本发明涉及空间大型绳驱机械臂设计，具体涉及一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置。
背景技术：
1、空间机械臂对于航天器的捕获与对接、载荷运输、在轨组装与维修、空间站建设等空间任务至关重要。深空探测与空间在轨服务系统日趋大型化，航天产品对质量与成本的严苛要求限制了大尺寸空间操作臂的发展，因此，对大尺寸高折展比的轻质空间机械臂的设计具有重要的研究意义。
2、传统的空间大型机械臂普遍由一个或多个刚性臂通过旋转关节连接组成，其中旋转关节集成了电机、齿轮减速器、控制器、传感器、电气线束等多种设备，结构复杂、体积庞大，其质量占据了机械臂质量的85％-90％；其次由于机械臂之间的位置干涉和线束干涉等，传统机械臂难以实现大角度运动和高折展比，致使大型机械臂的运输成本极高；此外，由于旋转关节中电机施加的扭矩位于机械臂的中间，远距离的空间任务需要使用更大尺寸和质量的电机及齿轮减速器，机械臂长度增加带来的质量增加限制了空间机械臂的操作距离。
3、现有专利公告号为cn115488871a的专利文献公开了一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置，包括旋转关节、吊杆、两个臂杆、驱动模块和驱动绳索，该发明的机械关节装置有助于降低结构复杂度，提高控制精度，弱化或者避免各关节间的运动耦合，且具有大角度运动范围。吊杆可增加驱动力臂，提高输出力矩。绳索拮抗控制可改变关节刚度特性。超轻的质量和优异的展收比，可实现快速布置与应用。其中，该关节装置包括转轴偏置机构、两个转轴和四个齿轮，每个转轴都具备±90°的旋转范围，通过对两个转轴施加相同控制，使得转轴运动角度一致从而实现机械臂平面内360°运动。该关节装置较为复杂，需要对两个转轴进行联合控制，增加了控制复杂度，转轴和齿轮的结构导致关节的抗弯性能和承载能力较小，且当臂杆截面尺寸较大时，为了保证臂杆和吊杆不会限制关节的旋转范围，需要较大的齿轮才能实现关节的360°旋转，从而增加了结构的质量。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于如何在实现关节360°旋转的基础上简化关节结构、降低关节控制的复杂度、提高关节的刚度和承载能力，并使旋转关节在面对臂杆截面尺寸变化时具有良好的尺寸适应度。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，包括驱动装置1、臂杆2、360°旋转关节3、桅杆4、绳索5、张紧装置6和导向轮装置7，所述驱动装置1和所述张紧装置6分别内置于所述两个臂杆2的外端，所述臂杆2的内端分别与所述360°旋转关节3的两端相连，所述桅杆4通过销轴与所述360°旋转关节3连接，所述绳索5的两端经过所述驱动装置1缠绕后分别与所述臂杆2端部的所述张紧装置6相连，通过所述驱动装置1中的电机12带动绞盘13控制所述绳索5的收放长度，并通过所述桅杆4和所述导向轮装置7将张力作用传递至所述臂杆2的两端，进而驱动所述360°旋转关节3带动所述机械臂实现转动。
3、所述驱动装置包括基座11、电机12、绞盘13、第一滑轮14和第二滑轮15，所述绳索5经所述第一滑轮14进入所述绞盘13缠绕一圈，经过所述第二滑轮15退出所述驱动装置1，通过这种特殊缠绕方式产生摩擦力，进而通过所述电机12驱动所述绞盘13控制所述绳索5的收放长度，将所述绳索5从所述机械臂的一侧循环至另一侧。
4、所述臂杆2是由碳纤维板拼接组成的轻质桁架结构。
5、所述360°旋转关节3包括反平行四边形机构31、平行四边形机构32、平面推力球轴承33、塞打螺栓34、防松螺母35，所述反平行四边形机构31和平行四边形机构32的连杆之间安装有所述平面推力球轴承33，通过所述塞打螺栓34和所述防松螺母35连接组成，所述反平行四边形机构31用于实现关节的360°旋转，所述平行四边形机构32对角线上铰链杆旋转轴之间的距离可以变化，用于适应所述机械臂在运动过程两个臂杆2内端中心点之间的距离变化，所述桅杆4通过塞打螺栓与所述平行四边形机构32中铰链杆322的旋转中心相连，保证了所述桅杆4与所述360°旋转关节3两侧所述臂杆2的距离始终相等，因此，所述桅杆4在所述360°旋转关节3运动过程中始终平分机械臂两相邻臂杆之间的夹角。
6、所述桅杆4包括两个横板41、第一支撑块42、第二支撑块43、滚轴44，通过螺栓将所述两个横板41通过所述第一支撑块42和所述第二支撑块43连接。
7、所述绳索5可以是钢丝绳、尼龙绳、聚酯绳等，其材质和尺寸可以根据实际需求选用。
8、所述张紧装置6包括基座61、卷簧62和卷筒63，安装于所述机械臂的一端，用于张紧所述绳索5并补偿所述绳索5长度的变化。
9、所述导向轮装置7包括滑轮座71和滑轮72，布置于所述绳索5进出所述驱动装置1和所述张紧装置6的过渡位置，用于保证所述绳索5始终处于同一平面，且不与所述臂杆2发生位置干涉。
10、所述绞盘13的尺寸和所述绳索5的缠绕圈数可根据实际的负载要求进行调整，以保证适应不同任务需求。
11、本发明的机械臂，还包括与所述电机12设置的电源、控制器和力矩传感器中的任一种或多种。
12、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
13、本发明的关节装置通过反平行四边形机构实现了关节的360°旋转，仅采用四个轻质连杆，简化了关节结构，改善了旋转轴的布局和支撑，从而提高了关节的刚度和承载能力，并且反平行四边形机构在面对臂杆截面尺寸变化时具有良好的尺寸适应度。
14、本发明的关节装置通过平行四边形机构保证了桅杆在旋转关节运动过程中始终平分机械臂两相邻臂杆之间的夹角，防止了桅杆在运动过程中产生位置偏置。
15、本发明的关节装置采用一个电机驱动，减轻了机械臂的重量，且关节旋转过程中不需要对转轴进行联合控制，降低了控制的复杂度。
16、本发明中，机械臂采用导向轮装置，保证了绳索始终处于同一平面，且不与臂杆发生位置干涉，提高了传动的可靠性和平滑性。本发明中，机械臂可以模块化布置，面对空间长距离任务，可以通过多个关节模块和臂杆串联构成具有大尺寸、高折展比的大型机械臂，实现未来空间任务的快速部署和使用。
1.一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，包括驱动装置(1)、臂杆(2)、360°旋转关节(3)、桅杆(4)、绳索(5)、张紧装置(6)和导向轮装置(7)，所述驱动装置(1)和所述张紧装置(6)分别内置于所述两个臂杆(2)的外端，所述两个臂杆(2)的内端分别与所述360°旋转关节(3)的两端相连，所述桅杆(4)通过销轴与所述360°旋转关节(3)连接，所述绳索(5)的两端经过所述驱动装置(1)缠绕后分别与所述臂杆(2)端部的所述张紧装置(6)相连，通过所述驱动装置(1)中的电机(12)带动绞盘(13)控制所述绳索(5)的收放长度，并通过所述桅杆(4)和所述导向轮装置(7)将绳索张力作用传递至所述臂杆(2)的两端，进而驱动所述360°旋转关节(3)带动所述机械臂实现转动。
2.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述驱动装置包括基座(11)、电机(12)、绞盘(13)、第一滑轮(14)和第二滑轮(15)，所述绳索(5)经所述第一滑轮(14)进入所述绞盘(13)缠绕一圈，经过所述第二滑轮(15)退出所述驱动装置(1)，通过这种特殊缠绕方式产生摩擦力，进而通过所述电机(12)驱动所述绞盘(13)控制所述绳索(5)的收放长度，将所述绳索(5)从所述机械臂的一侧循环至另一侧。
3.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述臂杆(2)是由碳纤维板拼接组成的轻质桁架结构。
4.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述360°旋转关节(3)包括反平行四边形机构(31)、平行四边形机构(32)、平面推力球轴承(33)、塞打螺栓(34)、防松螺母(35)，所述反平行四边形机构(31)和平行四边形机构(32)的连杆之间安装有所述平面推力球轴承(33)，通过所述塞打螺栓(34)和所述防松螺母(35)连接，所述反平行四边形机构(31)用于实现关节的360°旋转，所述平行四边形机构(32)用于保证所述桅杆(4)在所述360°旋转关节(3)运动过程中始终平分所述机械臂两相邻臂杆(2)之间的夹角。
5.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述桅杆(4)包括两个横板(41)、第一支撑块(42)、第二支撑块(43)、滚轴(44)，通过螺栓将所述两个横板(41)通过所述第一支撑块(42)和所述第二支撑块(43)连接。
6.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述绳索(5)可以是钢丝绳、尼龙绳、聚酯绳等，其材质和尺寸可以根据实际需求选用。
7.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述张紧装置(6)包括基座(61)、卷簧(62)和卷筒(63)，安装于所述机械臂的一端，用于在所述机械臂运动过程中保持所述绳索(5)张紧，并在所述机械臂构型变化时补偿所述绳索(5)长度的变化。
8.如权利要求1所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述导向轮装置(7)包括滑轮座(71)和滑轮(72)，布置于所述绳索(5)进出所述驱动装置(1)和所述张紧装置(6)的过渡位置，用于保证所述绳索(5)始终处于同一平面，且不与所述臂杆(2)发生位置干涉。
9.如权利要求2所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，所述绞盘(13)的尺寸和所述绳索(5)的缠绕圈数可根据实际的负载要求进行调整，以保证适应不同任务需求。
10.如权利要求1至9任一项所述的一种可实现360°旋转的绳驱机械臂关节装置，其特征在于，还包括与所述电机(12)设置的电源、控制器和力矩传感器中的任一种或多种。
