CN103737576A

CN103737576A - 六自由度力反馈手控器

Info

Publication number: CN103737576A
Application number: CN201410007836.4A
Authority: CN
Inventors: 宋荆洲; 王冠吉; 郭帅; 白杨; 孙汉旭; 贾庆轩
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明公开了一种六自由度力反馈手控器，由固定基座、直线电机、活动平台、力传感器、操作手柄、连杆部分与关节部分组成。该装置有六条支链，每条支链都包括直线位移组件、两自由度万向节、三自由度球铰以及连杆。直线位移由直线电机实现，采用直线电机驱动，精度高、响应快、无回程间隙；直线电机均固定在基座上，活动部件质量较小；直线电机与竖直方向有一定的张角，扩大动平台的活动范围。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；本发明结构简单，精度较高，操作方便，具有广阔的应用前景。

Description

六自由度力反馈手控器

技术领域

本发明涉及一种具有六自由度的力反馈手控器，主要用于空间机器人和虚拟现实遥操作领域，操作者在主端进行操纵，测量并计算手柄处的位移与转角，发送到从端，并进行力/力矩的反馈。

背景技术

目前的大多数力反馈手控器都是根据特定的使用场合或使用条件来进行设计的，比如特定手术的专用力反馈手控器，难以完成不同的操作任务，如果针对每种使用情况都设计一种专用力反馈手控器，成本太高。因此，设计一款通用性较好的力反馈手控器是很有必要的。

力反馈手控器作为一种力觉交互装置，需要有较好的用户体验，操作时在各个方向有相同的手感是其中最重要的一个方面。另外，小惯性，质量轻，较快的响应时间以及无回程间隙等都是影响手控器最终性能的主要因素。

本发明共有六条支链，每条支链由直线电机驱动部分、连杆以及连接关节组成；固定基座(1)中，与直线电机连接的各个电机安装板(101、102、103)方向均与固定基座成120°角，螺钉连接，可以增大活动平台的活动范围；六个直线电机两两一对，分三组绕圆周分布。活动平台与球铰连接部分分别设置120°的斜面，与固定基座中的直线电机安装板倾斜的角度相对应，使得在球铰与万向节一定的活动范围内，增大动平台的工作范围。

发明内容

本发明的目的是提供一个六自由度力觉人机交互装置.该装置由固定基座（1），直线电机部分（2），活动平台（3），力传感器（4），操作手柄（5），连杆（6），滑块（7），万向节（8），球铰（9）组成。滑块与基座相连，通过直线电机对滑块进行控制。杆的一端通过万向节和滑块相连，另一端连接球铰。六根连杆两两一对，分成三组，每两根不相邻的连杆通过球铰绕圆周分布于动平台相连。

本发明的功能是能够测量操作手柄沿X，Y，Z三个方向的位置移动和偏转、俯仰、回转三种转动，并模拟虚拟环境中物体之间的接触力/力矩。由六个直线电机驱动滑轨上的滑块，通过控制滑块在导轨上的位置和速度来实现对虚拟环境力的反馈。连杆以及连杆上的万向节和球铰保证的操作手柄在Ｘ，Ｙ，Ｚ三轴方向的移动和偏转、俯仰、回转三种转动，操作人员进行操作的时候可以灵活地控制手柄，并通过手柄的力传感器对操作人员的力进行采集，将采集到的数据发送给远端，从而实现人与机器的交互功能。

本发明的优点在于：

1、采用并联机构，驱动部件全部固定在机架上，活动部分质量较轻，运动惯量较小，符合力觉交互装置的设计原则；

2、驱动部分采用直线电机，可以快速响应、位置精度高、无回程间隙、动态响应较好、输出力较大；

3、将直线电机与固定基座呈120°安放，有效的增大动平台的活动范围，便于操作；直线电机相邻两个一组，分三组在圆周方向均匀分布；

4、六条支链一端连接直线电机，为相邻两条为一组相互靠近，另一端也是相邻两条一组，与分三组在圆周方向均匀分布连接动平台，动平台与基座呈倒三角放置；

5、手柄处安装有轻触开关，按下开关后电机才开始工作，松开开关停止工作，可以防止运动过程中的突发情况对操作者照成伤害；

附图说明

图1是六自由度手控器的结构图

图2是六自由度手控器的俯视图

图3是六自由度手控器的一条支链的结构图

图4是六自由度手控器的球铰结构剖视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

六自由度力反馈手控器，可以在空间内进行三自由度的平移与三自由度的旋转运动，并且采集位置与角度信息，对末端执行器进行位姿跟踪；当需要模拟反馈力时，需要驱动元件输出一定的反馈力，实现虚拟力的再现。

六自由度力反馈手控器主要由固定基座(1)、直线电机部分(2)、活动平台(3)、力传感器(4)、操作手柄(5)、连杆(6)，滑块(7)、万向节(8)、球铰(9)组成；

其中，如图2所示，支链部分包括：直线电机(2a)、直线电机(2b)、直线电机(2c)、直线电机(2d)、直线电机(2e)、直线电机(2f)；连杆(6a)、连杆(6b)、连杆(6c)、连杆(6d)、连杆(6e)、连杆(6f)；滑块(7a)、滑块(7b)、滑块(7c)、滑块(7d)、滑块(7e)、滑块(7f)；万向节(8a)、万向节(8b)、万向节(8c)、万向节(8d)、万向节(8e)、万向节(8f)；球铰(9a)、球铰(9b)、球铰(9c)、球铰(9d)、球铰(9e)、球铰(9f)。

固定基座(1)中，与直线电机连接的各个电机安装板(101、102、103)方向均与固定基座成120°角，通过止口定位并用螺钉连接；

每条支链中，滑块与直线电机的滑座相固连，然后通过滚动轴承与万向节的十字轴的一条轴相连，十字轴另一条轴与连杆一端连接；连杆另一端通过三自由度的球铰与滑动平台连接；

三自由度的球铰是在两自由度的万向节的基础上进行的改进，主要组成部分包括：十字轴(901)、深沟球轴承1(902)、锁紧螺母1(903)、端盖1(904)、球铰连接架1(905)、深沟球轴承2(906)、套筒(907)、连接架2(908)、端盖2(909)、锁紧螺母2(910)、动平台(3)；十字轴(901)通过轴承(902)与球铰连接架(905)相连接；球铰连接架(905)通过深沟球轴承2(906)、套筒(907)与连接架2(908)连接，增加一个转动自由度，最后可以将连接架2(908)固定在动平台(3)上。

Claims

1.一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：由固定基座(1)、直线电机部分(2)、活动平台(3)、力传感器(4)、操作手柄(5)、连杆(6)，滑块(7)、万向节(8)、球铰(9)组成；

传感器一端固定在活动平台(3)上，另外一端连接操作手柄(5)，用于测量操作者施加的操作力/力矩；

共有六条支链，每条支链由直线电机驱动部分、连杆以及连接关节组成；

支链部分由以下部件组成：直线电机(2a)、直线电机(2b)、直线电机(2c)、直线电机(2d)、直线电机(2e)、直线电机(2f)；连杆(6a)、连杆(6b)、连杆(6c)、连杆(6d)、连杆(6e)、连杆(6f)；滑块(7a)、滑块(7b)、滑块(7c)、滑块(7d)、滑块(7e)、滑块(7f)；万向节(8a)、万向节(8b)、万向节(8c)、万向节(8d)、万向节(8e)、万向节(8f)；球铰(9a)、球铰(9b)、球铰(9c)、球铰(9d)、球铰(9e)、球铰(9f)。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：固定基座(1)中，与直线电机连接的各个电机安装板(101、102、103)方向均与固定基座成120°角，螺钉连接，可以增大活动平台的活动范围；六个直线电机两两一对，分三组绕圆周分布。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：活动平台与球铰连接部分分别设置120°的斜面，与固定基座中的直线电机安装板倾斜的角度相对应，使得在球铰与万向节一定的活动范围内，增大动平台的工作范围。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：第一支链直线电机(2a)安装在固定基座的电机安装板(101)的一边，然后滑块(7a)与直线电机(2a)的滑动座固连，连杆(6a)一端通过两自由度的万向节(8a)连接滑块(7a)，另一端通过三自由度的球铰(9a)与活动平台的一个连接点相连。直线电机两两一组，共三组呈120°均匀放置，连杆的另一端连接动平台，连接点也是每两个一组，共三组呈120°分布；下端相互靠近的一组在与动平台连接处相邻，但相互远离；固定基座处每组连杆与另一组相邻的连杆构成一组，与动平台上相应的连接点连接。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：万向节和球铰部分采用相互正交的十字轴与两个部件通过轴承连接，十字轴两端长度有差异，可以增大球铰的活动范围。

6.根据权利要求1所述的一种六自由度力觉交互设备，其特征在于：采用直线电机作为驱动装置，精度较高、无反向间隙、响应性能好。