CN104267820B - 一种双并联结构多维触觉反馈装置 - Google Patents

一种双并联结构多维触觉反馈装置 Download PDF

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Abstract

一种双并联结构多维触觉反馈装置，包括两个结构相同的四自由度触觉反馈子装置，两个子装置对称布置在一个圆柱形机架内。机架由一个环形端盖、一个底座以及六个移动副导杆组成。每个子装置由一个操作端、一个平台、一个角位移传感器、三条结构相同的支链、三个直线位移传感器以及三个直线致动器组成。操作端安装在平台上，并可以绕水平轴转动。三个直线致动器和三个直线位移传感器两两一组分别固定在三个移动副导杆的相同位置上。两个子装置的六条支链在圆柱形机架空间内呈60°均匀分布。本发明可广泛应用于三维测量与重构、人机交互与控制，尤其适于医学领域的医疗机器人控制。

Description

一种双并联结构多维触觉反馈装置
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可以用于三维测量与重建、人机交互与控制的双并联结构多维触觉反馈装置。
背景技术
近年来，随着计算机技术及机器人技术的不断发展，虚拟现实仿真、遥操作/远程控制等技术领域对研制具有触觉反馈的计算机三维交互设备提出了迫切需求。
清华大学在传统二维鼠标基础上增加两个自由度研制出了五自由度三维USB鼠标。燕山大学研制了基于柔性机构的六维鼠标，通过设置在弹性铰链处的应变片检测外部力和力矩从而实现六维位姿控制。山东理工大学研制了一种具有空间操作能力的新型宏动式3D鼠标，可以对虚拟场景中三维模型进行六自由度控制。在申请号为201310042090.6、201320799809.6、201410025650.1、201410090804.5的专利文件中分别公开了“一种串并联力反馈遥操作手”、“一种基于Stewart结构的六维力传感器”、“一种空间遥操作手控制器”、“一种关节式力反馈遥操作主手”。
目前存在的主要问题是结构复杂，操作范围小，缺乏真实操作感觉，长时间操作容易产生手部疲劳。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、操作范围大、操作灵活的双并联结构多维触觉反馈装置。
本发明具体技术方案：
一种双并联结构多维触觉反馈装置，包括两个结构相同的四自由度触觉反馈子装置；两个子装置对称布置在一个圆筒形机架上，圆筒形机架由一个环形端盖(1)、一个底座(8)、以及环形端盖(1)和底座(8)之间安装的六个移动副导杆(7)组成。
每个子装置由一个操作端(3)、一个半圆环形平台(2)、一个角位移传感器(4)、三条结构相同的支链、三个直线位移传感器(9)以及三个直线致动器(11)组成。操作端(3)安装在平台(2)上，并可以绕水平轴转动，操作端(3)转动的同时会带动与平台相连的角位移传感器(4)转动。每条支链包括一个移动副和两条结构相同的分支，移动副由滑块(6)及移动副导杆(7)组成；每条分支由两个球铰(10)和一个连杆(5)组成，每个连杆的一端通过球铰(10)与平台(2)连接，另一端通过球铰(10)与滑块(6)连接。组成每个子装置的三条支链连接平台(2)与机架，从而形成并联连接。每个移动副导杆(7)上都固定有一个直线致动器(11)和一个直线位移传感器(9)。直线致动器(11)的驱动端以及直线位移传感器(9)的移动端均与滑块(6)相连。
两个子装置的结构及尺寸完全相同，且两个子装置的六条支链在圆柱形机架空间内呈60°均匀分布。
本发明的优点和有益效果：
本发明采用两个结构相同的并联机构作为多维触觉反馈装置的主体机构，每一个并联机构都具有四个操作自由度，包括三个平移自由度和一个转动自由度，且平动和转动解耦。整体结构紧凑，操作范围大，操作灵活。具备多种操作模式，可双手操作，也可单手操作，符合人手操作习惯，尤其适合于远程手术等需要夹持动作的应用场合。在操作的同时提供触觉反馈，具有真实的临场操作感觉。
附图说明
图1是本发明的实施例的总体装配图
图2是本发明的实施例中剖除端盖后的结构示意图
图3是本发明的实施例中多维触觉反馈子装置结构示意图
图中：1、端盖，2、平台，3、操作端，4、角位移传感器，5、连杆，6、滑块，7、移动副导杆，8、底座，9、直线位移传感器，10、球铰，11、直线致动器。
具体实施方式
如图1、图2所示双并联结构多维触觉反馈装置，包括两个结构相同的四自由度触觉反馈子装置。两个子装置对称布置在一个圆筒形机架上，机架由一个环形端盖1、一个底座8、以及环形端盖1和底座8之间安装的六个移动副导杆7组成。
图3所示的多维触觉反馈子装置由一个操作端3、一个半圆环形平台2、一个角位移传感器、三条结构相同的支链、三个直线位移传感器9以及三个直线致动器11组成。操作端3安装在平台2上，并可以绕水平轴转动，操作端3转动的同时会带动与平台相连的角位移传感器转动。每条支链包括一个移动副和两条结构相同的分支。移动副由滑块6及机架中所述的移动副导杆7组成，每条分支由两个球铰10和一个连杆5组成，每个连杆的一端通过球铰10与平台2连接，另一端通过球铰10与滑块6连接。组成每个子装置的三条支链连接平台2与机架，从而形成并联联接。三个直线致动器11和三个直线位移传感器9两两一组分别固定在三个移动副导杆7的相同位置上。直线致动器11的驱动端以及直线位移传感器9的移动端均与滑块6相连。
两个子装置的结构及尺寸完全相同，且两个子装置的六条支链在圆柱形机架空间内呈60°均匀分布。
当操作端受外力作用(如人手操作)时，平台及各滑块均将产生位移，进而触发安装在平台上的角位移传感器以及安装在移动副导杆上的直线位移传感器。数据输入输出卡实时采集各传感器信号并传送至主控计算机，从而实现对虚拟环境或远程被控对象的操作。当被控对象受到振动、碰撞或反作用力时，主控计算机将这些信号变换为致动器控制信号，控制直线致动器驱动滑块沿移动副导杆运动，从而使操作端产生触觉反馈。

Claims (2)

1.一种双并联结构多维触觉反馈装置，其特征在于：该装置包括两个结构相同的四自由度触觉反馈子装置，两个子装置对称布置在一个圆筒形机架上；机架由一个环形端盖(1)、一个底座(8)、以及环形端盖(1)和底座(8)之间安装的六个移动副导杆(7)组成；每个子装置由一个操作端(3)、一个平台(2)、一个角位移传感器(4)、三条结构相同的支链、三个直线位移传感器(9)以及三个直线致动器(11)组成；操作端(3)安装在平台(2)上，并可以绕水平轴转动，操作端(3)转动的同时会带动与平台相连的角位移传感器(4)转动；每条支链包括一个移动副和两条结构相同的分支，移动副由滑块(6)及移动副导杆(7)组成，每条分支由两个球铰(10)和一个连杆(5)组成，每个连杆的一端通过球铰(10)与平台(2)连接，另一端通过球铰(10)与滑块(6)连接；组成每个子装置的三条支链连接平台(2)与机架，从而形成并联联接；每个移动副导杆(7)上都固定有一个直线致动器(11)和一个直线位移传感器(9)；直线致动器(11)的驱动端以及直线位移传感器(9)的移动端均与滑块(6)相连。
2.根据权利要求1所述的双并联结构多维触觉反馈装置，其特征在于两个子装置的结构及尺寸完全相同，且两个子装置的六条支链在圆柱形机架空间内呈60°均匀分布。
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