10線（繩）傳動(dòng)和抬升

RC機(jī)械組暑期培訓(xùn)

線，繩傳動(dòng)主講人：陳宣伯目錄一：何為線傳動(dòng)何為線傳動(dòng)二：線傳動(dòng)實(shí)例三：線繩選型四：作業(yè)2添加頁(yè)腳3part1：線傳動(dòng)繩傳動(dòng)是靠緊繞在槽輪上的繩索與槽輪間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。主要應(yīng)用場(chǎng)景：低負(fù)載、高速、精確響應(yīng)的末端執(zhí)行器操作的應(yīng)用場(chǎng)景確響應(yīng)的末端執(zhí)行器操作的應(yīng)用場(chǎng)景4線性傳動(dòng)——優(yōu)勢(shì)通過(guò)線驅(qū)動(dòng)，可以使質(zhì)量較大的驅(qū)動(dòng)器(電機(jī))遠(yuǎn)離末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)合理的排布，可以減輕末端執(zhí)行器的慣量，提升動(dòng)態(tài)性能，典型的例子就是上文中的LIMS2-AMBIDEX；線驅(qū)動(dòng)排布靈活，幾何空間占用少，非常適合空間狹小且所需驅(qū)動(dòng)自由度數(shù)目多的傳動(dòng)場(chǎng)合，典型的應(yīng)用例子就是機(jī)器人的機(jī)械手(靈巧手)；和人體肌腱的傳動(dòng)原理一致，符合仿生學(xué)設(shè)計(jì)的背景和要求。5線性傳動(dòng)——劣勢(shì)現(xiàn)階段的缺點(diǎn)帶負(fù)載能力弱這是現(xiàn)階段線驅(qū)動(dòng)性能上最致命的缺點(diǎn)。我們從結(jié)果論來(lái)看，幾乎我們能看到的所有應(yīng)用線驅(qū)動(dòng)方案的機(jī)器人相關(guān)設(shè)計(jì)，都是集中在負(fù)載要求較小的諸如機(jī)械手，上身機(jī)械臂或者小尺寸人形的領(lǐng)域，很難看到全尺寸大人形上有線驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的存在。這里我需要著重強(qiáng)調(diào)的是：實(shí)際上很難給線驅(qū)動(dòng)帶負(fù)載的能力做一個(gè)具體的量化指標(biāo)，即什么樣的材料、什么樣的直徑能夠傳遞多大的線性力等。因?yàn)椋湫阅艿钠款i往往不是材料本身的抗拉截面系數(shù)決定的，而是與你在設(shè)計(jì)線驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的滑輪/軸承支承情況、相應(yīng)的末端固定方式(比如怎么給繩索打一個(gè)結(jié)實(shí)的knot“結(jié)”)、相應(yīng)的工作工況等息息相關(guān)。這里的整體性能實(shí)際上是一個(gè)“木桶效應(yīng)”，任何設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)牡胤?，都?huì)成為帶負(fù)載能力的短板。預(yù)緊力變化即線驅(qū)動(dòng)的材料無(wú)論是選用鋼絲繩或者迪力馬(Dyneema)，其和傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，其剛度(Stiffness)是非常小的，因此其預(yù)緊力(Pre-tension)會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的增加而改變，直觀來(lái)說(shuō)即變“松”(loose)。這個(gè)變化帶來(lái)的困擾是：驅(qū)動(dòng)器(電機(jī))的初始位置和所驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的初始位置不一致，可以理解為對(duì)于驅(qū)動(dòng)器存在一個(gè)零點(diǎn)死區(qū)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要每隔一段時(shí)間1.通過(guò)手動(dòng)去調(diào)整線驅(qū)動(dòng)的預(yù)緊；2.通過(guò)電流環(huán)去自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)緊。頻繁地重新做位置標(biāo)定(Calibration)，在實(shí)際應(yīng)用中是相當(dāng)麻煩的。6線性傳動(dòng)——劣勢(shì)傳動(dòng)效率低相比較于傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，線驅(qū)動(dòng)由于其需要在狹小特定的空間中“穿梭拐彎”，會(huì)不可避免地與外界的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦，因此在傳動(dòng)效率上會(huì)有一定的損失。傳動(dòng)負(fù)載越大，線驅(qū)動(dòng)的軌跡(tendonroute)越復(fù)雜，傳動(dòng)效率越低，從我的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看：在通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)(KinematicAnalysis)分析進(jìn)行電機(jī)選型時(shí)，這個(gè)線驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率可以取到0.45或者更低，以確保電機(jī)選型的安全系數(shù)。缺乏模塊化解決方案線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上一個(gè)特點(diǎn)是，會(huì)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)聚集地排布在一起(往往遠(yuǎn)離于末端執(zhí)行器)，再通過(guò)復(fù)雜的路徑設(shè)計(jì)、包括相應(yīng)的導(dǎo)向滑輪、軸承支撐、微分機(jī)構(gòu)等，最終連接于各個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。這樣帶來(lái)的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是：很難做到模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)的解決方案，這對(duì)后續(xù)的維護(hù)性、商業(yè)化以及設(shè)計(jì)的通用性都會(huì)帶來(lái)很大的弊端。維護(hù)難度高采用線驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方案的機(jī)器人維護(hù)難度高——這是一個(gè)結(jié)論性的事實(shí)。當(dāng)然，一方面是因?yàn)椴捎镁€驅(qū)動(dòng)方案的機(jī)器人或者軀體，本身就是屬于空間狹小，部件眾多的精密機(jī)構(gòu)；另一方面還是因?yàn)樯弦稽c(diǎn)提及到的缺乏模塊化解決方案所致——存在大量的耦合機(jī)構(gòu)：舉個(gè)簡(jiǎn)單例子來(lái)說(shuō)：有時(shí)候你僅僅需要維護(hù)機(jī)械臂手腕關(guān)節(jié)pitch方向的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但因?yàn)榫€驅(qū)動(dòng)的耦合，你可能要把整個(gè)機(jī)械臂從肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)重新拆裝維護(hù)一遍。7線性傳動(dòng)——劣勢(shì)可靠性低這點(diǎn)的話，我在我先前的文章：任賾宇：【短文】對(duì)于30種機(jī)械手的歸類(lèi)與分析——從假肢（Prosthetic）和機(jī)器人（Robotics）兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域討論已經(jīng)用機(jī)械手設(shè)計(jì)的實(shí)例驗(yàn)證過(guò)：即所有商業(yè)化的機(jī)械手，均未采用線驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方案，取而代之的則是傳統(tǒng)的連桿、滾柱絲杠、齒輪齒條等傳動(dòng)方案。簡(jiǎn)而言之，線驅(qū)動(dòng)在惡劣工況和疲勞測(cè)試中還是很容易“斷裂"！8part2：線傳動(dòng)實(shí)例/p/509163629part2：線傳動(dòng)實(shí)例10part2：線傳動(dòng)實(shí)例通過(guò)3508驅(qū)動(dòng)繩盤(pán)，以此帶動(dòng)抬升裝置的上下運(yùn)動(dòng)/watch?v=bavAWZ-h7yU/watch?v=XfroNmIYpmw11part2：線傳動(dòng)實(shí)例12part2：線傳動(dòng)實(shí)例13part2：線傳動(dòng)實(shí)例14part2：線傳動(dòng)實(shí)例力單位N每200毫秒采集一次15part3：線繩選型關(guān)于材料的選擇在大負(fù)載下一般選用鋼絲繩(WireRope)為主，但在較小負(fù)載和尺寸空間(d_{t}\leq1\,mm)較小的應(yīng)用場(chǎng)景中，推薦一家專(zhuān)業(yè)做各類(lèi)繩索解決方案的德國(guó)公司——LIROS。這家公司的此款繩索材料LIROSDSL，感覺(jué)不錯(cuò)。DSL這類(lèi)繩索材料的顯著特點(diǎn)是，其外殼和內(nèi)芯是不同的材料制成：外殼為聚酯纖維(Polyester)，內(nèi)芯為迪力馬(Dyneema)，聚酯纖維的外殼帶來(lái)物理耐磨且化學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)，迪力馬的內(nèi)芯：一般來(lái)說(shuō)用剪刀是很難剪短這樣的繩索，內(nèi)芯韌性很強(qiáng)。一般的魚(yú)線，布線，棉線，包括彈性鋼卷效果都較差16part3：線繩選型杜絕滑動(dòng)摩擦在設(shè)計(jì)整體線驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)路徑的時(shí)候，需要嚴(yán)格杜絕所有可能的滑動(dòng)摩擦——這是造成上文中所說(shuō)缺點(diǎn)中的傳動(dòng)效率低，可靠性差的核心原因。相應(yīng)的導(dǎo)向滑輪必須通過(guò)軸承進(jìn)行支承，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，關(guān)于相應(yīng)的軸承選型，可參考MISUMI的MiniatureBallBearings系列。導(dǎo)向滑輪的最小半徑記住這個(gè)結(jié)論：線驅(qū)動(dòng)中，導(dǎo)向滑輪的半徑(r_{p})需要至少大于6倍的線驅(qū)動(dòng)繩索半徑(r_{t})，即r_{p}\geq6\cdotr_{t}。否則在大負(fù)載工況下，極易造成繩索的斷裂。傳動(dòng)安全系數(shù)我們?cè)谶x擇繩索材料時(shí)，有一個(gè)重要的參數(shù)就是該rope的最大斷裂負(fù)載(Maximumbreakingload)，廠商一般測(cè)量此參數(shù)是通過(guò)垂直懸掛重物的方法得到的，比我們實(shí)際線驅(qū)動(dòng)有外界摩擦的工況要溫和得多。所以說(shuō)一般在選型時(shí)，要考慮一個(gè)傳動(dòng)安全系數(shù)，作者推薦定在2.5-3.0之間。線驅(qū)動(dòng)末端的固定方法推薦比較簡(jiǎn)單可靠的固定方法是：通過(guò)繩索穿過(guò)相應(yīng)的略大于其直徑的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的