CN102717383B

CN102717383B - 一种新型的六自由度力反馈装置

Info

Publication number: CN102717383B
Application number: CN201210225663.4A
Authority: CN
Inventors: 张玉茹; 刘军传; 王党校; 李朝斌
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: CN102717383A

Abstract

一种新型的六自由度力反馈装置，它是由底板（1）、并联3RRC机构和转动机构（6）组成；并联3RRC机构的驱动模块（2）安装于底板（1）上，转动机构（6）安装于并联3RRC机构的动平台上（5）；该装置各结构件的固定通过螺钉实现；位置零位标定柱（4）与姿态零位标定支座（35）分别用于装置初始的位置与姿态角标定；并联3RRC机构的三驱动支链均布在底板上；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，在虚拟手术或其它虚拟现实交互任务中具有广阔的应用价值。

Description

一种新型的六自由度力反馈装置

一、技术领域：

本发明涉及并联机器人机构，尤其涉及一种新型的六自由度力反馈装置，属于机器人技术领域。

二、技术背景：

传统的力觉交互装置采用并联或串联机构，其中并联能够实现大输出力及高虚拟刚度，但操作末端转角范围较小；串联机构能够实现大的工作空间，但其能实现的最大虚拟刚度较小。采用何种机构方案的力觉交互装置能够同时实现大输出力、高虚拟刚度及大工作空间，尤其是转动工作空间是需要解决的问题。

三、发明内容：

1、目的：本发明的目的是解决技术背景中提及的问题，提供一种新型的六自由度力反馈装置，它是一种能够实现大输出力、高虚拟刚度及大转动工作空间的六自由度并联机器人。

2、技术方案：本发明一种新型的六自由度力反馈装置，其特征在于：它是由底板（1）、并联3RRC机构和转动机构（6）组成；它们三者之间的位置连接关系是：并联3RRC机构的驱动模块（2）安装于底板（1）上，转动机构（6）安装于并联3RRC机构的动平台上（5）；该装置各结构件的固定主要通过螺钉实现；位置零位标定柱（4）与姿态零位标定支座（35）分别用于装置初始的位置与姿态角标定；并联3RRC机构的三驱动支链均布在底板上。

所述底板（1）是带有螺纹安装孔的金属板，用于固定3RRC机构的驱动模块（2）。

所述并联3RRC机构是由驱动模块（2）、RC连杆支链（3）和动平台（5）组成，它们三者之间的位置连接关系是：RC连杆支链（3）的连杆A（17）通过螺钉固定于驱动模块（2）中大绕线轮（13）上，同时圆柱副导轨（20）固定于动平台（5）上。该驱动模块（2），见图2，是由编码器（7）、电机(8)、轴承端盖(9)、轴承(10)、电机支撑架(11)、绕线轮轴(12)、大绕线轮(13)、钢丝绳（14）、绕线轮支撑架(15)和小绕线轮(16)构成。它们之间的位置连接关系是：编码器（7）安装于电机（8）尾部，电机（8）安装于电机支撑架（11）上，小绕线轮（16）固定于电机（8）的输出轴上，并通过钢丝绳（14）与大绕线轮（13）发生传动作用，大绕线轮（13）固定于绕线轮轴（12）上，绕线轮轴（12）两端分别通过轴承（10）和轴承端盖(9)安装在电机支撑架(11)与绕线轮支撑架(15)上；电机支撑架(11)与绕线轮支撑架(15)通过螺钉固定于底板（1）上。该编码器(7)用于获取电机当前时刻的转角变化，用于计算3RRC机构驱动关节的转角；该电机(8)是直流无刷电机，用于提供输出力矩；该轴承端盖(9)是普通圆环式法兰盖，起轴承定位和支承作用；该轴承(10)是深沟球轴承；该电机支撑架(11)是L型金属结构支架，起支撑作用；该绕线轮轴(12)是普通台阶轴，其功能是支撑大绕线轮(13)；该大绕线轮(13)是半圆轮，其上开槽洞用于减轻质量；该钢丝绳（14）用于小绕线轮（16）与大绕线轮（13）间传递力矩；该绕线轮支撑架(15)是L型金属结构支架，起支撑作用；该小绕线轮(16)是带螺旋槽的金属轮，钢丝绳（14）缠绕于螺旋槽中；该大绕线轮（13）与小绕线轮（16）组成传动机构，其上钢丝绳（14）采用8字绕线法。该RC连杆支链（3）是由连杆A（17）、连杆B（18）、滚珠轴承（19）、圆柱副导轨（20）、轴承挡圈（21）、轴承（22）、轴AB（23）组成，其之间的位置连接关系是：连杆A（17）与连杆B（18）之间通过轴承（22）及轴AB（23）组成的转动副（R副）连接，连杆B（18）与圆柱副导轨（20）之间为圆柱副（C副）。该连杆A（17）是其上开有小孔的条状结构件；该连杆B（18）一端呈套筒状，另一端呈劈叉Y形状，中间条板连接；该圆柱副导轨（20）是不锈钢圆柱；该轴AB（23）是不锈钢阶梯轴。该动平台（5）是轻质高强度材料加工而成，呈人字状，其中部设有通孔放置轴承A（27），三个端部为Y形状，其上设有圆柱副导轨（20）的安装孔。

所述转动机构（6），见图4，采用串联3R方式实现转动，它是由位置零位标定基座（24）、电机（25）、电机支座A（26）、轴承A（27）、电机支座B（28）、轴承B（29）、电机支座C（30）、轴承C（31）、操作末端接口支座（32）、操作末端接口（33）、末端执行器（34）和姿态零位标定支座（35）组成，其之间的位置连接关系是：电机（25-1）通过电机支座A（26）固定于动平台（5）上，其输出轴与电机支座B（28）固定连接；电机（25-2）固定于电机支座B（28）上，其输出轴与电机支座C（30）固定连接；电机（25-3）固定于电机支座C（30）上，其输出轴与操作末端接口（33）固定；操作末端接口（33）通过螺钉与末端执行器间固定。轴承A（27）用于电机支座B（28）与动平台（5）间转动；轴承B（29）用于电机支座C（30）与电机支座B（28）间转动；轴承C（31）用于操作末端接口（33）与电机支座C（30）间转动；该零位标定基座（24）是带有定位孔与安装槽的圆柱状结构件，安装于电机（25-1）尾部，用于位置零位的标定；该电机（25-1,2,3）是小尺寸的直流无刷电机，带有较小传动比的减速器，同时自带编码器实现转角位置检测；该轴承A（27）、轴承B（29）轴承C（31）均是深沟球轴承；该电机支座A（26）是条板弯制的中部凸出的结构件，用于固电机（25-1）；该电机支座B（28）是底端为圆柱轴凸出的U型构件，用于固定电机（25-2）和支撑轴承A（27）、轴承B（29）；该电机支座C（30）是两端为圆柱轴中间为平板的结构件，用于固电机（25-3），两端安装轴承；该操作末端接口支座（32）是中部设有通孔的凹形构件，与电机支座C（30）固定，其上孔用于安装轴承C（31）；该操作末端接口（33）是一端开槽的圆柱构件，其中开槽一端的通孔通过螺钉固定末端执行器（34），末端执行器（34）可更换；该姿态零位标定支座（35）是T型构件，将末端执行器（34）放置于其上的定位槽中可实现零位标定。

3、优点及功效：

⑴.装置实现了平动运动与转动运动的解耦，便于装置的运动控制。

⑵.装置能够满足大工作空间（转动）的任务要求，且能够实现较大的输出力与可模拟刚度。

⑶.装置具有可实现快速位置及姿态标定的零位标定功能，可采用相对编码器测量驱动关节转角，成本低。

⑷.具有工具接口，可以根据不同的任务需求方便快捷的更换末端执行器。

四、附图说明：

图1是装置总装示意图；

图2是驱动模块结构爆炸图；

图3是RC支链爆炸图；

图4是动平台及串联3R转动部分爆炸图；

图中标号说明如下：

1.底板，2.驱动模块，3.RC连杆支链，4.位置零位标定柱，5.动平台，6.转动机构，7.编码器，8.电机，9.轴承端盖，10.轴承，11.电机支撑架，12.绕线轮轴，13.大绕线轮，14.钢丝绳，15.绕线轮支撑架，16.小绕线轮，17.连杆A，18.连杆B，19.滚珠轴承，20.圆柱副导轨，21.轴承挡圈，22.轴承，23.轴AB，24.位置零位标定基座，25.电机，26.电机支座A，27.轴承A，28.电机支座B，29.轴承B，30.电机支座C，31.轴承C，32.操作末端接口支座，33.操作末端接口，34.末端执行器，35.姿态零位标定支座。

五、具体实施方式：

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明。

本发明一种新型的6自由度力反馈装置，如图1所示，它由底板（1）、并联3RRC机构（驱动模块（2）、RC连杆支链（3）、动平台（5））和转动机构（6）几部分组成。它们三者之间的位置连接关系是：并联3RRC机构的驱动模块（2）安装于底板（1）上，转动机构（6）安装于动平台上（5）；设备各机构间主要通过螺钉固连；转动机构（6）置于动平台（5）之上，装置最终采用了混联的方式。

所述底板（1）是带有螺纹安装孔的金属板，用于固定驱动模块（2）。

所述并联3RRC机构是由驱动模块（2）、RC连杆支链（3）和动平台（5）组成，它们三者之间的位置连接关系是：RC连杆支链（3）的连杆A（17）通过螺钉固定于驱动模块（2）中大绕线轮（13）上，同时圆柱副导轨（20）固定于动平台（5）上。该驱动模块（2），见图2，是由编码器（7）、电机(8)、轴承端盖(9)、轴承(10)、电机支撑架(11)、绕线轮轴(12)、大绕线轮(13)、钢丝绳（14）、绕线轮支撑架(15)、小绕线轮(16)构成。它们之间的位置连接关系是：参见图2，机器人的驱动模块（2）中，电机支撑架（11）支撑电机（8），小绕线轮（16）固定在电机（8）输出轴上，小绕线轮（16）与大绕线轮（13）间通过钢丝绳实现传动，钢丝绳采用8字绕线法。驱动力通过电机（8）直接传递给小绕线轮（16），进而通过钢丝绳（14）传递给大绕线轮（13）。

参见图3，这是RC连杆支链（3）的爆炸图。该RC连杆支链（3）是是由连杆A（17）、连杆B（18）、滚珠轴承（19）、圆柱副导轨（20）、轴承挡圈（21）、轴承（22）、轴AB（23）组成，其之间的位置连接关系是：连杆A（17）与连杆B（18）之间通过轴承（22）及轴AB（23）组成的转动副（R副）连接，连杆B（18）与圆柱副导轨（20）之间为圆柱副（C副）。该连杆A（17）是其上开有小孔的条状结构件；该连杆B（18）一端呈套筒状，另一端呈劈叉Y形状，中间条板连接；该圆柱副导轨（20）是不锈钢圆柱；该轴AB（23）是不锈钢阶梯轴。该动平台（5）是轻质高强度材料加工而成，呈人字状，其中部设有通孔放置轴承A（27），三个端部为Y形状，其上设有圆柱副导轨（20）的安装孔，同时其上通过开槽减轻质量。

参见图4，这是装置转动部分的爆炸图。采用串联3R方式实现转动，它是由位置零位标定基座（24）、电机（25）、电机支座A（26）、轴承A（27）、电机支座B（28）、轴承B（29）、电机支座C（30）、轴承C（31）、操作末端接口支座（32）、操作末端接口（33）、末端执行器（34）和姿态零位标定支座（35）组成，其之间的位置连接关系是：电机（25-1）通过电机支座A（26）固定于动平台（5）上，其输出轴与电机支座B（28）固定连接；电机（25-2）固定于电机支座B（28）上，其输出轴与电机支座C（30）固定连接；电机（25-3）固定于电机支座C（30）上，其输出轴与操作末端接口（33）固定；操作末端接口（33）通过螺钉与末端执行器间固定。轴承A（27）用于电机支座B（28）与动平台（5）间转动；轴承B（29）用于电机支座C（30）与电机支座B（28）间转动；轴承C（31）用于操作末端接口（33）与电机支座C（30）间转动；该零位标定基座（24）是带有定位孔与安装槽的圆柱状结构件，安装于电机（25-1）尾部，用于位置零位的标定；该电机（25-1,2,3）是小尺寸的直流无刷电机，带有较小传动比的减速器，同时自带编码器实现转角位置检测；该轴承A（27）、轴承B（29）轴承C（31）均是深沟球轴承；该电机支座A（26）是条板弯制的中部凸出的结构件，用于固电机（25-1）；该电机支座B（28）是底端为圆柱轴凸出的U型构件，用于固定电机（25-2）和支撑轴承A（27）、轴承B（29）；该电机支座C（30）是两端为圆柱轴中间为平板的结构件，用于固电机（25-3），两端安装轴承；该操作末端接口支座（32）是中部设有通孔的凹形构件，与电机支座C（30）固定，其上孔用于安装轴承C（31）；该操作末端接口（33）是一端开槽的圆柱构件，其中开槽一端的通孔通过螺钉固定末端执行器（34），末端执行器（34）可更换；该姿态零位标定支座（35）是T型构件，将末端执行器（34）放置于其上的定位槽中可实现零位标定。

Claims

1.一种新型的六自由度力反馈装置，其特征在于：它是由底板（1）、并联3RRC机构和转动机构（6）组成；并联3RRC机构的驱动模块（2）安装于底板（1）上，转动机构（6）安装于并联3RRC机构的动平台上（5）；该装置各结构件的固定通过螺钉实现；位置零位标定柱（4）与姿态零位标定支座（35）分别用于装置初始的位置与姿态角标定；并联3RRC机构的三驱动支链均布在底板上；

所述底板（1）是带有螺纹安装孔的金属板，用于固定并联3RRC机构的驱动模块（2）；

所述并联3RRC机构是由驱动模块（2）、RC连杆支链（3）和动平台（5）组成，RC连杆支链（3）的连杆A（17）通过螺钉固定于驱动模块（2）中大绕线轮（13）上，同时圆柱副导轨（20）固定于动平台（5）上；该驱动模块（2）是由编码器（7）、电机(8)、轴承端盖(9)、轴承(10)、电机支撑架(11)、绕线轮轴(12)、大绕线轮(13)、钢丝绳（14）、绕线轮支撑架(15)和小绕线轮(16)构成；编码器（7）安装于电机（8）尾部，电机（8）安装于电机支撑架（11）上，小绕线轮（16）固定于电机（8）的输出轴上，并通过钢丝绳（14）与大绕线轮（13）产生传动，大绕线轮（13）固定于绕线轮轴（12）上，绕线轮轴（12）两端分别通过轴承（10）和轴承端盖(9)安装在电机支撑架(11)与绕线轮支撑架(15)上；电机支撑架(11)与绕线轮支撑架(15)通过螺钉固定于底板（1）上；该编码器(7)用于获取电机当前时刻的转角变化，用于计算3RRC机构驱动关节的转角；该电机(8)是直流无刷电机，用于提供输出力矩；该轴承端盖(9)是普通圆环式法兰盖，起轴承定位和支承作用；该轴承(10)是深沟球轴承；该电机支撑架(11)是L型金属结构支架，起支撑作用；该绕线轮轴(12)是普通台阶轴，其功能是支撑大绕线轮(13)；该大绕线轮(13)是半圆轮，其上开槽洞用于减轻质量；该钢丝绳（14）用于小绕线轮（16）与大绕线轮（13）间传递力矩；该绕线轮支撑架(15)是L型金属结构支架，起支撑作用；该小绕线轮(16)是带螺旋槽的金属轮，钢丝绳（14）缠绕于螺旋槽中；该大绕线轮（13）与小绕线轮（16）组成传动机构，其上钢丝绳（14）采用8字绕线法；该RC连杆支链（3）是由连杆A（17）、连杆B（18）、滚珠轴承（19）、圆柱副导轨（20）、轴承挡圈（21）、轴承（22）和轴AB（23）组成；连杆A（17）与连杆B（18）之间通过轴承（22）及轴AB（23）组成的转动副（R副）连接，连杆B（18）与圆柱副导轨（20）之间为圆柱副即C副；该连杆A（17）是其上开有小孔的条状结构件；该连杆B（18）一端呈套筒状，另一端呈劈叉Y形状，中间条板连接；该圆柱副导轨（20）是不锈钢圆柱；该轴AB（23）是不锈钢阶梯轴；该动平台（5）是轻质高强度材料加工而成，呈人字状，其中部设有通孔放置轴承A（27），三个端部为Y形状，其上设有圆柱副导轨（20）的安装孔；

所述转动机构（6），采用串联3R方式实现转动，它是由位置零位标定基座（24）、电机A（25-1）、电机B（25-2）、电机C（25-3）、电机支座A（26）、轴承A（27）、电机支座B（28）、轴承B（29）、电机支座C（30）、轴承C（31）、操作末端接口支座（32）、操作末端接口（33）、末端执行器（34）和姿态零位标定支座（35）组成；电机A（25-1）通过电机支座A（26）固定于动平台（5）上，其输出轴与电机支座B（28）固定连接；电机B（25-2）固定于电机支座B（28）上，其输出轴与电机支座C（30）固定连接；电机C（25-3）固定于电机支座C（30）上，其输出轴与操作末端接口（33）固定；操作末端接口（33）通过螺钉与末端执行器间固定；轴承A（27）用于电机支座B（28）与动平台（5）间转动；轴承B（29）用于电机支座C（30）与电机支座B（28）间转动；轴承C（31）用于操作末端接口（33）与电机支座C（30）间转动；该零位标定基座（24）是带有定位孔与安装槽的圆柱状结构件，安装于电机A（25-1）尾部，用于位置零位的标定；该电机A（25-1）、电机B（25-2）、电机C（25-3）是小尺寸的直流无刷电机，带有小传动比的减速器，同时自带编码器实现转角位置检测；该轴承A（27）、轴承B（29）和轴承C（31）均是深沟球轴承；该电机支座A（26）是条板弯制的中部凸出的结构件，用于固定电机A（25-1）；该电机支座B（28）是底端为圆柱轴凸出的U型构件，用于固定电机B（25-2）和支撑轴承A（27）、轴承B（29）；该电机支座C（30）是两端为圆柱轴中间为平板的结构件，用于固定电机C（25-3），两端安装轴承；该操作末端接口支座（32）是中部设有通孔的凹形构件，与电机支座C（30）固定，其上孔用于安装轴承C（31）；该操作末端接口（33）是一端开槽的圆柱构件，其中开槽一端的通孔通过螺钉固定末端执行器（34），末端执行器（34）能更换；该姿态零位标定支座（35）是T型构件，将末端执行器（34）放置于其上的定位槽中实现零位标定。