CN103433921B - 三自由度平动力反馈手控器 - Google Patents

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

三自由度平动力反馈手控器

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(3)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(3)，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。