CN106541390B - 一种混联六自由度力反馈设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混联六自由度力反馈设备，通过第一反馈驱动装置驱动第一支链直线运动、第二反馈驱动装置驱动第二支链直线运动、第三反馈驱动装置驱动第三支链直线运动，而提供混联转动装置的三个方向平动实现执行机构在三个平动方向的力反馈；同时，通过第五反馈驱动装置带动第一转动副转动、第六反馈驱动装置带动第二转动副转动，而提供第四反馈驱动装置三维转动；所述第四反馈驱动装置的输出轴提供给执行机构该输出轴的转动。本发明实现了平动运动与转动运动的解耦，机构具有多自由度、大转动工作空间、高位置精确等优点，在遥操作或虚拟现实交互任务中具有广阔的应用价值。

Description

一种混联六自由度力反馈设备及使用方法

技术领域

本发明涉及属于机器人技术领域，尤其是一种六自由度力反馈设备。

背景技术

力反馈作为一种新的概念，在医疗、科研、精密试验等领域有广阔的发展前景。比如力反馈概念引入的虚拟手术系统，通过对手术器械和软组织等形变过程进行实时数值计算，模拟出软组织的变形情况和器械受力状态，并通过外接的力反馈设备，使医生在手术操作中，感知到反馈力的存在，更好的达到临床手术的训练效果。

目前大部分力反馈设备采用串联或并联结构，其中串联结构能够提供较大的工作空间，但是能够实现的虚拟刚度较小，即不能反馈太大的力/力矩。而并联结构刚度较高，能够实现大输出力/力矩，但并联机构的工作空间较小，尤其是操作末端的转角范围较小。因此选择合适的机构作为力反馈设备的机械本体是一个需要解决的问题。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供混联六自由度力反馈设备，可以在空间内实现三自由度平动和三自由度转动，集合了串联结构反馈设备和并联结构反馈设备的优势。

为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种混联六自由度力反馈设备，包括混联转动装置、连接混联转动装置的三条支链、与三条支链一一对应配合的三个反馈驱动装置以及固定支链和反馈驱动装置的支架；所述三个反馈驱动装置为第一反馈驱动装置、第二反馈驱动装置、第三反馈驱动装置；

所述混联转动装置包括基座，该基座具有底壁及围绕底壁设置的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；所述第一侧壁与第三侧壁相对，第二侧壁与第四侧壁相对；混联转动装置还包括位于第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁之间的第四反馈驱动装置、连接第四反馈驱动装置上端以及第一侧壁的第一转动副、连接第四反馈驱动装置下端以及第二侧壁的第二转动副；位于第一侧壁上并连接第一转动副的第五反馈驱动装置、位于第二侧壁上并连接第二转动副的第六反馈驱动装置；第五反馈驱动装置的输出轴带动第一转动副转动；第六反馈驱动装置的输出轴带动第二转动副转动；

所述三条支链包括连接所述底壁的第一支链、连接所述第三侧壁的第二支链、连接所述第四侧壁的第三支链；所述第一支链的一端铰接于底壁上而另一端与第一反馈驱动装置的输出轴配合；所述第二支链的一端铰接在第三侧壁上而另一端与第二反馈驱动装置的输出轴配合；所述第三支链的一端铰接在第四侧壁上而另一端与第三反馈驱动装置的输出轴配合。

有益效果：

相对于现有技术，本发明通过第一反馈驱动装置驱动第一支链直线运动、第二反馈驱动装置驱动第二支链直线运动、第三反馈驱动装置驱动第三支链直线运动，而提供混联转动装置的三个方向平动实现执行机构在三个平动方向的力反馈；从而实现串联结构的功能；

通过第五反馈驱动装置带动第一转动副转动、第六反馈驱动装置带动第二转动副转动，而提供第四反馈驱动装置三维转动；所述第四反馈驱动装置的输出轴提供给执行机构该输出轴的转动；从而实现并联结构的功能。本发明实现了平动运动与转动运动的解耦，机构具有多自由度、大转动工作空间、高位置精确等优点，在遥操作或虚拟现实交互任务中具有广阔的应用价值。

本发明还提供了上述混联六自由度力反馈设备使用方法的技术方案：

通过设置执行机构连接第四反馈驱动装置；且提供控制器，通过控制器控制第一反馈驱动装置、第二反馈驱动装置、第三反馈驱动装置、第四反馈驱动装置、第五反馈驱动装置及第六反馈驱动装置输出反馈力，

其中，通过第一反馈驱动装置驱动第一支链直线运动、第二反馈驱动装置驱动第二支链直线运动、第三反馈驱动装置驱动第三支链直线运动，而提供混联转动装置的三个方向平动实现执行机构在三个平动方向的力反馈；

通过第五反馈驱动装置带动第一转动副转动、第六反馈驱动装置带动第二转动副转动，而提供第四反馈驱动装置三维转动；

所述第四反馈驱动装置的输出轴提供给执行机构该输出轴的转动。

附图说明

图1是本发明混联六自由度力反馈设备的立体结构图。

图2是本发明中支架与第一、第二、第三反馈驱动装置的安装结构图。

图3是本发明中第二支链部分的结构示意图。

图4是本发明中混联转动装置的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明公开了一种混联六自由度力反馈设备。该力反馈设备包括混联转动装置1、连接混联转动装置1的三条支链、与三条支链一一对应配合的三个反馈驱动装置以及固定支链和反馈驱动装置的支架3。为了清楚的描述，所述三个反馈驱动装置为第一反馈驱动装置41、第二反馈驱动装置42、第三反馈驱动装置43。第一反馈驱动装置41、第二反馈驱动装置42、第三反馈驱动装置43可以为直流电机或者其他用以提供力矩输出的驱动单元。

请结合图4所示，所述混联转动装置1包括基座11，该基座11具有底壁12及围绕底壁12设置的第一侧壁13、第二侧壁14、第三侧壁15、第四侧壁16。所述第一侧壁13与第三侧壁15相对，第二侧壁14与第四侧壁16相对。混联转动装置1还包括位于第一侧壁13、第二侧壁14、第三侧壁15、第四侧壁16之间的第四反馈驱动装置44、连接第四反馈驱动装置44上端以及第一侧壁13的第一转动副17、连接第四反馈驱动装置44下端以及第二侧壁14的第二转动副18；位于第一侧壁13上并连接第一转动副17的第五反馈驱动装置45、位于第二侧壁14上并连接第二转动副18的第六反馈驱动装置46。第五反馈驱动装置45的输出轴带动第一转动副17转动；第六反馈驱动装置46的输出轴带动第二转动副18转动。所述第一转动副17包括弧形延伸的第一外转动杆171、弧形延伸的第一内转动杆172。第二转动副18包括弧形延伸的第二外转动杆181、弧形延伸的第二内转动杆182。所述第一外转动杆171的一端连接第五反馈驱动装置45的输出轴而第一外转动杆171的另一端与第一内转动杆172铰接。第二外转动杆181的一端连接第六反馈驱动装置46的输出轴而第二外转动杆181的另一端与第二内转动杆182铰接。第一外转动杆171与第一内转动杆172通过第一铰接轴173铰接；第二外转动杆181与第二内转动杆182通过第二铰接轴183铰接；且第一铰接轴173与第二铰接轴183正交。

所述三条支链包括连接所述底壁12的第一支链21、连接所述第三侧壁15的第二支链22、连接所述第四侧壁16的第三支链23。所述第一支链21的一端铰接于底壁12上而另一端与第一反馈驱动装置41的输出轴配合；所述第二支链22的一端铰接在第三侧壁15上而另一端与第二反馈驱动装置42的输出轴配合；所述第三支链23的一端铰接在第四侧壁16上而另一端与第三反馈驱动装置43的输出轴配合。所述第一反馈驱动装置41的输出轴、第二反馈驱动装置42的输出轴、第三反馈驱动装置43的输出轴两两正交设置。

所述第一支链21、第二支链22、第三支链23中至少一个支链采用以下结构进行设计，而在本实施方式中选取第二支链22进行说明。

请结合图3所示，该支链结构包括平行四边形杆组24及自平行四边形杆组24延伸的导轨25。所述平行四边形杆组24包括铰接在所述基座11上的第一端轴241、与第一端轴241平行且位于平行四边形杆组24另一端的第二端轴242、连接第一端轴241与第二端轴242的第一侧杆243、连接第一端轴241与第二端轴242且与第一侧杆243平行的第二侧杆244。所述导轨25的一端设有套设在第二端轴242上的导轨连接块251，导轨25的延伸方向垂直第二端轴242。所述第一侧杆243的两端分别与第一端轴241、第二端轴242铰接。第二侧杆243的两端同样与第一端轴241、第二端轴242铰接。且第一端轴241与第一侧杆243之间的夹角、第一端轴241与第二侧杆244之间的夹角、第二端轴242与第一侧杆243之间的夹角、第二端轴242与第二侧杆244之间的夹角是可变大或变小的，即第一端轴241、第二端轴242、第一侧杆243、第二侧杆244组成的平行四边形形状可变，这样在本力反馈装置“混联”的复杂运动环境下能够降低支链整体在运动中产生的干涉，从而提供整体结构混联运动下更大的运动空间，以提高动力学性能。而在本实施方式中，所述第一支链21、第三支链23与该第二支链22的结构相同，不再赘述。在第一支链21、第三支链23与该第二支链22的结构相同的情况下，为顺利实现3个平动方向的力反馈，本实施方式中所述第一支链21的第一端轴、第二支链22的第一端轴、第三支链23的第一端轴两两正交设置。在本实施方式中，所述支架3上设有用以安装第一反馈驱动装置41的第一安装架31、用以安装第二反馈驱动装置42的第二安装架32、安装第三反馈驱动装置43的第三安装架33。该第二安装架32上同时设有与所述导轨25配合的导槽321用以导引导轨25的平动。同样的，第一安装架31及第三安装架33上同样设有该导槽。

而在本实施方式中，所述第一反馈驱动装置41、第二反馈驱动装置42、第三反馈驱动装置43与支链之间的连接方式为，仍旧以第二反馈驱动装置42与第二支链22为例，所述导轨25上设有绳索26。该绳索26的两端分别固定在导轨25的末端及导轨连接块251上。且所述绳索26缠绕在第二反馈驱动装置42的输出轴上。在本实施方式中，所述第一反馈驱动装置41、第二反馈驱动装置42、第三反馈驱动装置43与支链之间的连接方式均采用上述绳索驱动。故可以描述为第一支链21通过绳索缠绕第一反馈驱动装置41的输出轴、第二支链22通过绳索缠绕第二反馈驱动装置42的输出轴、第三支链23通过绳索26缠绕第三反馈驱动装置43的输出轴上。本实施方式中通过绳索连接各输出轴和各支链而实现传递到混联转动装置1的3个平动方向的力反馈，绳索传动在保证运动平滑的同时也保证反馈力的放大输出，实现大输出力反馈。

上述混联六自由度力反馈设备的使用方法为：通过设置执行机构(未图示)连接第四反馈驱动装置44；且提供控制器(未图示)，通过控制器控制第一反馈驱动装置41、第二反馈驱动装置42、第三反馈驱动装置43、第四反馈驱动装置44、第五反馈驱动装置45及第六反馈驱动装置46输出反馈力。第四反馈驱动装置44、第五反馈驱动装置45及第六反馈驱动装置46为直流电机或者其他用以提供力矩输出的驱动单元。

其中，通过第一反馈驱动装置41驱动第一支链21直线运动、第二反馈驱动装置42驱动第二支链22直线运动、第三反馈驱动装置43驱动第三支链23直线运动，而提供混联转动装置1的三个方向平动实现执行机构在三个平动方向的力反馈；通过第五反馈驱动装置45带动第一转动副17转动、第六反馈驱动装置46带动第二转动副18转动，而提供第四反馈驱动装置44三维转动；所述第四反馈驱动装置44的输出轴提供给执行机构该输出轴的转动。从而执行机构能够接收到三个平动方向的力反馈、三维转动的力反馈及第四反馈驱动装置44的输出轴的力反馈，从而能够实时反映出混联的力反馈效果。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种混联六自由度力反馈设备，其特征在于：包括混联转动装置、连接混联转动装置的三条支链、与三条支链一一对应配合的三个反馈驱动装置以及固定支链和反馈驱动装置的支架；所述三个反馈驱动装置为第一反馈驱动装置、第二反馈驱动装置、第三反馈驱动装置；

所述混联转动装置包括基座，该基座具有底壁及围绕底壁设置的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁；所述第一侧壁与第三侧壁相对，第二侧壁与第四侧壁相对；混联转动装置还包括位于第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁之间的第四反馈驱动装置、连接第四反馈驱动装置上端以及第一侧壁的第一转动副、连接第四反馈驱动装置下端以及第二侧壁的第二转动副；位于第一侧壁上并连接第一转动副的第五反馈驱动装置、位于第二侧壁上并连接第二转动副的第六反馈驱动装置；第五反馈驱动装置的输出轴带动第一转动副转动；第六反馈驱动装置的输出轴带动第二转动副转动；

所述三条支链包括连接所述底壁的第一支链、连接所述第三侧壁的第二支链、连接所述第四侧壁的第三支链；所述第一支链的一端铰接于底壁上而另一端与第一反馈驱动装置的输出轴配合；所述第二支链的一端铰接在第三侧壁上而另一端与第二反馈驱动装置的输出轴配合；所述第三支链的一端铰接在第四侧壁上而另一端与第三反馈驱动装置的输出轴配合。

2.如权利要求1所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述第一反馈驱动装置的输出轴、第二反馈驱动装置的输出轴、第三反馈驱动装置的输出轴两两正交设置。

3.如权利要求1所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述第一支链、第二支链、第三支链中至少一个支链包括平行四边形杆组及自平行四边形杆组延伸的导轨；所述平行四边形杆组包括铰接在所述基座上的第一端轴、与第一端轴平行且位于平行四边形杆组另一端的第二端轴、连接第一端轴与第二端轴的第一侧杆、连接第一端轴与第二端轴且与第一侧杆平行的第二侧杆；所述导轨的一端设有套设在第二端轴上的导轨连接块，导轨的延伸方向垂直第二端轴；

所述第一侧杆的两端分别与第一端轴、第二端轴铰接，第二侧杆的两端同样与第一端轴、第二端轴铰接；且第一端轴与第一侧杆之间的夹角、第一端轴与第二侧杆之间的夹角、第二端轴与第一侧杆之间的夹角、第二端轴与第二侧杆之间的夹角是可变大或变小的。

4.如权利要求3所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述导轨上设有绳索，该绳索的两端分别固定在导轨的末端及导轨连接块上；且所述绳索缠绕在第一反馈驱动装置的输出轴、和/或第二反馈驱动装置的输出轴、和/或第三反馈驱动装置的输出轴上。

5.如权利要求3或4所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述第一支链、第二支链、第三支链的结构相同。

6.如权利要求1所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述混联转动装置的第四反馈驱动装置连接有执行机构。

7.如权利要求5所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述第一支链的第一端轴、第二支链的第一端轴、第三支链的第一端轴两两正交设置。

8.如权利要求5所述的混联六自由度力反馈设备，其特征在于：所述第一转动副包括弧形延伸的第一外转动杆、弧形延伸的第一内转动杆；第二转动副包括弧形延伸的第二外转动杆、弧形延伸的第二内转动杆；所述第一外转动杆的一端连接第五反馈驱动装置的输出轴而第一外转动杆的另一端与第一内转动杆铰接；第二外转动杆的一端连接第六反馈驱动装置的输出轴而第二外转动杆的另一端与第二内转动杆铰接；第一外转动杆与第一内转动杆通过第一铰接轴铰接；第二外转动杆与第二内转动杆通过第二铰接轴铰接；且第一铰接轴与第二铰接轴正交。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述混联六自由度力反馈设备的使用方法，其特征在于：通过设置执行机构连接第四反馈驱动装置；且提供控制器，通过控制器控制第一反馈驱动装置、第二反馈驱动装置、第三反馈驱动装置、第四反馈驱动装置、第五反馈驱动装置及第六反馈驱动装置输出反馈力，

其中，通过第一反馈驱动装置驱动第一支链直线运动、第二反馈驱动装置驱动第二支链直线运动、第三反馈驱动装置驱动第三支链直线运动，而提供混联转动装置的三个方向平动实现执行机构在三个平动方向的力反馈；

通过第五反馈驱动装置带动第一转动副转动、第六反馈驱动装置带动第二转动副转动，而提供第四反馈驱动装置三维转动；

所述第四反馈驱动装置的输出轴提供给执行机构该输出轴的转动。