CN101623864B - 一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，它包括大臂机构、小臂机构、肘关节机构、腕关节机构，控制器，大臂机构、小臂机构和肘关节机构分别包括其上安装有转轴的连杆、转动输入机构，在大臂、小臂机构的连杆的一端以及连杆的转轴处分别安装有通过传动丝相连的丝轮，在大臂、小臂、肘部机构的连杆的转轴处分别连接有电位器，小臂机构的转轴与第一法兰转动相连，第一法兰与肘部机构的连杆的侧端面相连，肘部机构的转轴与第二法兰转动相连，所述的第二法兰与所述的大臂机构的连杆的杆端处的丝轮轴固定相连，腕关节机构与所述的小臂机构连杆的杆端处安装的丝轮的丝轮轴相连。本机构结构紧凑、刚度高、反馈力大、体积小、制造成本低。

Description

一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手

技术领域

本发明涉及一种主从式机器人领域或虚拟现实领域中的输入设备，它可以实现人机交互；尤其涉及一种用于医疗机器人系统中的力反馈型主操作手。

背景技术

20世纪90年代以来，随着虚拟现实技术以及主从式医疗机器人技术的迅速发展及广泛应用，作为输入设备的主操作手系统的开发也越来越受到重视。该设备是一种特殊的机器人机构，它可以直接与操作者进行运动信息与力感觉的交互。目前，较为成功的主操作手系统主要有美国Sensable公司的PHANToM系列主操作手和瑞士ForceDimension工作的Omega系列主操作手。对PHANToM系统而言，其本身存在系统刚性差，所提供的力反馈有限等方面的缺陷，限制了其应用范围；而对Omega系统而言，其机构占用的体积较大、工作空间较小，且不能够由自身实现重力平衡。除此之外，以上两种主操作手还存在价格昂贵、技术垄断方面的问题。其他存在的主操作系统大多根据特定的应用环境开发，通用性差，且在技术方面也存在一系列问题。我国在这一领域的研究尚处于起步阶段，因此开发一套具有自主知识产权的新型主操作手系统对填补我国在该领域的空白有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种通过自身结构可以实现重力平衡，并可以在主从式机器人领域或虚拟现实领域中推广应用的一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，它包括大臂机构、小臂机构、肘关节机构、腕关节机构、控制器，所述的大臂机构、小臂机构和肘关节机构分别包括其上安装有转轴的连杆、转动输入机构，在所述的大臂、小臂机构的连杆的一端以及连杆的转轴处分别通过轴承在其上安装有丝轮，所述的两个丝轮之间通过传动丝相连，所述的两个丝轮之间的传动比为1，在所述的大臂、小臂、肘关节机构的连杆的转轴处分别连接有电位器，所述的大臂、肘关节机构的连杆的转轴的轴线沿竖直方向设置，所述的小臂机构的连杆的转轴的轴线沿水平方向设置，所述的小臂机构的转轴与第一法兰转动相连，所述的第一法兰与所述的肘关节机构的连杆的侧端面固定相连，所述的肘关节机构的转轴与第二法兰转动相连，所述的第二法兰与所述的大臂机构的连杆的杆端处的丝轮轴固定相连，所述的小臂机构的重心位于其连杆转轴的轴心上，所述的设置在大臂、小臂机构连杆转轴处的丝轮相对于在其连杆杆端处设置的丝轮能够做纯平动，所述的腕关节机构与所述的小臂机构连杆的杆端处安装的丝轮的丝轮轴相连，所述的控制器用于接收每一电位器的输出信号并向所述的每一转动输入机构发出电流控制信号。

本发明的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明的机构可以用作主从式机器人的主操作手系统，虚拟现实领域中的人机交互设备；此外，其力反馈功能使得其还可以在康复领域中得到应用。

2.本机构具有结构紧凑、刚度高、反馈力大、体积小、制造成本低等优点。

3.本机构自身可以实现重力平衡，使机构的各旋转轴尽可能多的与地面垂直，使重力对其运动不产生影响；而对于与地面平行的旋转轴，则将旋转轴线布置于其重心上。通过这些手段使得机构自身实现重力平衡，而不需要额外的增加配平机构和重力补偿系统。

4.本机构充分运用平行四边形结构的原理，使得机构末端参考点的运动尽可能为平动，这样减少了机构的运动学计算量，同时也极大地节省了力反馈、力矩反馈所需的计算量。

5.本机构通过丝传动的方式实现了平行四边形的功能，克服了通过连杆构成平行四边形结构时对加工、装配的苛刻要求及制造难度，并且更容易保证系统精度。

6.本机构通过丝传动方式实现了行星齿轮传动的功能，减小了传动系统的体积和重量，以及加工制造的难度，并克服了齿轮传动存在回程间隙的问题，保证了传动的精度。

7.本机构的末端可以有多种形式，以满足多种场合的要求。比如，除本专利中描述的腕部结构外，还可以仅为一个操作球，这时本机构变为仅实现三个方向力反馈型主操作手。

附图说明

图1是本发明的一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手的总体结构示意图；

图2是图1所示的本发明装置的各部件分解示意图；

图3是图1所示的装置中的大臂机构的局部剖示结构示意图；

图4是图1所示的装置中的大臂机构的水平转动示意图；

图5是图1所示的装置中的肘关节结构示意图；

图6是图1所示的装置中的小臂机构结构示意图；

图7是图1所示的装置中的各部件丝连接平动原理图；

图8是图1所示的装置中的各部件丝传动驱动图；

图9是图1所示的装置中的腕关节机构结构示意图；

图10是图9所示的腕关节机构的局部结构示意图；

图11是图1中所示的R3关节重力平衡原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1、图2所示为本发明的总体结构示意图，图示的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、描述的是本发明的七个关节，其中R1、R2、R3为实现主操作手的空间位置调节，R4、R5、R6构成了三轴相交于一点的腕部结构，R7为开合关节。各关节将在后面的内容中详细介绍。图2描述的是本发明的各组成部分，包括底座支撑机构1、大臂机构2、肘关节机构3、小臂机构4、腕关节机构5。

底座支撑机构1是一个箱体，它用于支撑整个主操作手系统，其内部可设置主操作手的控制器。底座支撑机构1通过螺钉与大臂机构2的扇轮2-8相连。当然底座可以变化，甚至可以去掉底座，直接把力反馈型主手连接于工作台上。

大臂机构2的结构示意图如图3所示，大臂机构2包括与底座支撑机构1固定相连的大臂扇轮2-8，通过轴承与大臂扇轮2-8相连接的大臂连杆2-7，大臂连杆2-7上安装有大臂电机2-1，大臂电机2-1的输出端通过大臂第一传动丝2-11与大臂扇轮2-8配合形成一传动环节I；其原理如图8所示：大臂电机2-1的输出轴与大臂丝筒2-9固定连接，大臂第一传动丝2-11在丝筒2-9上缠绕，并布置于大臂扇轮2-8的弧形面上，其一端直接固定于大臂扇轮2-8的侧面，另一端经弹簧6-5张紧后，固定于大臂扇轮2-8的内部。当大臂电机2-1输出轴旋转时，在大臂第一传动丝2-11作用下，大臂电机2-1便沿着大臂扇轮2-8的弧面绕弧面的圆心公转。该传动方式与行星齿轮传动类似，但与齿轮传动相比，具有质量轻、体积小、无回程间隙等优点。大臂第一丝轮2-2与大臂扇轮2-8固定连接，第二丝轮2-5通过轴承安装于连杆大臂2-7的另一端，并与大臂输出轴2-6相固连，大臂输出轴2-6通过螺钉与肘关节机构中的肘关节扇轮3-5固定连接。大臂第一丝轮2-2和第二丝轮2-5通过大臂第二传动丝2-3连接，构成另一传动环节II，其原理如图7所示，其中大臂第一丝轮2-2固定不动，大臂连杆2-7分别与大臂第一丝轮2-2和第二丝轮2-5的中心相连，构成两转动副。大臂第一丝轮2-2和第二丝轮2-5之间通过大臂第二传动丝2-3连接，两轮的外径相等，因此传动比为1。则当大臂连杆2-7在驱动下旋转时，在大臂第一丝轮2-2的作用下大臂第二丝轮2-5沿与大臂连杆2-7相反的方向旋转，且转动角度值相等。因此大臂第二丝轮2-5相对于大臂第一丝轮2-2作纯平动。该传动方式与平行四边形的作用类似，与平行四边形结构相比，该传动环节通过丝传动的方式可以降低加工制造及装配的难度，并在一定程度上减小了传动机构的体积和重量。通过该传动环节使得大臂第二丝轮2-5及大臂扇轮3-5相对于大臂第一丝轮2-2及大臂扇轮2-8作纯平动，如图4所示；安装于关节R1上的大臂电位器2-4用于测量旋转关节R1的绝对位置信息，大臂电位器的本体与大臂连杆相连并且其输出轴与大臂第一丝轮相连。

肘关节机构3的结构示意图如图5所示，肘关节机构3包括与大臂机构2中的大臂输出轴2-6固定相连的肘关节扇轮3-5，通过轴承与肘关节扇轮3-5相连接的肘关节连杆3-6，肘关节连杆3-6上安装有肘关节电机3-1，肘关节电机3-1的输出端通过肘关节传动丝3-2与肘关节扇轮3-5配合并绕肘关节扇轮3-5旋转形成传动环节I，实现肘关节连杆3-6绕肘关节扇轮3-5轴线的旋转运动，该关节机构与关节R2转动关节机构相同(如图8)。同样，旋转关节R2的绝对位置信息可通过肘关节电位器3-7获得。

小臂机构4的结构示意图如图6所示，小臂机构4包括与肘关节机构3中的肘关节连杆3-6固定相连的小臂扇轮4-10，通过轴承与小臂扇轮4-10相连接的小臂连杆4-8，小臂连杆4-8上安装有小臂电机4-1，小臂电机4-1与小臂丝筒4-12固定连接，小臂丝筒4-12通过小臂传动丝4-13与小臂扇轮4-10配合形成传动环节I，其机构原理与关节R2转动关节机构相同。所述的小臂机构的扇轮固定在所述的肘关节机构的连杆的侧端面上，小臂第一丝轮4-2通过轴承4-9安装在小臂连杆4-8上并与小臂扇轮4-10固定连接，另一小臂第二丝轮4-5通过轴承安装于小臂连杆4-8的另一端，并与小臂输出轴4-6相固连，小臂输出轴4-6通过螺钉与腕关节机构5中的第一姿态架7-1固定连接。小臂第一丝轮4-2和小臂第二丝轮4-5通过小臂第二传动丝4-4连接，构成另一传动环节II，使得小臂第二丝轮4-5及小臂输出轴4-6相对于小臂第一丝轮4-2及小臂扇轮4-10作纯平动。安装于关节R3上的小臂电位器4-3用于测量旋转关节R3的绝对位置信息。

驱动所述的大臂、小臂、肘部围绕R1、R2、R3转动的机构不仅限于所述的扇轮和丝结构，还可以为：包括电机、所述的电机的输出轴上装有第一齿轮，在所述的大臂、小臂、肘关节机构的连杆上分别装有第二齿轮，所述的第一齿轮和第二齿轮之间通过齿轮传动机构传动以使大臂、小臂、肘关节的连杆绕各自的连杆转轴转动。腕关节机构5的结构示意图如图9和图10所示，腕关节机构包括三个转动关节R4、R5、R6和一个开合关节R7，三个转动关节轴线交于一点。第一、二、三姿态架为直角折板形。腕关节机构具体结构包括通过螺钉与小臂机构4的小臂输出轴4-6相固连的第一姿态架7-1，第二姿态架7-4通过第一轴承与第一姿态架7-1连接，组成转动关节R4，第三姿态架7-10通过第二轴承与第二姿态架7-4连接组成转动关节R5，第四姿态架7-7通过第三轴承与第三姿态架7-10连接组成转动关节R6；R4、R5、R6轴线相交于一点，且每个转动关节上的转动绝对位置信息通过安装于各姿态架上的电位器7-3、7-13、7-14测量。所述的第三姿态架轴承的中心线与第四姿态架中心线相重合并且沿水平方向设置，所述的第一、二、三轴承的中心线两两垂直，在所述的第一、二、三轴承处可以分别加上电机驱动各个关节转动，即可实现对末端这三个自由度的力反馈。第四姿态架7-7通过第一销轴7-6与指柄7-8构成转动副，指柄7-8可围绕第二销轴7-6转动，手指连杆7-5一端通过销轴7-17与指柄7-8连接构成转动副，另外一端则通过轴承与直线电器7-16连接，直线电位器7-16的底座固定于第四姿态架7-7中的槽底部。直线电位器7-15与第四姿态架7-7以及指柄7-8和手指连杆7-5一起组成开合关节R7。其开合量通过对直线电位器7-13的信息进行相关计算获得。腕关节机构可以仅为一个操作球，这时本机构变为仅实现三个方向力反馈型主操作手。腕关节机构中关节R7的开合，其上不装电机，在底座上装有指示灯，或者声音报警器装置，控制器接收操作对象如从操作手的信号，反馈力的大小通过控制器控制底座上指示灯或者声音报警装置发出指示灯信号或者声音报警信号来提供反馈力信息，从而得出主操作手所控制的对象与开合关节所对应的关节是否与产生碰撞。所述的控制器用于接收每一电位器的输出信号并向所述的每一电机发出电流控制信号。

力反馈型主操作手的各电机在电流模式下工作，输出扭矩为操作者提供力感觉；通过控制电机的电流大小，实现对操作者感觉力强弱的控制。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

下面说明一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手的动作实施过程。

1.六自由度的运动：

本发明的系统通过各关节之间的相互传动，实现主手三个对应从手空间位置的三个自由度和姿态的三个自由度，最后还有对应手术工具的开合的自由度，如图所示分别为：R1、R2、R3三个转动自由度，R4、R5、R6三个对应空间姿态的转动，及开合的自由度R7。通过如图1所示对六个自由度的布局使得所得的机构结构简单，使用方便。

2.机构自身重力平衡原理

如图11所示，转动关节R1、R2的轴线沿竖直方向，所以重力对这两个关节的运动不产成影响；对轴线与地面平行的R3关节而言，通过特殊设计的关节形式，自身实现了重力平衡。其原理如图11，由于腕部较小，考虑自重平衡时其质量可忽略，M1和M2分别为小臂机构在转轴两侧的的重心，G1和G2为重力，距离R3转轴的力臂分别为h1和h2，此时通过合理设计h1和h2，使得G1×h1＝G2×h2成立；当小臂机构绕转轴旋转一定角度之后，转轴两侧重心力臂的长为h1’和h2’，此时G1×h1’＝G2×h2’亦成立。

这种自身实现重力平衡的方式，不需要增加额外的配重，也不需要增加复杂的重力补偿系统。

3.传动丝连接实现机构的平动问题

大臂机构2上的两丝轮2-2和2-5与小臂机构4上的小臂丝轮4-2和丝轮4-5分别通过传动丝2-3和4-4连接起来，实现当转动关节R1转动时，使得大臂第二丝轮2-5及肘部扇轮3-5相对于大臂丝轮2-2及大臂扇轮2-8作纯平动，以及在转动关节R3转动时，小臂第二丝轮4-5及小臂输出轴4-6相对于小臂第一丝轮4-2及小臂扇轮4-10作纯平动。从而减少了在控制过程中的计算量，并在很大程度上减小了位姿耦合的影响，这在腕部上实现力矩反馈时计算量节省的更为明显。

Claims (7)

1.一种具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，它包括大臂机构、小臂机构、肘关节机构、腕关节机构、控制器，其特征在于：所述的大臂机构、小臂机构和肘关节机构分别包括其上安装有转轴的连杆、转动输入机构，在所述的大臂、小臂机构的连杆的一端以及连杆的转轴处分别通过轴承在其上安装有丝轮，所述的两个丝轮之间通过传动丝相连，所述的两个丝轮之间的传动比为1，在所述的大臂、小臂、肘关节机构的连杆的转轴处分别连接有电位器，所述的大臂、肘关节机构的连杆的转轴的轴线沿竖直方向设置，所述的小臂机构的连杆的转轴的轴线沿水平方向设置，所述的小臂机构的转轴与第一法兰转动相连，所述的第一法兰与所述的肘关节机构的连杆的侧端面固定相连，所述的肘关节机构的转轴与第二法兰转动相连，所述的第二法兰与所述的大臂机构的连杆的杆端处的丝轮轴固定相连，所述的小臂机构的重心位于其连杆转轴的轴心上，所述的设置在大臂、小臂机构连杆转轴处的丝轮相对于在其连杆杆端处设置的丝轮能够做纯平动，所述的腕关节机构与所述的小臂机构连杆的杆端处安装的丝轮的丝轮轴相连，所述的控制器用于接收每一电位器的输出信号并向所述的每一转动输入机构发出电流控制信号。

2.根据权利要求1所述的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：所述的转动输入机构包括电机，所述的电机的输出轴与一个丝筒相连，所述的丝筒上缠绕有传动丝，所述的丝筒上的传动丝的两端分别通过一个扇轮的弧形面固定在所述的扇轮上，所述的丝筒与所述的扇轮弧形面能够滚动相配和，所述的大臂、小臂机构的扇轮的一端通过轴承与所述的大臂、小臂连杆的转轴处的丝轮的丝轮轴相连，所述的小臂机构的扇轮固定在所述的肘关节机构的连杆的侧端面上，所述的肘关节机构的扇轮固定在大臂机构端部丝轮的输出轴上，所述的控制器用于向所述的每一电机发出电流控制信号。

3.根据权利要求1所述的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：所述的转动输入机构包括电机，所述的电机的输出轴上装有第一齿轮，在所述的大臂、小臂、肘关节机构的连杆上分别装有第二齿轮，所述的第一齿轮和第二齿轮之间通过齿轮传动机构传动以使大臂、小臂、肘关节的连杆绕各自的连杆转轴转动，所述的控制器用于向所述的每一电机发出电流控制信号。

4.根据权利要求1所述的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：所述的腕关节机构包括与所述的小臂机构连杆的杆端处的丝轮的丝轮轴相连的第四姿态架和直角折板形第一、二、三姿态架，所述的第一姿态架的一端与所述的小臂机构的端部丝轮的丝轮输出轴水平固定相连并且其另一端通过第一轴承与所述的第二姿态架的一端转动相连，所述第二姿态架的另一端通过第二轴承与所述的第三姿态架的一端转动相连，所述的第三姿态架的另一端通过第三轴承与第四姿态架转动相连，所述的第三姿态架轴承的中心线与第四姿态架中心线相重合并且沿水平方向设置，所述的第一、二、三轴承的中心线两两垂直，并且交于一点，所述的第一、二、三轴承中的每一轴承分别与一个电位器相连，所述第四姿态架通过第一销轴与指柄的底部转动相连，手指连杆一端通过第二销轴与指柄的下部转动相连并且其另一端通过轴承与一个直线电位器相连，所述的直线电位器的底部固定在所述的第四姿态架中的槽底部，所述的控制器用于接收每一电位器的输出信号。

5.根据权利要求4所述的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：在所述的第一、二、三轴承处连接有电机，所述的电机接收所述的控制器的电流控制信号。

6.根据权利要求1所述的具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：所述的腕关节机构为一个操作球。

7.根据权利要求1所述具有自重平衡特性的力反馈型主操作手，其特征在于：它还包括一个底座支撑机构，所述的控制器安装在所述的底座支撑机构上，指示灯或者声音报警装置安装在所述的底座支撑机构上，所述的控制器接收操作对象的信号并向所述的指示灯或者声音报警装置发出指示灯信号或者声音报警信号来提供反馈力信息。

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