CN105345837A - 一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，该手部转动装置包括第一转动件、第二转动件、第三转动件、第四转动组件、第一支架、第二支架、第三支架、第一带轮和第二带轮；第一转动件的转轴穿过第一支架，与第一带轮固定连接，第二支架与第二带轮通过转轴连接，且该转轴穿过第一支架，第一带轮和第二带轮位于第一支架的同侧，且第一带轮和第二带轮通过皮带连接；第二转动件的两端穿过第二支架相对的两侧；第二转动件连接在第二支架上；第二转动件上套装有轴套，轴套固定连接在第二转动件上；第三转动件连接在轴套上，第三支架与第三转动件固定连接；第四转动组件连接在第三支架上。该装置可以提高手控器测量精度。

Description

一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置

技术领域

本发明涉及一种手部转动装置，具体来说，涉及一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置。

背景技术

目前，通用型异构式机器人手控器常用的有基于Delta机构的异构式机器人手控器上的球形手部转动机构。三自由度并联机构主要由基板、电机罩、旋转轴、主机械臂、副机械臂、抓具中心等组成,可以完成上下、左右、前后等动作，但由于机构原因，一个方向的运动会引起另外两个的运动，所以会产生耦合。该机构一方面结构较为复杂，不利于运动和力的解算；另一方面，使用者在操作这种球形转动机构时，需要克服重力的影响。这就给使用者带来不便，特别在需要提供力反馈功能时，会给操作者带来力觉干扰。此外，通用型机器人末端一般都需要一个自由度，来完成抓取或者钻取任务。这种机构无法直接控制末端的抓取运动，必须通过额外的开关量按钮来实现，而且无法通过力反馈感知末端抓取力的大小。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，该装置可以提高手控器测量精度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：

一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，该手部转动装置包括第一转动件、第二转动件、第三转动件、第四转动组件、第一支架、第二支架、第三支架、第一带轮和第二带轮；第一转动件的转轴穿过第一支架，与第一带轮固定连接，第二支架与第二带轮通过转轴连接，且该转轴穿过第一支架，第一带轮和第二带轮位于第一支架的同侧，且第一带轮和第二带轮通过皮带连接；第二转动件的两端穿过第二支架相对的两侧；第二转动件连接在第二支架上；第二转动件上套装有轴套，轴套固定连接在第二转动件上；第三转动件连接在轴套上，第三支架与第三转动件固定连接；第四转动组件连接在第三支架上。

作为优选方案，所述的第四转动组件包括U形槽、第四转动件和扳手，第四转动件的两端连接在U形槽相对的两侧，且第四转动件可绕第四转动件的轴线转动；扳手固定连接在第四转动件上。

作为优选方案，所述的第一转动件的轴线和第四转动件的轴线相互平行；第二转动件的轴线和第三转动件的轴线相互垂直；第一转动件的轴线和第四转动件的轴线所在的平面与第二转动件的轴线和第三转动件的轴线所在的平面相互垂直。

作为优选方案，所述的第一带轮的直径和第二带轮的直径相等。

作为优选方案，所述的扳手呈弯折状。

作为优选方案，所述的第一转动件、第二转动件、第三转动件和第四转动件的结构相同，分别包括直流电机、减速器和光电编码器，光电编码器连接在直流电机的输入轴上，减速器安装在直流电机的输出轴上。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

（1）本发明采用三轴转动技术，三个转动之间相互垂直，不会发生运动的耦合。同时该转动机构直接安装在异构式手控器三维平动机构的末端，将三维平动机构与三维转动机构通过串联机构相组合，这样便于运动的解算，同时也提高了精度。

（2）整个转动装置的重量通过手控器的配重来平衡，操作者在使用过程中不会受到转动装置自身重力的影响，尤其是在提供力反馈的情况下，不会对操作者产生干扰。本发明结构轻便、灵活，便于使用者手握操作，而且比较符合人手部腕关节的活动习惯，操作非常方便，是一种通用型异构式机器人手控器的手部转动机构。

（3）本发明在转动部件中采用了传动机构，通过带轮传动将第一带轮的转动通过第二带轮的转动来实现。这样做的目的是将第一转动件的电机安装在转动装置的正面，便于转动装置在手控器平动机构上的安装，避免了第一转动件的电机对平动机构的干扰。

（4）本发明考虑到了控制机器人末端抓取任务，在手握部分的食指位置，增加了一个类似于扳机的转动部件，即第四转动组件。该部件也具有直流电机、减速器、编码器等。这样通过食指的转动角度就可以直接控制机器人手爪的角度，还能通过电机提供的力反馈感受末端抓取力的大小。相比于以往的手控器末端抓取仅仅提供一个开关量信号，本发明在控制精度上有很大提高。

（5）相比较以往手控器手指转动部件，本发明将主要力集中在手握部分，即第三转件的位置，便于食指准确的感知力的大小。本发明实施例中，当扳动扳手时，对应机械臂末端实现抓取动作。扳动扳手时，手指对扳手施加水平力，减少手重力带来的影响。是的

（6）平动装置与本发明实施例的转动装置之间不会发生运动耦合，并且转动装置的自重可以通过平动装置的配重来克服，从而使操作者不会因为本发明的自重而产生对力反馈的干扰。本实施例中，第一转动件、第二转动件、第三转动件构成转动装置。三个相互垂直的第一转动件、第二转动件、第三转动件实现了翻滚、俯仰、航向等三个动作。第四转动组件实现了机械臂末端手抓的抓取动作。平动装置实现了上下、左右、前后等平动动作。正由于第一转动件、第二转动件、第三转动件之间相互垂直，所以不会发生耦合，有利于手控器测量精度的提高。

附图说明

图1为本发明实施例中手控器的结构图；

图2为本发明实施例中控制方法的流程图；

图3为本发明实施例中步进电机静力矩与输入电流关系图。

图中有：第一转动件1、第二转动件2、第三转动件3、第四转动组件4、第一支架5、第二支架6、第三支架7、第一带轮81、第二带轮82、轴套9、U形槽401、第四转动件402、扳手403。

具体实施方式

下文结合附图，对本发明实施例进行详细描述。

如图1至图3所示，本发明实施例的一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，包括第一转动件1、第二转动件2、第三转动件3、第四转动组件4、第一支架5、第二支架6、第三支架7、第一带轮81和第二带轮82。第一转动件1的转轴穿过第一支架5，与第一带轮81固定连接。第二支架6与第二带轮82通过转轴连接，且该转轴穿过第一支架5，第一带轮81和第二带轮82位于第一支架5的同侧，且第一带轮81和第二带轮82通过皮带83连接。第二转动件2的两端穿过第二支架6相对的两侧。第二转动件2连接在第二支架6上。第二转动件2上套装有轴套9，轴套9固定连接在第二转动件2上；第三转动件3固定连接在轴套9上，第三支架7与第三转动件3固定连接。第四转动组件4连接在第三支架7上。

上述实施例的手部转动装置中，当转动第一转动件，实现了机械臂末端的翻滚动作。当转动第二转动件，实现了机械臂末端的俯仰动作。当转动第三转动件，实现了机械臂末端的航向动作。扳动扳手403实现了机械臂末端的抓取自由度动作。第一个自由度为：转动第一转动件1，则第一转动件1通过转轴带动第一带轮81转动，第一带轮81通过皮带83带动第二带轮82转动。第二带轮82通过转轴带动第二支架6转动。连接在第二支架6上的第二转动件2随第二支架6转动。第二个自由度为：转动第二转动件2，则与之连接第二支架6上和通过轴套9连接的第三转动件3随着转动。第三个自由度为：转动第三转动件3，完成机械臂末端航向动作。

作为优选方案，所述的第四转动组件4包括U形槽401、第四转动件402和扳手403，第四转动件402的两端连接在U形槽401相对的两侧，且第四转动件402可绕第四转动件402的轴线转动；扳手403固定连接在第四转动件402上。所述的扳手403呈弯折状。这样便于操控扳手403。通过第四转动组件4实现第四自由度，具体过程是：用手指驱动扳手403，由于第四转动件402和扳手403固定连接，所以第四转动件402绕其轴线转动。

作为优选方案，所述的第一转动件1的轴线和第四转动件402的轴线相互平行。第一转动件1的轴线、第二转动件2的轴线和第三转动件3的轴线两两相互垂直。也就是说，第一转动件1的轴线和第二转动件2的轴线相互垂直；第一转动件1的轴线和第三转动件3的轴线相互垂直；第二转动件2的轴线和第三转动件3的轴线相互垂直。第一转动件1的轴线和第四转动件402的轴线所在的平面与第二转动件2的轴线和第三转动件3的轴线所在的平面相互垂直。这样设置可防止发生耦合运动。

作为优选方案，所述的第一带轮81的直径和第二带轮82的直径相等。由于第一带轮81和第二带轮82直径相等，所以第二支架6和第一转动件1的转动角速度相等。

上述实施例中，所述的第一转动件1、第二转动件2、第三转动件3和第四转动件402的结构相同，分别包括直流电机、减速器和光电编码器，光电编码器连接在直流电机的输入轴上，减速器安装在直流电机的输出轴上。电机、减速器、编码器可均采用maxon系列产品，并集成在一起，有利于机构的紧凑、灵巧。光电编码器用于测量转动角度。减速器用于调节直流电机的输出转速。直流电机和减速器用于产生力反馈。

作为一安装实例，轴套9过盈配合在第二转动件2的减速器上，第二转动件2的电机与第二支架6之间为间隙配合，从而轴套9与第二转动件2的电机同步转动。第三转动件3安装在轴套9上，始终与第二转动件2垂直，并绕第三转动件3的减速器轴转动。第三支架7安装并固定在第三转动件3的减速器上，与第三转动件3的减速器同时转动。第三支架7上装有第四转动组件4，扳手403与第四转动件402的减速器轴过盈配合，从而实现扳手403和第四转动件402的减速器轴同步转动。

上述实施例的装置，包括三个主转动部件，即第一转动件1、第二转动件2和第三转动件3，以及一个手指部分转动部件，即第四转动组件4。第三转动件3和第二转动件2通过过盈配合实现两者的同步转动。第一转动件1、第二转动件2和第三转动件3在第二支架6处相互垂直，且不会发生运动耦合。第三支架7安装固定在第三转动件3上，手指转动部件安装在第三支架7上，其中，扳手403与第四转动件402过盈配合。

本发明实施例中，通过食指的拉动扳手403实现机械臂末端的抓取自由度的动作，并能通过力反馈感受到末端抓取力的大小。每个转动部分带有一个直流电机、减速器和光电编码器。其中，电机和减速器通过堵转力矩，提供手控器末端的三维转动力矩反馈。光电编码器用于测量每个转动部件的转动角度，并最终转换为整个手控器末端位置。

本发明实施例采用类似于三轴陀螺仪的机构设计转动装置，使3个转动件相互垂直并且相互之间不会发生耦合，有利于手控器测量精度的提高。本发明实施例与手控器平动装置通过串联相连接，本发明实施例转动装置（即第一转动件1、第二转动件2和第三转动件3）与平动装置之间不会发生运动耦合，并且转动装置的自重可以通过平动装置的配重来克服，从而使操作者不会因为本发明的自重而产生对力反馈的干扰。本发明结构紧凑，体积较小，具有操作灵活、轻便的优点，是通用型异构式机器人手控器的手部转动机构。

Claims (6)

1.一种异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，该手部转动装置包括第一转动件（1）、第二转动件（2）、第三转动件（3）、第四转动组件（4）、第一支架（5）、第二支架（6）、第三支架（7）、第一带轮（81）和第二带轮（82）；

第一转动件（1）的转轴穿过第一支架（5），与第一带轮（81）固定连接，第二支架（6）与第二带轮（82）通过转轴连接，且该转轴穿过第一支架（5），第一带轮（81）和第二带轮（82）位于第一支架（5）的同侧，且第一带轮（81）和第二带轮（82）通过皮带（83）连接；

第二转动件（2）的两端穿过第二支架（6）相对的两侧；第二转动件（2）连接在第二支架（6）上；第二转动件（2）上套装有轴套（9），轴套（9）固定连接在第二转动件（2）上；

第三转动件（3）连接在轴套（9）上，第三支架（7）与第三转动件（3）固定连接；

第四转动组件（4）连接在第三支架（7）上。

2.按照权利要求1所述的异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，所述的第四转动组件（4）包括U形槽（401）、第四转动件（402）和扳手（403），第四转动件（402）的两端连接在U形槽（401）相对的两侧，且第四转动件（402）可绕第四转动件（402）的轴线转动；扳手（403）固定连接在第四转动件（402）上。

3.按照权利要求1所述的异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，所述的第一转动件（1）的轴线和第四转动件（402）的轴线相互平行；第二转动件（2）的轴线和第三转动件（3）的轴线相互垂直；第一转动件（1）的轴线和第四转动件（402）的轴线所在的平面与第二转动件（2）的轴线和第三转动件（3）的轴线所在的平面相互垂直。

4.按照权利要求1所述的异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，所述的第一带轮（81）的直径和第二带轮（82）的直径相等。

5.按照权利要求1所述的异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，所述的扳手（403）呈弯折状。

6.按照权利要求5所述的异构式机器人手控器四自由度手部转动装置，其特征在于，所述的第一转动件（1）、第二转动件（2）、第三转动件（3）和第四转动件（402）的结构相同，分别包括直流电机、减速器和光电编码器，光电编码器连接在直流电机的输入轴上，减速器安装在直流电机的输出轴上。