CN101439515A - 平行四杆式结构解耦六维力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，用于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，实现人机力觉交互感知，由固定基座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由移动导向驱动、短连杆、长连杆构成；三自由度并串联转动单元由转动基座、球面二自由度并联解耦转动机构、串联轴和动平台构成，所有的运动副轴线皆汇交于动平台中心点，并且相互正交。本发明可做到六自由度无条件解耦，具有结构简单，控制容易，运动精度高，成本较低等优点。

Description

平行四杆式结构解耦六维力反馈装置

技术领域

本发明涉及一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，用于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，实现人机力觉交互感知，属于机械工程中机器人技术领域。

背景技术

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。

现有的力反馈机构多为并联构型，由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任意方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性关系，因此导致机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和成本的下降。

如果机构在某方向的移动或转动仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的运动组合，则称之为机构的解耦。解耦可以分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。

无条件解耦：如果机构在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦或完全解耦；有条件解耦：如果机构在任意位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦或限制解耦；瞬时解耦：如果机构仅在特定位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦或点解耦。

机构的解耦可以大大降低控制难度，提高控制精度。所以，如何结合并串联机构的优点，实现机构解耦，以简化机构的位姿控制和标定，提高机构控制精度并降低制造成本，一直是一个困难而富于挑战性的课题。

经检索发现，公开号为CN13101010510A的中国发明专利“六自由度力觉人机交互装置”发表了由固定基座、静平台、动平台、六个支链、驱动单元和复合球副组成的一种并联力反馈机构，但此并联机构耦合度大，使得控制难度大大增加。公开号为CN14626103A的中国发明专利“六自由度并联解耦机构”，包括具有基座、动平台和在基座与动平台之间正交固连布置的六个相同的驱动单元，在其中一个或多个驱动单元执行驱动工作时，其它的驱动单元只要产生相应牵连运动或者协调运动，可以实现六自由度有条件解耦。通过文献检索分析，无论是在宏动领域还是在微动领域，目前尚未出现六维无条件解耦的力反馈装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，可实现六自由度无条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，工作空间不受限制，成本较低等优点。

为实现上述目的，本发明设计的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置由固定基座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。

其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由移动导向驱动、短连杆、长连杆构成。所述移动导向驱动的构型为平行四杆，并由一个内嵌式移动驱动电机驱动，三组移动导向驱动相互正交固结在固定基座上；所述短连杆一端由移动导向驱动导向，另一端与长连杆相连，长连杆的另一端通过连接块与转动基座相连。

三自由度并串联转动单元由转动基座、球面二自由度并联解耦转动机构、串联轴和动平台构成，所述球面二自由度并联解耦机构通过互相垂直布置的第一支撑轴和第二支撑轴铰接在转动基座上，球面二自由度并联解耦机构中的传递平台通过串联轴与动平台相连，三个转动驱动电机分别通过第一支撑轴、第二支撑轴及串联轴对球面二自由度并联解耦机构和动平台进行驱动；所述三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台中心点，并且相互正交。

本发明的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，独特设计了在固定基座上固连且彼此正交布置的三个移动导向驱动和彼此正交布置的三个转动驱动。当进行一维或多维运动时，只需要对其中相应的一个或多个驱动进行控制，其它的驱动都不会产生耦合运动，因此可以实现机构的运动解耦，即做到三自由度移动无条件解耦和三自由度转动无条件解耦。

本发明可用于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，实现人机力觉交互感知。

本发明具有以下几个特点：

1、结构简单，成本低，所述的力反馈装置基本为常用的机械机构或零部件的组合；

2、工作可靠，控制容易，由于驱动单元之间无耦合运动，仅需要分别对所需运动相应的移动或转动驱动进行控制，不需要全部或者在一定条件下全部考虑各驱动单元同步控制问题；

3、运动精度高；

4、工作空间不受限制，既适用于微动领域，也适用于宏动领域。

附图说明

图1为本发明整体结构图。

图1中：1为固定基座；2为移动导向驱动；3为短连杆；4为长连杆；5为连接块；6为转动基座。

图2为本发明三自由度并串联转动单元的局部结构图。

图2中：5为连接块；6为转动基座；7为球面二自由度并联解耦机构；8为第一支撑轴；9为第二支撑轴；10为传递平台；11为串联轴；12为动平台；13为转动驱动电机。

图3为本发明所用球面二自由度并联解耦转动机构的示意图。

图3中：8为第一支撑轴；9为第二支撑轴；10为传递平台，13为转动驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本发明整体结构图。如图1所示，本发明设计的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置由固定基座1、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。三自由度并联移动单元由三个相互正交的分支构成，每个分支由移动导向驱动2、短连杆3和长连杆4构成。移动导向驱动2的构型为平行四杆，并由一个内嵌式移动驱动电机驱动，三组移动导向驱动2相互正交固结在固定基座1上；短连杆3一端由移动导向驱动2导向，另一端与长连杆4相连，形成一个移动分支；三个移动分支分别通过三个相互正交布置的连接块5与转动基座6相连。三个移动导向驱动2分别位于x、y、z三个正交方向；三个移动分支所在平面分别与x、y、z三个方向正交，即分别与三个移动导向驱动正交，并且汇交于动平台12中心点。

图2为本发明三自由度并串联转动单元的局部结构图。如图2所示，三自由度并串联转动单元由转动基座6、球面二自由度并联解耦转动机构6、串联轴11和动平台12构成。球面二自由度并联解耦机构7通过第一支撑轴8、第二支撑轴9铰接在转动基座6上，球面二自由度并联解耦机构7中的传递平台10通过串联轴11与动平台12相连，三个转动驱动电机13分别通过第一支撑轴8、第二支撑轴9、串联轴11对球面二自由度并联解耦机构7和动平台12进行驱动。三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台12中心点，并且相互正交。

图3为本发明所用球面二自由度并联解耦转动机构的示意图。如图3所示，球面二自由度并联解耦机构7为空间5杆机构，所有的运动副均为转动副，其轴线皆汇交于一点O；两个主动转动副即两个转动驱动电机13放置于同一平面，且分别通过第一支撑轴8、第二支撑轴9对球面二自由度并联解耦机构7进行驱动。两个主动转动副轴线互相正交，相交于球心O。弧AB和BC分别对应90°的圆心角，DF正交于OC，从而传递平台10只能做围绕球心O的旋转运动。

本发明的机构在其中心位置，即动平台12中心点位置上，对于x、y、z轴方向的三个移动和绕x、y、z轴的三个转动相互解耦。现以图1所示整体结构对本发明的工作原理做出说明：

当任意轴向例如x(或y或z)上的移动导向驱动接受控制指令驱动动平台12工作时，动平台12将沿驱动方向、例如x(或y或z)向作移动。此时动平台12带动三个移动分支进行平面牵连运动，进而产生动平台12与这些驱动分支之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令移动导向驱动的驱动工作与另外的驱动单元的运动无关，也即避免了不同驱动单元之间的运动耦合，实现动平台12在x、y、z三个方向上的移动解耦，并且是无条件解耦。

再来看转动解耦情况：假设三个转动驱动电机13的轴线分别为XR、ZR、YR，且称为三个“瞬时转动轴”，当任意轴向例如x(或y或z)上的转动驱动电机13接受控制指令驱动动平台12工作时，动平台12将绕驱动方向、例如x(或y或z)向作转动。由于动平台12的中心即为三条轴线的交点，因此此时动平台12将带动三个转动分支进行球面牵连运动，进而产生动平台12与这些驱动分支之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令转移驱动单元的驱动工作与另外的驱动单元的运动无关，也即避免了不同驱动单元之间的运动耦合，实现动平台12在绕x、y、z三个方向上的转动解耦，并且也是无条件解耦。

当x轴向移动导向驱动2运行时，带动动平台12沿x轴方向移动。当XR轴向转动驱动电机13运行时，动平台12绕x轴向转动，并且转动角度等于电机转角。当沿y轴或z轴移动，或绕y轴或z轴转动时，情况完全类似。所以，本发明的机构各个方向的位置和转角可以分别调节，因此控制方便，控制灵敏度与运动精度都很高。

Claims (2)

1、一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，其特征在于：由固定基座(1)、三自由度并联移动单元和三自由度并串联转动单元构成；

所述三自由度并联移动单元由三个相互正交的分支构成，每个分支由移动导向驱动(2)、短连杆(3)和长连杆(4)构成；所述移动导向驱动(2)的构型为平行四杆，并由一个内嵌式移动驱动电机驱动，三组移动导向驱动(2)相互正交固结在固定基座(1)上；所述短连杆(3)一端由移动导向驱动(2)导向，另一端与长连杆(4)相连，长连杆(4)另一端通过连接块(5)与转动基座(6)相连；

所述三自由度并串联转动单元由转动基座(6)、球面二自由度并联解耦转动机构(6)、串联轴(11)和动平台(12)构成；所述球面二自由度并联解耦机构(7)通过互相垂直布置的第一支撑轴(8)和第二支撑轴(9)铰接在转动基座(6)上，球面二自由度并联解耦机构(7)中的传递平台(10)通过串联轴(11)与动平台(12)相连，三个转动驱动电机(13)分别通过第一支撑轴(8)、第二支撑轴(9)及串联轴(11)对球面二自由度并联解耦机构(7)和动平台(12)进行驱动；所述三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台(12)中心点，并且相互正交。

2、根据权利要求1所述的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，其特征在于所述的三自由度并联移动单元三个分支中短连杆(3)与长连杆(4)所在运动平面分别与三个移动导向驱动(2)正交，并且汇交于动平台(12)中心点。

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