專(zhuān)利名稱(chēng)：一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有自主調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自重的力反饋交互設(shè)備，該設(shè)備提供六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度和三自由度力反饋，能夠用于虛擬環(huán)境或是主從遠(yuǎn)程遙操作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)力反饋交互，準(zhǔn)確模擬交互過(guò)程中的力/觸覺(jué)大小和方向。
背景技術(shù)：
將決策、判斷等人類(lèi)的智能因素引入到機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計(jì)出全自主智能機(jī)器是相關(guān)科研技術(shù)人員的奮斗目標(biāo)。遺憾的是，由于人工智能、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造以及控制理論等技術(shù)的限制，全自主智能機(jī)器人在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)是難以實(shí)現(xiàn)的。為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的決策判斷能力，人類(lèi)可以通過(guò)人機(jī)交互的方式，依靠人的介入對(duì)操作環(huán)境進(jìn)行智能決策，通過(guò)人操縱機(jī)器手間接完成一些人類(lèi)不能直接完成的任務(wù)?；诖祟?lèi)技術(shù)背景，力反饋交互設(shè)備是當(dāng)前乃至今后一段時(shí)期內(nèi)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。力反饋交互設(shè)備與其他視覺(jué)/聽(tīng)覺(jué)(單向信息傳遞通道，僅能感知外界環(huán)境信息)設(shè)備有著明顯區(qū)別力反饋交互設(shè)備具有雙向通道，不但能通過(guò)力反饋交互設(shè)備感知外界環(huán)境或者虛擬環(huán)境的信息，而且可以通過(guò)人的介入改變或者操縱外界真實(shí)/虛擬環(huán)境。力反饋交互設(shè)備按照安裝固定位置分為桌面力反饋設(shè)備；便攜式力反饋設(shè)備； 懸線(xiàn)型力反饋設(shè)備。按機(jī)構(gòu)構(gòu)型分為串聯(lián)機(jī)構(gòu)力反饋設(shè)備；并聯(lián)機(jī)構(gòu)力反饋設(shè)備；混聯(lián)機(jī)構(gòu)力反饋設(shè)備。也可以按照傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類(lèi)等等。這些設(shè)備應(yīng)用在不同的力反饋交互場(chǎng)景中， 各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前，世界上已經(jīng)有許多的較為成功的力反饋設(shè)備，例如美國(guó)knsable公司的 PHANToM系列力反饋設(shè)備，加拿大Quansar公司的力反饋設(shè)備，法國(guó)Haption的Virtuose 系列力反饋設(shè)備，瑞士 i^orceDimension的Omega系列力反饋設(shè)備。其中最為成功的是美國(guó)knsable公司的PHANToM系列力反饋設(shè)備，例如該公司的已公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利(Pub. No. US 2008/0291161 Al)和已成功申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(Patent Number: US007714836B2, Patent Number:US005625576A )等等。然而，上述這些已公開(kāi)發(fā)明或者是已申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利都存在很多缺陷沒(méi)有進(jìn)行完全的重力補(bǔ)償，重力補(bǔ)償在力反饋設(shè)備中是必不可缺，如果力反饋設(shè)備機(jī)械手臂不進(jìn)行自身重力補(bǔ)償，當(dāng)在虛擬環(huán)境或者遠(yuǎn)程遙操作環(huán)境進(jìn)行力反饋交互時(shí)，人手不僅僅能夠感受到的反饋力，而且還感受到了力反饋設(shè)備機(jī)械臂的自身重力。 由于重力和反饋力共同作用在人手，人手感覺(jué)到的共同作用力必然不是真實(shí)的反饋力；本身存在系統(tǒng)剛度差；提供的反饋力有限；使用的材料較為特殊導(dǎo)致設(shè)備昂貴。上述的一系列缺陷又導(dǎo)致了另外一些缺陷應(yīng)用場(chǎng)合或環(huán)境受限，設(shè)備的通用性差，設(shè)備出現(xiàn)故障不方便拆卸、維修和更換零件。除此之外，上述設(shè)備還存在技術(shù)壟斷方面的問(wèn)題。針對(duì)上述一系列存在的缺陷和問(wèn)題，提出了一種自主調(diào)節(jié)重力補(bǔ)償?shù)姆椒?，基于該方法，設(shè)計(jì)了一種具有自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備。該力反饋設(shè)備能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)的進(jìn)行重力補(bǔ)償能夠極大提高力反饋感覺(jué)逼真，并且進(jìn)行自主調(diào)節(jié)自重平衡時(shí)是將重力盡可能地平衡在力反饋設(shè)備的基座上；避免或者減少了直流電機(jī)用于重力補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使直流電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了設(shè)備的反饋力調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)的剛度；相比較重力配重塊的重力補(bǔ)償技術(shù)，采用自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償，能夠極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)還能夠減小配重塊的加入對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響同時(shí)也使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。此外，本發(fā)明也改進(jìn)了設(shè)計(jì)的材料，選擇了市場(chǎng)上較為通用的設(shè)計(jì)材料，減少了環(huán)境的限制和擴(kuò)大了力反饋設(shè)備的使用場(chǎng)合，增強(qiáng)了力反饋設(shè)備的通用性。同時(shí)，開(kāi)發(fā)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備對(duì)于打破國(guó)外技術(shù)壟斷，推動(dòng)和促進(jìn)力反饋技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的科技發(fā)展和進(jìn)步也具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)手臂進(jìn)行重力補(bǔ)償，并可在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域或是遠(yuǎn)程遙操作領(lǐng)域中使用的一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明與已公開(kāi)的發(fā)明專(zhuān)利(Pub. No. US 2008/0291161 Al)和已成功申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(Patent Number: US007714836B2 )相似之處是采用最為常用的串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)；使用直流電機(jī)與線(xiàn)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)相配合提供三個(gè)自由度力反饋，通過(guò)三個(gè)光電編碼器和三個(gè)角度電位計(jì)檢測(cè)力反饋設(shè)備的六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。本發(fā)明與上述現(xiàn)有技術(shù)不同之處是基于現(xiàn)有的已公開(kāi)的發(fā)明專(zhuān)利(Pub. No. US 2008/0291161 Al)和已成功申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(Patent Number: US007714836B2 )的力反饋交互設(shè)備，增加了一種自主調(diào)節(jié)平衡的機(jī)構(gòu)，該自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)依靠一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制一個(gè)平衡滑塊在平衡桿的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)力反饋交互設(shè)備的機(jī)構(gòu)手臂的自重平衡調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)備實(shí)時(shí)的重力補(bǔ)償。通過(guò)該自主調(diào)節(jié)自重平衡的機(jī)構(gòu)對(duì)力反饋設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)的重力補(bǔ)償能夠極大提高力反饋感覺(jué)逼真，并且進(jìn)行自主調(diào)節(jié)自重平衡時(shí)是將重力盡可能的平衡在力反饋設(shè)備的基座上；避免或者減少了直流電機(jī)用于重力補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使直流電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了設(shè)備的反饋力調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)的剛性；相比較重力配重塊的重力補(bǔ)償技術(shù)，采用自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償，能夠極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)還能夠減小配重塊的加入對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響同時(shí)也使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。本發(fā)明與上述現(xiàn)有技術(shù)有相似之處，但那些相似只是大體上的相似?，F(xiàn)有技術(shù)使用的材料較為特殊導(dǎo)致設(shè)備昂貴，應(yīng)用場(chǎng)合或環(huán)境受限，設(shè)備的通用性差，設(shè)備出現(xiàn)故障不方便拆卸、維修和更換零件。因此，為了克服所述缺陷，組成本發(fā)明所述設(shè)備的底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)等各個(gè)部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，連接安裝，都進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。底座機(jī)構(gòu)是由底座減速機(jī)構(gòu)、底座支撐平臺(tái)、底座轉(zhuǎn)軸等三部分組成，光電編碼器 (10-1)安裝在直流電機(jī)(8-1)后部形成一個(gè)整體安裝在底座支撐平臺(tái)上；底座減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪嵌套在直流電機(jī)(8-1)輸出軸上；鋼絲繩連接底座減速主動(dòng)輪和底座減速?gòu)膭?dòng)輪構(gòu)成底座減速裝置，該減速裝置的減速比是10:1。肩部機(jī)構(gòu)由肩部支撐架、肩部轉(zhuǎn)軸、大臂減速機(jī)構(gòu)、小臂減速機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡減速機(jī)構(gòu)、安裝固定構(gòu)件六個(gè)部分組成。安裝固定構(gòu)件(2-6)將自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)和大臂機(jī)構(gòu)安裝固定在固定構(gòu)件(2-6)上。光電編碼器 (10-2)、光電編碼器(10-3)、光電編碼器(10-4)按各自相應(yīng)順序分別安裝在電機(jī)(8-2)、 電機(jī)(8-3)、電機(jī)(8-4)上，形成三個(gè)整體然后一起安裝在肩部支撐架上，三個(gè)減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪分別是大臂減速主動(dòng)輪、小臂減速主動(dòng)輪和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪0-5-1)分別嵌套在三個(gè)電機(jī)(8-2)、電機(jī)(8-3)和電機(jī)(8-4)的輸出軸，并通過(guò)鋼絲繩分別與大臂減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪、小臂減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪、自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪分別組成大臂減速機(jī)構(gòu)、小臂減速機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)。這三個(gè)減速機(jī)構(gòu)的減速比也是10:1。大臂機(jī)構(gòu)一端與自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)一端分別安裝在固定機(jī)構(gòu)(2-6)上，固定機(jī)構(gòu)(2-6)安裝在肩部轉(zhuǎn)軸上。大臂機(jī)構(gòu)和自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)分別位于肩部轉(zhuǎn)軸前后位置，圍繞肩部轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。大臂機(jī)構(gòu)另外一端通過(guò)大臂轉(zhuǎn)軸與小臂機(jī)構(gòu)一端相連，小臂機(jī)構(gòu)另一端與腕部機(jī)構(gòu)一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連。末端執(zhí)行器通過(guò)轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)另外一端相連。大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)以及末端執(zhí)行器都有一定的質(zhì)量，當(dāng)人手操縱末端執(zhí)行器進(jìn)行力反饋交互時(shí)，所述的手臂機(jī)構(gòu)四個(gè)部分所受重力作用于人手，易導(dǎo)致人手產(chǎn)生疲勞而失去力反饋交互的真實(shí)感。為了改善重力影響，引入了自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)。所述自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)依靠安裝在肩部支撐架上的電機(jī)(8-4)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩與平衡機(jī)構(gòu)減速裝置相配合控制平衡滑塊在平衡桿上的位置， 利用杠桿原理來(lái)改善重力對(duì)人手產(chǎn)生的影響。自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)能調(diào)節(jié)平衡滑塊抵消大臂機(jī)構(gòu)的重力影響，也可以改善小臂、腕部和末端執(zhí)行器的重力影響。自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)利用杠桿原理對(duì)大臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力平衡調(diào)節(jié)時(shí)，部分作用力通過(guò)機(jī)構(gòu)之間的耦合傳遞給了小臂機(jī)構(gòu)。同樣的道理小臂機(jī)構(gòu)也會(huì)把作用力傳遞給腕部機(jī)構(gòu)，腕部機(jī)構(gòu)又將作用力傳遞給末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器又將作用力傳遞給人手。當(dāng)大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器相互之間所處位置和角度的不同，相互之間的作用力也將發(fā)生變化。在進(jìn)行力反饋交互時(shí)，大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器之間的力和運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在，相互之間產(chǎn)生的作用力并非是解耦的，而是相互耦合形成了較為復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系。當(dāng)大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器所處地相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)平衡滑塊在平衡機(jī)構(gòu)上的位置來(lái)充分抵消和補(bǔ)償整個(gè)力反饋設(shè)備機(jī)械手臂所受重力。其次，通過(guò)引入自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償，減少了直流電機(jī)用于力反饋設(shè)備的重力補(bǔ)償，從而使得直流電機(jī)充分用于力反饋設(shè)備的力的產(chǎn)生，大大提高了力反饋設(shè)備系統(tǒng)的連續(xù)反饋力和最大反饋力。小臂機(jī)構(gòu)和腕部機(jī)構(gòu)上安裝有兩個(gè)高精度角度電位計(jì)。末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連接。并且末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)上也安裝有一個(gè)高精度角度電位計(jì)。
本發(fā)明能夠提供三自由度力反饋，六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度并能夠自主調(diào)節(jié)連桿重力平衡的力反饋交互設(shè)備。所述三自由度力反饋和六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度是指底座機(jī)構(gòu)安裝的電機(jī)與底座減速機(jī)構(gòu)裝置用來(lái)產(chǎn)生第一個(gè)自由度力反饋和第一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，同時(shí)與電機(jī)相配套的光電編碼用來(lái)檢測(cè)第一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；肩部機(jī)構(gòu)處安裝的電機(jī)(8-2)通過(guò)鋼絲繩與大臂減速裝置相配合產(chǎn)生第二個(gè)自由度力反饋和第二個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中與電機(jī)(8- 相配套的光電編碼器用來(lái)檢測(cè)第二個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；肩部機(jī)構(gòu)處安裝的電機(jī)(8-3)通過(guò)鋼絲繩與小臂減速裝置相配合產(chǎn)生第三個(gè)自由度力反饋和第三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中與電機(jī)相配套的光電編碼器檢測(cè)第三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；小臂機(jī)構(gòu)和腕部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生第四個(gè)和第五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度， 并且小臂機(jī)構(gòu)和腕部機(jī)構(gòu)上安裝有兩個(gè)高精度角度電位計(jì)分別檢測(cè)第四、五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)提供第六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，該處也安裝了一個(gè)高精度角度電位計(jì)檢測(cè)第六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。本發(fā)明的有益效果是
與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)提出并設(shè)計(jì)了一種自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡桿上平衡滑塊的位置對(duì)大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器所處不同位置時(shí)進(jìn)行重力補(bǔ)償，通過(guò)自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償時(shí)，是將整個(gè)力反饋設(shè)備所受的重力盡量平衡在底座機(jī)構(gòu)部位。(2)采用自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償與完全采用電機(jī)進(jìn)行重力補(bǔ)償技術(shù)相比較，極大減少了電機(jī)用于補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了力反饋設(shè)備的反饋力和系統(tǒng)的剛度。(3)采用自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償與完全采用重力配重塊的補(bǔ)償技術(shù)相比較，極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)減小了配重塊的加入對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響以及使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。(4) 一種自主調(diào)節(jié)重力平衡的力反饋設(shè)備的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)參照人機(jī)工程學(xué)原理仿照人的手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作靈活方便，各項(xiàng)同性好；有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度， 操作靈活、運(yùn)動(dòng)空間大，采用高精度角度電位計(jì)和光電編碼器檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的空間位置，運(yùn)動(dòng)精度和重復(fù)精度高。(5) 一個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)減速機(jī)構(gòu)安裝在底座；另外三個(gè)直流電機(jī)和三個(gè)減速機(jī)構(gòu)都安裝在肩部機(jī)構(gòu)。四個(gè)減速機(jī)構(gòu)都采用鋼絲繩連接主從傳動(dòng)輪進(jìn)行減速傳動(dòng)替代傳統(tǒng)的齒輪減速系統(tǒng)，各減速機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪上設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單且使用的鋼絲繩預(yù)緊裝置，防止鋼絲繩打滑，從而消除了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中存在回程間隙的缺陷。肩部的三個(gè)減速機(jī)構(gòu)采用三重主軸設(shè)計(jì)，可以同時(shí)使三個(gè)減速機(jī)構(gòu)一起工作而互不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。(6)力反饋設(shè)備整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的分布和各部分安裝對(duì)稱(chēng)性；其次，由于引入自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)，使得電機(jī)充分用于力反饋的產(chǎn)生而不必用于重力的補(bǔ)償，這樣可以選擇力矩更小質(zhì)量更輕的電機(jī)。因此，引入自主平衡的設(shè)計(jì)也減小了力反饋設(shè)備的慣量和摩擦。


圖1是本發(fā)明一種自主調(diào)節(jié)重力平衡的力反饋交互設(shè)備的總體示意圖。圖中1.底座機(jī)構(gòu) 2.肩部機(jī)構(gòu) 3.大臂機(jī)構(gòu) 4.小臂機(jī)構(gòu) 5.腕部機(jī)構(gòu)6.末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu) 7.自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)；
圖2是本發(fā)明一種自主調(diào)節(jié)重力平衡的力反饋交互設(shè)備的各個(gè)具體組成示意圖。圖中1-1-1.支撐板A 1-1-2.支撐板B 1_1_3.支撐板C 1_1_4.支撐板D 1-2.底座轉(zhuǎn)軸1-3-1減速主動(dòng)輪1-3-2.減速?gòu)膭?dòng)輪 2-1-1.支撐架底板
2-1-2.左支撐架 2-1-3.右支撐架 2-3-2.減速?gòu)膭?dòng)輪 2-4-1.減速主動(dòng)輪
2-4-2.減速?gòu)膭?dòng)輪2-5-1.減速主動(dòng)輪2-5-2.減速?gòu)膭?dòng)輪 3-1.大臂桿件
3-2.轉(zhuǎn)軸3-3 .大臂鋼絲繩 4-1.小臂桿件 4-2.電位計(jì)安裝支架 5-1.腕部支架 5-2.腕部轉(zhuǎn)軸 6-1.末端手柄 6-2.電位計(jì)固定支架 7-1.平衡桿 7-2.平衡滑塊 7-3.滑輪7-4.鋼絲繩8-1.直流電機(jī) 8-3.直流電機(jī) 8-4.直流電機(jī)9-2.角度電位計(jì)
10-1.光電編碼器 10-2.光電編碼器 10-3.光電編碼器 10-4.光電編碼器； 圖3是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的底座機(jī)構(gòu)(1)的示意圖； 圖中1-1-1.支撐板A 1-1-2.支撐板B 1-1-3.支撐板C 1-1-4.支撐板D
1-2.底座轉(zhuǎn)軸1-3-1減速主動(dòng)輪1-3-2.減速?gòu)膭?dòng)輪8-1.直流電機(jī) 10-1.光電編碼器；
圖4是圖3所示的底座機(jī)構(gòu)(1)的支撐板A(I-I-I)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1-1-1.支撐板A A-1.轉(zhuǎn)軸通孔A-2.轉(zhuǎn)軸通孔A-3.限位孔A-4.限位孔； 圖5是圖3所示的底座機(jī)構(gòu)(1)的減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1-3-2.減速?gòu)膭?dòng)輪1-3-2-1.弧面1 1-3-2-2.弧面孔2 1-3-2-3.卡口螺孔
1-3-2-4.卡口螺孔；
圖6是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的肩部機(jī)構(gòu)(2)的示意圖中2-1-1.支撐架底板2-1-2.左支撐架2-1-3.右支撐架 2-3-1.減速主動(dòng)輪
2-3-2.減速?gòu)膭?dòng)輪2-4-1.減速主動(dòng)輪2-4-2.減速?gòu)膭?dòng)輪 2-5-1.減速主動(dòng)輪 2-5-2.減速?gòu)膭?dòng)輪2-5-3.限位構(gòu)件 2-6.固定構(gòu)件2-7.預(yù)緊構(gòu)件 2-8.限位孔 8-2.直流電機(jī) 10-2.光電編碼器；
圖7是圖6所示的肩部機(jī)構(gòu)(2)的肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)三套軸的示意圖中2-2.肩部轉(zhuǎn)軸2-1-2.左支撐架 2-1-3.右支撐架 2-1-1.支撐架底板
2-2.肩部轉(zhuǎn)軸2-2-1.第一套軸2-2-2.第二套軸2_2_3第三套軸 2-9.限位塊； 圖8是是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的大臂機(jī)構(gòu)(3)的示意圖中3-1.大臂桿件 3-2.轉(zhuǎn)軸2-6.固定構(gòu)件；
圖9是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的小臂機(jī)構(gòu)(4)的內(nèi)部機(jī)構(gòu)示意圖； 圖中9-1.角度電位計(jì)4-1.小臂桿件4-2.電位計(jì)安裝支架4-3.電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸； 圖10是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的小臂機(jī)構(gòu)(4)的外部機(jī)構(gòu)示意圖； 圖中4-1.小臂桿件 4-2.電位計(jì)安裝支架4-3.電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸； 圖11是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的小臂機(jī)構(gòu)(4)的角度電位計(jì)(9-1)外部示意圖； 圖中9-1.角度電位計(jì)9-1-1.固定通孔 9-1-2中心通孔 9-1-3.固定通孔； 圖12是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的腕部機(jī)構(gòu)(5)的示意圖； 圖中5-1.腕部支架5-2.腕部轉(zhuǎn)軸5-3.中心通孔5-4.固定孔9-2.角度電位計(jì)； 圖13是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)外部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中6-1.末端手柄 6-2.電位計(jì)固定支架 6-3.固定孔； 圖14是圖1所示的力反饋交互設(shè)備的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中6-1.末端手柄6-2.電位計(jì)固定支架6-4.固定孔6-5.手柄轉(zhuǎn)軸6-6.固定孔 9-3-3固定通孔；
圖15是圖所示的力反饋交互設(shè)備的自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)示意圖中-.2-2.肩部轉(zhuǎn)軸 2-5-3.限位構(gòu)件2-6.固定構(gòu)件3-1.大臂桿件3-2.轉(zhuǎn)軸
3-3.大臂鋼絲繩 7-1.平衡桿 7-2.平衡滑塊 7-3.滑輪 7-4.鋼絲繩。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖1-15說(shuō)明如下本發(fā)明是一種具有三個(gè)自由度力反饋和六個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度的人機(jī)交互力反饋設(shè)備，為了改善重力影響，引入了自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)。自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)包括平衡桿(7-1)、平衡滑塊(7-2)和滑輪(7-3)和鋼絲繩(7-4)四個(gè)部分組成。由該力反饋設(shè)備通過(guò)調(diào)節(jié)平衡桿(7-1)上的平衡滑塊(7- 對(duì)該力反饋設(shè)備各手臂連桿重力進(jìn)行補(bǔ)償。所述自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)依靠安裝在肩部支撐架上的電機(jī)(8-4)驅(qū)動(dòng)通過(guò)鋼絲繩與平衡機(jī)構(gòu)減速裝置相配合控制平衡滑塊在平衡桿上的位置，利用杠桿原理來(lái)改善重力對(duì)手臂產(chǎn)生的影響。平衡機(jī)構(gòu)不僅僅能通過(guò)調(diào)節(jié)平衡滑塊改善大臂機(jī)構(gòu)的重力影響，也可以改善小臂和腕部以及末端執(zhí)行器的重力影響。三自由度力反饋(直流電機(jī)(8-1) 產(chǎn)生左右方向力反饋，直流電機(jī)(8- 產(chǎn)生上下方向力反饋，直流電機(jī)(8-4)產(chǎn)生前后方向力反饋)，六個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度(仿照人手設(shè)計(jì)，具有左右運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)以及另外的可以構(gòu)成三個(gè)方向的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng))，該力反饋設(shè)備通過(guò)三個(gè)光電編碼器和三個(gè)高精度電位計(jì)精確檢測(cè)力反饋設(shè)備在三維空間中的位置，反饋力的大小依據(jù)所選擇直流電機(jī)的不同能夠產(chǎn)生不同大小的力。該發(fā)明設(shè)備提出了一種新穎的、原創(chuàng)的自主調(diào)節(jié)自重平衡的方法， 利用該方法設(shè)計(jì)了一種自主調(diào)節(jié)重力平衡的力反饋交互設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)引入自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償，減少了電機(jī)用于補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了力反饋設(shè)備的反饋力效果。參照人機(jī)工程學(xué)原理仿照人的手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作靈活方便，各項(xiàng)同性好。有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，操作靈活、運(yùn)動(dòng)空間大， 采用高精度角度電位計(jì)和光電編碼器檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的空間位置，運(yùn)動(dòng)精度和重復(fù)精度高。 另外，整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的分布和各部分安裝對(duì)稱(chēng)性。再次，由于引入自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)，使得電機(jī)充分用于力反饋的產(chǎn)生而不必用于重力的補(bǔ)償， 這樣可以選擇力矩更小質(zhì)量更輕的電機(jī)。因此，引入自主平衡的設(shè)計(jì)也減小了力反饋設(shè)備的慣量和摩擦。該設(shè)備能夠應(yīng)用于力反饋觸覺(jué)交互領(lǐng)域進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程遙操作技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行人機(jī)力反饋交互增強(qiáng)交互過(guò)程中的臨場(chǎng)感。如圖1、圖2、圖3和圖6所示，該力反饋設(shè)備組成部分由底座機(jī)構(gòu)(1)、肩部機(jī)構(gòu)O)、大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)G)、腕部機(jī)構(gòu)(5)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)⑵、四個(gè)直流電機(jī)(電機(jī)(8-1)、電機(jī)(8-2)、電機(jī)(8-3)和電機(jī)(8-4))、四個(gè)光電編碼器 (光電編碼器(10-1)、光電編碼器(10-2)、光電編碼器(10-3)和光電編碼器(10-4))、三個(gè)高精度角度電位計(jì)(角度電位計(jì)(9-1)、角度電位計(jì)(9-2)和角度電位計(jì)(9-3))構(gòu)成。所述底座機(jī)構(gòu)(1)如圖2和圖3所示由底座支撐平臺(tái)、底座轉(zhuǎn)軸(1-2)、底座減速機(jī)構(gòu)，三個(gè)部分組成。所述支撐平臺(tái)如圖2和圖3所示，由四塊支撐板A(I-I-I)、支撐板B(l-l-2)、支撐板C(l-l-3)和支撐板D(l-l-4)通過(guò)預(yù)留的螺紋孔用螺絲緊固連接構(gòu)成支撐平臺(tái)。底座減速機(jī)構(gòu)由減速主動(dòng)輪(1-3-1)和減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)構(gòu)成。如圖3和圖4所示，支撐平板A(I-I-I)中心處有一轉(zhuǎn)軸通孔(A-I)，有三個(gè)螺孔環(huán)繞轉(zhuǎn)軸通孔(A-I)，底座轉(zhuǎn)軸(1-2) 穿過(guò)轉(zhuǎn)軸通孔(A-I)，通過(guò)這三個(gè)螺孔緊固在底座支撐平臺(tái)的支撐平板A上(1-1-1)。如圖 3、圖4和圖5所示，底座減速機(jī)構(gòu)減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)是圓盤(pán)狀的，在支撐板A(I-I-I)上方與支撐板A(I-I-I)平行，減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)中心有一通孔與支撐平板(A)轉(zhuǎn)軸通孔 (A-I)同心，轉(zhuǎn)軸(1-2)穿越支支撐板A (1-1-1)的轉(zhuǎn)軸通孔(A-I)與減速?gòu)膭?dòng)輪(1_3_2) 中心處緊固。底座減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)固定在轉(zhuǎn)軸(1-2)上相對(duì)于支撐板A(I-I-I)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4和圖5所示，支撐板A(I-I-I)上預(yù)留有限位小孔(1-3-2)和限位小孔(A-4)，所述兩個(gè)限位小孔通過(guò)螺釘來(lái)與底座減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)側(cè)面弧面限位孔(1-3-2-1)和側(cè)面弧面限位孔(1-3-2-2)中的螺釘相互作用限制底座減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)的旋轉(zhuǎn)角度。如圖3所示，電機(jī)(8-1)的輸出軸與底座減速機(jī)構(gòu)(1-3)的主動(dòng)輪(1-3-1)連接。所述的減速主動(dòng)輪(1-3-1)是空心圓柱，所述減速主動(dòng)輪(1-3-1)空心圓柱外側(cè)壁預(yù)留螺紋孔，所述減速主動(dòng)輪(1-3-1)空心圓柱內(nèi)側(cè)空心通孔直徑與電機(jī)(8-1)輸出軸直徑正相匹配，電機(jī) (8-1)輸出軸恰好能插入減速主動(dòng)輪(1-3-1)圓柱內(nèi)側(cè)空心通孔，并通過(guò)圓柱壁外側(cè)預(yù)留的預(yù)緊螺 紋孔將減速主動(dòng)輪(1-3-1)緊固在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。如圖3和圖4所示，電機(jī)(8-1) 輸出軸與減速主動(dòng)輪(1-3-1)緊固后一起穿過(guò)底座支撐平臺(tái)的支撐板A(I-I-I)的轉(zhuǎn)軸通孔(A-2)，轉(zhuǎn)軸通孔(A-2)周?chē)鶄€(gè)預(yù)留小孔，電機(jī)(8-1)依靠該六個(gè)小孔通過(guò)螺絲固定在底座支撐平臺(tái)的支撐板A(I-I-I)的下部，該所述預(yù)留轉(zhuǎn)軸通孔(A-2)的直徑略微大于減速主動(dòng)輪(1-3-1)外徑，這將保證減速主動(dòng)輪(1-3-1)隨電機(jī)(8-1)的輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)與底座支撐平臺(tái)的支撐平板A(I-I-I)發(fā)生碰撞和干涉。減速主動(dòng)輪(1-3-1)使用一根鋼絲繩嵌入其外側(cè)圓柱壁的螺紋孔中進(jìn)行多圈纏繞；隨后將鋼絲繩的兩端分別纏繞在圓盤(pán)狀的減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)的圓弧端面上，底座減速機(jī)構(gòu)的減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)圓弧端面上兩個(gè)預(yù)留好的固定鋼絲繩的卡口螺孔(1-3-2-3)和卡口螺孔(1-3-2-4)中，并利用預(yù)緊螺絲對(duì)鋼絲繩進(jìn)行充分的預(yù)緊。減速主動(dòng)輪(1-3-1)固定在電機(jī)(8-1)的輸出軸上，當(dāng)電機(jī) (8-1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪(1-3-1)就跟隨電機(jī)輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣主動(dòng)輪(1-3-1)通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(1-3-2)，從而實(shí)現(xiàn)底座減速機(jī)構(gòu)的主從動(dòng)輪之間的相互傳動(dòng)， 最終帶動(dòng)固定在減速機(jī)構(gòu)上部的肩部機(jī)構(gòu)(2)隨從減速動(dòng)輪(1-3-2) —起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生左右方向的反饋力和第一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。 所述肩部機(jī)構(gòu)⑵如圖2、圖6和圖7所示，所述肩部機(jī)構(gòu)(2)由肩部支撐架、肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)、大臂減速機(jī)構(gòu)、小臂減速機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡減速機(jī)構(gòu)、安裝固定構(gòu)件(2-6) 共六個(gè)部分組成。肩部支撐架由肩部支撐架底板(2-1-1)、左肩部支撐架(2-1-2)和右肩部支撐架(2-1-3)三部分組成。肩部支撐架底板(2-1-1)固定在底座減速機(jī)構(gòu)的圓盤(pán)狀減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2)的上。左肩部支撐架(2-1-2)和右肩部支撐架(2-1-3) —左一右安裝在肩部支撐架底板(2-1-1)上，肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)從左至右連接左肩部支撐架(2-1-2)和右肩部支撐架(2-1-3)并緊固其上。肩部轉(zhuǎn)軸2-2從左至右連接左肩部支撐架2-1-2和右肩部支撐架2-1-3并緊固其上。如圖6和圖7所示，大臂減速機(jī)構(gòu)、小臂減速機(jī)構(gòu)和自主調(diào)節(jié)平衡減速機(jī)構(gòu)都是由減速主動(dòng)輪和見(jiàn)從動(dòng)輪兩部分組成，分別描述為大臂減速主動(dòng)輪(2-3-1)和大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2)；小臂減速主動(dòng)輪(2-4-1)和小臂減速?gòu)膭?dòng)輪 (2-4-2)；自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪(2-5-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5-2)。大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2)、小臂機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4-2)和自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5-2)都是呈半圓盤(pán)型，相互平行安裝在肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)。小臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4-2)安裝在靠近左肩部支撐架(2-1-2)處。自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5-2)安裝在靠近右肩部支撐架(2-1-3)。大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2)安裝在小臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4-2)和自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5-2) 之間的轉(zhuǎn)軸上。如圖7所示，肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)是三套轉(zhuǎn)軸組成第一套軸(2-2-1)、第二套軸(2-2-2)和第三套軸(2-2-3)。第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)靠近左肩部支撐架(2_1_2)，在第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)上固定有小臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4-2)和預(yù)緊構(gòu)建(2-7)。當(dāng)小臂減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4-2)帶動(dòng)肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)的第一套軸(2-2-1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，僅有預(yù)緊構(gòu)建(2_7)隨后第一套軸(2-2-1)轉(zhuǎn)動(dòng)，肩部轉(zhuǎn)軸( 上(或者第二套轉(zhuǎn)軸(2-2- 和第三套轉(zhuǎn)軸(2-2-3) 上)的其他減速機(jī)構(gòu)和構(gòu)建部分都不會(huì)受到第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。同樣的道理， 第二轉(zhuǎn)軸(2-2- 靠近右肩部支撐架0-1-3)，并與第一套轉(zhuǎn)軸0-2-1)同軸。在第二套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)上固定有自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5- 和限位構(gòu)建(2-5- ，當(dāng)自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5- 通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)第二套轉(zhuǎn)軸(2-2- 以及固定在第二套轉(zhuǎn)軸上的限位構(gòu)建(2-5- —起轉(zhuǎn)動(dòng)，肩部轉(zhuǎn)軸( 上其他減速機(jī)構(gòu)和構(gòu)建部分都不會(huì)受到第二套轉(zhuǎn)軸 (2-2-2)的影響。第三套轉(zhuǎn)軸(2-2- 以第二套轉(zhuǎn)軸(2-2- 的外軸套作為軸，安裝在第二套轉(zhuǎn)軸0-2- 之上。第三套轉(zhuǎn)軸(2-2- 上安裝有大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3- 和固定構(gòu)建 0-6)，當(dāng)大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3- 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第三套轉(zhuǎn)軸(2-2- 和固定構(gòu)建(2-6)將隨大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2) —起轉(zhuǎn)動(dòng)。大臂減速主動(dòng)輪0-3-1)、小臂減速主動(dòng)輪(2-4-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪0-5-1)都呈空心圓柱形狀，它們的圓柱壁外側(cè)都事先預(yù)留纏繞鋼絲繩的多圈螺紋孔，圓柱壁內(nèi)側(cè)空心通孔直徑與直流電機(jī)(8-2)、直流電機(jī)(8- 和直流電機(jī)(8-4)輸出軸直徑分別相匹配。直流電機(jī)(8- 和直流電機(jī)(8- 固定在左肩部支撐架 (2-1-2)上，直流電機(jī)(8-4)固定在右肩部支撐架(2-1- 上。直流電機(jī)(8-2)、直流電機(jī) (8-3)和直流電機(jī)(8-4)各自的輸出軸分別插入大臂減速主動(dòng)輪0-3-1)、小臂減速主動(dòng)輪 (2-4-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪0-5-1)圓柱內(nèi)側(cè)空心通孔，并通過(guò)它們的圓柱壁外側(cè)預(yù)留預(yù)緊螺紋孔將大臂減速主動(dòng)輪0-3-1)、小臂減速主動(dòng)輪0-4-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪(2-5-1)緊固在各自相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。大臂減速主動(dòng)輪0-3-1)、小臂減速主動(dòng)輪(2-4-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪(2-5-1)各自使用一根鋼絲繩(共三根鋼絲繩) 嵌入其各自外側(cè)圓柱壁的螺紋孔中進(jìn)行多圈纏繞，隨后將所述大臂減速主動(dòng)輪0-3-1)、小臂減速主動(dòng)輪0-4-1)和自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪(2-5-1)上各自多圈纏繞的鋼絲繩的兩端分別纏繞在各自對(duì)應(yīng)的大臂減速?gòu)膭?dòng)輪0-3-2)、小臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4- 和自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5- 呈半圓盤(pán)的圓弧端面上，所述三個(gè)從動(dòng)輪各自呈半圓盤(pán)的圓弧端面上都預(yù)留有兩個(gè)固定鋼絲繩的卡口螺孔，并利用預(yù)緊螺絲對(duì)各自的鋼絲繩進(jìn)行充分的預(yù)緊(與底座減速機(jī)構(gòu)安裝相似)。減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪0-3-1)、主動(dòng)輪0-4-1)和主動(dòng)輪 (2-5-1)分別固定在直流電機(jī)(8-2)、直流電機(jī)(8-3)和直流電機(jī)(8-4)的輸出軸上，當(dāng)直流電機(jī)(8-2)、直流電機(jī)(8- 和直流電機(jī)(8-4)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述減速主動(dòng)輪0-3-1)、減速主動(dòng)輪(2-4-1)和減速主動(dòng)輪0-5-1)就跟隨各自相應(yīng)的直流電機(jī)輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣所述減速主動(dòng)輪0-3-1)、減速主動(dòng)輪(2-4-1)和減速主動(dòng)輪(2-5-1)通過(guò)各自的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)各自對(duì)應(yīng)的減速?gòu)膭?dòng)輪0-3-2)、減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4- 和減速?gòu)膭?dòng)輪0-5-2)，從而實(shí)現(xiàn)各自減速機(jī)構(gòu)之間的減速主動(dòng)輪和減速?gòu)膭?dòng)輪的相互傳動(dòng)，最終并帶動(dòng)固定在減速機(jī)構(gòu)上部的大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)(4)和自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)隨各自從動(dòng)輪0-3-2)、從動(dòng)輪 (2-4-2)和從動(dòng)輪(2-5- —起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，另外在減速?gòu)膭?dòng)輪(2-4- 上各自呈半圓盤(pán)面上預(yù)留有限位孔(2-8)，另外在減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4- 還有與限位孔(2-8)相類(lèi)似的其它兩個(gè)限位孔，未在圖中標(biāo)注，同樣在減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪0-3-2)、從動(dòng)輪(2-5-2) 上也各自有三個(gè)限位孔，這六個(gè)限位孔與限位孔(2-8)相類(lèi)似也未在圖中標(biāo)注，這些限位孔的目的都是用來(lái)配合螺釘使用限制各自從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角度。在左支撐架上固定直流電機(jī) (8-2)部分有一個(gè)小小的凸出限位塊(2-9)是用來(lái)配合減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3- 上的限位孔和外加的螺釘對(duì)減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3- 進(jìn)行限位。光電編碼器10-2、光電編碼器(10-3)、光電編碼器(10-4)分別安裝在電機(jī)(8-2)、電機(jī)(8-3)和電機(jī)(8-4)后部，用來(lái)計(jì)算各自相應(yīng)的直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸或者是主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角度。肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)上裝有用來(lái)固定大臂機(jī)構(gòu)(3) 和自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)的安裝固定構(gòu)建(2-6)，該固定構(gòu)建(2-6)固定在肩部轉(zhuǎn)軸(2-2) 上，位于小臂減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4-2)和大臂減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-3-2)之間，距離大臂減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2)更靠近，另外在肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)上靠近安裝固定構(gòu)建(2-6)旁有限位構(gòu)建 (2-5-3)，在該限位構(gòu)建(2-5-3)上預(yù)留有限位孔，可以用來(lái)安裝和預(yù)緊自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu) (7)中的傳動(dòng)鋼絲繩，該限位構(gòu)建(2-5-3)與自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5-2) —起轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)中的傳動(dòng)鋼絲繩從而驅(qū)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)(7)中平衡滑塊(7-2)。另外在軸(2-2)上裝有預(yù)緊構(gòu)建(2-7)，在所述預(yù)緊構(gòu)建(2-7)上留有鋼絲繩預(yù)緊孔對(duì)小臂機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鋼絲繩進(jìn)行固定和預(yù)緊作用傳動(dòng)鋼絲繩的作用。如圖8和圖9所示，所述大臂機(jī)構(gòu)(3)由大臂桿件(3-1)，轉(zhuǎn)軸(3_2)和大臂鋼絲繩(3-3)組成。大臂桿件(3-1)通過(guò)螺絲固定在固定構(gòu)建(2-6)上，固定構(gòu)建(2-6)固定在轉(zhuǎn)軸(2-2)的第三套軸(2-2-3)上。當(dāng)直流電機(jī)(8-2)輸出軸上減速主動(dòng)輪(2_3_1)通過(guò)纏繞在其上的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)減速?gòu)膭?dòng)輪(2-3-2)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)第三套軸(2-2-3)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)固定在第三套軸(2-2-3)上的固定構(gòu)建(2-6)從而帶動(dòng)大臂桿件(3-1)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生上下方向的反饋力和第二個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。直流電機(jī)(8-2)后部安裝有光電編碼器，通過(guò)光電編碼器能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和角度，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)的減速比(10:1)能夠計(jì)算出大臂桿件(3-1)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如圖9和圖10所示，所述小臂機(jī)構(gòu)(4)由小臂桿件(4-1)，電位計(jì)安裝支架(4_2)、 電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)和角度電位計(jì)(9-1)構(gòu)成。小臂桿件(4-1) 一端有大圓孔處通過(guò)大臂機(jī)構(gòu)(3)的轉(zhuǎn)軸(3-2)固定在大臂桿件(3-1)的末端。鋼絲繩(3-3) —端纏繞在轉(zhuǎn)軸 (3-2)上，通過(guò)轉(zhuǎn)軸(3-2)預(yù)留的固定孔把鋼絲繩固定在轉(zhuǎn)軸(3-2)上，鋼絲繩另外一端固定在預(yù)緊構(gòu)建(2-7)上，預(yù)緊構(gòu)建(2-7)安裝在肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)的第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)上。 當(dāng)直流電機(jī)(8-3)輸出軸上減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪(2-4-1)通過(guò)纏繞在其上的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4-2)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)固定在第一套軸 (2-2-1)上的預(yù)緊構(gòu)建(2-7)，從而帶動(dòng)大臂機(jī)構(gòu)上的鋼絲繩(3-3)，該鋼絲繩(3-3)帶動(dòng)大臂機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸(3-2)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸(3-2)帶動(dòng)小臂桿件(4-1)圍繞大臂機(jī)構(gòu)(3) 上的轉(zhuǎn)軸(3-2)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生前后方向的反饋力和第三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。直流電機(jī)(8-3)后部安裝有光電編碼器(10-3)，通過(guò)光電編碼器(10-3)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)電機(jī)(8-3)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和角度，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)的減速比計(jì)算出小臂桿件(3-1)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如圖9和圖11所示，小臂機(jī)構(gòu)(4)上電位計(jì)安裝支架(4-2)由上下兩部分組成，高精度電位計(jì)(9-1)安裝在電位計(jì)安裝支架(4-2)上，并通過(guò)固定通孔(9-1-1)固定在安裝支架4-2上。高精度電位計(jì)9-1 呈扁平圓柱狀，中間有一個(gè)中心通孔(9-1-2)，該中心通孔(9-1-2)圍繞電位計(jì)9-1的扁平圓柱外側(cè)旋轉(zhuǎn)，電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸插入高精度電位計(jì)9-1中心通孔(9-1-2)并通過(guò)固定通孔(9-1-3)固定在電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸上，當(dāng)電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)高精度電位計(jì)(9-1)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也形成了第四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，高的精度電位計(jì) (9-1)能夠精確的檢測(cè)角度旋轉(zhuǎn)的角度。如圖12所示，腕部機(jī)構(gòu)(5)由腕部支架(5-1) 、腕部轉(zhuǎn)軸(5_2)組成。其中在腕部支架(5-1)上有中心通孔(5-3)和固定孔(5-4)。高精度電位計(jì)(9-2)安裝在腕部支架(5-1) 一側(cè)，并通過(guò)固定孔(5-4)將電位計(jì)固定在腕部支架上。小臂電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3) 穿過(guò)腕部機(jī)構(gòu)(5)的腕部支架(5-1)上的中心通孔(5-3)并固定在腕部支架(5-1)上。腕部支架(5-1)繞小臂電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)旋轉(zhuǎn)同時(shí)也形成了第五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，并利用安裝在電位計(jì)安裝支架(4-2)上的高精度電位計(jì)(9-1)來(lái)檢測(cè)腕部機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度。如圖13和圖14所示，末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)由末端手柄(6_1)、電位計(jì)固定支架 (6-2)和手柄轉(zhuǎn)軸(6- 組成。在電位計(jì)固定支架(6- 上有兩個(gè)固定孔(6- 和固定孔 (6-4)。在手柄轉(zhuǎn)軸上有固定孔(6-6)。末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)通過(guò)其上的末端固定孔(6-3) 和固定孔(6-4)與腕部機(jī)構(gòu)(5)的腕部轉(zhuǎn)軸(5- 相連接。腕部支架(5-1)上安裝的高精度電位計(jì)(9- 能夠精確的檢測(cè)腕部轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，從而能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)圍繞腕部轉(zhuǎn)軸(5-2)的旋轉(zhuǎn)角度。末端手柄(6-1)使用固定孔(6-6)與手柄轉(zhuǎn)軸(6-5) 固定連接，手柄轉(zhuǎn)軸(6-5)插入高精度電位計(jì)(9-3)的中心通孔(角度電位(9-1)、角度電位(9-1)和角度電位(9-1)計(jì)都是一樣的，可以參見(jiàn)圖11角度電位計(jì)(9-1)的示意圖)， 通過(guò)所述電位計(jì)上固定通孔(9-3- 將電位計(jì)固定在手柄轉(zhuǎn)軸(6- 上。電位計(jì)(9-3)與電位計(jì)(9-1)和電位計(jì)(9-2)是同一類(lèi)型電位計(jì)(具體圖形參見(jiàn)圖11)，呈扁平空心圓柱裝，圓柱內(nèi)側(cè)壁能夠相對(duì)于圓柱外側(cè)壁轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)電位計(jì)圍繞手柄轉(zhuǎn)軸 (6-5)旋轉(zhuǎn)同時(shí)形成了第六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，從而能夠精確的記錄手柄轉(zhuǎn)軸(6- 旋轉(zhuǎn)的角度。如圖12所示，自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)由平衡桿(7-1)、平衡滑塊(7_2)組成、滑輪(7- 和鋼絲繩(7-4)四部分組成。平衡桿(7-1)非常光滑，平衡滑塊(7- 能在平衡桿(7-1)上相對(duì)于平衡桿滑動(dòng)，由于非常光滑，它們之間摩擦很微小。平衡桿(7-1) — 端安裝有兩個(gè)滑輪(7-3)。平衡滑塊(7- 上有兩個(gè)小孔，鋼絲繩(7-4)環(huán)繞在限位構(gòu)建 (2-5-3)上，一端從環(huán)繞平衡桿(7-1)上部固定插入平衡滑塊(7- 滑前部的小孔，鋼絲繩(7-4)另外一端環(huán)繞平衡桿下部并環(huán)繞通過(guò)兩個(gè)滑輪(7- 后繼續(xù)環(huán)繞平衡桿上部，并插入平衡滑塊(7- 后部的小孔中。平衡滑塊(7- 上部有三個(gè)小孔，可以用來(lái)緊固插入平衡滑塊(7-2)前部和后部的鋼絲繩，并將鋼絲繩(7-4)預(yù)緊。平衡機(jī)構(gòu)7通過(guò)平衡桿 (7-1)與固定構(gòu)件(2-6)通過(guò)螺絲相連接。直流電機(jī)(8-4)輸出軸驅(qū)動(dòng)自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪0-5-1)，減速主動(dòng)輪(2-5-1)通過(guò)纏繞在其上的鋼絲繩帶動(dòng)自主調(diào)節(jié)平衡減速?gòu)膭?dòng)輪0-5-2)，所述減速?gòu)膭?dòng)輪(2-5- 又驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸0-2)的第二套轉(zhuǎn)軸0-2-2)，限位構(gòu)建0-5-3)固定在第二套軸(2-2- 上。當(dāng)電機(jī)(8-4)通過(guò)主動(dòng)輪(2-5-1)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪0-5-2)，所述減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-5- 驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)軸0-2-2)，第二轉(zhuǎn)軸(2-2-2) 帶動(dòng)限位構(gòu)建0-5-3)，限位構(gòu)建0-5-3)帶動(dòng)固定在其上的鋼絲繩(7-4)，通過(guò)鋼絲繩 (7-4)的牽引帶動(dòng)平衡滑塊(7- 在平衡桿(7-1)上滑動(dòng)，達(dá)到改變平衡滑塊(7- 在平衡桿(7-1)上的位置。調(diào)節(jié)平衡滑塊(7-1)位置利用的是平衡桿(7-1)的杠桿原理對(duì)大臂機(jī)構(gòu)(3)產(chǎn)生杠桿作用時(shí)，部分作用力通過(guò)機(jī)構(gòu)之間的耦合傳遞給了小臂機(jī)構(gòu)G)。同樣的道理小臂機(jī)構(gòu)(4)也會(huì)把作用力傳遞給腕部機(jī)構(gòu)(5)，腕部機(jī)構(gòu)(5)又將作用力傳遞給末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)，末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)又將作用力傳遞給操縱末端執(zhí)行器手柄(6-1)的人手。 當(dāng)大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)G)、腕部機(jī)構(gòu)(5)和末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)由于相互所處的位置不同和角度的不同，相互之間的作用力也將發(fā)生變化。在進(jìn)行實(shí)際的力反饋交互時(shí)，力和運(yùn)動(dòng)的同時(shí)存在，相互之間產(chǎn)生的作用力并非是解耦的，而是相互耦合形成了復(fù)雜力學(xué)關(guān)系。所以，通過(guò)設(shè)計(jì)自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)，可以針對(duì)大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)0)、腕部機(jī)構(gòu)(5) 和末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)所處位置發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)平衡滑塊(7-2)的位置來(lái)充分補(bǔ)償整個(gè)手臂所受重力。在本發(fā)明中，所采用的鋼絲繩均為常規(guī)鋼絲繩、所采用的電機(jī)均為直流伺服電機(jī)。 調(diào)節(jié)平衡滑塊(7- 位置的電機(jī)工作在速度和位置控制模式下，而其他三個(gè)用于提供反饋力的電機(jī)工作在電流模式，通過(guò)控制電機(jī)電流大小調(diào)節(jié)反饋力的大小。當(dāng)一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備處于反向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，操作者手持末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)的末端手柄(6-1)在空間自由運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)能夠自動(dòng)的進(jìn)行重力補(bǔ)償描述為如說(shuō)明書(shū)附圖(1 所示，調(diào)節(jié)平衡滑塊(7-1)位置利用的是平衡桿(7-1)的杠桿原理對(duì)大臂機(jī)構(gòu)(3)產(chǎn)生杠桿作用時(shí)，部分作用力通過(guò)機(jī)構(gòu)之間的耦合傳遞給了小臂機(jī)構(gòu)G)。同樣的道理小臂機(jī)構(gòu)(4)也會(huì)把作用力傳遞給腕部機(jī)構(gòu)(5)，腕部機(jī)構(gòu)(5)又將作用力傳遞給末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)，末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)又將作用力傳遞給操縱末端執(zhí)行器手柄(6-1)的人手。當(dāng)大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)0)、腕部機(jī)構(gòu)(5)和末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)由于相互所處的位置不同和角度的不同，相互之間的作用力也將發(fā)生變化。在進(jìn)行實(shí)際的力反饋交互時(shí)，力和運(yùn)動(dòng)的同時(shí)存在，相互之間產(chǎn)生的作用力并非是解耦的，而是力的傳遞。所以，通過(guò)設(shè)計(jì)自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)(7)，可以針對(duì)大臂機(jī)構(gòu)(3)、小臂機(jī)構(gòu)G)、腕部機(jī)構(gòu)( 和末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)所處位置發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)平衡滑塊(7-2)的位置來(lái)充分補(bǔ)償整個(gè)手臂所受重力。隨后，當(dāng)該力反饋設(shè)備處于正向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能夠利用通過(guò)動(dòng)力學(xué)解算出操作者手持的末端手柄(6-1)所受的反饋力的大小，并通過(guò)三個(gè)電機(jī)共同作用產(chǎn)生三個(gè)方向反饋力，這樣人手就能夠感覺(jué)到外部的三個(gè)方向的反饋力。由于這三個(gè)方向的反饋力共同作用在操作者手持的末端手柄上(6-1)上，人手通過(guò)末端手柄(6-1)就能夠感覺(jué)到三個(gè)方向的反饋力形成的三維空間的合力，最終這個(gè)合力才是人手真正感覺(jué)到的反饋力，同時(shí)也產(chǎn)生了三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度
1、第一個(gè)反饋力產(chǎn)生如附圖2所示減速主動(dòng)輪(1-3-1)使用一根鋼絲繩嵌入其外側(cè)圓柱壁的螺紋孔中進(jìn)行多圈纏繞；隨后將鋼絲繩的兩端分別纏繞在減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3-2) 圓盤(pán)的圓弧端面上，減速?gòu)膭?dòng)輪(1-3- 圓弧端面上兩個(gè)預(yù)留好的固定鋼絲繩的卡口螺孔 (1-3-2-3)和卡口螺孔(1-3-2-4)中，并利用預(yù)緊螺絲對(duì)鋼絲繩進(jìn)行充分的預(yù)緊。減速主動(dòng)輪(1-3-1)固定在電機(jī)(8-1)的輸出軸上，當(dāng)電機(jī)(8-1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，減速主動(dòng)輪(1-3-1) 就跟隨電機(jī)輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣減速主動(dòng)輪(1-3-1)通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速?gòu)膭?dòng)輪 (1-3-2)，從而實(shí)現(xiàn)底座減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的相互傳動(dòng)，最終并帶動(dòng)固定在減速機(jī)構(gòu)上部的肩部機(jī)構(gòu)(2)隨從動(dòng)輪(1-3-2) —起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生左右方向的反饋力和第一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。2、第二個(gè)反饋力產(chǎn)生如附圖2和附圖8所示，所述大臂機(jī)構(gòu)(3)由大臂桿件 (3-1)，轉(zhuǎn)軸(3-2)和鋼絲繩(3-3)組成。大臂桿件(3-1)通過(guò)螺絲固定在固定構(gòu)建(2_6) 上，固定構(gòu)建0-6)固定在轉(zhuǎn)軸0-2)的第三套軸(2-2-3)上。當(dāng)直流電機(jī)(8-2)輸出軸上減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪(2-3-1)通過(guò)纏繞在其上的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-3- 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)第三套軸(2-2- 轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)固定在第三套軸(2-2- 上的固定構(gòu)建(2-6) 從而帶動(dòng)大臂桿件(3-1)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生上下方向的反饋力和第二個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。
3、第三個(gè)反饋力產(chǎn)生如圖2、圖6和圖9所示，小臂桿件(4_1) 一端有大圓孔處通過(guò)大臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸(3-2)固定在大臂桿件(3-1)的末端。鋼絲繩(3-3) —端纏繞在轉(zhuǎn)軸 (3-2)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸(3-2)預(yù)留的固定孔把鋼絲繩固定在轉(zhuǎn)軸(3-2)上，鋼絲繩另外一端固定在預(yù)緊構(gòu)建(2-7)上，預(yù)緊構(gòu)建(2-7)安裝在轉(zhuǎn)軸(2-2)的第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)上。當(dāng)直流電機(jī)(8-3)輸出軸上減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪(2-4-1)通過(guò)纏繞在其上的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪(2-4-2)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)第一套轉(zhuǎn)軸(2-2-1)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)固定在第一套軸(2-2-1) 上的預(yù)緊構(gòu)建(2-7)，從而帶動(dòng)大臂機(jī)構(gòu)上的鋼絲繩(3-3)，該鋼絲繩(3-3)帶動(dòng)大臂機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸(3-2)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸(3-2)帶動(dòng)小臂桿件圍繞大臂機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生前后方向的反饋力和第三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。另外三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度被描述如下
4、第四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度如圖9、圖10和圖11所示小臂機(jī)構(gòu)(4)上電位計(jì)安裝支架(4-2) 由上下兩部分組成，高精度電位計(jì)(9-1)安裝在電位計(jì)安裝支架(4-2)上，并通過(guò)固定通孔(9-1-1)固定在安裝支架(4-2)上。如圖11所示，高精度電位計(jì)(9-1)呈扁平圓柱狀， 中間有一個(gè)中心通孔(9-1-2)，該中心通孔(9-1-2)圍繞電位計(jì)(9-1)的扁平圓柱外側(cè)旋轉(zhuǎn)，電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸插入高精度電位計(jì)(9-1)中心通孔(9-1-2)并通過(guò)固定通孔(9-1-3)固定在電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸上，當(dāng)電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)高精度電位計(jì)(9-1)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也形成了第四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。5、第五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度如圖12所示，腕部機(jī)構(gòu)(5)由腕部支架(5-1)、腕部轉(zhuǎn)軸 (5-2)組成。其中在腕部支架(5-1)上有中心通孔(5-3)和固定孔(5-4)。高精度電位計(jì) (9-2)安裝在腕部支架(5-1) —側(cè)，并通過(guò)固定孔(5-4)將電位計(jì)固定在腕部支架上。小臂電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)穿過(guò)腕部機(jī)構(gòu)(5)的腕部支架(5-1)上的中心通孔(5-3)并固定在腕部支架(5-1)上。腕部支架(5-1)繞小臂電位計(jì)支架轉(zhuǎn)軸(4-3)旋轉(zhuǎn)同時(shí)也形成了第五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。6、第六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度如圖13和圖14所示，末端手柄(6_1)使用固定孔(6_6)與手柄轉(zhuǎn)軸(6-5)固定連接，手柄轉(zhuǎn)軸(6-5)插入高精度電位計(jì)(9-3)的中心通孔(9-3-2)， 通過(guò)電位計(jì)上固定通孔(9-3-3)將電位計(jì)固定在手柄轉(zhuǎn)軸(6-5)上。電位計(jì)(9-3)與電位計(jì)(9-1)和電位計(jì)(9-2)是同一類(lèi)型電位計(jì)(具體圖形參見(jiàn)圖11)，呈扁平空心圓柱裝，圓柱內(nèi)側(cè)壁能夠相對(duì)于圓柱外側(cè)壁轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)電位計(jì)圍繞手柄轉(zhuǎn)軸(6-5) 旋轉(zhuǎn)同時(shí)形成了第六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。
權(quán)利要求
1. 一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備，包括底坐機(jī)構(gòu)、串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)、直流電機(jī)、線(xiàn)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)、光電編碼器、角度電位計(jì)，其特征在于(1)、所述設(shè)備增加了一種自主調(diào)節(jié)平衡的機(jī)構(gòu)，該自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)依靠一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制一個(gè)平衡滑塊在平衡桿的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)力反饋交互設(shè)備的機(jī)構(gòu)手臂的自重平衡調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)備實(shí)時(shí)的重力補(bǔ)償；(2)、所述設(shè)備各部分底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)、四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)的結(jié)構(gòu)為底座機(jī)構(gòu)是由底座減速機(jī)構(gòu)、底座支撐平臺(tái)、底座轉(zhuǎn)軸等三部分組成，光電編碼器 (10-1)安裝在直流電機(jī)(8-1)后部形成一個(gè)整體安裝在底座支撐平臺(tái)上，底座減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪嵌套在直流電機(jī)(8-1)輸出軸上，鋼絲繩連接底座減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪(1-3-1)和從動(dòng)輪 (1-3-2)構(gòu)成底座減速裝置，該減速裝置的減速比是10:1 ；肩部機(jī)構(gòu)由肩部支撐架、肩部轉(zhuǎn)軸、大臂減速機(jī)構(gòu)、小臂減速機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡減速機(jī)構(gòu)、安裝固定構(gòu)件六個(gè)部分組成；安裝固定構(gòu)件(2-6)將自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)和大臂機(jī)構(gòu)安裝固定在固定構(gòu)件(2-6)上；光電編碼器(10-2)、光電編碼器(10-3)、光電編碼器 (10-4)按各自相應(yīng)順序分別安裝在電機(jī)(8-2)、電機(jī)(8-3)、電機(jī)(8-4)上，形成三個(gè)整體然后一起安裝在肩部支撐架上，三個(gè)減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪0-3-1)、主動(dòng)輪0-4-1)和主動(dòng)輪 (2-5-1)分別嵌套在三個(gè)電機(jī)(8-2)、電機(jī)(8-3)和電機(jī)(8-4)的輸出軸，并通過(guò)鋼絲繩分別與大臂減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪0-3-2)、小臂減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪0-4-2)、自主調(diào)節(jié)平衡減速主動(dòng)輪(2-5- 分別組成大臂減速裝置、小臂減速裝置、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)減速裝置；這三個(gè)減速裝置的減速比也是(10:1)；大臂機(jī)構(gòu)一端與自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)一端分別安裝在固定機(jī)構(gòu)(2-6)上，固定機(jī)構(gòu)(2-6)安裝在肩部轉(zhuǎn)軸(2-2)上；大臂機(jī)構(gòu)和自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)分別位于肩部轉(zhuǎn)軸(2- 前后位置，圍繞肩部轉(zhuǎn)軸(2- 旋轉(zhuǎn)；大臂機(jī)構(gòu)另外一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸與小臂機(jī)構(gòu)一端相連，小臂機(jī)構(gòu)另一端與腕部機(jī)構(gòu)一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連；末端執(zhí)行器通過(guò)轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)另外一端相連；自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)依靠安裝在肩部支撐架上的電機(jī)(8-4)驅(qū)動(dòng)通過(guò)鋼絲繩與平衡機(jī)構(gòu)減速裝置相配合控制平衡滑塊在平衡桿上的位置，當(dāng)大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器所處位置發(fā)生變化時(shí)，自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)平衡滑塊在平衡機(jī)構(gòu)上的位置來(lái)充分抵消和補(bǔ)償整個(gè)力反饋設(shè)備機(jī)械手臂所受重力；大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)軸首尾相連，小臂機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連；腕部機(jī)構(gòu)上安裝有兩個(gè)高精度角度電位計(jì)，末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連接，并且末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)上也安裝有一個(gè)高精度角度電位計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互裝置，它由底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)等構(gòu)成。本發(fā)明使用直流電機(jī)與線(xiàn)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)相配合提供三個(gè)自由度力反饋，通過(guò)三個(gè)光電編碼器和三個(gè)角度電位計(jì)檢測(cè)它的六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)采用一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)和控制平衡滑塊自動(dòng)、實(shí)時(shí)的對(duì)該設(shè)備的手臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行自重進(jìn)行補(bǔ)償，有效降低人手疲勞。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、工作空間范圍大、剛度高，反饋力的范圍大。
文檔編號(hào)B25J9/08GK102320040SQ201110229208
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者劉小平, 徐少平, 李春泉, 楊曉輝, 胡昌文 申請(qǐng)人:南昌大學(xué)