CN103331746A - 一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种七自由度通用型六维力觉交互装置，该设备由Z轴回转基座、肩关节机械臂、肘关节机械臂、偏置球形腕部握持机构、六维力传感器和驱动电机六部分组成。所述肩关节机械臂通过转动副安装于Z轴回转基座上，肘关节机械臂安装于肩关节机械臂末端，偏置球形腕部握持机构固定于肘关节机械臂的一端，六维力传感器固定于握持机构上，交互装置的七个自由度通过七组驱动电机分别施加反馈力。操作人员通过偏置球形腕部握持机构实现复杂交互作业。本发明结构简单，操作灵活，机构运动无奇异点，机构动力学模型简单，便于控制，并且肘部U型支撑可以减少操作人员的疲劳、增加操作舒适性。

Description

一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置

技术领域

本发明专利涉及一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，冗余自由度的设计能够很好的实现在人体手臂操作空间中完成工作，并且是一种可以在多种力觉交互环境中使用的通用型设备。 

背景技术

遥操作技术（Teleoperation）是研究遥操作机器人的一个重要概念，遥操作技术是机器人技术中的重要技术，经过多年的发展已经取得了很大的应用。我国从80年代开始进行遥操作机器人系统的研究，并且在863高技术计划中，将临场感遥操作技术列为关键技术进行研究，取得了阶段性的进展。 

力反馈装置是真正实现人机交互的关键，力反馈装置具有力反馈功能，利用传感器测量操作人员的位置和姿态，将采集到的数据实时、准确地发送到主控计算机，通过计算将从机器人运动中产生的反馈力发送给力反馈装置，力反馈装置根据需要输出的反馈力大小和方向驱动电机的转动，将力反馈转化为机械能，使操作人员能够感受到力的作用，从而真正的实现了依照人类肢体语言的人机交互。 

现有的力觉交互设备主要为桌面式，并且没有考虑操作人员长期操作过程中由于手臂悬置而带来的疲劳，进而客观上增加操作的错误率。所以在考虑设备精度的同时也应该从人体工程学角度考虑对操作人员的影响。 

发明内容

本发明提供一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，是一种通用型的力觉交互设备，也可应用于核聚变反应堆（ITER）项目中各类遥操作维护机器人的控制操作，并将设备检查过程中的碰撞以力觉反馈的形式通知测试人员。本发明除了满足一般力觉交互环境的使用，也同时从人体工程学进行了考虑，使操作人员在使用过程中能够减少疲劳感，同时设备可以通过对肘部自由度的限制和小臂固定机构的拆卸实现将其转换为常用的力觉交互设备，以适用于更多的工作场合。 

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

本发明设备由Z轴回转基座、肩关节机械臂、肘关节机械臂、偏置球形腕部握持机构、六维力传感器和驱动电机六部分组成。所述肩关节机械臂通过转动副安装于Z轴回转基座上，肘关节机械臂安装于肩关节机械臂末端，偏置球形腕部握持机构固定于肘关节机械臂的一端，六维力传感器固定于握持机构上，交互装置的七个自由度通过七组驱动电机分别施加反馈力。操作人员通过偏置球形腕部握持机构实现复杂交互作业。 

本发明的优点与积极效果为： 

1.一款通用型的力觉交互设备。通过小臂关节固定部分的安装与拆除，可以实现穿戴式和桌面式的力觉交互设备之间的自由转换。 

2.可实现人手臂和设备的重力补偿。考虑操作人员手臂在操作过程中长期处于悬置状态，会增加操作人员的疲劳程度，从而客观上增加了操作的失误率，考虑到较少操作人员疲劳，并且给操作人员带来舒适性，增加了手臂固定部分的设计可以大大减少人体疲劳感，通过控制算法实现重力补偿。 

3.工作空间大。在力觉交互设备的肘部关节部分增加了一个旋转自由度（冗余自由度），一方面考虑在操作人员穿戴式操作过程中能够自如的保持人体手臂的姿态，另一方面增加了主手的工作空间，可以很好的实现工作需求。 

4.小臂关节固定部分可调节设计。考虑到不同的用户的实际情况，将小臂的固定部分进行可以调节的设计，前后两个固定点的调节和固定位置的整体上下移动，使得不同的用户都能够舒适的进行操作 

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。 

图1为本发明专利的外形结构示意图 

图2为本发明专利的正视外形结构示意图 

图3为本发明专利的俯视外形结构示意图 

图4为本发明专利的左视外形结构示意图 

图5为本发明专利的基座部分和肩关节旋转部分的剖视图 

图6为本发明专利的握持部分的剖视图 

图7为本发明专利的Z轴回转基座的分解图 

图8为本发明专利的肘关节旋转部分的分解图 

图9为本发明专利的偏置球形腕部握持机构（W）的腕部关节1的分解图 

图10为本发明专利的握持杆部分分解图 

图11为本发明专利的四个转盘结构图 

其中： 

1.平行四杆4         2.杆4端封盖         3.平行四杆3         4.平行四杆杆1 

5.肩关节法兰板1     6.传动小轮2         7.平行四杆杆2       8.肩关节支撑板1 

9.传动小轮3         10.肩关节转盘2      10A.杆2安装孔       11.肩关节转盘1 

11A.杆1安装孔       12.肩关节法兰板2    13.法兰板1T型座     14.法兰板2T型座 

15.基座转盘         15A.钢丝绳孔1       15B.钢丝绳绕柱      15C.钢丝绳调节螺钉孔 

15D.安装孔2         15E.支撑杆安装孔    15F.安装孔1         15G.钢丝绳孔2 

16.基座支撑柱上     17.传动小轮1        18.为紧定螺钉       19.基座法兰板 

20.基座电机         21.基座支撑柱下     22.法兰板T型座      23.基座安装底板 

24.肘关节转盘       25.肘关节电机       26.U型板2           27.竖直固定板2 

28.水平固定板       29.肘关节主杆       30.U型板1           31.竖直固定板1 

32.腕部关节板1      33.肩关节电机1      34.肩关节支撑板2    35.肩关节电机2 

36.六维力传感器     37.握持固定杆1      38.软套筒1          39.软套筒2 

40.握持固定杆2      41.腕部关节杆2      42.腕部关节电机2    43.腕部电机法兰2 

44.关节轴支撑2      45.腕部关节端封盖   46.关节轴支撑1      47.传动小轮4 

48.肩关节轴承组     49.肩关节套筒1      50.固定螺母         51.肩关节旋转轴 

52.定距环           53.平行四杆旋转轴   54.平行四杆端封盖   55.推力球轴承 

56.基座滚子轴承1    57.基座旋转轴       58.基座套筒         59.基座滚子轴承2 

60.圆螺母垫片       61.圆螺母           62.肩关节转盘端封盖 

63.肩关节套筒2      64.腕部关节电机3    65.握持固定套筒1    66.握持固定套筒2 

67.握持部分滚子轴承 68.握持部分端封盖   69.肘关节端封盖1    70.肘关节旋转轴 

71.肘关节端封盖2    72.止动螺钉         73.腕部电机法兰1    74.腕部关节旋转轴 

75.键               76.腕部滚子轴承1    77.腕部滚子轴承2    78.腕部关节电机1 

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本实施例： 

参见如图1所示，本发明是一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，该力觉交互装置包括有Z轴回转基座、肩关节机械臂、肘关节机械臂、偏置球形腕部握持机构、六维力传感器和驱动电机六部分。 

本发明整体可以安装固定在任意一个水平工作平台上。 

（一）Z轴回转基座 

参见图2～5、7所示，Z轴回转基座部分用来完成整个装置在水平面的旋转，包括基座安装底板、基座支撑部分、基座转盘和基座电机部分。 

参见图2、5、7所示，基座支撑部分的基座支撑柱下通过基座安装底板前端安装孔安装固定于底板上表面。基座支撑柱上通过四周布置的螺钉固定在基座支撑柱下的上方。 

在基座支撑柱的内部安装有基座旋转部分。 

基座旋转部分主要包括基座旋转轴和旋转轴承部分。 

基座转盘通过基座旋转轴和推力球轴承来实现与基座旋转部分的连接。基座旋转轴上端通过圆周布置的安装孔固定于基座转盘下方的圆形槽内，下端通过轴肩与基座滚子轴承2上端内圈端面连接，基座滚子轴承2下端的外圈端面通过基座支撑柱下内部的台阶固定，内圈端面则通过圆螺母垫片与圆螺母结合方式固定。基座滚子轴承2上端外圈端面则通过基座套筒固定。基座套筒上端通过圆周布置的螺钉固定在基座支撑柱下的凹槽内，并在基座支撑柱上下端也开有凹槽，保证套筒固定螺钉的安装。 

推力球轴承实现调心和承受载荷的作用，其上端面通过基座转盘下方的圆形槽固定，下端面一方面通过基座支撑柱上的上端凹槽固定，另一方面通过基座滚子轴承1上端面的支撑，基座滚子轴承1下端面通过基座支撑柱上内台阶固定。 

上下布置两个滚子轴承是为了保证基座旋转轴在旋转时的稳定。上下支撑柱的设计是为了降低装配的复杂性。 

基座电机的法兰板T型座与基座支撑柱下的中心线共线，并且通过基座安装底板的圆心，同时两者的安装孔位置要保证传动小轮1和基座转盘之间留有一定的间隙，防止传动时摩擦产生的影响。 

参见图2、4所示，基座电机部分主要包括基座电机、传动小轮1和电机固定件。 

法兰板T型座通过基座安装底板后端安装孔安装固定于底板上表面。基座法兰板插入到法兰板T型座的凹槽部分并通过螺钉实现固定。基座电机固定在基座法兰板上端折弯法兰部分。传动小轮1通过在紧定螺钉安装在基座电机的输出轴上，紧定螺钉孔布置在传动小轮1表面光滑部分。 

基座部分的旋转是通过传动小轮1和基座转盘之间的绳传动方式实现的。通过两者的传动关系，将基座电机的传动传递给基座转盘，从而实现基座转盘在基座支撑柱上的旋转，进而实现整个设备在水平面的旋转。其中直流电动机与行星减速器、编码器采用一体化结构，减小设备的空间尺寸。 

参见图7、11所示，钢丝绳一端固定在基座转盘下端内腔，通过钢丝绳孔2后贴合基座转盘外表壁缠绕，经过传动小轮1时，缠绕在其螺旋槽部分，继续贴合转盘外表壁后通过钢丝绳孔1进入到基座转盘内腔，缠绕钢丝绳绕柱后通过固定在钢丝绳调节螺钉孔上的调节件固定，通过调节螺钉与调节件之间的距离可以对钢丝绳的缠绕张紧度进行调节，防止反向转动时的回差，影响力输出效果。 

基座转盘上的钢丝绳孔1和钢丝绳孔2的开孔位置要满足钢丝绳在基座转盘的缠绕（起点和终点）和传动小轮1的前端螺纹槽螺距相对应。并且基座转盘内腔根据钢丝绳孔1的位置加工有钢丝绳绕柱，根据钢丝绳孔1距离基座转盘端面的高度在其上开有环形槽，防止钢丝绳在绕柱上发生滑动，保证传动时钢丝绳的稳定性。 

（二）肩关节机械臂 

肩关节机械臂部分主要实现力觉交互装置主体的俯仰运动。 

参见图2～5所示，肩关节机械臂部分包括肩关节支撑部分、肩关节旋转部分和肩关节连杆部分。 

肩关节支撑部分用来实现肩关节旋转部分的支撑和电机的固定。 

参见图2、4、5所示，肩关节支撑板1和肩关节支撑板2通过对称布置在基座转盘上的支撑杆安装孔安装固定在基座转盘上表面。法兰板1T型座和法兰板2T型座分别通过安装孔1和安装孔2前后布置安装固定在基座转盘上表面。肩关节法兰板1和肩关节法兰板2分别固定在对应T型座的凹槽内，考虑到肩关节法兰板2的高度，法兰板2T型座的凹槽部分设计为法兰板1T型座凹槽部分的两部。 

肩关节旋转部分主要包括2个旋转电机、2个肩关节转盘和肩关节旋转轴及其轴上安装辅助旋转部分。 

参见图3所示，2个旋转电机为肩关节电机1和肩关节电机2。2个旋转电机分别固定在肩关节法兰板1和肩关节法兰板2上的法兰部分。安装后的2个旋转电机是上下交错的布置在法兰板的一端。一方面可以减少操作过程中由于电机的外伸部分对人体的影响，另一方面可以防止杆件在运动过程中与电机或传动小轮发生碰撞。 

考虑电机的布置不影响操作人员的操作，为满足肩关节转盘1和肩关节转盘2所需角度的旋转，肩关节电机1和肩关节电机2的中心连线与肩关节支撑板的中心轴线之间的夹角为30°。传动小轮2和传动小轮3与对应电机输出轴的固定方式与传动小轮1相同。 

2个肩关节转盘为肩关节转盘1和肩关节转盘2。 

参见图5所示，两个肩关节转盘之间的安装空隙，能保证平行四杆在运动的过程中不与其发生碰撞和摩擦，同时尽量减小两者之间的间隙，可以减小平行四杆与肩关节转盘连接部分的尺寸，从而减少装置的自重。两个肩关节轴承对称布置在肩关节旋转轴上，通过肩关节轴承组实现转盘与旋转轴的连接。两套肩关节轴承组的一端外圈端面通过肩关节转盘中心孔的台阶进行固定，内圈端面通过肩关节旋转轴上的加工的阶梯进行固定。另一端外圈端面通过肩关节转盘端封盖固定，内圈端面则通过对称布置在肩关节旋转轴上的肩关节套筒1和肩关节套筒2进行固定。 

参见图5所示，肩关节旋转轴通过肩关节支撑板1和肩关节支撑板2上方安装孔进行定位安装，并通过固定螺母进行两端锁紧固定。 

肩关节连杆部分主要肩关节平行四杆机构和杆件之间旋转部分。 

参见图2所示，肩关节机械臂采用了平行四边形机构，为减少杆件的质量，对杆件进行开多个直槽口的设计。 

参见图2、11所示，平行四杆杆1的一端通过杆1安装孔固定在肩关节转盘1上。平行四杆2通过杆2安装孔固定在肩关节转盘2上。两个杆件的固定连接均满足杆件的中心线通过肩关节转盘的旋转中心。 

平行四杆2下端U形部分与平行四杆3的一端连接，两者之间的旋转通过安装在两者之间的旋转轴承来实现。 

参见图5所示，平行四杆旋转轴两端通过对称布置在U形部分两端的滚子轴承支撑，滚子轴承内端通过平行四杆2和平行四杆旋转轴的台阶进行固定，外端均通过平行四杆端封盖进行固定。为保证杆与杆之间旋转的稳定性（防止旋转时在轴向的滑动）和控制精度，在平行四杆3和平行四杆2连接部分安装有定距环。并且平行四杆1与平行四杆4、平行四杆3与平行四杆4中间部分的连接均采用与平行四杆2与平行四杆3之间的连接方式。 

考虑到人手操作过程中的方便性和舒适性，将平行四杆4设计为一端和中间的部分作为平行四边形机构的一边，另一端和中间部分用于实现设备的空间布局和与肘关节主杆的连接。 

（三）肘关节机械臂 

肘关节机械臂部分包括肘关节主杆、肘关节旋转部分和小臂固定部分。 

参见图2所示，肘关节主杆的一端通过肘关节旋转部分连接到平行四杆4的延长端。 

肘关节旋转部分主要包括肘关节旋转轴、肘关节转盘、端封盖和轴承等。 

参见图8所示，肘关节旋转轴通过两端布置的滚子轴承实现肘关节主杆与平行四杆4的连接。两端轴承的固定方式也采用与前面所述的杆与杆之间滚子轴承相同的固定方式。两者之间也采用固定环来保证稳定转动。 

肘关节转盘通过其圆台部分上周向布置的螺钉与平心四杆4实现固接。在其安装时为了保证肘关节主杆（29）的俯仰，肘关节转盘（24）平端与肘关节主杆（29）轴线之间的夹角为60°。 

参见图2、3所示，肘关节电机固定在肘关节主杆下方的法兰上。传动小轮4通过周向布置的4个紧定螺钉固定在肘关节电机输出轴上。 

小臂固定部分主要包括2个U型板、1个水平固定板和2个竖直固定板。 

竖直固定板1和竖直固定板2前后固定在肘关节主杆上，U型板1和U形板2分别固定在竖直固定板上。水平固定板与前后两个竖直固定板连接，保证小臂固定部分的稳定。 

水平固定板、竖直固定板和U型板上直槽口的设计是为了满足不同的操作人员由于小臂的不同而可以进行相应的调整。 

（四）偏置球形腕部握持机构 

球形腕部握持机构的三个旋转轴相交于空间一点。同时也考虑电机的布置不影响操作人员的操作，。 

偏置球形腕部握持机构主要包括腕部关节1部分、腕部关节2部分和握持部分。 

参见图2～4所示，腕部关节1部分主要包括腕部关节电机1、腕部关节板1以及传动部分。 

腕部关节板1和腕部关节板2成F形。 

参见图4所示，关节轴支撑1固定在肘关节主杆前端的L形端。 

参见图9所示，腕部关节旋转轴通过对称布置的腕部滚子轴承1和腕部滚子轴承2连接到关节轴支撑1上。两个滚子轴承外端外圈端面分别通过腕部关节端封盖和腕部关节电机法兰1实现固定，内端上下圈端面通过关节轴支撑1与腕部关节旋转轴上的台阶固定。腕部关节板1前端的通孔与腕部关节旋转轴相配合，两者之间安装键来保证传动，并且为了防止腕部关节板1在腕部关节旋转轴上轴向的滑动，用止动螺钉在腕部关节板1前端的螺纹孔与腕部关节旋转轴上的螺纹孔之间进行连接。 

腕部关节电机1安装在腕部关节板1中间的法兰部分，其输出轴伸入到腕部关节电机法兰1的安装孔内，用圆周布置的紧定螺钉实现输出轴与法兰的固定。 

参见图4所示，腕部关节2部分中，关节轴支撑2固定在腕部关节板1F形的背部。其他部分，包括腕部关节电机2、腕部关节电机法兰2等固定方式与腕部关节1部分的固定方式相同。 

握持部分主要包括握持固定杆、握持旋转部分和六维力传感器等 

握持固定杆1和握持固定杆2固定在腕部关节板2F形的背部。两个固定杆均成类Z字型。握持旋转部分固定在两固定杆之间。 

参见图10所示，腕部关节电机3固定在握持固定套筒1上端面，电机输出轴伸入到握持固定杆1下方的圆孔内，也通过紧定螺钉周向固定。握持固定套筒1的长度小于腕部关节电机3，保证腕部关节电机3的定位于安装。 

握持固定套筒2与握持固定套筒1连接固定，形成握持杆，下端安装有阶梯圆环轴，用于与握持部分滚子轴承连接，实现握持杆的旋转，轴承另一端通过握持部分端封盖实现固定。 并且在握持部分端封盖也开有圆孔，便于腕部关节电机3的电机控制线从握持杆内部引出。 

考虑到人手操作的舒适性，在握持固定干1和握持固定杆2外部分别安装有软套筒1和软套筒2。 

六维力传感器安装在握持固定杆1的上端面，用于检测握持杆部分操作人员输入的操作力。 

Claims (13)

1.一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置,其特征在于：该力觉交互装置包括Z轴回转基座（JZ）、肩关节机械臂（J）、肘关节机械臂（Z）、偏置球形腕部握持机构（W）和驱动电机（D）五部分组成。

Z轴回转基座（JZ）部分包括基座安装底板（23）、基座支撑部分、基座转盘（15）和基座电机部分。

基座支撑部分的基座支撑柱下（21）通过基座安装底板（23）前端安装孔安装固定于底板上表面。基座支撑柱上（16）通过四周布置的螺钉固定在基座支撑柱下（21）的上方。在基座支撑柱的内部安装有基座旋转部分。

基座旋转部分主要包括基座旋转轴（57）和旋转轴承部分。

基座转盘（15）通过基座旋转轴（57）和推力球轴承（55）来实现与基座旋转部分的连接。基座旋转轴（57）上端通过圆周布置的安装孔固定于基座转盘（15）下方的圆形槽内，下端通过轴肩与基座滚子轴承2（59）上端内圈端面连接，基座滚子轴承2（59）下端的外圈端面通过基座支撑柱下（21）内部的台阶固定，内圈端面则通过圆螺母垫片（60）与圆螺母（61）结合方式固定。基座滚子轴承2（59）上端外圈端面则通过基座套筒（58）固定。基座套筒（58）上端通过圆周布置的螺钉固定在基座支撑柱下（21）的凹槽内，并在基座支撑柱上（16）下端也开有凹槽，保证套筒固定螺钉的安装。推力球轴承（55）上端面通过基座转盘（15）下方的圆形槽固定，下端面一方面通过基座支撑柱上（16）的上端凹槽固定，另一方面通过基座滚子轴承1（56）上端面的支撑，基座滚子轴承1（56）下端面通过基座支撑柱上（16）内台阶固定。

基座电机部分主要包括基座电机（20）、传动小轮1（17）和电机固定件。法兰板T型座（22）通过基座安装底板（23）后端安装孔安装固定于底板上表面。基座法兰板（19）插入到法兰板T型座（22）的凹槽部分并实现固定。基座电机（20）固定在基座法兰板（19）上端折弯法兰部分。传动小轮1（17）通过在紧定螺钉安装在基座电机（20）的输出轴上，紧定螺钉孔布置在传动小轮1（17）表面光滑部分。

基座部分的旋转是通过传动小轮1（17）和基座转盘（15）之间的绳传动方式实现的。钢丝绳一端固定在基座转盘（15）下端内腔，通过钢丝绳孔2（15G）后贴合基座转盘（15）外表壁缠绕，经过传动小轮1（17）时，缠绕在其螺旋槽部分，继续贴合转盘外表壁缠绕后通过钢丝绳孔1（15A）进入到基座转盘（15）内腔，缠绕钢丝绳绕柱（15B）后通过固定在钢丝绳调节螺钉孔（15C）上的调节件固定，通过调节螺钉与调节件之间的距离，可以对钢丝绳的缠绕张紧度进行调节，防止反向转动时的回差，影响力输出效果。

肩关节机械臂（J）部分包括肩关节支撑部分、肩关节旋转部分和肩关节连杆部分。

肩关节支撑部分用来实现肩关节旋转部分的支撑和电机的固定。肩关节支撑板1（8）和肩关节支撑板2（34）通过对称布置在基座转盘（15）上的支撑杆安装孔（15E）安装固定在基座转盘（15）上表面。法兰板1T型座（13）和法兰板2T型座（14）分别通过安装孔1（15F）和安装孔2（15D）前后布置安装固定在基座转盘（15）上表面。肩关节法兰板1（5）和肩关节法兰板2（12）分别固定在对应T型座的凹槽内，考虑到肩关节法兰板2的高度，法兰板2T型座（14）的凹槽部分设计为法兰板1T型座（13）凹槽部分的两部。

肩关节旋转部分主要包括2个旋转电机、2个肩关节转盘和肩关节旋转轴（51）及其轴上安装辅助旋转部分。

2个旋转电机为肩关节电机1（33）和肩关节电机2（35）。2个旋转电机分别固定在肩关节法兰板1（5）和肩关节法兰板2（12）上的法兰部分。安装后的2个旋转电机是上下交错的布置在法兰板的一端。传动小轮2（6）和传动小轮3（9）与对应电机输出轴的固定方式与传动小轮1（17）相同。

2个肩关节转盘为肩关节转盘1（11）和肩关节转盘2（10）。两个肩关节轴承对称布置在肩关节旋转轴（51）上，通过肩关节轴承组（48）实现转盘与旋转轴的连接。两套肩关节轴承组（48）的一端外圈端面通过肩关节转盘中心孔的台阶进行固定，内圈端面通过肩关节旋转轴（51）上的加工的阶梯进行固定。另一端外圈端面通过肩关节转盘端封盖（62）固定，内圈端面则通过对称布置在肩关节旋转轴（51）上的肩关节套筒1（49）和肩关节套筒2（63）进行固定。

肩关节旋转轴（51）通过肩关节支撑板1（8）和肩关节支撑板2（34）上方安装孔进行定位安装，并通过固定螺母（50）进行锁紧固定。

肩关节连杆部分主要肩关节平行四杆机构和杆件之间旋转部分。肩关节机械臂采用了平行四边形机构。平行四杆杆1（4）的一端通过杆1安装孔（11A）固定在肩关节转盘1（11）上。平行四杆2（7）通过杆2安装孔（10A）固定在肩关节转盘2（10）上。平行四杆2（7）下端U型部分与平行四杆3（3）的一端连接，两者之间的旋转通过安装在两者之间的旋转轴承来实现。平行四杆旋转轴（53）两端通过对称布置在U型部分两端的滚子轴承支撑，滚子轴承内端通过平行四杆2（7）和平行四杆旋转轴（53）的台阶进行固定，外端均通过平行四杆端封盖（54）进行固定。为保证杆与杆之间旋转的稳定性（防止旋转时在轴向的滑动）和控制精度，在平行四杆3（3）和平行四杆2（7）连接部分安装有定距环。并且平行四杆1（4）与平行四杆4（1）、平行四杆3（3）与平行四杆4（1）中间部分的连接均采用与平行四杆2（7）与平行四杆3（3）之间的连接方式。

肘关节机械臂（Z）部分包括肘关节主杆（29）、肘关节旋转部分和小臂固定部分。

肘关节主杆（29）的一端通过肘关节旋转部分连接到平行四杆4（1）的延长端。

肘关节旋转部分主要包括肘关节旋转轴（70）、肘关节转盘（24）、端封盖和轴承等。肘关节旋转轴（70）通过两端布置的滚子轴承实现肘关节主杆（29）与平行四杆4（1）的连接。两端轴承的固定方式也采用与前面所述的杆与杆之间滚子轴承相同的固定方式。两者之间也采用固定环（52）来保证稳定转动。肘关节转盘（24）通过其圆台部分上周向布置的螺钉与平心四杆4（1）实现固接。肘关节电机（25）固定在肘关节主杆（29）下方的法兰上。传动小轮4（47）通过周向布置的4个紧定螺钉固定在肘关节电机（25）输出轴上。

小臂固定部分主要包括2个U型板、1个水平固定板和2个竖直固定板。竖直固定板1（31）和竖直固定板2（27）前后固定在肘关节主杆（19）上，U型板1（30）和U形板2（26）分别固定在竖直固定板上。水平固定板（28）与前后两个竖直固定板连接，保证小臂固定部分的稳定。

偏置球形腕部握持机构（W）主要包括腕部关节1部分、腕部关节2部分和握持部分。

腕部关节1部分主要包括腕部关节电机1（78）、腕部关节板1（32）以及传动部分。

腕部关节板1（32）和腕部关节板2（41）成F形。关节轴支撑1（46）固定在肘关节主杆（29）前端的L形端。腕部关节旋转轴（74）通过对称布置的腕部滚子轴承1（76）和腕部滚子轴承2（77）连接到关节轴支撑1（46）上。两个滚子轴承外端外圈端面分别通过腕部关节端封盖（45）和腕部关节电机法兰1（73）实现固定，内端上下圈端面通过关节轴支撑1（46）与腕部关节旋转轴（74）上的台阶固定。腕部关节板1（32）前端的通孔与腕部关节旋转轴（74）相配合，两者之间安装键来保证传动，并且为了防止腕部关节板1（32）在腕部关节旋转轴（74）上轴向的滑动，用止动螺钉（72）在腕部关节板1（32）前端的螺纹孔与腕部关节旋转轴（74）上的螺纹孔之间进行连接。腕部关节电机1（78）安装在腕部关节板1（32）中间的法兰部分，其输出轴伸入到腕部关节电机法兰1（73）的安装孔内，用圆周布置的紧定螺钉实现输出轴与法兰的固定。

腕部关节2部分中，关节轴支撑2（44）固定在腕部关节板1（32）F形的背部。其他部分，包括腕部关节电机2（42）、腕部关节电机法兰2（43）等固定方式与腕部关节1部分的固定方式相同。

握持部分主要包括握持固定杆、握持旋转部分和六维力传感器（36）等

握持固定杆1（37）和握持固定杆2（40）固定在腕部关节板2（41）F形的背部。两个固定杆均成类Z字型。握持旋转部分固定在两固定杆之间。腕部关节电机3（64）固定在握持固定套筒1（65）上端面，电机输出轴伸入到握持固定杆1（37）下方的圆孔内，也通过紧定螺钉周向固定。握持固定套筒2（66）与握持固定套筒1（65）连接固定，形成握持杆，下端安装有阶梯圆环轴，用于与握持部分滚子轴承（67）连接，实现握持杆的旋转，轴承另一端通过握持部分端封盖（68）实现固定。并且在握持部分端封盖（68）也开有圆孔，便于腕部关节电机3（64）的电机控制线从握持杆内部引出。考虑到人手操作的舒适性，在握持固定干1（37）和握持固定杆2（40）外部分别安装有软套筒1（38）和软套筒2（39）。

六维力传感器（36）安装在握持固定杆1（37）的上端面，用于检测握持杆部分操作人员输入的操作力。

2.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：基座安装底板（23）用于安装基座支撑柱下（21）和法兰板T型座（22）的安装孔的位置要保证传动小轮1（17）和基座转盘（15）之间留有一定的间隙，防止传动时摩擦产生的影响。

3.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：基座转盘（15）上的钢丝绳孔1（15A）和钢丝绳孔2（15G）的开孔位置要满足钢丝绳在基座转盘的缠绕（起点和终点）和传动小轮1（17）前端螺纹槽螺距相对应。

4.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：根据钢丝绳孔1（15A）的位置加工有钢丝绳绕柱（15B），根据钢丝绳孔1（15A）距离基座转盘（15）端面的高度在其上开有环形槽，防止钢丝绳在绕柱上发生滑动，保证转盘传动时钢丝绳的稳定性。

5.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的肩关节电机1（33）和肩关节电机2（35）上下交错、同侧布置主要考虑电机的布置不影响操作人员的操作，为满足肩关节转盘1（11）和肩关节转盘2（10）所需角度的旋转，肩关节电机1（33）和肩关节电机2（35）的中心连线与肩关节支撑板的中心轴线之间的夹角为30°。

6.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的肩关节机械臂（J）的平行四边形机构主要由平行四杆1（4）、平行四杆2（7）、平行四杆3（3）和平行四杆4（1）组成，为减少杆件的质量，对杆件进行开多个直槽口的设计。

7.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的平行四杆1（4）与肩关节转盘1（11）、平行四杆2（7）与肩关节转盘2（10）的连接均满足杆件的中心线通过肩关节转盘的旋转中心。

8.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的平行四杆3（3）的一端与平行四杆4（1）中间部分的连接中平行四杆4（1）的实际是考虑到人手操作过程中的方便性和舒适性，将其设计为一端和中间的部分作为平行四边形机构的一边，另一端和中间部分用于实现设备的空间布局和与肘关节主杆（29）的连接。

9.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的。肘关节转盘（24）通过其圆台部分上周向布置的螺钉与平心四杆4（1）实现固接，在其安装时为了保证肘关节主杆（29）的俯仰，肘关节转盘（24）平端与肘关节主杆（29）轴线之间的夹角为60°。

10.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的握持固定套筒1（65）的长度小于腕部关节电机3（64），保证腕部关节电机3（64）的定位于安装。

11.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所述的偏置球形腕部握持机构（W）的三个旋转轴相交于空间一点。

12.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：所有的传动小轮与转盘之间安装时均有一定的间隙，防止传动时的摩擦。

13.按权利要求1所述的具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，其特征在于：传动小轮的螺旋切槽在周向的长度均大于转盘的厚度。

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