CN104908042B - 一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在底座机构上的平行四连杆机构、设置于平行四连杆机构末端的末端执行器机构，该装置能用于捕捉手腕运动，能与力反馈数据手套、扳手等工具扩展连接。本发明中用于确定扩展连接处空间位置的三个自由度均具有力觉反馈，力反馈通过直流伺服电机与线传动减速机构相配合来实现，用于确定扩展连接处空间姿态的三个自由度通过三个高精度光电编码器来检测，同时还为数据手套、扳手、螺丝刀等扩展设备与工具在虚拟操作中空间位置与姿态的获取并获得扩展连接处的反馈力提供了一个很好的硬件平台，结构紧凑、运动空间大、刚度高、定位精确，用途广泛。

Description

一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂

技术领域

本发明涉及一种力反馈装置，尤其涉及一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其能够与数据手套、扳手、螺丝刀等工具扩展连接并能用于捕捉手腕运动。

背景技术

虚拟现实技术，通常是指通过立体显示设备、数据手套、机械臂等人机交互设备与计算机连接而构造出的一种与人体视觉、听觉、触/力觉等感官类似的虚拟环境，在其中用户可以通过各种输入设备向计算机输入各种命令，从而计算机能向用户反馈在视觉、听觉以及触/力觉等多种感官上的信息，让用户获得逼真度极高的多种感官上体验的人机界面技术，使用户有身临其境的感受。力反馈交互设备是虚拟现实技术中一种重要的硬件设备，其本质是一种全新的输入输出设备，将是当今以及未来的研究热点。力反馈设备与其他感官比如听觉、视觉、嗅觉的不同之处在于，其他感官的信息只能单向传递，而力/触觉的感官信息可以在人体与虚拟环境之间双向传递，力反馈设备便起着这样一种传递信息的作用。

目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，经过对现有技术的文献检索发现，美国Sensable公司的PHANTOM系列力反馈产品，其已公开有发明专利（Pub.No.:US2008/0291161A1）和已成功申请的发明专利（Patent Number:US0077714836B2, Patent Number: US0055625576A），其设计的是一种六自由度力反馈机械臂，但其工作空间太小，其末端为笔式的操作杆不能再与其他力觉交互设备（比如数据手套CyberGlove）扩展连接，且由于使用材料的特殊性导致产品设备价格昂贵；中国专利申请号201110229208.7，名称为：一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备，该专利使用平衡机构自主调节设备的自重平衡，但其同样不具备与其他力觉设备以及机械领域的操作工具扩展连接的设计；中国专利号申请号201110122863.2，名称为：一种6自由度力反馈虚拟手术器械，该专利末端设计为用于虚拟手术的手术钳，使用功能单一，且没有进行重力平衡设计，机械臂各连杆为单一连杆，从而导致设备整体刚度比较差；中国专利申请号200810037094.4，名称为：五自由度力反馈虚拟手术器械，该专利具有5个自由度的运动及力反馈，且具有直线运动自由度，但其转动惯量及设备阻抗较大，严重影响了设备的精确性定位和实时性交互。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提供一种结构简单紧凑、成本低廉、运动范围大、反馈力大、刚度较高、通过配重块与电机配合平衡设备自重，且能与力反馈数据手套、扳手、螺丝刀等机械领域操作工具扩展连接且能捕捉手腕运动空间姿态，实时地与虚拟现实环境进行力觉交互的6自由度力反馈机械臂。

本发明所采用的技术方案是：

一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在底座机构上的平行四连杆机构、设置于平行四连杆机构末端的末端执行器机构， 所述底座机构包括四角设有支撑脚的底座支撑平台、水平转动地设置在底座支撑平台上的减速从动轮，所述底座支撑平台上通过第一支撑架设置有第一驱动执行元件，所述第一驱动执行元件输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮的第一主动轮，第一主动轮通过传动钢丝绳与第一减速从动轮连接，该减速装置减速比为：，后端设置有第一传感检测元件，所述减速从动轮上端面设置有通过第二支撑架固定的第二驱动执行元件，以及通过第三支撑架固定的第三驱动执行元件，所述第二驱动执行元件的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮，后端设置有第二传感检测元件，所述第三驱动执行元件的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮，后端设置有第三传感检测元件；

所述平行四连杆机构包括设置于减速从动轮上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，

所述肩部机构包括设置在减速从动轮上端面的两个第四支撑架，水平设置在两个第四支撑架之间的回转轴，所述回转轴上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮的第一扇形减速从动轮、中间旋转块、通过钢丝绳连接第三主动轮的第二扇形减速从动轮，第二主动轮和第一扇形减速从动轮、第三主动轮和第二扇形减速从动轮的传动比均为：，所述中间旋转块与第一扇形减速从动轮之间固定连接有中间连接块，所述第一扇形减速从动轮的轮辋内侧设置有两个配重块，这两个配重块可以平衡掉两根第一连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分通电机调节来平衡；所述第二扇形减速从动轮的轮辋内侧设置有一个配重块, 这个配重块可以平衡掉两根第二连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分能过电机调节来平衡，最终通过配重块与电机的配合，以达到平衡机械臂自重，使操作更加精确，更加真实的目的；

所述的杆件机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件，所述第一杆件和第二杆件相互平行，所述第一杆件的一端连接中间旋转块，另一端与第三杆件活动铰接，所述第二杆件一端通过连接销与第二扇形减速从动轮活动铰接，另一端与第三杆件活动铰接；

所述末端执行器机构包括用于连接第三杆件末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架，所述环状部件上设置有连接第四主动轮的第六传感检测元件，所述第四主动轮通过钢丝绳与手腕支撑架相连接，各个传动减速系统通过传动钢丝绳连接三个主动轮与三个减速从动轮，传动钢丝绳在主动轮的螺旋槽上缠绕数圈后绕到减速从动轮线槽上并在减速从动轮上固定，传动钢丝绳为具有高强度和高抗疲劳性的*钢丝绳；末端执行器机构具有三个自由度，且可与其他力反馈设备及操作工具扩展连接，使力反馈机械臂可以与力反馈数据手套比如CyberGlove以及扳手、螺丝刀等操作工具扩展连接，用于虚拟环境中的虚拟物体的抓取以及虚拟操作，进一步扩大使用范围。

进一步地，所述减速从动轮的中部通过螺钉连接有轴向定位柱，所述轴向定位柱上设置有连接减速从动轮和底座支撑平台的双向推力球轴承和深沟球轴承，以减少阻力，提高灵活性，所述减速从动轮边缘对称设置有两个绕线柱和两个传动线固定柱，从而是传动钢丝绳能够稳定可靠的缠绕于减速从动轮上。

进一步地，所述减速从动轮的底面轮辐上设置有第一限位块，所述底座支撑平台上沿圆形轨迹以10度的夹角间隔设置有限位柱调节螺纹孔，限位柱调节螺纹孔内设置有与所述第一限位块配合的第一限位柱。

进一步地，所述第一扇形减速从动轮与第二扇形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱的限位柱调节螺纹孔，中间旋转块上也按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱的限位柱调节螺纹孔，在第二扇形减速从动轮上安装有与中间旋转块上的第二限位柱配合的限位块，用以调节第一扇形减速从动轮和第二扇形减速从动轮相互之间的运动范围，两个第四支撑架的内侧各设置有与第二限位柱配合的限位块，所述第一扇形减速从动轮与第二扇形减速从动轮轮辐上还设置有用于安装绕线柱的绕线柱螺纹孔和用于固定钢丝绳的传动线固定柱螺纹孔。

进一步地，所述第一杆件、第二杆件均由两根平行设置的子杆件及横穿连接于所述子杆件之间的杆固定件组成，所述连接销与第二杆件之间设置有深沟轴承，所述第二杆件与第一杆件通过设置有深沟轴承的杆连接回转轴与第三杆件活动铰接，第一杆件与第二杆件均是包括相同的两个子杆件左右安装，把第三杆件紧紧地夹在中间，使机械臂的刚度更高，稳定性更好。

进一步地，所述固定块包括夹持连接第三杆件末端的第一固定块和第二固定块，所述固定件包括对称地楔合连接的L形第一固定件和L形第二固定件、通过螺钉连接于L形第一固定件和L形第二固定件的连接板 ，所述第五传感检测元件的转轴通过销钉连接第二固定块，所述第二固定件的竖直边设置有连接中间旋转机构的滚动轴承，所述第五传感检测元件的壳体设置于第一固定件的竖直边，其转轴与中间旋转机构的相连接，结构简单、安装方便、稳定耐用。

进一步地，所述环状部件包括通过两平行设置的第一圆环、第二圆环以及连接与两者之间的支撑柱，第一圆环、第二圆环之间相隔度角固定设置有用于连接滚动轴承的连接转轴和用于连接第五传感检测元件转轴的连接轴套，所述连接转轴上设置有同步转动的限位销，所述第二固定件的竖直边内侧设置有与所述限位销相配合的第三限位块，可有效限定和调节中间旋转机构的转动范围，以起到保护设备和适应不同的需要的目的。

进一步地，所述手腕支撑架包括与环状部件的第一圆环和第二圆环中心孔转动配合的圆筒状转筒部件，所述转筒部件的两端设置有限制其沿轴线移动的环形凸缘，两环形凸缘之间形成线槽，所述线槽内设置有传动线固定柱，所述转筒部件中心孔内设置有圆弧形手腕支撑圆弧面，所述手腕支撑圆弧面外侧设置有用于安装魔术贴的魔术贴固定槽，所述第一圆环和第二圆环的内侧设置有与所述传动线固定柱相配合的第三限位柱，可有效限定和调节手腕支撑架的转动范围，以起到保护设备和适应不同的需要的目的。

进一步地，所述第一传感检测元件、第二传感检测元件、第三传感检测元件为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件、第五传感检测元件、第六传感检测元件为角度电位器，反应灵敏，精度高。

进一步地，所述第一驱动执行元件、第二驱动执行元件、第三驱动执行元件为有刷空心杯直流伺服电机。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明为实现与力反馈数据手套及扳手、螺丝刀等工具的扩展配合，自行设计了具有六个自由度的力反馈机械臂，其中与扩展配合使用的工具直接接触的末端执行器具有手腕上下摆动、左右摆动、绕手臂旋转的三个自由度，运动空间大，定位精确，反应灵敏；

(2)配重块与电机的配合，充分平衡机械臂的自重，减小操作者操作时的疲劳感，使反馈力的感觉更加精确，克服了单独使用配重块被动平衡自重时设备惯量过大和单独使用电机主动平衡自重时电机输出力过小的缺陷；

(3)第一个驱动执行元件安装在底座支撑平台上，对设备运动惯量没有影响，第二和第三个驱动执行元件安装在底座上的减速从动轮上，并且尽量靠近转动轴，使两个驱动执行元件对设备的运动惯量减到最小，主动轮与减速从动轮间的运动与力矩传递通过钢丝绳实现，钢丝绳传动克服了传统齿轮传动等有传动间隙的影响，传动钢丝绳设置适度的张紧，避免其打滑同时也使其有较长的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的总体结构示意图。

图2是本发明实施例的另一视角总体结构示意图。

图3是图1本发明实施例的底座机构结构示意图。

图4是本发明实施例的减速从动轮的结构示意图。

图5是本发明实施例的肩部机构结构示意图。

图6是本发明实施例的杆件机构结构示意图。

图7是本发明实施例的末端执行机构的固定块、固定件、第四传感检测元件的连接示意图。

图8是本发明实施例的末端执行机构的中间旋转机构结构示意图。

图9是本发明实施例的末端执行机构的手腕支撑架的结构示意图。

图中所示为：1.底座机构、2.平行四连杆机构、3.末端执行器、111.支撑脚、112.底座支撑平台、121.减速从动轮、122.绕线柱 123.传动线固定柱、124.第一限位柱、125.轴向定位柱、126.第一限位块、131.第四支撑架、221.第一扇形减速从动轮、222.第二扇形减速从动轮、223.中间旋转块、224.中间连接块、225.第二限位柱、226.配重块、227.第二限位块、228.限位柱调节螺纹孔、229.绕线柱螺纹孔、2210.传动线固定柱螺纹孔、231.第一杆件、232.第二杆件、233.第三杆件、311.第一固定块、312.第二固定块、313.连接板、314. 第一固定件、315. 第二固定件、316.第三限位块、317.滚动轴承、41.第一支撑架、42.第二支撑架、43.第三支撑架、51.第一驱动执行元件、52.第二驱动执行元件、53.第三驱动执行元件、61.第一主动轮、62.第二主动轮、63.第三主动轮、64.第四主动轮、71.第一传感检测元件、72.第二传感检测元件、73.第三传感检测元件、74.第四传感检测元件、75.第五传感检测元件、76.第六传感检测元件、21.回转轴、231.第一杆件、232.第二杆件、233.第三杆件、234.连接销、235.杆固定件、236.杆连接回转轴、321.第一圆环、322.第二圆环、323.手腕支撑架、331.连接转轴、332.连接轴套、333.支撑柱、334.第三限位柱、3231.线槽、3232.魔术贴固定槽、3233.手腕支撑圆弧面、3234.传动线固定柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构1、设置在底座机构上的平行四连杆机构2、设置于平行四连杆机构2末端的末端执行器机构3，

同时结合图3和图4所示，所述底座机构1包括四角设有支撑脚111的底座支撑平台112、水平转动地设置在底座支撑平台112上的减速从动轮121，所述减速从动轮121的中部通过螺钉连接有轴向定位柱125，所述轴向定位柱125上设置有连接减速从动轮121和底座支撑平台112的双向推力球轴承和深沟球轴承，从而减速从动轮121可以在底座支撑平台112上旋转，以减少阻力，提高灵活性，所述减速从动轮121边缘对称设置有两个绕线柱122和两个传动线固定柱123，从而是传动钢丝绳能够稳定可靠的缠绕于减速从动轮121外圆弧的线槽内。

所述底座支撑平台112上通过第一支撑架41设置有第一驱动执行元件51，所述第一驱动执行元件51输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮121的第一主动轮61，后端设置有第一传感检测元件71，从而可以检测第一驱动执行元件51的转动角度与转动速度，第一主动轮61通过传动钢丝绳与第一减速从动轮连接，该减速装置减速比为125：8，传动钢丝绳采用7*7的钢丝绳，所述减速从动轮121上端面设置有通过第二支撑架42固定的第二驱动执行元件52，以及通过第三支撑架43固定的第三驱动执行元件53，所述第一驱动执行元件51、第二驱动执行元件52、第三驱动执行元件53为有刷空心杯直流伺服电机；所述第二驱动执行元件52的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮62，后端设置有第二传感检测元件72，所述第三驱动执行元件53的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮63，后端设置有第三传感检测元件73，所述减速从动轮121的底面轮辐上设置有第一限位块126，所述底座支撑平台112上沿圆形轨迹以10度的夹角间隔设置有限位柱调节螺纹孔228，限位柱调节螺纹孔228内设置有与所述第一限位块126配合的第一限位柱124，本实施例中，所述第一主动轮61与减速从动轮121之间通过传动钢丝绳连接，传动钢丝绳在第一主动轮61的螺旋线槽上缠绕数圈后两端紧贴减速从动轮121的线槽绕到减速从动轮121的绕线柱122上缠绕数圈后固定在传动线固定柱123上，绕线柱122的设置有利于传动线的紧固和使传动线不容易滑落；在底座支撑平台112上以10度的等角度加工有限位柱调节螺纹孔228，通过改变当作限位柱使用的螺钉的安装位置，可以调节减速从动轮的运动范围。

如图5所示，所述平行四连杆机构2包括设置于减速从动轮121上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，所述肩部机构包括设置在减速从动轮121上端面的两个第四支撑架131，水平设置在两个第四支撑架131之间的回转轴21，所述回转轴21上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮62的第一扇形减速从动轮221、中间旋转块223、通过钢丝绳连接第三主动轮63的第二扇形减速从动轮222，第二主动轮62和第一扇形减速从动轮221、第三主动轮63和第二扇形减速从动轮222的传动比均为200：13，所述中间旋转块223与第一扇形减速从动轮221之间固定连接有中间连接块224，所述第一扇形减速从动轮221的轮辋内侧设置有两个配重块226，这两个配重块可以平衡掉两根第一连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分通电机调节来平衡；所述第二扇形减速从动轮222的轮辋内侧设置有一个配重块226, 这个配重块可以平衡掉两根第二连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分能过电机调节来平衡，最终通过配重块与电机的配合，以达到平衡机械臂自重，使操作更加精确，更加真实的目的；

具体来说，本实施例中，所述第一扇形减速从动轮221与第二扇形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱225的限位柱调节螺纹孔228，通过改变第一扇形减速从动轮221与第二扇形减速从动轮上的第二限位柱225的安装位置，可以调节两个扇形减速从动轮的运动范围；同时中间旋转块223上也按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱225的限位柱调节螺纹孔228，在第二扇形减速从动轮222上安装有与中间旋转块223上的第二限位柱225配合的限位块227，用以调节第一扇形减速从动轮221和第二扇形减速从动轮222相互之间的运动范围，两个第四支撑架131的内侧各设置有与第二限位柱225配合的限位块227，所述第一扇形减速从动轮221与第二扇形减速从动轮轮辐上还设置有用于安装绕线柱的绕线柱螺纹孔229和用于固定钢丝绳的传动线固定柱螺纹孔2210，传动钢丝绳在第三主动轮63螺旋线槽上缠绕数圈后紧贴第二扇形减速从动轮222的线槽绕到第二扇形减速从动轮222的绕线柱上缠绕数圈后用紧固螺钉固定在传动线固定柱螺纹孔2210上，传动钢丝绳在第二主动轮62与第一扇形减速从动轮221之间的连接方式与第三主动轮63相同，不再赘述。

如图6所示，所述的杆件机构包括第一杆件231、第二杆件232、第三杆件233，所述第一杆件231和第二杆件232相互平行，所述第一杆件231的一端连接中间旋转块223，另一端与第三杆件233活动铰接，所述第二杆件232一端通过连接销234与第二扇形减速从动轮222活动铰接，另一端与第三杆件233活动铰接，进一步地，本实施例中，所述第一杆件231、第二杆件232均由两根平行设置的子杆件及横穿连接于所述子杆件之间的杆固定件235组成，所述连接销234与第二杆件232之间设置有深沟轴承，所述第二杆件232与第一杆件231通过设置有深沟轴承的杆连接回转轴236与第三杆件233活动铰接，第一杆件与第二杆件均是包括相同的两个子杆件左右安装，把第三杆件紧紧地夹在中间，使机械臂的刚度更高，稳定性更好。

如图7所示，所述末端执行器机构3包括用于连接第三杆件233末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件74、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件75，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架323，所述环状部件上设置有连接第四主动轮64的第六传感检测元件76，所述第四主动轮64通过钢丝绳与手腕支撑架323相连接，进一步地，本实施例中所述固定块包括夹持连接第三杆件233末端的第一固定块311和第二固定块312，所述固定件包括对称地楔合连接的L形第一固定件314和L形第二固定件315、通过螺钉连接于L形第一固定件314和L形第二固定件315以加强其刚度的连接板313，所述第五传感检测元件75的转轴通过销钉连接第二固定块312，所述第二固定件315的竖直边设置有连接中间旋转机构的滚动轴承317，所述第五传感检测元件75的壳体设置于第一固定件314的竖直边，其转轴与中间旋转机构的相连接，结构简单、安装方便、稳定耐用。

如图8所示，所述环状部件包括通过两平行设置的第一圆环321、第二圆环322以及连接与两者之间的支撑柱333，第一圆环321、第二圆环322之间相隔180度角固定设置有用于连接滚动轴承317的连接转轴331和用于连接第五传感检测元件75转轴的连接轴套332，所述连接转轴331上设置有同步转动的限位销，所述第二固定件315的竖直边内侧设置有与所述限位销相配合的第三限位块316，可有效限定和调节中间旋转机构的转动范围，以起到保护设备和适应不同的需要的目的。

如图9所示，所述手腕支撑架323包括与环状部件的第一圆环321和第二圆环322中心孔转动配合的圆筒状转筒部件，所述转筒部件的两端设置有限制其沿轴线移动的环形凸缘，两环形凸缘之间形成线槽3231，所述线槽3231内设置有传动线固定柱3234，传动钢丝绳在第四主动轮64的螺旋线槽上缠绕数圈后紧贴手腕支撑架323上的线槽3231绕到传动线固定柱上3234固定。所述转筒部件中心孔内设置有圆弧形手腕支撑圆弧面3233，所述手腕支撑圆弧面3233外侧设置有用于安装魔术贴的魔术贴固定槽3232，所述第一圆环321和第二圆环322的内侧设置有与所述传动线固定柱3234相配合的第三限位柱334，可有效限定和调节手腕支撑架323的转动范围，以起到保护设备和适应不同的需要的目的。

本实施例中，所述第一传感检测元件71、第二传感检测元件72、第三传感检测元件73为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件74、第五传感检测元件75、第六传感检测元件76为角度电位器，反应灵敏，精度高。

本实施例的各个传动减速系统通过传动钢丝绳连接三个主动轮与三个减速从动轮，传动钢丝绳在主动轮的螺旋槽上缠绕数圈后绕到减速从动轮线槽上并在减速从动轮上固定，传动钢丝绳为具有高强度和高抗疲劳性的7*7钢丝绳；末端执行器机构3具有三个自由度，能检测手腕的上下、左右的摆动以及手臂的转动三个自由度， 且可与其他力反馈设备及操作工具扩展连接，使力反馈机械臂可以与力反馈数据手套比如CyberGlove以及扳手、螺丝刀等操作工具扩展连接，用于虚拟环境中的虚拟物体的抓取以及虚拟操作，进一步扩大使用范围。

本实施例的传动形式为线传动，通过张紧的传动钢丝绳在主动轮与各从动轮间传递运动和力矩。线传动平稳、惯量小、无传动间隙、无传动噪音，成本低廉，设置张紧机构使传动线适度张紧，既能避免传动打滑，又能使传动钢丝绳具有较长的使用寿命。

本发明的目的是力反馈机械臂与数据手套扩展连接用于虚拟抓取时，捕捉手腕的6个运动自由度，包括获取手腕在空间的姿态和手腕在空间的位置，并获得手腕处的反馈力，其工作过程及原理如下：

(1)手腕的空间姿态获取。把手伸进手腕支撑架323，放在手腕支撑圆弧面3233上，接着用安装在魔术贴固定槽3232上的魔术贴前后把手腕绑好固定。当手腕绕小臂轴线自转时，与手腕绑定的手腕支撑架323随手腕同时旋转，此时传动钢丝绳带动第四主动轮64旋转，由于第四主动轮64与第六传感检测元件76同轴固定，从而第六传感检测元件76便能检测出第四主动轮64的转动情况，也即手腕绕手臂自转时的角度变化。当手腕上下摆动时，与第一圆环321、第二圆环322形成的中间旋转机构固定的连接轴套332同步旋转，由于连接轴套332与第五传感检测元件75的同轴固定，从而第五传感检测元件75便能检测出连接轴套332的转动情况，也即手腕上下摆动的角度变化。当手腕左右摆动时，整个末端执行器机构旋转，由于第四传感检测元件74的轴通过第一固定块314和第二固定块312与第三连杆233固定，即末端执行器机构3相对于第四传感检测元件74的轴旋转，从而第四传感检测元件74便能检测出末端执行器机构3转动情况，也即手腕左右摆的角度变化。

(2)手腕的空间位置获取。当与末端执行器3绑定的手腕在竖直平面内移动时。平行四连杆机构便改变相对角度，即第一扇形减速从动轮221、第二扇形减速从动轮222在回转轴21上发生角度变化，由于第一扇形减速从动轮221与第二扇形减速从动轮222分别通过传动钢丝绳与第二主动轮62、第三主动轮63连接，从而第二主动轮62、第三主动轮63的也产生旋转，发生相应的角度变化，继而与第二主动轮62、第三主动轮63同轴固定的第二驱动执行元件52、第三驱动执行元件53的轴发生相应的角度变化，同时也使与第二驱动执行元件52、第三驱动执行元件53同轴的第二传感检测元件72、第三传动检测元件73检测出变化的角度。当手腕在水平面内绕底座支撑轴旋转时，减速从动轮121发生角度变化，由于减速从动轮121通过传动线与第一主动轮61连接，从而第一主动轮61也发生旋转，产生相应的角度变化，继而与第一主动轮61同轴固定的第一驱动执行元件51的轴与发生相应的角度变化，同时也使与第一驱动执行元件51同轴的第一传感检测元件71检测出变化的角度。由第一传感检测元件71、第二传感检测元件72、第三传感检测元件73测量到的三个角度值，通过正向运动学的运算，便可计算出末端执行器机构3在空间的位置。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(1)、设置在底座机构上的平行四连杆机构(2)、设置于平行四连杆机构(2)末端的末端执行器机构(3)，其特在于：

所述底座机构(1)包括四角设有支撑脚(111)的底座支撑平台(112)、水平转动地设置在底座支撑平台(112)上的减速从动轮(121)，所述底座支撑平台(112)上通过第一支撑架(41)设置有第一驱动执行元件(51)，所述第一驱动执行元件(51)输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮(121)的第一主动轮(61)，后端设置有第一传感检测元件(71)，所述减速从动轮(121)上端面设置有通过第二支撑架(42)固定的第二驱动执行元件(52)，以及通过第三支撑架(43)固定的第三驱动执行元件(53)，所述第二驱动执行元件(52)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮(62)，后端设置有第二传感检测元件(72)，所述第三驱动执行元件(53)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮(63)，后端设置有第三传感检测元件(73)；所述平行四连杆机构(2)包括设置于减速从动轮(121)上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，所述肩部机构包括设置在减速从动轮(121)上端面的两个第四支撑架(131)，水平设置在两个第四支撑架(131)之间的回转轴(21)，所述回转轴(21)上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮(62)的第一扇形减速从动轮(221)、中间旋转块(223)、通过钢丝绳连接第三主动轮(63)的第二扇形减速从动轮(222)，所述中间旋转块(223)与第一扇形减速从动轮(221)之间固定连接有中间连接块(224)，所述第一扇形减速从动轮(221)的轮辋内侧设置有两个配重块(226)，所述第二扇形减速从动轮(222)的轮辋内侧设置有一个配重块(226)；所述的杆件机构包括第一杆件(231)、第二杆件(232)、第三杆件(233)，所述第一杆件(231)和第二杆件(232)相互平行，所述第一杆件(231)的一端连接中间旋转块(223)，另一端与第三杆件(233)活动铰接，所述第二杆件(232)一端通过连接销(234)与第二扇形减速从动轮(222)活动铰接，另一端与第三杆件(233)活动铰接；所述末端执行器机构(3)包括用于连接第三杆件(233)末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件(74)、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件(75)，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架(323)，所述环状部件上设置有连接第四主动轮(64)的第六传感检测元件(76)，所述第四主动轮(64)通过钢丝绳与手腕支撑架(323)相连接；所述减速从动轮(121)的中部通过螺钉连接有轴向定位柱(125)，所述轴向定位柱(125)上设置有连接减速从动轮(121)和底座支撑平台(112)的双向推力球轴承和深沟球轴承，所述减速从动轮(121)边缘对称设置有两个绕线柱(122)和两个传动线固定柱(123)；所述减速从动轮(121)的底面轮辐上设置有第一限位块(126)，所述底座支撑平台(112)上沿圆形轨迹以10度的夹角间隔设置有限位柱调节螺纹孔(228)，限位柱调节螺纹孔(228)内设置有与所述第一限位块(126)配合的第一限位柱(124)。

2.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述第一扇形减速从动轮(221)与第二扇形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱(225)的限位柱调节螺纹孔(228)，中间旋转块(223)上也按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱(225)的限位柱调节螺纹孔(228)，在第二扇形减速从动轮(222)上安装有与中间旋转块(223)上的第二限位柱(225)配合的限位块(227)，用以调节第一扇形减速从动轮(221)和第二扇形减速从动轮(222)相互之间的运动范围，两个第四支撑架(131)的内侧各设置有与第二限位柱(225)配合的限位块(227)，所述第一扇形减速从动轮(221)与第二扇形减速从动轮轮辐上还设置有用于安装绕线柱的绕线柱螺纹孔(229)和用于固定钢丝绳的传动线固定柱螺纹孔(2210)。

3.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述第一杆件(231)、第二杆件(232)均由两根平行设置的子杆件及横穿连接于所述子杆件之间的杆固定件(235)组成，所述连接销(234)与第二杆件(232)之间设置有深沟轴承，所述第二杆件(232)与第一杆件(231)通过设置有深沟轴承的杆连接回转轴(236)与第三杆件(233)活动铰接。

4.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述固定块包括夹持连接第三杆件(233)末端的第一固定块(311)和第二固定块(312)，所述固定件包括对称地楔合连接的L形第一固定件(314)和L形第二固定件(315)、通过螺钉连接于L形第一固定件(314)和L形第二固定件(315)的连接板(313)，所述第五传感检测元件(75)的转轴通过销钉连接第二固定块(312)，所述第二固定件(315)的竖直边设置有连接中间旋转机构的滚动轴承(317)，所述第五传感检测元件(75)的壳体设置于第一固定件(314)的竖直边，其转轴与中间旋转机构的相连接。

5.根据权利要求4所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述环状部件包括通过两平行设置的第一圆环(321)、第二圆环(322)以及连接与两者之间的支撑柱(333)，第一圆环(321)、第二圆环(322)之间相隔(180)度角固定设置有用于连接滚动轴承(317)的连接转轴(331)和用于连接第五传感检测元件(75)转轴的连接轴套(332)，所述连接转轴(331)上设置有同步转动的限位销，所述第二固定件(315)的竖直边内侧设置有与所述限位销相配合的第三限位块(316)。

6.根据权利要求5所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述手腕支撑架(323)包括与环状部件的第一圆环(321)和第二圆环(322)中心孔转动配合的圆筒状转筒部件，所述转筒部件的两端设置有限制其沿轴线移动的环形凸缘，两环形凸缘之间形成线槽(3231)，所述线槽(3231)内设置有传动线固定柱(3234)，所述转筒部件中心孔内设置有圆弧形手腕支撑圆弧面(3233)，所述手腕支撑圆弧面(3233)外侧设置有用于安装魔术贴的魔术贴固定槽(3232)，所述第一圆环(321)和第二圆环(322)的内侧设置有与所述传动线固定柱(3234)相配合的第三限位柱(334)。

7.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述第一传感检测元件(71)、第二传感检测元件(72)、第三传感检测元件(73)为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件(74)、第五传感检测元件(75)、第六传感检测元件(76)为角度电位器。

8.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述第一驱动执行元件(51)、第二驱动执行元件(52)、第三驱动执行元件(53)为有刷空心杯直流伺服电机。