CN103433921A - 三自由度平动力反馈手控器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度平动力反馈手控器,该装置基于平面五杆机构进行改进,在垂直于平面两自由度运动的基础上,增加一个自由度的运动。装置主要组成部分包括基座、定位支撑、平面运动部分、竖直运动部分、驱动电机、配重和力传感器。遵循力觉交互装置的设计要求,对该三自由度平移装置进行运动学分析、工作空间设计、位置分辨率分析等。与传统的手控器相比,该装置末端安装六维力/力矩传感器,有精确的力觉反馈效果,反馈力分辨率较高;另外工作空间较大,刚度较好。本发明结构简单,精度较高,控制方法简单有效,操作方便,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有三自由度平动的力反馈手控器,主要用于空间机器人和虚拟现实遥操作领域,能够测量三个方向的位移,再现虚拟环境中物体之间的接触力。
背景技术
力反馈手控器又称力觉交互装置,一般用于机器人遥操作、虚拟现实、自然交互界面设计等方面。在遥操作中,操作员在本地端通过了解从端信息(视觉、力觉)从而做出决策,并通过操纵手控器来控制远端的机械臂(从手)运动。
目前适用于遥操作的交互装置有位置跟踪器、光学跟踪仪、力反馈手控器、外骨骼遥操作主手等。采用位置跟踪器识别人体动作,主要是将位置跟踪器分布在人体的运动部位,该方法优点是质量轻,使用方便、舒适度高,有利于长时间操作,但容易受电磁环境的干扰,而且不能施加力反馈;对于光学跟踪器来说,容易受到障碍物的阻挡,不适合用于狭小的环境,不能施加反馈力;外骨骼由于其可穿戴性,能较为方便的获得人的肤体动作参数,但尺寸庞大,过于笨重。
本发明针对三个方向的平移运动,设计三自由度力反馈手控器,平面两自由度的运动与竖直方向的运动串联,通过钢丝绳和滑轮将竖直方向的电机旋转运动转换为直线运动;工作空间大,刚度较好,控制方法简单有效,操作方便。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种三自由度力觉交互装置,能够测量三个方向位移,并模拟虚拟环境中物体之间的接触力矩。
所述的三自由度转动力反馈手控器,主要由竖直运动部分(4)与平面运动部分(5)组成;
竖直运动部分(4),主要通过滑轮将电机的旋转运动转换为直线导轨的线性运动,配重用于减小竖直方向的电机受力。。
平面运动部分(5),如图4所示,平面两自由度运动机构以直线导轨的滑块为基座。AOFG为基座,与竖直运动的滑块固连。OABCDEF为平面六杆机构。A、F处安装有驱动元件;AB、EF为近端驱动杆;BC、DE为远端随动杆;CDJK为动平台,安装有六维力/力矩传感器和操作手柄。六维力/力矩传感器带有自己的坐标系,为了使之检测到三个分力方向与平移运动的方向保持一致,需要保持末端动平台CDJK实现平移运动,因此需要附加两个平行四边形保持架EFGH与DEIJ。如图4所示,由于CD边始终平行于AOF,CD中点P3处做平行线,P2P3//BC,P3P4//DE,P1P2//AB,P4P5//EF可以将平面机构简化为五杆机构,即图4中虚线所示简图。
附图说明
图1是三自由度平动手控器的结构图
图2是三自由度平动手控器的平面运动部分结构图
图3是三自由度平动手控器的竖直运动部分结构图
图4是三自由度平动手控器的平面运动部分示意图
图5是三自由度平动手控器竖直方向的张紧装置示意图
图6是三自由度平动手控器的平面运动部分杆件限位分析图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
平面运动部分(3)主要包括电机支座1(3-1)、电机支座2(3-2)、支座1(3-3)、支座2(3-4)、大轮1(3-5)、大轮2(3-6)、近端杆1(3-7)、近端杆2(3-8)、远端杆1(3-9)、远端杆2(3-10)、动平台(3-11)、辅助杆1(3-12)、辅助三角(3-13)、辅助杆(3-14)、限位销1(3-15)、限位销2(3-16)、连接件1(3-17)、张紧装置(3-18)、连接件2(3-19)、限位销3(3-20)、限位销4(3-21)、小轮1(3-22)、小轮2(3-23);平面运动部分(3)可以实现2自由度的平面运动,与竖直方向的运动相互垂直,基于平面五杆机构进行改进,近端杆上安装驱动电机1(5)、驱动电机2(6),进行位移检测与力的反馈,通过大轮1(3-5)、大轮2(3-6)和小轮1(3-22)、小轮2(3-23)构成两套减速机构;平面运动部分(3)通过连接件(3-19)与竖直运动部分(4)中的钢丝绳连接,张紧装置(3-18)用于张紧钢丝绳;根据工作空间大小,设计限位销进行杆件限位,避免出现奇异形位,影响装置正常运行,限位销1(3-15)、限位销2(3-16)防止近端杆1(3-7)、近端杆2(3-8)和远端杆1(3-9)、远端杆2(3-10)位于一条线,限位销3(3-20)、限位销4(3-21)用于控制大轮1(3-5)和大轮2(3-6)的运动范围,从而控制输入角度的范围,控制工作空间;
竖直运动部分(4)主要包括电机支座3(4-1)、钢丝绳1(4-2)、配重导轨(4-3)、滑轮1(4-4)、滑轮2(4-5)、钢丝绳2(4-6)、滑轮3(4-7);其中驱动电机3(7)安装在电机支座3(4-1)上,钢丝绳1(4-2)连接驱动电机3(7)的输出端和滑轮3(4-7),并与平面运动部分的张紧装置(3-18)和连接件(3-19)连接,从而控制平面部分的升降,这样将驱动电机的旋转运动转为平面运动部分的直线运动;通过配重的方式在竖直方向进行重力配平,钢丝绳2(4-6)通过滑轮1(4-4)和滑轮2(4-5)一端连接配重(8),一端连接连接件1(3-17),使在竖直方向重力平衡。
张紧装置(3-18)主要包括螺杆(3-22),旋转杆(3-23)和固定基座(3-24);其中螺杆(3-22)与旋转杆(3-23)通过螺纹连接,旋转杆(3-23)与固定基座(3-24)间隙配合,转动过程中存在滑动摩擦,固定基座(3-24)固定在平面运动部分(3);螺杆(3-22)的一端与钢丝绳(4-6)连接,通过转动旋转杆(3-23),控制螺杆(3-22)的伸出长度,从而调节钢丝绳(4-6)的松紧。
由于手控器在工作过程中随着人手一起运动,运动轨迹具有不确定性,因此需要将奇异位置进行限制。在手控器的设计过程中,存在下面两种奇异形态。
1、杆件奇异。驱动杆和随动杆在θ=π会发生奇异,即图4中AB与BC共线或DE与EF共线,此时应该进行机械限位,在接近奇异位置处设计限位螺钉,限位原理见图6。
由图6可以得出下面等式:
其中,选择的关节角极限为θ=150°;n为杆1宽度的一半;选择限位螺钉半径r=2;
只需要确定α、m中一个的值,就可以确定限位螺钉在杆2中的位置。如图2中限位销1(3-15)与限位销2(3-16)所示。
2、四边形奇异,采用限制驱动角范围的方式来避免奇异,通过设计驱动杆的转动角度为:AB转动范围(π/2,π),EF的转动范围为(0,π/2),如图2中限位销3(3-20)与限位销4(3-21)所示。
Claims (3)
1.一种三自由度平动力反馈设备,其特征在于:由基座(1)、定位支撑(2)、平面运动部分(3)、竖直运动部分(4)、驱动电机1(5)、驱动电机2(6)、驱动电机3(7)、配重(8)、力传感器(9)组成;
竖直运动部分(4)主要包括为高精直线导轨与配重,采用滑轮加配重的方式使竖直方向保持平衡,竖直方向的位移检测与力反馈是通过驱动电机3(7)进行控制,竖直方向通过张紧装置3-18使钢丝绳保持在张紧状态;
平面运动部分(3)可以实现2自由度的平面运动,与竖直方向的运动相互垂直,基于平面五杆机构进行改进,近端杆上安装驱动电机1(5)、驱动电机2(6),进行位移检测与力的反馈,通过大轮1(3-5)、大轮2(3-6)和小轮1(3-22)、小轮2(3-23)构成两套减速机构;平面运动部分(3)通过连接件2(3-19)与竖直运动部分(4)中的钢丝绳连接,张紧装置(3-18)用于张紧钢丝绳。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度平动力反馈设备,其特征在于:根据工作空间大小,设计限位销进行杆件限位,避免出现奇异形位,影响装置正常运行,限位销1(3-15)、限位销2(3-16)防止近端杆1(3-7)、近端杆2(3-8)和远端杆1(3-9)、远端杆2(3-10)位于一条线,限位销3(3-20)、限位销4(3-21)用于控制大轮1(3-5)和大轮2(3-6)的运动范围,从而控制输入角度的范围,控制工作空间。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度平动力反馈设备,其特征在于:末端安装有六维力/力矩传感器和操作手柄。六维力/力矩传感器带有自己的坐标系,末端杆与基座平行,可以使力传感器检测到三个分力方向与平移运动的方向保持一致。
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