本發(fā)明涉及一種力反饋操縱裝置，特別是涉及一種三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的商用sensablephantomomni力反饋手柄，利用串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三自由度的力反饋，由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，該力反饋手柄的末端精度不高，結(jié)構(gòu)剛度不夠，提供的力反饋較小；針對上述串聯(lián)機(jī)構(gòu)力反饋手柄的不足之處，業(yè)界人士研制出了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的力反饋手柄，而現(xiàn)有的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的力反饋手柄，存在運(yùn)動學(xué)正解復(fù)雜導(dǎo)致設(shè)備響應(yīng)緩慢、力反饋延時效果嚴(yán)重，并且工作空間小、結(jié)構(gòu)龐大等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、虛擬剛度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明一種三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，包括手柄、動平臺、基座及三組驅(qū)動裝置，所述手柄卡固于所述動平臺上可與所述動平臺同步動作，所述三組驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)相同，其中一組驅(qū)動裝置包括電機(jī)、減速機(jī)及連接桿，所述三組驅(qū)動裝置的電機(jī)均安裝于所述基座上，所述三組驅(qū)動裝置的連接桿分別連接于所述動平臺的不同位置上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述手柄下方設(shè)置冗余支鏈，所述冗余支鏈包括一組u型鉸鏈及一個轉(zhuǎn)動副，所述手柄下端固定于所述u型鉸鏈上端部，所述u型鉸鏈下端部可轉(zhuǎn)動連接于立桿上，所述立桿固定于所述基座上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述動平臺的中心開有連接孔，所述連接孔帶有扇形限位槽，所述手柄上設(shè)置徑向凸出的扇形限位塊，所述手柄安裝于所述連接孔內(nèi)，所述扇形限位塊置于所述扇形限位槽內(nèi)。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述動平臺下端面上設(shè)置三個連接柱，所述三個連接柱沿所述動平臺的周向均布，所述三組驅(qū)動裝置的連接桿分別連接于一個所述連接柱上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述連接桿均包括第一連桿及第二連桿，所述第一連桿一端鉸接于所述減速機(jī)輸出軸上，另一端與所述第二連桿相鉸接，所述第二連桿另一端鉸接于所述動平臺的一個連接柱上，所述動平臺及三組第一連桿、三組第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述u型鉸鏈的兩個轉(zhuǎn)軸和所述立桿的中心軸所在直線均交于一點(diǎn)，且與所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心重合，所述第一連桿的兩個轉(zhuǎn)動副到所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心的距離、所述第二連桿的兩個轉(zhuǎn)動副到所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心的距離均不相同。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述減速機(jī)為鋼絲繩減速機(jī)。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，其中，所述手柄上在所述動平臺上方設(shè)置防塵蓋。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：由于本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備包括手柄、動平臺、基座及三組驅(qū)動裝置，三組驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)相同，包括電機(jī)、減速機(jī)及連接桿，并且三組驅(qū)動裝置的電機(jī)均設(shè)置于基座上、連接桿分別連接于動平臺的不同位置上，因此三組驅(qū)動裝置的作用力分別同時作用于動平臺上，使本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備虛擬剛度較高并且結(jié)構(gòu)緊湊。

另外，由于手柄下方設(shè)置冗余支鏈，該冗余支鏈具有三個自由度，使手柄的工作范圍限制在繞x軸、y軸、z軸三軸±45°范圍內(nèi)，防止意外操作。

還有，由于第一連桿的兩個轉(zhuǎn)動副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心的距離、第二連桿的兩個轉(zhuǎn)動副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心的距離均不相同，因此保證了連桿兩端的機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中始終處于不同半徑的球面上，從而避免連桿發(fā)生干涉，并且動平臺及三組第一連桿、三組第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，使本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)桿長參數(shù)最優(yōu)，在空間尺寸和質(zhì)量約束的前提下，實(shí)現(xiàn)工作空間大、虛擬剛度高、位置分辨率高、反向驅(qū)動性好、各向同性度好等良好設(shè)備性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備中一組驅(qū)動裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備中冗余支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備中動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備中第一連桿、第二連桿的轉(zhuǎn)動半徑結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備中控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明一種三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備，包括手柄11、動平臺12、基座13及三組驅(qū)動裝置，手柄11卡固于動平臺12上并且可與動平臺12同步動作，三組驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)相同，每組驅(qū)動裝置均包括電機(jī)21、減速機(jī)22及連接桿，三組驅(qū)動裝置的電機(jī)均安裝于基座13上，三組驅(qū)動裝置的連接桿分別連接于動平臺12的不同位置上，三組驅(qū)動裝置的電機(jī)21通過減速機(jī)22帶動動平臺12動作，手柄11上設(shè)置功能按鈕，手柄11質(zhì)量盡可能輕以保證力反饋手柄具有良好的反向驅(qū)動性能。

手柄11下方設(shè)置冗余支鏈，如圖3所示，冗余支鏈包括一組u型鉸鏈31及一個轉(zhuǎn)動副，手柄11下端固定于u型鉸鏈31上端部，u型鉸鏈31下端部可轉(zhuǎn)動連接于立桿32上，立桿32下端固定于基座13上，該冗余支鏈具有三個自由度，采用串聯(lián)布置，繞x軸、y軸的轉(zhuǎn)動通過u型鉸鏈31實(shí)現(xiàn)，繞z軸的轉(zhuǎn)動通過u型鉸鏈31與立桿32的相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)，u型鉸鏈31的兩個轉(zhuǎn)軸和立桿32的中心軸所在直線均交于一點(diǎn)。手柄11的工作范圍為繞x軸、y軸、z軸三軸±45°，限于桿件干涉，手柄機(jī)構(gòu)中加入上述冗余支鏈作為限位裝置，可防止意外操作。

如圖4所示，動平臺12的中心開有連接孔121，連接孔121帶有扇形限位槽122，手柄11上設(shè)置徑向凸出的扇形限位塊111，手柄11安裝于連接孔121內(nèi)，扇形限位塊111置于扇形限位槽122內(nèi)，使手柄11和動平臺12同步。動平臺12下端面上設(shè)置三個連接柱123，三個連接柱123沿動平臺12的周向均布，三組驅(qū)動裝置的連接桿分別連接于一個連接柱123上。

如圖2所示，每組驅(qū)動裝置的連接桿均包括第一連桿41及第二連桿42，第一連桿41一端鉸接于減速機(jī)輸出軸上，另一端與第二連桿42相鉸接，第二連桿42另一端鉸接于動平臺12的一個連接柱123上，動平臺12及三組第一連桿、第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，u型鉸鏈31的兩個轉(zhuǎn)軸和立桿32的中心軸所在直線均交于一點(diǎn)，且與3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心重合，如圖5所示，第一連桿41的兩個轉(zhuǎn)動副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心o的距離、第二連桿42的兩個轉(zhuǎn)動副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心o的距離均不相同，保證兩個連桿的兩端部在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中始終處在不同半徑的球面上，從而避免了連桿可能發(fā)生的干涉。

減速機(jī)22為鋼絲繩減速機(jī)，鋼絲繩減速機(jī)具有傳動平穩(wěn)、無回差的特點(diǎn)，為防止鋼絲繩松弛，在鋼絲繩減速機(jī)的大繩輪和小繩輪之間設(shè)置碟簧張緊裝置。電機(jī)21采用直流無刷伺服電機(jī)，

手柄11上在動平臺12上方還安裝有防塵蓋14，使設(shè)備保持清潔。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動力反饋設(shè)備的控制系統(tǒng)如圖6所示，包括上位機(jī)、下位機(jī)、驅(qū)動器，下位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是傳感器數(shù)據(jù)采集和電機(jī)的運(yùn)動、力伺服控制，控制算法實(shí)施、以及上下位機(jī)之間的通信。下位機(jī)的控制系統(tǒng)包括嵌入式微處理器、dac模塊、以太網(wǎng)控制器、cpld邏輯控制模塊、i/o接口等。微處理器的作用是接收上位機(jī)控指令、采集并處理傳感器數(shù)據(jù)、向dac模塊輸出電機(jī)電流大小指令。以太網(wǎng)控制器用于控制網(wǎng)絡(luò)通信，dac用于向電機(jī)驅(qū)動器輸出模擬信號以控制電機(jī)電流大小。下位機(jī)的控制系統(tǒng)須保證數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動控制的實(shí)時性。通常為了保證力反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，伺服控制的頻率應(yīng)達(dá)到1khz。本設(shè)計(jì)中采樣頻率設(shè)定為1khz，可以保證很好的力覺交互效果。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。