三自由度平動(dòng)力反饋手控器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三自由度平動(dòng)力反饋手控器，該裝置基于平面五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在垂直于平面兩自由度運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。裝置主要組成部分包括基座、定位支撐、平面運(yùn)動(dòng)部分、豎直運(yùn)動(dòng)部分、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配重和力傳感器。遵循力覺(jué)交互裝置的設(shè)計(jì)要求，對(duì)該三自由度平移裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、工作空間設(shè)計(jì)、位置分辨率分析等。與傳統(tǒng)的手控器相比，該裝置末端安裝六維力/力矩傳感器，有精確的力覺(jué)反饋效果，反饋力分辨率較高；另外工作空間較大，剛度較好。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，控制方法簡(jiǎn)單有效，操作方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】三自由度平動(dòng)力反饋手控器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有三自由度平動(dòng)的力反饋手控器，主要用于空間機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作領(lǐng)域，能夠測(cè)量三個(gè)方向的位移，再現(xiàn)虛擬環(huán)境中物體之間的接觸力。
【背景技術(shù)】
[0002]力反饋手控器又稱力覺(jué)交互裝置，一般用于機(jī)器人遙操作、虛擬現(xiàn)實(shí)、自然交互界面設(shè)計(jì)等方面。在遙操作中，操作員在本地端通過(guò)了解從端信息(視覺(jué)、力覺(jué))從而做出決策，并通過(guò)操縱手控器來(lái)控制遠(yuǎn)端的機(jī)械臂(從手)運(yùn)動(dòng)。
[0003]目前適用于遙操作的交互裝置有位置跟蹤器、光學(xué)跟蹤儀、力反饋手控器、外骨骼遙操作主手等。采用位置跟蹤器識(shí)別人體動(dòng)作，主要是將位置跟蹤器分布在人體的運(yùn)動(dòng)部位，該方法優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，使用方便、舒適度高，有利于長(zhǎng)時(shí)間操作，但容易受電磁環(huán)境的干擾，而且不能施加力反饋；對(duì)于光學(xué)跟蹤器來(lái)說(shuō)，容易受到障礙物的阻擋，不適合用于狹小的環(huán)境，不能施加反饋力；外骨骼由于其可穿戴性，能較為方便的獲得人的膚體動(dòng)作參數(shù)，但尺寸龐大，過(guò)于笨重。
[0004]本發(fā)明針對(duì)三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)三自由度力反饋手控器，平面兩自由度的運(yùn)動(dòng)與豎直方向的運(yùn)動(dòng)串聯(lián)，通過(guò)鋼絲繩和滑輪將豎直方向的電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)；工作空間大，剛度較好，控制方法簡(jiǎn)單有效，操作方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是提供一種三自由度力覺(jué)交互裝置，能夠測(cè)量三個(gè)方向位移，并模擬虛擬環(huán)境中物體之間的接觸力矩。
[0006]所述的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋手控器，主要由豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)與平面運(yùn)動(dòng)部分
(5)組成；
[0007]豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)，主要通過(guò)滑輪將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線導(dǎo)軌的線性運(yùn)動(dòng)，配重用于減小豎直方向的電機(jī)受力。。
[0008]平面運(yùn)動(dòng)部分(5)，如圖4所示，平面兩自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以直線導(dǎo)軌的滑塊為基座。AOFG為基座，與豎直運(yùn)動(dòng)的滑塊固連。OAB⑶EF為平面六桿機(jī)構(gòu)。A、F處安裝有驅(qū)動(dòng)元件；AB、EF為近端驅(qū)動(dòng)桿；BC、DE為遠(yuǎn)端隨動(dòng)桿；CDJK為動(dòng)平臺(tái)，安裝有六維力/力矩傳感器和操作手柄。六維力/力矩傳感器帶有自己的坐標(biāo)系，為了使之檢測(cè)到三個(gè)分力方向與平移運(yùn)動(dòng)的方向保持一致，需要保持末端動(dòng)平臺(tái)CDJK實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，因此需要附加兩個(gè)平行四邊形保持架EFGH與DEIJ。如圖4所示，由于⑶邊始終平行于A0F，⑶中點(diǎn)P3處做平行線，P2P3//BC, P3P4//DE, P1P2ZVAB, P4P5//EF可以將平面機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為五桿機(jī)構(gòu)，即圖4中虛線所示簡(jiǎn)圖。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是三自由度平動(dòng)手控器的結(jié)構(gòu)圖[0010]圖2是三自由度平動(dòng)手控器的平面運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖
[0011]圖3是三自由度平動(dòng)手控器的豎直運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖
[0012]圖4是三自由度平動(dòng)手控器的平面運(yùn)動(dòng)部分示意圖
[0013]圖5是三自由度平動(dòng)手控器豎直方向的張緊裝置示意圖
[0014]圖6是三自由度平動(dòng)手控器的平面運(yùn)動(dòng)部分桿件限位分析圖
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]平面運(yùn)動(dòng)部分(3)主要包括電機(jī)支座I (3-1)、電機(jī)支座2 (3-2)、支座I (3_3)、支座2 (3-4)、大輪I (3-5)、大輪2 (3-6)、近端桿I (3-7)、近端桿2 (3-8)、遠(yuǎn)端桿I (3-9)、遠(yuǎn)端桿2 (3-10)、動(dòng)平臺(tái)(3-11)、輔助桿I (3-12)、輔助三角(3-13)、輔助桿(3-14)、限位銷I (3-15)、限位銷2 (3-16)、連接件I (3-17)、張緊裝置(3-18)、連接件2 (3-19)、限位銷3 (3-20)、限位銷4 (3-21)、小輪I (3-22)、小輪2 (3-23);平面運(yùn)動(dòng)部分(3)可以實(shí)現(xiàn)2自由度的平面運(yùn)動(dòng)，與豎直方向的運(yùn)動(dòng)相互垂直，基于平面五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，近端桿上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)I (5)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2 (6)，進(jìn)行位移檢測(cè)與力的反饋，通過(guò)大輪I (3-5)、大輪2 (3-6)和小輪I (3-22)、小輪2 (3_23)構(gòu)成兩套減速機(jī)構(gòu)；平面運(yùn)動(dòng)部分(3)通過(guò)連接件(3-19)與豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)中的鋼絲繩連接，張緊裝置(3-18)用于張緊鋼絲繩；根據(jù)工作空間大小，設(shè)計(jì)限位銷進(jìn)行桿件限位，避免出現(xiàn)奇異形位，影響裝置正常運(yùn)行，限位銷I(3-15)、限位銷2 (3-16)防止近端桿I (3-7)、近端桿2 (3_8)和遠(yuǎn)端桿I (3_9)、遠(yuǎn)端桿2 (3-10)位于一條線，限位銷3 (3-20)、限位銷4 (3_21)用于控制大輪I (3_5)和大輪2(3-6)的運(yùn)動(dòng)范圍，從而控制輸入角度的范圍，控制工作空間；
[0017]豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)主要包括電機(jī)支座3 (4-1)、鋼絲繩I (4-2)、配重導(dǎo)軌(4-3)、滑輪I (4-4)、滑輪2 (4-5)、鋼絲繩2 (4-6)、滑輪3 (4_7);其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)3 (7)安裝在電機(jī)支座3 (4-1)上，鋼絲繩I (4-2)連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)3 (7)的輸出端和滑輪3 (4_7)，并與平面運(yùn)動(dòng)部分的張緊裝置(3-18)和連接件(3-19)連接，從而控制平面部分的升降，這樣將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為平面運(yùn)動(dòng)部分的直線運(yùn)動(dòng)；通過(guò)配重的方式在豎直方向進(jìn)行重力配平，鋼絲繩2 (4-6)通過(guò)滑輪I (4-4)和滑輪2 (4-5)—端連接配重(8)，一端連接連接件I (3-17)，使在豎直方向重力平衡。
[0018]張緊裝置(3-18)主要包括螺桿(3-22)，旋轉(zhuǎn)桿(3-23)和固定基座(3-24);其中螺桿(3-22)與旋轉(zhuǎn)桿(3-23)通過(guò)螺紋連接，旋轉(zhuǎn)桿(3-23)與固定基座(3_24)間隙配合，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中存在滑動(dòng)摩擦，固定基座(3-24)固定在平面運(yùn)動(dòng)部分(3);螺桿(3-22)的一端與鋼絲繩(4-6)連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿(3-23)，控制螺桿(3-22)的伸出長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)鋼絲繩(4-6)的松緊。
[0019]由于手控器在工作過(guò)程中隨著人手一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡具有不確定性，因此需要將奇異位置進(jìn)行限制。在手控器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在下面兩種奇異形態(tài)。
[0020]1、桿件奇異。驅(qū)動(dòng)桿和隨動(dòng)桿在Θ = Ji會(huì)發(fā)生奇異，即圖4中AB與BC共線或DE與EF共線，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行機(jī)械限位，在接近奇異位置處設(shè)計(jì)限位螺釘，限位原理見(jiàn)圖6。
[0021]由圖6可以得出下面等式:
[0022]..n + rsin(a + β)=-
<m
e=m -β
[0023]其中，選擇的關(guān)節(jié)角極限為θ=150° ;η為桿I寬度的一半；選擇限位螺釘半徑r=2 ；
[0024]只需要確定a、m中一個(gè)的值，就可以確定限位螺釘在桿2中的位置。如圖2中限位銷I (3-15)與限位銷2 (3-16)所示。
[0025]2、四邊形奇異，采用限制驅(qū)動(dòng)角范圍的方式來(lái)避免奇異，通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為:AB轉(zhuǎn)動(dòng)范圍(JI/2，)，EF的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為(O, π/2)，如圖2中限位銷3 (3-20)與限位銷4 (3-21)所示。
【權(quán)利要求】
1.一種三自由度平動(dòng)力反饋設(shè)備，其特征在于:由基座(I)、定位支撐(2)、平面運(yùn)動(dòng)部分(3)、豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)I (5)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2 (6)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)3 (7)、配重(8)、力傳感器(9)組成； 豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)主要包括為高精直線導(dǎo)軌與配重，采用滑輪加配重的方式使豎直方向保持平衡，豎直方向的位移檢測(cè)與力反饋是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3 (7 )進(jìn)行控制，豎直方向通過(guò)張緊裝置3-18使鋼絲繩保持在張緊狀態(tài)； 平面運(yùn)動(dòng)部分(3)可以實(shí)現(xiàn)2自由度的平面運(yùn)動(dòng)，與豎直方向的運(yùn)動(dòng)相互垂直，基于平面五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，近端桿上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)I (5)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2 (6)，進(jìn)行位移檢測(cè)與力的反饋，通過(guò)大輪I (3-5)、大輪2 (3-6)和小輪I (3-22)、小輪2 (3_23)構(gòu)成兩套減速機(jī)構(gòu)；平面運(yùn)動(dòng)部分(3)通過(guò)連接件2 (3-19)與豎直運(yùn)動(dòng)部分(4)中的鋼絲繩連接，張緊裝置(3-18)用于張緊鋼絲繩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三自由度平動(dòng)力反饋設(shè)備，其特征在于:根據(jù)工作空間大小，設(shè)計(jì)限位銷進(jìn)行桿件限位，避免出現(xiàn)奇異形位，影響裝置正常運(yùn)行，限位銷I (3-15)、限位銷2 (3-16)防止近端桿I (3-7)、近端桿2 (3_8)和遠(yuǎn)端桿I (3_9)、遠(yuǎn)端桿2 (3-10)位于一條線，限位銷3 (3-20)、限位銷4 (3-21)用于控制大輪I (3_5)和大輪2 (3_6)的運(yùn)動(dòng)范圍，從而控制輸入角度的范圍，控制工作空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三自由度平動(dòng)力反饋設(shè)備，其特征在于:末端安裝有六維力/力矩傳感器和操作手柄。六維力/力矩傳感器帶有自己的坐標(biāo)系，末端桿與基座平行，可以使力傳感器檢測(cè)到三個(gè)分力方向與平移運(yùn)動(dòng)的方向保持一致。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK103433921SQ201310412329
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】宋荊洲, 孫漢旭, 賈慶軒, 白楊, 高榮 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)