CN103786156A

CN103786156A - 一种空间遥操作手控制器

Info

Publication number: CN103786156A
Application number: CN201410025650.1A
Authority: CN
Inventors: 黄攀峰; 周阳; 刘正雄; 常海涛
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明涉及一种空间遥操作手控制器，将空间遥操作手控制器用作“空间遥操作”等其他人机交互设备的主手控制，该空间遥操作手控制器工作空间大，适合遥操作机械臂的控制；该空间遥操作手控制器可以分别对空间机器人进行转动控制与平动控制，亦可实现对空间机器人转动与平动的同时控制，完成空间六自由度任意操作，控制灵活。包括平动机构、转动机构，平动机构包括基座、移动平台和三个支链，三个支链呈等边三角形固定在基座上。转动机构位于基座上侧，与平动机构的移动平台相连。该结构具有以下特点：（1）机构紧凑配置合理，增大了工作空间，无奇异；（2）平动与转动完全解耦，降低了控制的难度和成本；（3）运动惯量小，动态性能好。

Description

一种空间遥操作手控制器

技术领域

本发明涉及一种空间遥操作手控制器，具体涉及一种新型空间遥操作手控制器。

背景技术

随着人类空间活动的不断发展，特别是近年来各国对太阳系以及深空探索计划的逐步展开，将会有大量的空间生产、空间加工、空间装备、空间维护和护理工作。然后，向空间发送宇航员需要大量的资金，而且由于空间工作需要在一个了解不多并且不可控的环境中进行，舱外活动存在一定的危险，因此必须充分利用空间机器人技术，减小宇航员从事危险工作的代价和成本。监狱机器人探测器已经在星际探索中发挥重要作用，2004年NASA在空间探索展望报告处提出未来空间活动的目标之一就是“执行持续的人类和机器人计划，探索太阳系及深空间”。NASA将实施一项综合的、长期的机器人和人类空间探索计划。因此，在未来的太空活动中，机器人是先驱者，而后才有人类进行一系列的探索活动。但智能机器人的研究现状表明，由于受到机构、控制、传感和人工智能等支撑技术的限制，研制出能在未知或复杂环境下全自主方式工作的智能机器人，是短期内难以达到的目标。因此，利用现有技术以及人机合作的遥操作机器人概念，机器人也可以在许多空间任务中代替人，以降低成本和危险、增强人类的活动能力。从长期观点看，遥操作是空间机器人完成作业任务的主要手段。手控器是遥操作系统的关键设备，它不仅是机械手进行实时运动控制的输入设备，而且是将机械手与未知环境之间的相互作用力提供给操作者的力觉遥现装置，是人与机器人之间建立紧密联系的重要接口。

手控器大致可以分为两类：串联式和并联式。串联式手控器具有工作空间大、控制简单的优点，但存在累积位置误差、刚度差，不利于力反馈的实现；而并联式手控器精度高，刚度大，是实现力反馈更好的平台。而并联机构的最早应用可以追溯到1938年，Pollard提出采用并联机构作为汽车喷漆装置。自Hunt出可以将6自由度的Stewart机构作为机器人机构以来，并联机构逐渐成为国际上研究的热点。国内燕山大学较早地开展了并联机器人机构学理论的研究。随着国内研究的深入，清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学等单位也陆续研制了结构各异的并联机构的机器人。其中Delta型并联机构是实践中应用最成功的并联机构之一，广泛应用于食品、药品的包装和电子产品的装配以及手控器的控制机构。最早的概念机构由瑞士的Clavel提出。Tsai提出了一种简单的改进Delta并联机构。目前，越来越多的研究将少自由度并联机构应用于手控器的设计，但由于这些设计都是建立在少自由度的基础上，这样就直接限制了手控器的功能，使得现在的手控器只能单一的完成平动控制或是转动控制。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间遥操作手控制器，克服其刚度差、工作空间小、控制不灵活的问题。

技术方案

一种空间遥操作手控制器，其特征在于包括转动机构1、移动平台2、基座14、3套支链结构；基座14上设有三个基座电机，每个基座电机通过转动轴与一个支链结构连接，支链结构的另一端连接移动平台2上，移动平台2通过螺栓与转动机构1连接；所述支链结构包括执行杆和两个连杆，执行杆的一端通过转动轴与基座电机连接，另一端通过第一转动轴与两个连杆并联连接，两个连杆的另一端通过第二转动轴与移动平台2连接；所述转动机构1包括第二转动机构22、曲杆23、第三转动电机24、第二转动电机25、第一转动机构26、第一转动电机27、第三转动机构28；其中第一转动电机27通过螺栓与移动平台2相连；第一转动电机27通过转动轴与第一转动机构26相连，第二转动机构22通过转动轴与第一转动机构相连，并通过曲杆23与第二转动电机25相连，第三转动电机24通过螺栓与第二转动机构22相连，第三转动机构28通过转动轴与第三转动电机24相连。

有益效果

本发明提出的一种空间遥操作手控制器，以改进Delta机构作为平动子结构，而以3-R结构作为转动子结构的复合结构的新型空间遥操作手控制器。该结构具有以下特点：（1）机构紧凑配置合理，增大了工作空间，无奇异；（2）平动与转动完全解耦，降低了控制的难度和成本；（3）运动惯量小，动态性能好。

本发明将空间遥操作手控制器用作“空间遥操作”等其他人机交互设备的主手控制，该空间遥操作手控制器工作空间大，适合遥操作机械臂的控制；该空间遥操作手控制器可以分别对空间机器人进行转动控制与平动控制，亦可实现对空间机器人转动与平动的同时控制，完成空间六自由度任意操作，控制灵活。包括平动机构、转动机构，平动机构包括基座、移动平台和三个支链，三个支链呈等边三角形固定在基座上。转动机构位于基座上侧，与平动机构的移动平台相连。

平动机构的设计增大了空间遥操作手控制器的平动工作空间，该平动机构适合用作空间遥操作系统的主手平动控制，可实现对空间机器人的大范围平动控制；转动机构固连与平动机构的移动平台上，且转动中心位于移动平台的中心，实现了转动的平动的解耦，即转动与平动互不影响；转动机构三个转动自由度相互垂直，亦互不影响；这样该空间遥操作手控制器便可以分别对空间机器人进行转动控制与平动控制，亦可实现对空间机器人转动与平动的同时控制，完成空间六自由度任意操作，控制灵活。

附图说明

图1为本发明新型空间遥操作手控制器的结构图，为初始状态示意图；

图2为图1中转动机构1的正面示意图；

图3为图1中转动机构1的背面示意图；

1.转动机构，2.移动平台，3.第一支链第一连杆，4.第一支链第二连杆，5.第一支链第一转动轴，6.第一支链执行杆，7.基座第一电机，8.第二支链第二转动轴，9.第二支链第一连杆，10.第二支链第一转动轴，11.第二支链第二连杆，12.第二支链执行杆，13.基座第二电机，14.基座，15.基座第三电机，16.第三支链执行杆，17.第三支链第一连杆，18.第三支链第一转动轴，19.第三支链第二连杆，20.第三支链第二转动轴，21.第一支链第二转动轴，22.第二转动机构，23.曲杆，24.第三转动电机，25.第二转动电机，26.第一转动机构，27.第一转动电机，28.第三转动机构。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的技术方案包括平动机构、转动机构，平动机构包括基座、移动平台和三个支链，三个支链呈等边三角形固定在基座上。转动机构位于基座上侧，固定在平动机构的移动平台上。

所述平动机构又基座、三个支链和移动平台组成，基座包括三个凸块，分别装有电机固连装置，三个固连装置呈等边三角形；三个支链结构完全相同，包括一个执行杆和两个连杆和两个转动轴；执行杆通过转动轴与基座电机相连，基座电机通过驱动对执行杆进行控制；两个连杆和两个转动轴呈平行四边形，并通过转动轴分别与执行杆和移动平台相连；转动机构与第一转动电机通过转动轴相连，第一转动电机通过螺栓与移动平台相连。

所述转动机构包括第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构，第一转动机构与第一转动电机通过转动轴固连在移动平台上；第二转动机构通过曲杆和转动轴与第二转动电机相连，第二转动机构通过转动轴与第一转动机构相连；操作杆固连在第三转动机构上，第三转动机构和第三转动电机通过转动轴与第二转动机构相连，最后形成具有三自由度的转动机构，且各方向相互垂直互不影响。

具体实施例参见图1、图2、图3，基座第一电机7通过转动轴和第一支链执行杆6连接，该转动轴通由基座第一电机7驱动，基座第一电机7通过螺栓与基座14相连；基座第二电机13通过转动轴和第二支链执行杆12连接，该转动轴通由基座第二电机13驱动，基座第二电机13通过螺栓与基座14相连；基座第三电机15通过转动轴和第三支链执行杆16连接，该转动轴通由基座第三电机15驱动，基座第三电机15通过螺栓与基座14相连；三个电机固定安装在基座14上；第一支链执行杆6通过第一支链第一转动轴5和第一支链第一连杆3以及第一支链第二连杆4相连，第一支链第一转动轴5和第一支链第一连杆3以及第一支链第二连杆4通过转动轴相连；第二支链执行杆12通过第二支链第一转动轴10和第二支链第一连杆9以及第二支链第二连杆11相连，第二支链第一转动轴10和第二支链第一连杆9以及第二支链第二连杆11通过转动轴相连；第三支链执行杆16通过第三支链第一转动轴18和第三支链第一连杆17以及第三支链第二连杆19相连，第三支链第一转动轴18和第三支链第一连杆17以及第三支链第二连杆19通过转动轴相连；第一支链第一连杆3和第一支链第二连杆4通过第一支链第二转动轴21与移动平台2相连；第二支链第一连杆10和第二支链第二连杆9通过第二支链第二转动轴8与移动平台2相连；第三支链第一连杆17和第三支链第二连杆19通过第三支链第二转动轴20与移动平台2相连，这样三条支链将基座与移动平台相连，形成并联结构。

转动机构1由第二转动机构22、曲杆23、第三转动电机24、第二转动电机25、第一转动机构26、第一转动电机27、第三转动机构28组成，其中第一转动电机27通过螺栓与移动平台2相连；第一转动机构26通过转动轴与第一转动电机27相连，该转动轴由第一转动电机27驱动；第二转动机构22通过转动轴与第一转动机构相连，并通过曲杆23与第二转动电机25相连，该转动轴由第二转动电机25驱动；第三转动电机24通过螺栓与第二转动机构22相连，第三转动机构28通过转动轴与第三转动电机24相连，该转动轴由第三转动电机24驱动。

Claims

1.一种空间遥操作手控制器，其特征在于包括转动机构（1）、移动平台（2）、基座（14）、三套支链结构；基座（14）上设有三个基座电机，每个基座电机通过转动轴与一个支链结构连接，支链结构的另一端连接移动平台（2）上，移动平台（2）通过螺栓与转动机构（1）连接；所述支链结构包括执行杆和两个连杆，执行杆的一端通过转动轴与基座电机连接，另一端通过第一转动轴与两个连杆并联连接，两个连杆的另一端通过第二转动轴与移动平台（2）连接；所述转动机构（1）包括第二转动机构（22）、曲杆（23）、第三转动电机（24）、第二转动电机（25）、第一转动机构（26）、第一转动电机（27）、第三转动机构（28）；其中第一转动电机（27）通过螺栓与移动平台（2）相连；第一转动电机（27）通过转动轴与第一转动机构（26）相连，第二转动机构（22）通过转动轴与第一转动机构相连，并通过曲杆（23）与第二转动电机（25）相连，第三转动电机（24）通过螺栓与第二转动机构（22）相连，第三转动机构（28）通过转动轴与第三转动电机（24）相连。