一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台制造技术

本发明专利技术公开了一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台，在驱动绳上串联了一个变刚度机构，能够通过改变驱动绳的拉力实现关节刚度的调节。针对单自由度转动关节，通过左右两根绳控制关节转动；在驱动绳传输路径上布置有拉力测量装置，可以实时测量驱动绳上拉力；在关节转动轴线上布置有磁感应角度传感器，可以监测关节转角以及在外载作用下的关节转角变形。本发明专利技术还具有一套测控平台，能够实时监测各部分运行状态，可对绳驱动装置以及绳索张力进行控制，并且在上位机上记录检测到的数据，操作方便。

【技术实现步骤摘要】
一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台
本专利技术属于机械
和自动控制领域，具体来说是一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台。
技术介绍
单自由度转动关节作为最为常见的关节形式被广泛应用在各类机器人、机械臂、外骨骼康复装置等机电设备中。相较于传统的齿轮、连杆等传动方式，绳驱动具有重量轻、布置方式灵活多样、布置范围广的优点，可以很大程度上减小设备运动过程中的惯量，使得设备具有更轻的质量、更快的响应速度。为了使设备具有更好的适应性，需要根据不同的任务需求和工作环境调节关节的刚度。因此，需要进行一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台的设计。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种单自由度绳驱动变刚度关节及其测控平台，通过绳索驱动关节运动，还能实现对关节刚度的调节；通过测控平台监测关节实时状态，并可通过测量得到关节刚度变化规律。本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节，包括两套左右对称设置的绳驱动装置，分别实现两根驱动绳的缠绕和放卷控制。两根驱动绳输出端分别连接可在水平面内转动的动平台左右两端。上述两根驱动绳中任意一根上串联变刚度机构与绳拉力测量装置。所述动平台转轴上方位置设置有磁感应传感器，由磁感应角度传感器与动平台转轴顶部安装的磁铁配合，监测动平台转动角度。动平台中部连接载荷绳，载荷绳绕过滑轮座上的滑轮后连接载荷；针对上述结构的单自由度绳驱动变刚度关节，其测控方由如下步骤实现：令直接通过驱动绳连接动平台的绳驱动装置为绳驱动装置A，另一个为绳驱动装置B，则有：步骤1：操作开始，将上位机、数据采集卡与运动控制器初始化。步骤2：控制两套绳驱动装置中的电机开始运动，通过绕线辊带动驱动绳缠绕和放卷。步骤3：通过磁感应角度传感器测量动平台是否运动到指定角度，如果是，电机停止运动；如果否，重复步骤2。步骤4：绳驱动装置A的电机停止不动，绳驱动装置B的电机转动，使得驱动绳在绕线辊上缠绕，直至压力传感器测得驱动绳拉力值达到目标设定值。步骤5：施加重量为G1的砝码，通过磁感应角度传感器测量施加砝码后关节转角变形Δθ；根据砝码重量G1和转角变形Δθ得到拉力值为F1时的关节刚度。步骤6：改变绳拉力目标设定值重复步骤5、步骤6，关节刚度与绳拉力的关系。本专利技术的优点在于：1、本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节，在驱动绳上添加变刚度机构，通过改变驱动绳拉力可以实现对关节刚度的调节，以满足不同任务对关节刚度的需求。2、本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节，引入绳拉力测量组件，将绳拉力转换为滑轮压力进行测量，实时监测驱动绳拉力，指导关节刚度的调节。3、本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节，在关节转轴处添加磁感应角度传感器用于测量关节转角，结构简单，传感器不与转轴直接接触，减少对关节运动的影响。4、本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节的测控方法，能够对关节的所有动作进行控制，并监测相关数据，且上位机能自动记录检测的数据，操作简单、数据处理方便。附图说明图1为本专利技术单自由度绳驱动变刚度关节整体示意图。图2为本专利技术变刚度关节中绳驱动装置结构示意图。图3为本专利技术变刚度关节中单自由度转动关节结构示意图。图4为本专利技术变刚度关节中变刚度机构结构示意图。图5为本专利技术变刚度关节中绳拉力测量装置结构示意图。图6为本专利技术变刚度关节中测控系统结构示意图。图中：具体实施方式下面结合附图来对本专利技术做进一步说明。本专利技术一种单自由度绳驱动变刚度关节，包括绳驱动装置1、单自由度转动关节2、绳拉力测量装置3、变刚度机构4、外载施加装置5与底座6，如图1所示。所述绳驱动装置1包括电机座101、电机102、联轴器103、线辊座A104、线辊座B105、绕线辊106与驱动绳107，如图2所示。其中，电机座101、线辊座A104、线辊座B105上设计有螺孔，配合螺钉与底座6固定。绕线辊106同轴固定安装于转轴上，转轴两端分别安装于线辊座A104、线辊座B105上的开孔内，形成转动副，绕线辊106上缠绕有驱动绳107。电机102固定安装于电机座101上，输出轴与前述转轴同轴，且输出轴通过联轴器103连接转轴。由此通过电机102转动，由联轴器103将电机的转动传递到绕线辊106上，带动绕线辊106转动带动驱动绳107在绕线辊106上缠绕和放卷。上述结构的绳驱动装置1为两套，在底座6上左右对称设置，且电机102的输出轴相对并同轴。所述单自由度转动关节2包括导向座A201、导向座B202、转轴端盖203、转轴支撑204、动平台205、磁感应角度传感器206，如图3所示。其中，导向座A201与导向座B202分别位于两套绳驱动装置1中绕线辊前侧，左右对称分别与二个绕线辊106间距相等。导向座A201与导向座B202上部开孔，开孔位于绕线辊106正前方。转轴支撑204固定安装于底座7上，位于导向座A201与导向座B202连线的中垂线上。转轴支撑204上方设置有转轴端盖203，转轴端盖203通过侧方的连接部与转轴支撑后侧壁间固定。同时转轴端盖203中心位置开有轴孔，转轴支撑204顶面对应位置同样开有轴孔，转轴两端分别与两个轴孔配合插接形成转动副。动平台205为条形板状结构，中心位置固定安装有支撑杆，支撑杆与动平台垂直设置，末端开孔与前述转轴间固定，使得动平台205可绕转轴转动。动平台205左右两端对称位置开孔，使两套绳驱动装置1中驱动绳107分别穿过导向座A201与导向座B202上部开孔后，输出端分别与动平台205左右两端开孔连接，连接后保证两根驱动绳107间相互平行，同时平行于底座6。由此通过两套绳驱动装置1中驱动绳107在绕线辊106上缠绕和放卷控制动平台205绕转轴的正转和反转。磁感应角度传感器206通过周向均布的四个立柱架设于转轴端盖203顶部，由磁感应角度传感器206与转轴顶部安装的磁铁配合，监测动平台205转动角度。上述两套绳驱动装置1中驱动绳107中任意一根设计为两段，令分别为A段与B段，其中，A段缠绕于绕线辊106上，同时绕过绳拉力测量装置3后连接变刚度机构4。B段一端连接变刚度机构4，另一端连接动平台205。所述变刚度机构4包括外框架401、碟形弹簧402与拉杆403，如图4所示。其中，外框架401为矩形结构，相对两端分别开有同轴的大直径孔与小孔；大直径孔用来安装拉杆403；小孔用来连接前述驱动绳107的B段。拉杆403置于外框架401内部，前端穿过大直径孔，且拉杆403前端沿径向开孔用于连接前述驱动绳107的A段。碟形弹簧402套于拉杆403上，两端分别与外框架401以及拉杆403末端限位台肩配合定位。由此，通过驱动绳107在绕线辊106上缠绕和放卷控制，使拉杆403沿大直径孔滑动，碟形弹簧402相应伸长和缩短，进而使得碟形弹簧402具有不同的刚度。由此，通过驱动绳107在绕线辊106上缠绕和放卷控制，使拉杆403沿大直径孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：包括两套左右对称设置的绳驱动装置，分别实现两根驱动绳的缠绕和放卷控制；两根驱动绳输出端分别连接可在水平面内转动的动平台左右两端；动平台转轴上方位置设置有磁感应传感器，由磁感应角度传感器与动平台转轴顶部安装的磁铁配合，监测动平台转动角度；动平台中部连接载荷绳，载荷绳绕过滑轮座上的滑轮后连接载荷；上述两根驱动绳中任意一根上串联变刚度机构与绳拉力测量装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：包括两套左右对称设置的绳驱动装置，分别实现两根驱动绳的缠绕和放卷控制；两根驱动绳输出端分别连接可在水平面内转动的动平台左右两端；动平台转轴上方位置设置有磁感应传感器，由磁感应角度传感器与动平台转轴顶部安装的磁铁配合，监测动平台转动角度；动平台中部连接载荷绳，载荷绳绕过滑轮座上的滑轮后连接载荷；上述两根驱动绳中任意一根上串联变刚度机构与绳拉力测量装置。


2.如权利要求1所述一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：绳驱动装置为由电机驱动转动的绕线辊，绕线辊上缠绕驱动绳。


3.如权利要求1所述一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：两根驱动绳分别穿过导向座连接动平台。


4.如权利要求1所述一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：变刚度机构包括外框架、碟形弹簧与拉杆；其中，外框架为矩形结构，相对两端分别开有同轴的大直径孔与小孔；大直径孔用来安装拉杆；小孔用来连接驱动绳；拉杆置于外框架内部，前端穿过大直径孔，且拉杆前端沿径向开孔用于连接前述驱动绳；碟形弹簧套于拉杆上，两端分别与外框架以及拉杆末端限位台肩配合定位；通过驱动绳在绕线辊上缠绕和放卷控制，使拉杆沿大直径孔滑动，碟形弹簧相应伸长和缩短，进而使得碟形弹簧具有不同的刚度。


5.如权利要求1所述一种单自由度绳驱动变刚度关节，其特征在于：绳拉力测量装置包含滑轮座A、压力传感器、滑轮座B、滑轮座C、滑轮A、滑轮B、滑轮C；其中，滑轮座A与滑轮座C底端直接固定安装于底座上；滑轮座B底部固定安装于压力传感器顶部，压力传感器底部固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖航，吕胜男，丁希仑，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11