一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置

本發(fā)明涉及航天領(lǐng)域，具體為航天器柔性機(jī)械臂及繩索驅(qū)動(dòng)，尤其是一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置。

背景技術(shù)：

1、在衛(wèi)星載荷設(shè)備中，如衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池、星載天線、空間機(jī)器人等，均會(huì)應(yīng)用繩驅(qū)柔性機(jī)械臂。

2、繩驅(qū)柔性機(jī)械臂在往復(fù)伸縮及彎曲變形操控過(guò)程中部分驅(qū)動(dòng)繩會(huì)出現(xiàn)松弛甚至打結(jié)的情況，操作結(jié)束后恢復(fù)初始狀態(tài)時(shí)也會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)繩松弛或打結(jié)的影響導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)零位不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響柔性臂的控制精度。本發(fā)明提出一種用于驅(qū)動(dòng)繩張緊的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了繩驅(qū)柔性可伸縮機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)行程的被動(dòng)張緊功能。

3、繩驅(qū)柔性機(jī)械臂作為柔性機(jī)械臂的一大類(lèi)，因其響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)相較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)高精度控制等優(yōu)勢(shì)廣受關(guān)注。繩驅(qū)柔性機(jī)械臂一般采用繩索與被動(dòng)關(guān)節(jié)的組合，通過(guò)繩索傳遞驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)被動(dòng)關(guān)節(jié)的伸縮、彎曲變形。由于繩索的基本特性和柔性臂本身彈性形變的影響，操作過(guò)程及操作結(jié)束復(fù)位后無(wú)可避免的會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繩松弛的現(xiàn)象，故而需要對(duì)纏繞的繩索進(jìn)行張緊。

4、張緊方式一般分為主動(dòng)張緊和被動(dòng)張緊兩種。主動(dòng)張緊方式（《一種套接式展收機(jī)構(gòu)繩驅(qū)動(dòng)張緊裝置及其控制方法—cn?107013641?a》、《一種應(yīng)用于繩驅(qū)機(jī)器人的張緊機(jī)構(gòu)—cn?114589683?a》）主要是通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的程序控制補(bǔ)償算法或通過(guò)操作者觀察，當(dāng)繩索松弛時(shí)主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)或張緊電機(jī)回收驅(qū)動(dòng)繩實(shí)現(xiàn)繩索的張緊。被動(dòng)張緊方式《一種彈簧式自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)—cn?206988069?u》、《一種繩驅(qū)機(jī)械臂的傳動(dòng)繩預(yù)緊裝置—cn109986545?a》主要是通過(guò)設(shè)置張緊彈簧實(shí)現(xiàn)較小范圍的張緊。

5、程控主動(dòng)張緊方式由于其補(bǔ)償算法的設(shè)置條件和算法本身的局限性加之較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，既有可靠性較低的風(fēng)險(xiǎn)，也無(wú)法滿足驅(qū)動(dòng)繩松弛繩長(zhǎng)的累積誤差，而導(dǎo)致控制精度會(huì)逐漸降低；操作者操控的主動(dòng)張緊方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化要求，且人在回路的這種方式會(huì)導(dǎo)致誤差更大。

6、設(shè)置張緊彈簧的被動(dòng)張緊方式，由于受到張緊彈簧長(zhǎng)度的限制，僅能實(shí)現(xiàn)小幅度的張緊。隨著柔性機(jī)械臂的使用無(wú)法滿足驅(qū)動(dòng)繩索不斷松弛的使用條件，仍須定期調(diào)整驅(qū)動(dòng)繩松緊，且由于普遍采用螺釘張緊以及受到安裝空間的限制，操作也極為不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，本發(fā)明應(yīng)用于航天器的載荷設(shè)備中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繩張緊機(jī)構(gòu)和纏繞機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需調(diào)節(jié)張緊力即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繩索連續(xù)被動(dòng)張緊的功能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，所述裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)、束線罩殼和一體化繞線結(jié)構(gòu)；其中，

3、所述支撐結(jié)構(gòu)用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和束線罩殼，使得束線罩殼和支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成封閉空間以約束和保護(hù)一體化繞線結(jié)構(gòu)；

4、所述一體化繞線結(jié)構(gòu)包括固定芯軸、張緊卷簧、繞線輪和纏繞在繞線輪上的驅(qū)動(dòng)繩；所述固定芯軸連接至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸，所述張緊卷簧一端與固定芯軸連接，另一端與繞線輪連接；使得繞線輪可以相對(duì)固定芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，若在收縮驅(qū)動(dòng)繩過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩發(fā)生松弛，便會(huì)及時(shí)收緊驅(qū)動(dòng)繩，實(shí)現(xiàn)連續(xù)預(yù)緊功能。

5、進(jìn)一步，所述張緊卷簧環(huán)繞套設(shè)在固定芯軸上，張緊卷簧最內(nèi)端的內(nèi)圈掛鉤與固定芯軸連接固定，最外端的外圈掛鉤連接至繞線輪，使得張緊卷簧通過(guò)有限空間內(nèi)的收緊和放松，為裝置持續(xù)提供張緊力。

6、進(jìn)一步，所述固定芯軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸固定連接，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)固定芯軸旋轉(zhuǎn)；固定芯軸上設(shè)有固定卡槽，用于連接張緊卷簧的內(nèi)圈掛鉤。

7、進(jìn)一步，固定芯軸4為臺(tái)階軸，一端設(shè)計(jì)了定位孔，另一端設(shè)有連接張緊卷簧的固定卡槽，固定芯軸的中部設(shè)有限位擋板，定位孔一側(cè)設(shè)有滾珠槽。

8、進(jìn)一步，所述繞線輪為具有容納腔的圓柱形結(jié)構(gòu)，兩端分別設(shè)有擋線板，其中一端設(shè)計(jì)固定槽，用于連接張緊卷簧的外圈掛鉤；固定槽的長(zhǎng)度大于卷簧的寬度，繞線輪內(nèi)部的容納腔用于放置張緊卷簧和固定芯軸。

9、進(jìn)一步，所述一體化繞線結(jié)構(gòu)還包括擋板，所述擋板用于約束張緊卷簧，使得張緊卷簧保持在繞線輪的容納腔中。

10、進(jìn)一步，所述擋板一端設(shè)有用于約束張緊卷簧的凸臺(tái)，軸向設(shè)有多個(gè)連接孔，用于連接擋板和繞線輪。

11、進(jìn)一步，所述支撐結(jié)構(gòu)為具有底板和豎直板的l形連接板，支撐結(jié)構(gòu)的底板為長(zhǎng)方形，四角處設(shè)有用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝孔，豎直板為正方形板，豎直板中心開(kāi)設(shè)有過(guò)孔，豎直板四角設(shè)有用于連接束線罩殼的安裝孔。

12、進(jìn)一步，所述束線罩殼用于約束驅(qū)動(dòng)繩的出繩方向；束線罩殼具有底壁、四個(gè)側(cè)壁和安裝部，底壁上設(shè)置有通孔，固定芯軸的一端可從通孔中伸出；四個(gè)側(cè)壁分別設(shè)置有出線孔；安裝部上設(shè)有用于與支撐結(jié)構(gòu)連接的安裝孔。

13、進(jìn)一步，所述裝置的裝配順序如下：

14、（1）首先將張緊卷簧的內(nèi)圈掛鉤卡進(jìn)固定芯軸的卡槽內(nèi)繞緊，再將繞線輪套在其外部，并把張緊卷簧的外圈掛鉤穿過(guò)繞線輪上設(shè)計(jì)的擋板卡進(jìn)固定槽中，繞線輪上設(shè)計(jì)多個(gè)卡槽，方便調(diào)節(jié)張緊卷簧的外圈掛鉤的安裝位置，最后連接擋板和繞線輪，保證凸臺(tái)朝向張緊卷簧方向，完成一體化繞線結(jié)構(gòu)的組裝；

15、（2）接著將一體化繞線結(jié)構(gòu)按定位孔方向通過(guò)鍵或頂絲與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接，使固定芯軸與驅(qū)動(dòng)軸之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，再將連接后的整體穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)的中間過(guò)孔，最后將透過(guò)支撐結(jié)構(gòu)中間過(guò)孔的部分框在束線罩殼內(nèi)，并將束線罩殼固定完成裝置的組裝。

16、本發(fā)明用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置應(yīng)用于航天工程中的在軌設(shè)備，主要應(yīng)用于衛(wèi)星載荷設(shè)備中，如衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池、星載天線、空間機(jī)器人等。

17、本發(fā)明提出的張緊裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、預(yù)緊力被動(dòng)張緊、張緊形成長(zhǎng)的特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)緊湊變小為張緊機(jī)構(gòu)集成繞線組件的一體化設(shè)計(jì)，相當(dāng)于電機(jī)體積的1/4；被動(dòng)張緊體現(xiàn)在無(wú)需額外張緊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，或者其他能量輸入；長(zhǎng)行程體現(xiàn)為本發(fā)明示例8㎜繞線半徑張緊長(zhǎng)度可達(dá)500㎜。本裝置無(wú)需調(diào)節(jié)張緊力即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繩索連續(xù)被動(dòng)張緊的功能，防止機(jī)械臂在往復(fù)伸縮及彎曲變形操控過(guò)程中發(fā)生驅(qū)動(dòng)繩松弛或打結(jié)等狀況，進(jìn)而有效提高了繩驅(qū)柔性機(jī)械臂的控制精度。

技術(shù)特征：

1.一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)、束線罩殼和一體化繞線結(jié)構(gòu)；其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述張緊卷簧環(huán)繞套設(shè)在固定芯軸上，張緊卷簧最內(nèi)端的內(nèi)圈掛鉤與固定芯軸連接固定，最外端的外圈掛鉤連接至繞線輪，使得張緊卷簧通過(guò)有限空間內(nèi)的收緊和放松，為裝置持續(xù)提供張緊力。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述固定芯軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸固定連接，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)固定芯軸旋轉(zhuǎn)；固定芯軸上設(shè)有固定卡槽，用于連接張緊卷簧的內(nèi)圈掛鉤。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，固定芯軸4為臺(tái)階軸，一端設(shè)計(jì)了定位孔，另一端設(shè)有連接張緊卷簧的固定卡槽，固定芯軸的中部設(shè)有限位擋板，定位孔一側(cè)設(shè)有滾珠槽。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述繞線輪為具有容納腔的圓柱形結(jié)構(gòu)，兩端分別設(shè)有擋線板，其中一端設(shè)計(jì)固定槽，用于連接張緊卷簧的外圈掛鉤；固定槽的長(zhǎng)度大于卷簧的寬度，繞線輪內(nèi)部的容納腔用于放置張緊卷簧和固定芯軸。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述一體化繞線結(jié)構(gòu)還包括擋板，所述擋板用于約束張緊卷簧，使得張緊卷簧保持在繞線輪的容納腔中。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述擋板一端設(shè)有用于約束張緊卷簧的凸臺(tái)，軸向設(shè)有多個(gè)連接孔，用于連接擋板和繞線輪。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)為具有底板和豎直板的l形連接板，支撐結(jié)構(gòu)的底板為長(zhǎng)方形，四角處設(shè)有用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝孔，豎直板為正方形板，豎直板中心開(kāi)設(shè)有過(guò)孔，豎直板四角設(shè)有用于連接束線罩殼的安裝孔。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述束線罩殼用于約束驅(qū)動(dòng)繩的出繩方向；束線罩殼具有底壁、四個(gè)側(cè)壁和安裝部，底壁上設(shè)置有通孔，固定芯軸的一端從通孔中伸出；四個(gè)側(cè)壁分別設(shè)置有出線孔；安裝部上設(shè)有用于與支撐結(jié)構(gòu)連接的安裝孔。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，其特征在于，所述裝置的裝配順序如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于繩驅(qū)機(jī)械臂的小體積大行程被動(dòng)張緊裝置，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)、束線罩殼和一體化繞線結(jié)構(gòu)；其中，支撐結(jié)構(gòu)用于連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和束線罩殼，使得束線罩殼和支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成封閉空間以約束和保護(hù)一體化繞線結(jié)構(gòu)；一體化繞線結(jié)構(gòu)包括固定芯軸、張緊卷簧、繞線輪和纏繞在繞線輪上的驅(qū)動(dòng)繩；固定芯軸連接至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸，張緊卷簧一端與固定芯軸連接，另一端與繞線輪連接；使得繞線輪可以相對(duì)固定芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，若在收縮驅(qū)動(dòng)繩過(guò)程中驅(qū)動(dòng)繩發(fā)生松弛，便會(huì)及時(shí)收緊驅(qū)動(dòng)繩，實(shí)現(xiàn)連續(xù)預(yù)緊功能，防止機(jī)械臂在往復(fù)伸縮及彎曲變形操控過(guò)程中發(fā)生驅(qū)動(dòng)繩松弛或打結(jié)等狀況，提高繩驅(qū)柔性機(jī)械臂的控制精度。

技術(shù)研發(fā)人員：張翔,付康佳,吳雪松,許同林,余孫全,張琦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30