一种自动张紧且可控张紧力的线传动装置的制作方法

本发明涉及机器人传动技术领域，更具体的说涉及一种自动张紧且可控张紧力的线传动装置。

背景技术：

线传动机械臂具有较小的自重比、传动结构简单。基于传动绳可在任意方向传动的特性，线传动方案灵活多变，具有高鲁棒性、高速的特点。机械臂的主要成本集中在关节驱动器与传感器方面，线传动在实际应用场合中，由于其传动的特殊性，可将廉价的拉力传感器代替较为昂贵的关节扭矩传感器，因而能显著降低机械臂成本。线传动绳是一种柔性介质，具有一定缓冲吸震的作用，能在机械臂急停，碰撞等末端扭矩激增的情况下保证驱动动力源部分不受严重损伤而轻量化的设计也更能保证人机交互的安全性。世界各国针对线传动机器人的验证机器主要有韩国研发的lims2-ambidex机器人；美国麻省理工学院研发的theharmoniousrobot机器人；德国研发的elastictendon-drivenrobot等。目前学界针对线传动的研究较传统传动机构少得多，线传动技术中仍有着没有解决的难题，如线传动的张紧机构设计与单向驱动特性等都没有成熟的案例。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种自动张紧且可控张紧力的线传动装置，通过摩擦盘接触对象可变的特性使电机扭矩输出可分时切换到输出端绕线轮与张紧轮，通过单向轴承保持张紧力并通过电机与拉力传感器对预紧力作闭环控制，精准控制线传动预紧力大小，提升了线传动的负载刚度与传动准确性，具有线传动张紧高效、快速、精准、高度自动化的特点。

本发明解决上述技术问题的方案是：

一种自动张紧且可控张紧力的线传动装置，包括支座、电机、传动轴、滑架、输出端绕线轮、张紧轮和接收端绕线轮，所述电机安装于支座，电机输出带动传动轴同步旋转，所述传动轴穿过滑架且传动轴的外壁与滑架之间通过滑架轴承连接，传动轴包括摩擦盘，所述输出端绕线轮和接收端绕线轮均通过轴承可旋转安装于支座，所述张紧轮通过单向轴承安装于输出端绕线轮内，张紧轮的一端面设有张紧槽，所述输出端绕线轮包括输出端绕线盘缺口槽，所述摩擦盘位于张紧槽和输出端绕线盘缺口槽之间，所述滑架可移动安装于支座，滑架移动可带动摩擦盘移动进而使得摩擦盘顶住张紧槽或输出端绕线盘缺口槽，所述输出端绕线轮和接收端绕线轮之间通过两个绳连接进行传动，两个绳分别连接输出端绕线轮和接收端绕线轮的上半部分和下半部分，其中一个绳的两端分别连接输出端绕线轮和接收端绕线轮，另一个绳的一端连接接收端绕线轮且另一个绳的另一端穿过输出端绕线轮并连接张紧轮。

所述滑架安装有第二线圈，所述支座安装有第一线圈，所述第一线圈和第二线圈水平间隔分布且通电后相吸，所述滑架安装有牵引装置，所述第二线圈在通电状态下克服牵引装置的牵引力进而靠近第一线圈，所述第二线圈在失电状态下通过牵引装置的牵引力作用进而远离第一线圈。

所述牵引装置为拉簧，所述滑架包括拉簧安装杆，所述支座包括导向柱，所述拉簧设于拉簧安装杆的外壁，所述拉簧的两端分别固定于导向柱和拉簧安装杆。

所述滑架包括限位杆，所述输出端绕线轮设有绕线盘插槽，所述限位杆随着滑架移动进而使得限位杆插入或脱离绕线盘插槽。

所述支座包括输出端绕线座穿孔，所述限位杆至少部分穿入输出端绕线座穿孔且限位杆穿过输出端绕线座穿孔后插入绕线盘插槽。

所述输出端绕线轮内安装有滑动轴承，所述传动轴贴合穿过滑动轴承。

每个绳安装有拉力传感器。

所述摩擦盘的两端面均设有摩擦盘定位部，所述摩擦盘定位部与输出端绕线盘缺口槽和张紧槽相配。

所述输出端绕线轮设有两个输出端绕线槽，每个输出端绕线槽设有相互远离分布的输出端穿绳孔，所述接收端绕线轮设有两个接收端绕线槽，每个接收端绕线槽设有相互远离分布的接收端穿绳孔所述张紧轮包括穿线孔，每个绳绕于对应的一个输出端绕线槽和一个接收端绕线槽，其中一个绳的两端分别穿过对应的一个输出端穿绳孔和接收端穿绳孔并打结，另一个绳的一端穿过接收端穿绳孔并打结且另一个绳的另一端穿过输出端穿绳孔和穿线孔后并打结。

所述输出端绕线轮包括输出端凸环、连接于输出端凸环端面的输出端绕线盘、连接于输出端绕线盘端面的输出端绕线环，所述输出端绕线盘通过周向分布的连接柱连接有张紧轮安装座，所述张紧轮通过单向轴承安装于张紧轮安装座，所述输出端凸环通过轴承可旋转安装于支座，所述输出端绕线盘缺口槽设于输出端绕线盘的端面，所述输出端绕线槽设于输出端绕线环的环形外壁。

本发明的突出效果是：

1.采用电机驱动张紧轮转动，摒除了人力驱动张紧出力不稳定的问题，同时可以与拉力传感器构成闭环控制系统，达到精准控制张紧力的目的。

2.滑架通过电磁线圈驱动，实现自动化动作，同时摩擦盘与滑架的限位杆通过机械联动的方式保证同时动作，简化张紧作业预备操作流程，实现机构快速响应。

3.通过单向轴承单向锁止作用自动维持预紧力，无需人工操作，简化传动绳张紧流程。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明的局部爆炸图；

图4为本发明的俯视图；

图5为图4中a-a向的剖视图；

图6为图5中c处的放大图；

图7为图4中b-b向的剖视图；

图8为本发明的机架和电机座配合的爆炸图；

图9为本发明的传动盘和传动轴配合的爆炸图；

图10为本发明的滑架的立体图；

图11为本发明的输出端绕线轮的第一立体图；

图12为本发明的输出端绕线轮的第二立体图；

图13为本发明的张紧轮的立体图；

图14为本发明的接收端绕线轮的立体图；

图15为本发明的绳的安装立体图。

图中：支座1、机架11、机架连杆111、输出端绕线座112、接收端绕线座113、输出端绕线座穿孔114、输出端绕线座内孔115、接收端绕线座孔116、电机座12、电机座板121、电机座板缺口122、电机安装环123、导向柱124、线圈安装柱125、防护罩13、电机2、传动盘21、传动轴22、传动盘孔23、传动轴连接部24、摩擦盘25、摩擦盘定位部26、滑动轴承27、滑架3、滑架环体31、滑架槽32、限位杆33、连杆34、拉簧安装杆35、滑架轴承36、滑架轴承顶板37、拉簧38、第一线圈39、第二线圈310、输出端绕线轮4、输出端绕线环41、输出端凸环42、张紧轮安装座43、连接柱44、输出端绕线槽45、输出端穿绳孔46、输出端绕线盘47、穿线槽48、绕线盘插槽49、输出端绕线盘缺口槽410、安装座键411、第一角接触球轴承5、第二角接触球轴承51、套筒52、螺纹环53、抵盖54、单向轴承6、单向轴承顶板61、张紧轮62、张紧轮凸缘621、张紧轮环体622、张紧轮盘体623、张紧槽624、张紧轮键625、穿线扣626、穿线孔627、推力轴承63、护盖64、接收端轴承7、旋塞71、旋塞环部711、旋塞凸台712、旋塞凸台孔713、机械臂72、接收端轴承顶盖73、接收端绕线轮8、接收端凸缘81、接收端绕线环82、接收端绕线槽83、接收端穿绳孔84、绳9、第一绳91、第二绳92、拉力传感器93。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，以下实施方式中描述的“左”、“右”均是以图5或图7作为参照。

如图1-15所示，一种自动张紧且可控张紧力的线传动装置，包括支座1、电机2、传动轴22、滑架3、输出端绕线轮4、张紧轮62和接收端绕线轮8，支座1包括连接在一起的机架11和电机座12，机架11包括机架连杆111和位于机架连杆111两端的输出端绕线座112和接收端绕线座113。

所述电机2安装于支座1，实际为电机2安装于电机座12，电机座12包括一水平的电机座板121，电机座板121的左端形成一个电机安装环123，电机2贴合电机安装环123并通过螺栓连接固定。

电机2输出带动传动轴22同步旋转，本实施方式中的电机2为伺服电机，电机2输出端连接传动盘21，电机座板121设有一个电机座板缺口122，传动盘21的下部伸入电机座板缺口122，电机座板缺口122的设置给传动盘21提供了一个可旋转的空间。传动盘21的中心设有一个贯穿的传动盘孔23，本实施方式中传动盘孔23为d字型孔，传动轴22包括位于左端的传动轴连接部24，传动轴连接部24的截面为d字型且传动轴连接部24间隙配合穿过传动盘孔23并可沿着传动盘孔23左右移动，传动轴连接部24的截面积小于传动轴22的主体部分的截面积，通过传动轴连接部24和传动盘孔23的间隙配合可实现电机2输出带动传动轴22同步旋转。

所述传动轴22穿过滑架3且传动轴22的外壁与滑架3之间通过滑架轴承36连接，传动轴22的外壁与滑架轴承36的内圈过盈配合，滑架3包括滑架环体31，滑架环体31的中心设有左右贯穿的滑架槽32，滑架轴承36安装于滑架槽32，从图5可以看出，滑架环体31的环形内壁形成一个向内凸出的台阶部位，滑架轴承36的外圈的右端面抵住该滑架环体31的台阶部位，滑架轴承36的外圈的左端面通过一个滑架轴承顶板37抵接，滑架轴承顶板37通过螺栓固定连接于滑架环体31的左端面，这样滑架3左右移动时可带动传动轴22一起移动。

滑架3还包括位于其环形外壁前后两侧的对称分布的连杆34，所述滑架3包括拉簧安装杆35和限位杆33，其中拉簧安装杆35也为对称设置的两个，每个拉簧安装杆35垂直连接于一个对应的连杆34的前端，即拉簧安装杆35相对于连杆34为向左延伸，限位杆33连接于滑架环体31的上端，限位杆33相对于连杆34为垂直向右延伸。

传动轴22包括摩擦盘25，摩擦盘25位于传动轴22的靠近右端处，所述摩擦盘25的两端面均设有摩擦盘定位部26，本实施方式中，摩擦盘定位部26位于摩擦盘25的外缘。

所述输出端绕线轮4和接收端绕线轮8均通过轴承可旋转安装于支座1，输出端绕线座112内设输出端绕线座内孔115，接收端绕线座113内设接收端绕线座孔116，所述输出端绕线轮4包括输出端凸环42、连接于输出端凸环42端面的输出端绕线盘47、连接于输出端绕线盘47端面的输出端绕线环41，所述输出端绕线盘47通过周向分布的连接柱44连接有张紧轮安装座43，所述输出端凸环42通过轴承可旋转安装于支座1，实际为输出端凸环42伸入输出端绕线座内孔115且通过轴承可旋转安装于输出端绕线座112，张紧轮安装座43位于输出端绕线环41的右侧。

输出端凸环42的外壁设有一处台阶部位，输出端绕线座112内也设有一处台阶部位，输出端凸环42的外壁和输出端绕线座112内壁通过两个左右间隔分布的第一角接触球轴承5和第二角接触球轴承51连接，其中第一角接触球轴承5位于第二角接触球轴承51的右侧，输出端凸环42的外壁与第一角接触球轴承5和第二角接触球轴承51的内圈过盈配合，第一角接触球轴承5的内外圈的右端面分别抵住输出端凸环42的台阶部位和输出端绕线座112的台阶部位，第一角接触球轴承5和第二角接触球轴承51的内圈之间通过套筒52抵接，套筒52贴合于输出端凸环42的环形外壁，第二角接触球轴承51的内圈左端面抵接有螺纹环53，螺纹环53螺旋拧入输出端凸环42的环形外壁，输出端绕线座112的左端面通过螺钉固定连接有抵盖54，抵盖54抵住第二角接触球轴承51的外圈左端面。通过第一角接触球轴承5和第二角接触球轴承51的设置，使得输出端凸环42在此处可承受轴向力。

接收端绕线轮8包括至少部分伸入接收端绕线座孔116的接收端凸缘81和位于径向垂直于接收端凸缘81的接收端绕线环82，接收端绕线环82位于接收端绕线座孔116的外围，接收端凸缘81通过接收端轴承7可旋转安装于接收端绕线座113，接收端凸缘81的环形外壁与接收端轴承7的内圈贴合，接收端凸缘81的环形外壁设有一处台阶部位，接收端轴承7的内圈右端面抵住该接收端凸缘81的台阶部位，接收端轴承7的外圈左端面通过接收端轴承顶盖73抵住，接收端轴承顶盖73通过螺钉固定于接收端绕线座113的左端面。

接收端凸缘81为左右贯通的结构，接收端凸缘81的环形内壁螺接有旋塞71，旋塞71包括一体成型的旋塞环部711和旋塞凸台712，其中旋塞凸台712的外径大于旋塞环部711的外径，旋塞环部711的环形外壁设有外螺纹，接收端凸缘81的环形内壁设有与该外螺纹相配的内螺纹，旋塞环部711螺旋拧入接收端凸缘81的环形内壁直到旋塞凸台712的右端面抵住接收端轴承7的内圈左端面。通过旋塞凸台712的右端面和接收端凸缘81的台阶部位分别抵住接收端轴承7的内圈两端面实现接收端绕线轮8的可靠旋转，降低了安装难度。旋塞凸台712的中心设有旋塞凸台孔713，旋塞凸台孔713为正六边形结构，可通过相配的内六角螺丝刀插入旋塞凸台孔713并拧动旋塞71，操作更加方便。接收端绕线轮8的右侧通过螺栓连接机械臂72。从图2可看出，机械臂72的外圆周处设有一个凸出部位且该凸出部位设有圆孔，接收端绕线座113的外圆周处也设有一个凸出部位且该凸出部位同样设有圆孔，两个圆孔用于机械臂72的零位校准。

所述张紧轮62通过单向轴承6安装于输出端绕线轮4内，所述张紧轮62通过单向轴承6安装于张紧轮安装座43，张紧轮62包括从左往右一体成型的张紧轮凸缘621、张紧轮环体622和张紧轮盘体623，张紧轮凸缘621从张紧轮环体622的左端外缘向外径向延伸，张紧轮盘体623封堵住张紧轮环体622的右端面，单向轴承6的外圈和内圈分别贴合张紧轮安装座43内壁和张紧轮环体622的外壁，其中单向轴承6的外圈左端面抵住张紧轮安装座43的台阶部位，单向轴承6的内圈左端面抵住张紧轮凸缘621的右端面，单向轴承6的外圈右端面通过单向轴承顶板61抵接，单向轴承顶板61通过螺栓固定于张紧轮安装座43的右端面。可在张紧轮62和单向轴承6之间涂胶水进行固定连接。单向轴承6只能向一个方向转动，单向轴承6的具体使用方法和原理为常规手段，在此不作详细介绍。张紧轮安装座43的环形内壁设有向内凸出的安装座键411，张紧轮环体622的环形外壁设有向外凸出的张紧轮键625，安装座键411和张紧轮键625均与单向轴承6的内外圈的键槽(图中未画出)相配，起到同步运转的作用，这与电机转轴和负载之间的键连接为同样原理。

参照图6，张紧轮安装座43的右端面连接有护盖64，护盖64与张紧轮62之间设有推力轴承63，其中推力轴承63的左端抵接于张紧轮环体622和张紧轮盘体623交界处的台阶部位，推力轴承63的右端抵接于护盖64的台阶部位。通过推力轴承63以承担张紧轮62挤压单向轴承6产生的轴向力。

本实施方式中，电机2、传动盘21、传动轴22、输出端绕线座112、输出端绕线轮4、张紧轮62都沿着同一轴线分布。电机座板121上固定安装有防护罩13，通过防护罩13将第一线圈39和第二线圈310等遮盖在内，隔绝人体操作空间，起到电气保护作用。

张紧轮62的一端面设有张紧槽624，张紧槽624设于张紧轮凸缘621的左端面。所述输出端绕线轮4包括输出端绕线盘缺口槽410，所述输出端绕线盘缺口槽410设于输出端绕线盘47的端面，具体为输出端绕线盘缺口槽410设于输出端绕线盘47的右端面，且张紧槽624位于输出端绕线盘缺口槽410的右侧。所述摩擦盘25位于张紧槽624和输出端绕线盘缺口槽410之间，具体为摩擦盘25位于输出端绕线盘47的右端面和张紧轮凸缘621的左端面之间。

所述滑架3可移动安装于支座1，所述滑架3安装有第二线圈310，第二线圈310的数量为两个，每个第二线圈310套设于对应的一个连杆34，所述支座1安装有第一线圈39，具体为电机座板121上安装有两个线圈安装柱125，每个第一线圈39对应套设于一个线圈安装柱125。所述第一线圈39和第二线圈310水平间隔分布且通电后相吸，一组第一线圈39为固定组，通过有机胶水固定于线圈安装柱125，一组第二线圈310为可动端，通过有机胶水固定于连杆34。第一线圈39和第二线圈310各有一组独立直流电源供电。两个第一线圈39串联，两个第二线圈310串联。实际上，第一线圈39和第二线圈310两端还包含供电导线与电源适配器(图中未画出，关于线圈通电的技术为现有常规手段)。

所述滑架3安装有牵引装置，所述第二线圈310在通电状态下克服牵引装置的牵引力进而靠近第一线圈39，所述第二线圈310在失电状态下通过牵引装置的牵引力作用进而远离第一线圈39。所述牵引装置为拉簧38，所述支座1包括导向柱124，所述拉簧38设于拉簧安装杆35的外壁，所述拉簧38的两端分别固定于导向柱124和拉簧安装杆35。拉簧38用于在第一线圈39和第二线圈310不通电的情况下拉动滑架3靠近导向柱124。

滑架3移动可带动摩擦盘25移动进而使得摩擦盘25顶住张紧槽624或输出端绕线盘缺口槽410，张紧槽624和输出端绕线盘缺口槽410用于增大摩擦系数。所述摩擦盘定位部26与输出端绕线盘缺口槽410和张紧槽624相配。

所述输出端绕线轮4和接收端绕线轮8之间通过两个绳9连接进行传动，绳9为高强度复合纤维线。两个绳9分别为第一绳91和第二绳92。

两个绳9分别连接输出端绕线轮4和接收端绕线轮8的上半部分和下半部分，本实施方式中，第一绳91连接输出端绕线轮4和接收端绕线轮8的下半部分，第二绳92连接输出端绕线轮4和接收端绕线轮8的上半部分。第一绳91位于第二绳92的左侧。

其中一个绳9的两端分别连接输出端绕线轮4和接收端绕线轮8，另一个绳9的一端连接接收端绕线轮8且另一个绳9的另一端穿过输出端绕线轮4并连接张紧轮62。

所述输出端绕线轮4设有绕线盘插槽49，所述限位杆33随着滑架3移动进而使得限位杆33插入或脱离绕线盘插槽49。所述支座1包括输出端绕线座穿孔114，输出端绕线座穿孔114设于输出端绕线座112的顶端，所述限位杆33至少部分穿入输出端绕线座穿孔114且限位杆33穿过输出端绕线座穿孔114后插入绕线盘插槽49。

所述输出端绕线轮4内安装有滑动轴承27，所述传动轴22贴合穿过滑动轴承27。滑动轴承27的设置使得传动轴22可以左右移动的同时又影响其旋转。

每个绳9安装有拉力传感器93。

所述输出端绕线轮4设有两个输出端绕线槽45，所述输出端绕线槽45设于输出端绕线环41的环形外壁。每个输出端绕线槽45设有相互远离分布的输出端穿绳孔46，输出端绕线盘47的右端面设有穿线槽48，穿线槽48与位于左侧的一个输出端穿绳孔46连通。

所述接收端绕线轮8设有两个接收端绕线槽83，每个接收端绕线槽83设有相互远离分布的接收端穿绳孔84。所述张紧轮62包括穿线孔627，张紧轮凸缘621的外缘设有一个穿线扣626，穿线孔627设于穿线扣626。

每个绳9绕于对应的一个输出端绕线槽45和一个接收端绕线槽83，其中一个绳9的两端分别穿过对应的一个输出端穿绳孔46和接收端穿绳孔84并打结，另一个绳9的一端穿过接收端穿绳孔84并打结且另一个绳9的另一端穿过输出端穿绳孔46和穿线孔627后并打结。

本发明的自动可控张紧力的张紧动作流程分为三个阶段，阶段1：第一线圈39、第二线圈310默认不通电，滑架3在拉簧38的拉力作用下拖动传动轴22向靠近电机2方向运动，摩擦盘定位部26与输出端绕线盘缺口槽410贴合，使电机2的扭矩可以传递到输出端绕线轮4上，控制电机2转至零位，带动输出端绕线轮4转动。阶段2：控制第一线圈39和第二线圈310通电，在电磁场作用下，滑架3朝向输出端绕线轮4运动，滑架3上的限位杆33插入输出端绕线轮4上的绕线盘插槽49中，阻止输出端绕线轮4转动，同时，摩擦盘定位部26从与输出端绕线盘缺口槽410移动到张紧槽624，使电机2的扭矩输出到张紧轮62上。阶段3：电机2转动，带动传动轴22转动，摩擦盘25带动张紧轮62转动，张紧轮62在转动下其中一个绳9(该绳9为一端穿过穿线孔627并打结的绳9，本实施方式中为第二绳92)，使第二绳92的预紧力不断上升，同时通过读取拉力传感器93中的拉力反馈值进行闭环控制，当拉力反馈值达到预期值时，控制电机2停止转动。由于单向轴承6的单向运动特性，绳9中的预紧力被锁定且不会放松。第一线圈39和第二线圈310停止通电，滑架3在拉簧38的拉力作用下拖动传动轴22向靠近电机2方向运动，摩擦盘定位部26与输出端绕线盘缺口槽410贴合，同时滑架3上的限位杆33退出输出端绕线轮4上的绕线盘插槽49，消除对输出端绕线轮4的限制，使电机2的扭矩可以传递到输出端绕线轮4上，此时电机2上的扭矩可通过输出端绕线轮4、绳9、接收端绕线轮8传递到机械臂72上。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。