CN100431809C - 六自由度力觉人机交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度力觉人机交互装置，由基座、静平台、动平台、六个支链、驱动单元和复合球副组成。本发明装置通过六个直流电机分别驱动六条支链，以钢丝绳传动减速机构作为减速传动方式，带动支链中的第一连杆转动，第一连杆与第二连杆通过三个轴线共点的转动副串联构成的球副连接，第二连杆通过复合球副与动平台连接；六条支链两两汇交于动平台上的复合球副处，即两条支链确定动平台上一个复合球副的空间位置，因此三个不共线的复合球副即可实现动平台的六个运动自由度，在动平台上输出三维力和三维力矩，给人手提供一个和虚拟环境中虚拟力和虚拟力矩相同的交互感觉。

Description

六自由度力觉人机交互装置

技术领域

本发明涉及一种具有六个自由度的并联式力觉人机交互装置，是一种能够准确模拟虚拟环境中物体之间相互作用所产生的接触力、接触力矩的大小和方向的力觉机构。

背景技术

在人类与环境的交互过程中，操作者向环境输入力或运动，环境不但以视觉或听觉信号的形式向操作者反馈作用效果，而且将其响应以运动或力的形式通过触觉反馈给操作者。广义触觉从其信号形式上可区分为力觉和狭义触觉，力觉通常是指对所接触物体的硬度、形状特征等的感觉，狭义触觉通常是指对物体的质地特征等的感觉。与之相对应，交互设备也分为狭义触觉交互设备和力觉交互设备。

力觉交互又称触觉再现，该技术起源于机器人主从操作和遥操作，目的是给位于异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的感知，以提高操作质量和效率。近年来，力觉再现技术在虚拟现实领域得到快速发展，成为一种新的计算机人机交互方式，在对虚拟物体进行操作时，操作者通过力觉再现装置感受到虚拟物体的作用力、物体的材质和形状，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。其功能是测量操作者操作趋势，与虚拟仿真环境通信，接受虚拟环境计算的虚拟力信号，通过机械接口将反馈力施加给操作者。

力觉交互装置的类型包括固定于操作者手臂和固定于工作台上的两大类型，适用于不同的应用场合。前者主要包括数据臂、数据手套，这类设备的特点是可以跟踪操作者手臂或手指的多自由度运动，但普遍存在尺寸庞大、重量较重、力觉感受逼真度差等缺点，适用于不要求逼真感知交互力的场合，一般用于机械臂或机器人灵巧手的主从操作中。本发明是一种固定于工作台上的桌面式力觉交互装置，具有操作方便、运动灵活，力觉感受逼真等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种六自由度力觉人机交互装置，所述力觉人机交互装置包括有基座、静平台、动平台、六个电机和六条相同结构的支链，每条支链由两个连杆构成；固定于静平台上的六个直流电机分别驱动六条支链，以钢丝绳传动减速机构作为减速传动方式，带动支链中的第一连杆转动，第一连杆与第二连杆通过三个轴线共点的转动副串联构成的球副连接，第二连杆通过复合球副与动平台连接；六条支链两两汇交于动平台上的复合球副处，即两条支链确定动平台上一个复合球副的空间位置，因此三个不共线的复合球副即可实现动平台的六个运动自由度，在动平台上输出三维力和三维力矩，给人手提供一个和虚拟环境中虚拟力和虚拟力矩相同的交互感觉。

本发明是一种可以提供三维力和三维力矩反馈的具有六个运动自由度的力觉人机交互装置，包括有基座、静平台、动平台、六条传动支链、以及用于驱动六条传动支链的电机。所述六条传动支链结构相同，每条支链包括一个电机(电机上装配有一个编码器)、一套减速机构、连杆一、连杆二构成。所述减速机构，由主动轮、钢丝绳和从动轮构成；电机输出轴通过驱动主动轮转动，减速机构的从动轮将减速后的运动，传递给与从动轮固联的连杆一。

本发明六自由度力觉人机交互装置的优点在于：(1)结构简单，易提供较大的工作空间，末端杆的姿态转角范围大，操作灵活；(2)同时具有三维力和三维力矩反馈功能，理论上可以模拟物理世界中任何的力觉交互任务(实际模拟效果受设备的力和力矩输出能力、操作杆运动范围等因素影响)，相比已公开的仅具有力反馈或者力矩反馈的力觉交互装置，该装置通用性强，扩展了力觉交互设备的应用领域；(3)充分利用并联构型优点，相比已公开的串联式具有三维力和三维力矩反馈的力觉交互装置，具有装置刚度大、精度高、输出力和力矩大等特点；(4)相比已公开的并联式具有三维力和三维力矩反馈的力觉交互装置，具有构型新颖，运动学解算以及驱动力/力矩解算相对简单，且该装置将所有的电机都放置在静平台上，有效减少了操作杆所受的惯量。

附图说明

图1是本发明六自由度力觉人机交互装置的整体结构图。

图2是各支链的装配示图。

图3是基座与电机的装配示图。

图4是支链A的结构图。

图中：            1.基座           11.底盘          12.T形立柱       13.连接端

2.静平台          21.支撑架A       22.支撑架B       23.支撑架C       24.支撑架D

25.支撑架E        26.支撑架F       3.动平台         4a.第一支链电机

4b.第二支链电机                    4c.第三支链电机                   4d.第四支链电机

4e.第五支链电机                    4f.第六支链电机                   5a.第一支链

5b.第二支链       5c.第三支链      5d.第四支链      5e.第五支链      5f.第六支链

51.第一连杆       52.第二连杆      53.连接件A       54.连接件B       55.连接件C

56.连接件D        6a.主动轮A       6b.主动轮B       6c.主动轮C       6d.主动轮D

6e.主动轮E        6f.主动轮F       7a.从动轮A       7b.从动轮B       7c.从动轮C

7d.从动轮D        7e.从动轮E       7f.从动轮F       71.中心凸部      8a.半圆弧形件A

8b.半圆弧形件B                     8c.半圆弧形件C                    81.十字轴A

82.十字轴B        83.十字轴C       9.操作杆

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是六自由度力觉人机交互装置，具有六个运动自由度(动平台3可以水平运动、垂直运动、左右运动，同时还可以做三个方向独立的转动)，能准确跟踪人手的三维平动和三维转动信息，同时可以使动平台3输出不小于20N的力，输出不小于550Nmm的力矩。它可以应用于大多数虚拟现实系统和仿真领域，实现虚拟环境中三维力和三维力矩的反馈，增强人机交互过程的逼真感和沉浸感。

本发明是一种六自由度力觉人机交互装置，由基座1、静平台2、动平台3、六个支链(所述支链结构相同，即第一支链5a、第二支链5b、第三支链5c、第四支链5d、第五支链5e、第六支链5f)、驱动单元(包括六个电机和六个主动轮、六个从动轮，所述的这六个电机上分别装配有一个编码器，即第一支链电机4a、第二支链电机4b、第三支链电机4c、第四支链电机4d、第五支链电机4e、第六支链电机4f、主动轮A 6a、主动轮B 6b、主动轮C 6c、主动轮D 6d、主动轮E 6e、主动轮F 6f、从动轮A 7a、从动轮B 7b、从动轮C 7c、从动轮D 7d、从动轮E 7e、从动轮F 7f)和复合球副(包括半圆弧形件A 8a、半圆弧形件B 8b、半圆弧形件C8c、以及安装在所述半圆弧形件上的十字轴，所述半圆弧形件结构相同)组成。

所述基座1的T形立柱12的一端通过螺钉固定在底盘11的连接端13上，T形立柱12的端面上固定有静平台2；所述静平台2上安装有六个支撑架，即支撑架A 21、支撑架B 22、支撑架C 23、支撑架D 24、支撑架E 25和支撑架F 26；每两个支撑架相对放置，且呈120°分布在静平台2上，即支撑架A 21与支撑架B22相对放置，支撑架C 23与支撑架D 24相对放置，支撑架E 25与支撑架F 26相对放置；

请参见图3所示，第一支链电机4a安装在支撑架A 21的外侧，第二支链电机4b安装在支撑架B 22的外侧，第三支链电机4c安装在支撑架C 23的外侧，第四支链电机4d安装在支撑架D 24的外侧，第五支链电机4e安装在支撑架E 25的外侧，第六支链电机4f安装在支撑架F 26的外侧；

从动轮A 7a安装在支撑架A 21的内侧，从动轮B 7b安装在支撑架B 22的内侧，从动轮C 7c安装在支撑架C 23的内侧，从动轮D 7d安装在支撑架D 24的内侧，从动轮E 7e安装在支撑架E 25的内侧，从动轮F 7f安装在支撑架F 26的内侧；

第一支链电机4a的输出轴上连接有主动轮A 6a，主动轮A 6a通过钢丝绳与从动轮A 7a传动；第二支链电机4b的输出轴上连接有主动轮B 6b，主动轮B 6b通过钢丝绳与从动轮B 7b传动；第三支链电机4c的输出轴上连接有主动轮C 6c，主动轮C 6c通过钢丝绳与从动轮C 7c传动；第四支链电机4d的输出轴上连接有主动轮D 6d，主动轮D 6d通过钢丝绳与从动轮D 7d传动；第五支链电机4e的输出轴上连接有主动轮E 6e，主动轮E 6e通过钢丝绳与从动轮E 7e传动；第六支链电机4f的输出轴上连接有主动轮F 6f，主动轮F 6f通过钢丝绳与从动轮F 7f传动；

请参见图4所示，所述第一支链5a的第一连杆51的一端安装在从动轮A 7a的中心凸部71上，第一连杆51的另一端安装在连接件A 53的轴承内，连接件A 53的另一端与连接件B 54通过轴与轴承配合连接；第二连杆52的一端安装在连接件B 54的另一端的轴承内，第二连杆52的另一端与连接件C 55的一端固连；十字轴A 81的C端安装在连接件C 55的另一端的轴承内，十字轴A 81的A端和B端安装在半圆弧形件A 8a的弧底两端的轴承内，十字轴A 81的D端安装在第六支链5f的连接件D 56的轴承内，半圆弧形件A 8a的顶端与动平台3连接；其余五个支链(第二支链5b、第三支链5c、第四支链5d、第五支链5e、第六支链5f)的连接方式与第一支链5a相同。在本发明中，三个半圆弧形件与三个十字轴、动平台3的连接关系为：十字轴A 81安装在半圆弧形件A 8a的弧底两端上，十字轴B 82安装在半圆弧形件B 8b的弧底两端上，十字轴C 83安装在半圆弧形件C 8c的弧底两端上，半圆弧形件A 8a的顶端、半圆弧形件B 8b的顶端和半圆弧形件C 8c的顶端分别与动平台3连接。相对于动平台3来讲，第一支链5a与第六支链5f共用半圆弧形件A 8a，第二支链5b与第三支链5c共用半圆弧形件B 8b，第四支链5d与第五支链5e共用半圆弧形件C 8c。

在本发明中，第一连杆51和连接件A 53构成第一转动副，连接件A 53和连接件B 54构成第二转动副，连接件B 54和第二连杆52构成第三转动副，第一转动副、第二转动副和第三转动副的三个轴线汇交于一点，实现了球副功能(参见图4)。同理，其余五个支链也有相同的球副功能。

十字轴A 81的C端和连接件C 55构成第一转动副A，十字轴A 81的D端和第六支链5f的连接件D 56构成第四转动副，十字轴A 81的A端、B端和半圆弧形件A 8a构成第二转动副A，半圆弧形件A 8a和动平台3构成第三转动副A；第一转动副A、第二转动副A和第三转动副A的三个轴线汇交于一点，实现了球副功能；第二转动副A、第三转动副A和第四转动副的三个轴线汇交于一点，实现了球副功能；在上述两个球副中，共用球心，即形成一个复合球副机构(参见图2、图4)。

本发明六自由度力觉人机交互装置，相比动平台3、静平台2均放置电机的设备，有效的减少了分支连杆和动平台的惯量和质量，提高了力觉交互设备的性能。

在力觉交互过程中，力觉人机交互装置工作在两种工作状态。一种是当虚拟工具不与虚拟环境发生作用(例如接触、切削等)，不产生虚拟力或虚拟力矩时，操作者操作装置在虚拟空间自由运动，此时电机处于零转矩输出模式，操作者通过动平台感受不到来自电机的转矩作用，此时这种工作状态在力觉交互过程中称为反向驱动工作状态；另外一种工作状态是电机处于转矩输出模式，操作者操作装置使虚拟工具与虚拟环境发生相互作用，虚拟现实系统通过计算得到虚拟力和虚拟力矩的大小和方向，控制六个驱动电机输出相对应的转矩作用到动平台上，通过动平台反馈给操作者，使操作者感受到此虚拟力和虚拟力矩，这种工作状态在力觉交互过程中称为正向驱动工作状态。

在本发明中，当力觉人机交互装置处于反向驱动状态时，操作者手持安装在动平台3上的操作杆9在空间自由运动，动平台3通过三个复合球副(指半圆弧形件A 8a、半圆弧形件B 8b、半圆弧形件C 8c、以及分别与这三个件连接的十字轴，相连形成的球副)带动六个支链(第一支链5a、第二支链5b、第三支链5c、第四支链5d、第五支链5e、第六支链5f)的运动。六自由度力觉交互装置的每一条支链的结构相同，下面仅对第一支链5a的运动的传递描述如下：动平台3跟随人手做自由运动，第二连杆52通过球副(复合球副其中的一个，两者共用一个球心)与动平台相连，第二连杆52相对于动平台3做以球副(复合球副其中的一个，两者共用一个球心)球心为半径，以第二连杆52杆长为半径的球面运动；第一连杆51通过球副(这里是三个转动副串联构成的球副)与第二连杆52相连，第一连杆51相对于第二连杆52做以球副球心为半径，以第一连杆51杆长为半径的球面运动；从动轮B 7b与第一连杆51固连，从动轮B 7b通过缠绕在其上的钢丝绳带动主动轮A 6a转动，转动轴线即为第一支链电机4a的电机轴轴线。最终通过第一支链电机4a上的编码器获得第一支链5a的运动信息，通过运动学解算得到动平台3在静平台2基坐标系中的运动轨迹，并通过虚拟现实系统操作虚拟工具在虚拟空间中做出相对应的运动轨迹。

在本发明中，当力觉人机交互装置处于正向驱动状态时，虚拟现实系统通过动力学解算将虚拟工具上所产生的虚拟力和虚拟力矩，分解为六个驱动电机(第一支链电机4a、第二支链电机4b、第三支链电机4c、第四支链电机4d、第五支链电机4e、第六支链电机4f)的输出力矩并通过控制系统控制电机产生输出。六自由度力觉交互装置的每一条支链的结构相同，下面仅对第一支链5a的力的传递描述如下：第一支链电机4a输出力矩，主动轮A 6a与第一支链电机4a的输出轴固连，主动轮A 6a通过钢丝绳将力矩传递至从动轮B 7b，从动轮B 7b与第一连杆51固连，使第一连杆51产生相对应的力和力矩；第一连杆51通过球副(这里是三个转动副串联构成的球副)将力传递给第二连杆52，第二连杆的根据受力情况可以视为二力杆，第二连杆52通过球副(复合球副其中的一个，两者共用一个球心)将力传递至动平台3。对于六个支链(第一支链5a、第二支链5b、第三支链5c、第四支链5d、第五支链5e、第六支链5f)，其力的传递关系相同，进而将六个支链传递给动平台3的力合成到与动平台固联的动平台传递给操作者(这里的合成力体现为三维的力和三维的力矩)，从而使操作者感觉到如同真实操作的反馈力和反馈力矩。动平台空间位置分辨率达到0.02mm，该装置输出的反馈力最大达到20N，反馈力矩最大达到550Nmm。所述电机为直流伺服电机，输出功率为60W。

本发明所述的六自由度力觉人机交互装置，既指从运动角度上具有六个运动自由度，同时更指从输出力或力矩角度上具有同时输出三维力和输出三维力矩的能力。所述六个运动自由度，是指动平台3及与其固联的操作杆(六个支链)具有沿静平台2的基本坐标系X、Y、Z三个坐标轴方向作平移运动，也可以绕X、Y、Z三个轴线方向作旋转运动，其空间位置和姿态是依靠与动平台3固联的三个复合球副的空间位置所决定，每一个复合球副空间位置又是由与复合球副连接的两条支链所决定，最终归结为电机驱动与操作杆空间位姿的一一对应。所述的同时输出三维力和三维力矩，是指依靠控制六个电机输出转矩，按照装置动力学方程，使动平台及与其固联的操作杆，在与操作者发生交互过程中，既可以沿基本坐标系X、Y、Z三个坐标轴方向输出三维力，也可以绕X、Y、Z三个轴线方向输出三维力矩。

Claims (2)

1、一种六自由度力觉人机交互装置，其特征在于：由基座(1)、静平台(2)、动平台(3)、第一支链(5a)、第二支链(5b)、第三支链(5c)、第四支链(5d)、第五支链(5e)、第六支链(5f)、第一支链电机(4a)、第二支链电机(4b)、第三支链电机(4c)、第四支链电机(4d)、第五支链电机(4e)、第六支链电机(4f)、主动轮A(6a)、主动轮B(6b)、主动轮C(6c)、主动轮D(6d)、主动轮E(6e)、主动轮F(6f)、从动轮A(7a)、从动轮B(7b)、从动轮C(7c)、从动轮D(7d)、从动轮E(7e)、从动轮F(7f)、半圆弧形件A(8a)、半圆弧形件B(8b)、半圆弧形件C(8c)、以及安装在所述三个半圆弧形件上的十字轴组成；

所述基座(1)的T形立柱(12)的一端通过螺钉固定在底盘(11)的连接端(13)上，T形立柱(12)的端面上固定有静平台(2)；

所述静平台(2)上安装有六个支撑架，即支撑架A(21)、支撑架B(22)、支撑架C(23)、支撑架D(24)、支撑架E(25)和支撑架F(26)；

第一支链电机(4a)安装在支撑架A(21)的外侧，第二支链电机(4b)安装在支撑架B(22)的外侧，第三支链电机(4c)安装在支撑架C(23)的外侧，第四支链电机(4d)安装在支撑架D(24)的外侧，第五支链电机(4e)安装在支撑架E(25)的外侧，第六支链电机(4f)安装在支撑架F(26)的外侧；

从动轮A(7a)安装在支撑架A(21)的内侧，从动轮B(7b)安装在支撑架B(22)的内侧，从动轮C(7c)安装在支撑架C(23)的内侧，从动轮D(7d)安装在支撑架D(24)的内侧，从动轮E(7e)安装在支撑架E(25)的内侧，从动轮F(7f)安装在支撑架F(26)的内侧；

第一支链电机(4a)的输出轴上连接有主动轮A(6a)，主动轮A(6a)通过钢丝绳与从动轮A(7a)传动；第二支链电机(4b)的输出轴上连接有主动轮B(6b)，主动轮B(6b)通过钢丝绳与从动轮B(7b)传动；第三支链电机(4c)的输出轴上连接有主动轮C(6c)，主动轮C(6c)通过钢丝绳与从动轮C(7c)传动；第四支链电机(4d)的输出轴上连接有主动轮D(6d)，主动轮D(6d)通过钢丝绳与从动轮D(7d)传动；第五支链电机(4e)的输出轴上连接有主动轮E(6e)，主动轮E(6e)通过钢丝绳与从动轮E(7e)传动；第六支链电机(4f)的输出轴上连接有主动轮F(6f)，主动轮F(6f)，通过钢丝绳与从动轮F(7f)传动；

所述第一支链(5a)的第一连杆(51)的一端安装在从动轮A(7a)的中心凸部(71)上，第一连杆(51)的另一端安装在连接件A(53)的轴承内，连接件A(53)的另一端与连接件B(54)通过轴与轴承配合连接；第二连杆(52)的一端安装在连接件B(54)的另一端的轴承内，第二连杆(52)的另一端与连接件C(55)的一端固连；十字轴A(81)的C端安装在连接件C(55)的另一端的轴承内，十字轴A(81)的A端和B端安装在半圆弧形件A(8a)的弧底两端的轴承内，十字轴A(81)的D端安装在第六支链(5f)的连接件D(56)的轴承内，半圆弧形件A(8a)的顶端与动平台(3)连接；第二支链(5b)、第三支链(5c)、第四支链(5d)、第五支链(5e)、第六支链(5f)的连接方式与第一支链(5a)相同；

第一连杆(51)和连接件A(53)构成第一转动副，连接件A(53)和连接件B(54)构成第二转动副，连接件B(54)和第二连杆(52)构成第三转动副，第一转动副、第二转动副和第三转动副的三个轴线汇交于一点；

十字轴A(81)的C端和连接件C(55)构成第一转动副A，十字轴A(81)的D端和第六支链(5f)的连接件D(56)构成第四转动副，十字轴A(81)的A端、B端和半圆弧形件A(8a)构成第二转动副A，半圆弧形件A(8a)和动平台(3)构成第三转动副A；第一转动副A、第二转动副A和第三转动副A的三个轴线汇交于一点；第二转动副A、第三转动副A和第四转动副的三个轴线汇交于一点，实现了球副功能；在上述两个球副中，共用球心，即形成一个复合球副机构；

相对于动平台(3)来讲，第一支链(5a)与第六支链(5f)共用半圆弧形件A(8a)，第二支链(5b)与第三支链(5c)共用半圆弧形件B(8b)，第四支链(5d)与第五支链(5e)共用半圆弧形件C(8c)。

2、根据权利要求1所述的六自由度力觉人机交互装置，其特征在于：所述静平台(2)上安装的六个支撑架，每两个支撑架相对放置，且呈120°分布在静平台(2)上，即支撑架A(21)与支撑架B(22)相对放置，支撑架C(23)与支撑架D(24)相对放置，支撑架E(25)与支撑架F(26)相对放置。

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