输出，满足并联柔索机器人的使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种具有空间定点输出的柔索驱动装置，球心位置即定点，为运动学分析时的理论驱动点，始终固定，球导轮跟随柔索发生相应的转动，保证柔索经过球导轮流畅输出。

本发明提到的一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置，包括基座1、永磁直流力矩电机2、光电编码器3、柔索牵引轮4、过轮5、球导轮6、球盖7、调整垫片8、柔索9，永磁直流力矩电机2通过前端法兰安装在基座1上，电机2后端接光电编码器3，电机2输出轴安装柔索牵引轮4，过轮5安装在球导轮6正下方的基座1内，球导轮6在球盖7的约束下装配在基座1上部，球盖7与基座1之间安装有调整垫片8，通过改变调整垫片8的数量或厚度可以调整球导轮6转动的阻尼，柔索9缠绕在牵引轮4上，经过过轮5、球导轮6从瓷眼6_10输出。

上述的柔索牵引轮4安装在永磁直流力矩电机2输出轴上，柔索牵引轮4键槽对侧有一道豁口，通过螺栓和螺母压紧豁口，使柔索牵引轮4与永磁直流力矩电机2输出轴之间紧密配合，柔索牵引轮4表面有过孔，柔索9初始端穿过过孔从轮毂孔露出，在柔索牵引轮4侧面打结固定，柔索牵引轮4表面具有螺旋凹槽，凹槽直径与柔索9直径相同，用于导引柔索9排布。

上述的柔索牵引轮4底部与过轮5底部齐平，柔索牵引轮4中心截面与过轮5中心截面重合，且球导轮6球心始终位于该平面中，过球导轮6球心的竖直直线与过轮4相切。

上述的球导轮6由右半球体6_1、左半球体6_2、塞打螺栓6_3、塞打螺栓6_4、螺母6_5、螺母6_6、u型导向轮6_7、垫圈6_8、垫圈6_9、瓷眼6_10组成，球导轮6的球体部分由右半球体6_1、左半球体6_2组成，通过两套塞打螺栓6_3、6_4和螺母6_5、6_6固定，两个半球中间安装有u型导向轮6_7，柔索9从球体下部输入后经u型导向轮6_7改变传动方向，从夹装在两半球中间的瓷眼6_10输出，柔索9输出方向发生改变，球导轮6跟随柔索9发生相应的转动，输出的柔索9与u型导向轮6_7相切且延长线始终经过球心，球心位置为运动学分析时的理论定点。

上述的球盖7凹槽与基座1凹槽共同形成部分封闭的球槽，将球导轮6约束在基座1上，球槽未封闭部分为柔索9的传动空间。

上述的球盖7与基座1之间安装有调整垫片8，通过改变调整垫片8的数量或厚度可以改变球槽与球导轮6之间配合的松紧程度，改变球导轮6转动的阻尼。

上述的柔索9缠绕在牵引轮4上，从牵引轮4下部输出经过过轮5向上传输，进一步经过球导轮6从瓷眼6_10输出，柔索9始终与u型导向轮6_7处于相切的状态，球导轮6随着柔索9方位变化发生相应转动，柔索9始终经过u型导向轮从瓷眼流畅输出。

本发明与现有技术相比，其有益效果具体如下：

(1)本发明中球导轮在跟随柔索转动过程中，柔索输出方向延长线始终经过球心，球心位置为运动学分析时的理论定点，为并联柔索机器人的运动学分析提供了位置固定的驱动点；

(2)本发明具有可变出绳方向功能，球导轮跟随柔索传动方向的变化而转动，可使柔索流畅输出，避免柔索与驱动机构输出点之间的摩擦；

(3)本发明中球盖用来约束球导轮，球盖与基座之间存在调整垫片，根据调整垫片的数量或厚度可以改变球槽与球导轮之间配合的松紧程度，改变球导轮转动的阻尼，根据实际使用要求可自行更改调整垫片的数量或厚度，使球导轮的转动灵活可靠；

(4)本发明中柔索牵引轮键槽对侧留有豁口，通过螺栓和螺母压紧豁口，可使柔索牵引轮与永磁直流力矩电机输出轴之间紧密配合，柔索牵引轮表面的过孔可用于固定柔索初始端，防止柔索从牵引轮上脱落；

(5)本发明中柔索牵引轮上设计有螺旋凹槽，用于导引柔索排布，可使柔索收绳时缠绕紧密整齐，排布规则，避免压绳、缠绳现象的发生；

(6)本发明中柔索在传动过程中经过过轮和球导轮处产生的合力指向基座内部，基座处于挤压状态，并承担部分压力，避免由于拉伸引起基座发生断裂。

附图说明

图1为一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置总体装配图；

图2为一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置总体装配爆炸图；

图3为一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置局部剖视图；

图4为一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置球导轮结构装配爆炸图；

图5为一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置柔索牵引轮结构图；

图6为柔索水平输出时一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置传动示意图；

图7为柔索45度方向输出时一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置传动示意图；

图8为柔索90度方向输出时一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置传动示意图。

图中：1-基座；2-永磁直流力矩电机；3-光电编码器；4-柔索牵引轮；5-过轮；6-球导轮；7-球盖；8-调整垫片；9-柔索。

具体实施方式

结合附图1、附图2，对本发明作进一步的描述：

本发明提到的一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置，包括基座1、永磁直流力矩电机2、光电编码器3、柔索牵引轮4、过轮5、球导轮6、球盖7、调整垫片8、柔索9；

所述的永磁直流力矩电机2通过前端法兰安装在基座1上，电机2后端接光电编码器3，电机2输出轴安装柔索牵引轮4，过轮5安装在球导轮6正下方的基座1内，球导轮6在球盖7的约束下装配在基座1上部，球盖7与基座1之间安装有调整垫片8，通过改变调整垫片8的数量或厚度可以调整球导轮6转动的阻尼，柔索9缠绕在牵引轮4上，经过过轮5、球导轮6从瓷眼6_10输出；

所述的柔索牵引轮4安装在永磁直流力矩电机2输出轴上，柔索牵引轮4键槽对侧有一道豁口，通过螺栓和螺母压紧豁口，使柔索牵引轮4与永磁直流力矩电机2输出轴之间紧密配合，柔索牵引轮4表面有过孔，柔索9初始端穿过过孔从轮毂孔露出，在柔索牵引轮4侧面打结固定；

所述的球盖7凹槽与基座1凹槽共同形成部分封闭的球槽，将球导轮6约束在基座1上，球槽未封闭部分为柔索9的传动空间，球盖7与基座1之间安装有调整垫片8，通过改变调整垫片8的数量或厚度可以改变球槽与球导轮6之间配合的松紧程度，改变球导轮6转动的阻尼。

结合附图3，对本发明作进一步的描述：

所述的柔索9缠绕在牵引轮4上，从牵引轮4下部输出经过过轮5向上传输，穿过基座1上预留的柔索导引通道从球导轮6下方输入，球导轮6内部夹装有u型导向轮6_7和瓷眼6_10，柔索9进一步经过u型导向轮6_7从瓷眼6_10输出，经球导轮6的柔索9进绳和出绳方向都与u型导向轮6_7相切，输出的柔索9延长线方向始终经过球心，柔索9在球槽未封闭部分可进行多方位传动；

所述的柔索牵引轮4底部与过轮5底部齐平，柔索牵引轮4中心截面与过轮5中心截面重合，且球导轮6球心始终位于该平面中，过球导轮6球心的竖直直线与过轮4相切。

结合附图4，对本发明作进一步的描述：

所述的球导轮由右半球体6_1、左半球体6_2、塞打螺栓6_3、塞打螺栓6_4、螺母6_5、螺母6_6、u型导向轮6_7、垫圈6_8、垫圈6_9、瓷眼6_10组成，球导轮6的球体部分由右半球体6_1和左半球体6_2组成，右半球体6_1和左半球体6_2为对称结构，通过塞打螺栓6_3和螺母6_6、塞打螺栓6_4和螺母6_5配合使其紧密结合在一起，两个半球中间夹装有u型导向轮6_7和瓷眼6_10，u型导向轮6_7两侧分别有垫圈6_8和垫圈6_9，通过塞打螺栓6_4和螺母6_5配合使其夹装在两半球体中间，u型导向轮6_7可随球导轮6运动并绕自身轴线转动。

结合附图5，对本发明作进一步的描述：

所述的柔索牵引轮4键槽对侧有一道豁口，作用是与电机输出轴之间紧密配合；柔索牵引轮4侧面有轮毂孔，表面有过孔，过孔和其中的一个轮毂孔导通，柔索9初始端穿过过孔从轮毂孔露出，在柔索牵引轮4侧面打结固定；柔索牵引轮4表面具有螺旋凹槽，凹槽直径与柔索9直径相同，用于导引柔索9排布，避免缠绳、压绳现象的发生。

结合附图6、附图7和附图8，对本发明作进一步的描述：

所述的柔索9缠绕在牵引轮4上，从牵引轮4下部输出经过过轮5向上传输至球导轮6内部，u型导向轮6_7和瓷眼6_10夹装在组成球导轮6的两个半球体中间，当柔索9水平方向输出时，柔索9经球导轮6内部的u型导向轮6_7后从瓷眼6_10水平输出，输出的柔索9延长线方向经过球心；当柔索9在45度方向输出时，球导轮6随之转动45度，相应的，u型导向轮6_7和瓷眼6_10也转动45度，输出的柔索9延长线方向仍经过球心；当柔索9在90度方向输出时，球导轮6随之转动90度，相应的，u型导向轮6_7和瓷眼6_10也转动90度，输出的柔索9延长线方向仍经过球心，以此类推，其它柔索9输出方向和上述分析相同，柔索9输出方向延长线始终过球心定点。

本发明是一种能实现空间定点输出的柔索驱动装置，其各项功能的实现方式如下：

定点输出功能：u型导向轮6_7安装在球导轮6的两个半球中间，柔索9从夹装在两半球中间的瓷眼6_10输出，输出的柔索9与u型导向轮6_7相切且延长线始终经过球心；柔索9经球导轮6内部的u型导向轮6_7后从瓷眼6_10输出，球导轮6在柔索9带动下发生相应的转动，u型导向轮6_7处的柔索9出绳方向延长线始终经过球心定点，球导轮6的球心可视为驱动点，为并联柔索机器人的运动学分析提供理论定点；

可变出绳方向功能：电机驱动过程中，瓷眼6_10处输出的柔索9方向发生变化，将会带动球导轮6发生相应的转动，夹装在球导轮6两半球体中间的u型导向轮6_7也随之运动，瓷眼6_10方向与柔索9输出方向一致，从而使柔索9在u型导向轮6_7的导引下从瓷眼6_10流畅输出，避免柔索9与驱动机构之间的摩擦，实现本机构的可变出绳方向功能。

以上所述仅是本发明的部分较佳实例，任何熟悉本领域的技术人员均可利用以上阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案，因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，均属于本发明要求保护的范围。

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