CN102152314A - 触感装置中的夹持力反馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种触感装置中的夹持力反馈系统，它包括夹持部分和力反馈实现部分。夹持部分包括外壳，两个夹持手柄通过连接短轴和轴承与外壳相连，两个夹持连杆一端与夹持手柄通过连接短轴和轴承连接，另一端通过轴承与滑块连接，滑块与弹簧固定相连，两个夹持手柄绕两个连接短轴转动形成夹持的开合运动。力反馈的实现：控制器接收到夹持力信号，并向电机发出控制信号，电机驱动丝杠转动，当有力反馈时，丝杠带动螺母向压缩弹簧方向运动使其压缩弹簧，弹簧变形产生弹力，弹力传递到夹持手柄上使操作者感受到夹持力。本机构结构简单紧凑、力反馈精度高、易于操作、制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及遥操作机器人系统以及虚拟现实系统中所需的夹持结构，它可以实现遥操作机器人系统或虚拟现实系统中的夹持力反馈，尤其适用于水下、医疗、航空航天及危险环境下遥操作机器人系统或虚拟现实系统中所需的夹持关节及其力反馈的实现。
背景技术
随着遥操作机器人技术的快速发展和广泛应用，各种各样的触感装置被成功开发出来，这些触感装置将从操作机器人末端执行器与环境交互作用力信息反馈给操作者，使操作者产生“身临其境”的感知效果，在这些触感装置中一般都会涉及到夹持关节，但目前商品化的触感装置(如PHANTOM、Omega等触感装置)中还未实现夹持关节的力反馈，且大多数夹持结构是在特定的应用环境下开发出来的，通用性差，因此开发一种通用性强，结构简单，易于操作的夹持力反馈系统对于弥补现有结构的不足具有重大意义。另外，近年来虚拟现实技术在医疗、遥操作、军事及娱乐等领域得到了广泛应用。虚拟现实技术主要包括以下三方面内容，即视觉、力觉和听觉，其中力觉感受对于某些特殊环境及特定操作具有重要意义，如能见度差的环境、表面跟踪操作等，在这些场合，实时准确的力觉感受是成功完成作业的保障。因此，夹持力反馈系统对提高触感装置的临场感以及虚拟现实系统的真实性意义非凡。
发明内容
本发明目的在于在现有夹持关节结构的基础上，进一步开发出一种可实现夹持力反馈的结构，该结构可以广泛应用于遥操作机器人系统或虚拟现实系统。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
触感装置中的夹持力反馈系统，它包括夹持部分和力反馈实现部分。本发明夹持力反馈系统的夹持部分包括支撑件外壳，两个夹持手柄分别通过连接短轴和轴承与外壳相连，两个夹持连杆一端与夹持手柄通过连接短轴和轴承连接，另一端通过轴承与滑块连接，滑块与弹簧固定相连，两个夹持手柄分别绕两个连接短轴转动形成夹持的开合运动。力反馈的实现：控制器接收到夹持力信号，并向电机发出控制信号，电机驱动丝杠转动，丝杠与外壳通过轴承连接，与丝杠匹配的螺母在丝杠上作直线运动，当有力反馈时，丝杠带动螺母向压缩弹簧方向运动，螺母压缩弹簧变形为ΔX，弹簧变形产生弹力F＝K·ΔX，弹力传递到夹持手柄上使操作者感受到夹持力。本发明夹持力反馈系统有以下优点：
1.本发明的机构可以用于多种遥操作机器人系统或虚拟现实系统中，通用性强，符合人机工程学要求。
2.本机构所述的夹持力反馈系统使夹持力得到了精确控制，大大提高了人机联合操作的临场感以及精确度。
3.本机构具有结构紧凑、力反馈精度高、刚度高、制造成本低等优点。
4.本机构通过丝杠螺母和弹簧的组合结构实现夹持力反馈，结构简单，便于实现。
附图说明
图1是本发明在一种六维力反馈触感装置中的应用示意图。
图2是本发明触感装置的夹持力反馈系统的总体示意图。
图3是图2所示的装置的内部结构示意图。
图4是图2所示的装置的内部结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
图1是本发明在主从式遥操作机器人主操作手系统中的应用示例。图1中主操作手系统包括：底座1-1、大臂机构1-2，肘关节机构1-3、小臂机构1-4、腕关节结构1-5以及本发明夹持力反馈系统1-6。在本示例中本发明直接与主操作手系统的腕关节结构1-5的姿态架相连，即姿态架替代外壳作为支撑存在，此腕关节为三轴交汇于一点的结构，本发明夹持力反馈系统亦可应用于其它腕部结构或者独立存在于其它系统结构中。
图2是本发明的总体结构示意图，图3、图4是本发明的详细结构示意图。本发明触感装置的夹持力反馈系统包括夹持部分与力反馈部分。外壳2-1为支撑关节，外壳2-1通过轴承3-5与丝杠3-1相连，与外壳2-1固定相连的连接短轴2-6，通过轴承与夹持手柄2-3连接，夹持手柄2-3可绕连接短轴2-6转动，指环2-4嵌入夹持手柄2-3的末端，夹持连杆2-2一端通过轴承和连接短轴2-7与夹持手柄2-3相连，另一端通过轴承与滑块3-2相连，开合角度可通过与连接短轴2-6相连的角度电位器2-5测量并经过相关计算得到或者通过与滑块相连的线性电位器测量计算得到，这些机构的组合形成了夹持部分。弹簧3-3一端与滑块3-2固定相连(弹簧固定端)，另一端为浮动端，丝杠3-1一端通过轴承与外壳2-1连接，另一端通过联轴器3-6与电机3-7的输出轴相连，电机3-7通过螺钉固定在电机底座3-8上，电机底座3-8可以固定在应用本发明的结构上。控制器接收夹持力信号，控制电机3-7将驱动丝杠3-1转动，与丝杠3-1相匹配的螺母3-4在两侧导轨的限制下作直线运动，同时螺母3-4的直线运动压缩弹簧3-3，通过弹簧浮动端和固定端的差动获得夹持力反馈所需的变形量，从而实现夹持结构中的夹持力反馈。
以上对本发明装置进行了示意性的描述，该描述没有限制，附图仅是本发明的实施方式中的一种，实际的结构并不仅仅局限于此。所以如果本领域的技术研究人员受其启示，在不改变本发明的设计原理的基础上，采用其它的传动形式、连接方式、驱动装置，没有创造性的设计，与该结构相似的结构方式均应属于本发明的保护范围。
下面说明一种具有夹持力反馈的触感装置的夹持力反馈的实现过程与原理。
在没有夹持力的状态下，即与该关节相对应的从操作端与工作环境之间无相互作用关系时，控制器没有接收到夹持力信号，电机不工作，螺母处于初始位置，弹簧一端与滑块相连一端悬空，此时不受任何力的作用，弹簧保持原长不变，滑块亦不受力，因此与滑块相连的夹持连杆也不受力，操作者感受夹持手柄端无力作用。此时，夹持部分在其允许范围内可以自由开合，不受任何约束。
在有夹持力的状态下，即从操作端与工作环境(或虚拟现实系统中操作者与其虚拟环境)之间发生夹持作用，产生相互作用力，从端将力信号传回到控制系统，控制系统将产生相应的控制信号，驱动电机，并带动丝杠转动，使弹簧产生夹持力所需的变形量ΔX，从而实现夹持力反馈。
Claims (4)
1.触感装置中的夹持力反馈系统，它包括夹持部分和力反馈实现部分，夹持部分包括支撑件外壳，此支撑件可根据本发明所应用的系统结构而作相应的改变，与所述的外壳通过连接短轴和轴承相连的夹持手柄，以及夹持连杆，夹持连杆两端通过轴承连接滑块和所述的夹持手柄，所述的滑块与弹簧固定相连，所述的两个夹持手柄分别绕两个连接短轴转动形成夹持的开合运动，开合量的测量可通过直线电位器或者角度电位器测量得到，直线电位器可安装于滑块底部，角度电位器可安装于连接短轴上，力反馈实现部分包括电机，一端与所述的电机输出轴固定相连另一端通过轴承与所述的外壳相连的丝杠，与所述的丝杠匹配且受两侧导轨限制只能作直线运动的螺母，与所述滑块固定相连的弹簧。
2.根据权利要求1所述的触感装置中的夹持力反馈系统，其特征在于：所述的电机的输出轴与丝杠一端通过联轴器相连，所述的丝杠另一端与外壳通过轴承相连，所述的两个夹持连杆均是一端与夹持手柄中部相连，另一端与滑块相连，所述的滑块在导轨上随着夹持手柄的开合而滑动，弹簧与所述的滑块固定相连，所述的弹簧也随着夹持手柄的开合作直线运动，所述的丝杠同电机的输出轴一起转动，与其相对应的螺母则在两侧导轨的限制下作直线滑动，所述的螺母通过压缩弹簧使其变形而产生弹力，弹力传递到操作者的手指，使其产生力觉临场感，以实现夹持力反馈。
3.根据权利要求1所述的触感装置中的夹持力反馈系统，其特征在于：所述的力反馈实现部分是通过改变弹簧的变形量来实现力反馈的，使弹簧产生变形的机构不仅仅局限于丝杠螺母且其驱动装置也不仅仅局限于电机。
4.根据权利要求1所述的触感装置中的夹持力反馈系统，其特征在于：所述反馈实现部分可独立使用于其它机械结构中，不仅仅局限于本发明所述的结构中。
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