CN106530924B - 一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置，它包括底座、平行四边形机构、小臂机构、手腕机构；所述的平行四边形机构轴线垂直于地面，自身重力对其运动不产生影响，前后和左右两个位置自由度均满足自身重力平衡，而且能够实现水平面内的平动。本发明主要应用于耳蜗移植的虚拟仿真培训，末端手持装置为一实际外科钻，手腕机构末端操作点为三轴汇交点，在虚拟仿真培训中，可完全模拟真实环境下外科钻的操作效果。本发明具有5个自由度，结构简单、制造成本低，能够降低外科医生的培训成本。

Description

一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置

技术领域

本发明涉及一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置，特别涉及应用于耳蜗移植虚拟仿真培训的力反馈触感装置。

背景技术

20世纪90年代以来，虚拟现实技术与交互式机器人技术得到快速的发展。目前，市场上比较成熟的触感装置有美国Sensable公司的PHANToM系列触感装置，但是其存在刚性差、力反馈维数有限、成本高等不足。

近几年，耳蜗移植技术也得到了快速的发展。在临床手术中，主要还是依靠医生的经验和直觉，所以需要大量的培训练习，而采用人工材料模拟练习成本较高。将虚拟仿真培训应用于耳蜗移植手术可降低外科医生的培训成本，对耳蜗移植技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于耳蜗移植虚拟仿真培训的5维触感装置。本发明可以实现完全的重力补偿并且具有力反馈功能。

本发明所采用的技术方案是：

本发明主要包括底座、平行四边形机构、小臂机构、手腕机构。其中，平行四边形机构通过转轴与底座连接，且其轴线与地面垂直，该设计方式使得前后和左右两个位置自由度均垂直于地面，故满足自身重力平衡，可减轻重力对于人手力感觉的影响；小臂机构与手腕机构的轴线沿水平方向，机构本身的重力会对人手力感觉产生影响，故需要对其进行重力补偿，但由于小臂机构与手腕机构本身的重量较轻，采用驱动电机对其进行重力补偿，因而实现了整个发明的完全重力平衡。

本发明主要应用于耳蜗移植虚拟仿真培训，而市面上触感装置末端手持装置不适合模拟电钻的操作，本发明手腕机构末端的手持装置为一实际外科钻，手腕机构末端操作点为三轴汇交点，这样在虚拟仿真的环境下，可完全模拟真实环境下外科钻的操作效果。由于外科钻的特殊性，无绕其轴线的自转自由度，所以本发明具有5个自由度；本发明通过驱动电机创造真实手术环境下的力反馈，使得操作者的感受更加的真实，提高了虚拟仿真培训的效果；同时，5维的触感装置结构更加的简单，制造成本进一步降低。

本发明涉及一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置具有以下优点：

1.本发明通过丝传动与齿轮传动结合的方式，具有体积小、结构简单、传动精度高的特点。

2.本发明主要应用于耳蜗移植的虚拟仿真培训，相比较于传统的培训，减少了培训的成本。

3.本发明具有水平放置的平行四边形结构，故前后和左右两个位置自由度均满足重力平衡，对于后三个自由度采用驱动电机补偿的方式，这样就实现了完全的重力补偿。

4.本发明的平行四边形机构可以实现机构末端操作点在水平面内的平动，便于操作，减小计算量。

5.本发明手腕机构的三个轴线交于末端操作点，便于运动学的求解，消除位姿补偿。

6.本发明的末端手持装置为一实际外科钻，可完全模拟真实环境下外科钻的操作效果。

附图说明

图1是具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置的总体装配示意图；

图2是图1所示的本发明装置的底座示意图；

图3是图1所示的本发明装置的平行四边形机构装配示意图；

图4是图1所示的本发明装置的伺服电机及丝筒安装示意图；

图5是图1所示的本发明装置的小臂机构示意图；

图6是图1所示的本发明装置的手腕机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置，包括底座1，平行四边形机构2，小臂机构3，手腕机构4。平行四边形机构2的绕轴线R1与轴线R2转动，提供前后和左右两个自由度，连同小臂机构3绕轴线R3的旋转运动共同实现手持装置4-11在空间X、Y、Z三个方向的运动。手腕机构4提供俯仰和偏航两个自由度，且R4、R5、手持装置4-11的轴线交于一点。本发明具有5个自由度。

如图2所示，底座1包括一个底部托架1-1，在底部托架1-1上通过螺钉固定一个空心圆柱1-2，空心圆柱1-2上开有螺纹孔，螺钉组1-3安装在空心圆柱1-2上，空心圆柱1-2的顶面设置有底座转轴1-5的安装槽，底座转轴1-5通过螺钉固定在空心圆柱1-2上，安装槽旁设置有弧形凹槽1-4，弧形凹槽1-4与立柱2-14配合限制平行四边形机构2的转角。

如图3所示，底座转轴1-5分别通过一对轴承与近架杆组2-1相连，其中两对轴承之间套有轴套2-11，和挡圈2-10，顶端有轴盖2-9。近架杆组2-1中短杆2-1-1的一端设有第二电机座，第二伺服电机2-4安装在第二电机座上，所述的第二伺服电机2-4的转轴通过螺钉与第二丝筒2-3相连，第二伺服电机的上端与第二编码器2-5相连。与上述的第二电机组的安装原理类似，近架杆组2-1中长杆2-1-2一端设有第一电机座，第一伺服电机2-7安装在第一电机座上，第一丝筒2-6与电机的转轴相连，第一编码器2-8安装在第一伺服电机2-7上部。如图4所示，第一丝筒2-6、第二丝筒2-3上分别缠绕有钢丝，钢丝贴着空心圆柱1-2走丝，并且分别固定在螺钉组1-3上，并且在螺钉之间加小弹簧提供预紧力。第一伺服电机2-7、第二伺服电机2-4相互配合为装置提供力反馈。近架杆组2-1中短杆2-1-1的另一端与远架杆组2-2的长杆2-2-2相连，其中连接轴2-13通过一对轴承与短杆2-1-1配合，连接轴2-13的顶端通过一轴盖2-12固定，连接轴的底部通过一个螺钉与长杆2-2-2固定。平行四边形机构2的其余两处转轴连接与上述的连接完全一样。平行四边形机构2与小臂机构3通过平行四边形转轴2-15连接，平行四边形转轴2-15的一端通过螺钉固定在远架杆组2-2中的短杆2-2-1上，平行四边形转轴的轴肩上固定有扇形盘2-16，扇形盘2-16上有弧形凹槽2-17。弧形凹槽2-17与小臂机构3上固定的圆柱形立柱3-5配合限制小臂机构3的转角。

如图5所示，平行四边形转轴的另一端通过一对轴承与小臂机构3中的小臂杆3-1连接，其上安装有第三伺服电机3-2，第三伺服电机3-2上安装有第三编码器3-3，第三伺服电机3-2的转轴与第三丝筒3-4通过螺钉连接。第三丝筒3-4上缠绕有钢丝，钢丝贴着扇形盘2-16的表面走丝后固定在扇形盘2-16上的螺钉组2-18上。小臂机构3的另一端通过小臂转轴3-14与手腕机构4的第一腕关节4-1连接。小臂杆3-1靠近小臂转轴3-14处通过螺钉固定有直角支撑座3-11，直角支撑座3-11上安装有第四伺服电机3-9，其上部安装有第四编码器3-8，下部安装有减速器3-10，减速器3-10的转轴与带有锥形齿轮的联轴器抱紧配合，轴盖3-12固定在小臂上。第四伺服电机通过锥形齿轮啮合与小臂转轴3-14配合。小臂转轴3-14与第一腕关节4-1之间有一轴套3-13，轴套3-13与第一腕关节4-1固定。

如图6所示，手腕机构4包括第一腕关节4-1，其上固定有圆柱形立柱4-2，与小臂杆3-1上的弧形凹槽配合限制小臂机构的转角。小臂转轴3-14的另一端通过螺钉与第一腕关节4-1固定。第一腕关节4-1通过手腕转轴4-8与第二腕关节4-9连接。第一腕关节末端处设置有第五电机座，其上安装有第五伺服电机4-4、第五编码器4-3、减速器4-5，第五电机组的安装方式与第四电机组相同。减速器4-5的转轴与联轴器4-6抱紧配合，轴盖4-7固定在第一腕关节4-1上。第五伺服电机通过锥形齿轮啮合的方式与手腕转轴4-8配合。手腕转轴4-8的另一端固定在第二腕关节4-9上。第一腕关节4-1与第二腕关节4-9连接处也设置有弧形凹槽，与圆柱形立柱4-10配合限制第二腕关节4-9的转角。第二腕关节的一端固定有手持装置4-11。小臂转轴3-14、手腕转轴4-8、手持装置4-11的轴线相交于一点。

Claims (1)

1.一种具有重力补偿功能的5维力反馈触感装置，其特征在于：包括底座、平行四边形机构、小臂机构、手腕机构；平行四边形机构水平放置，平行四边形机构中靠近底座的长杆与短杆组成近架杆组，远离底座的长杆与短杆组成远架杆组，近架杆组中的长杆与短杆分别通过一对轴承配合底座转轴与底座连接，近架杆组中的长杆与远架杆组的短杆、近架杆组中的短杆与远架杆组的长杆、远架杆组的长杆与短杆分别通过一对轴承配合连接轴连接，近架杆组中的长杆与短杆一端分别设有第一、第二电机座，其上分别安装有第一、第二伺服电机，平行四边形机构提供前后和左右两个位置自由度，实现水平面内平动；小臂机构与平行四边形机构的远架杆组中的短杆通过平行四边形转轴连接，提供上下自由度；手腕机构包含第一腕关节、第二腕关节、手持装置，小臂机构与手腕机构第一腕关节的连接轴为小臂转轴，手腕机构第一腕关节与第二腕关节的连接轴为手腕转轴，手腕机构末端操作点为小臂转轴、手腕转轴、手持装置的轴线汇交点且手持装置为一实际外科钻，由于外科钻的特殊性，无绕其轴线的自转自由度，手腕机构仅提供俯仰和偏航两个自由度。