CN107160369B - 一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护，本发明具有反馈力大、结构及操作简单、实时性好、成本低廉、运动灵活等优点。

Description

一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备

技术领域

本发明涉及一种力反馈设备，尤其涉及一种6自由度框架式并联力反馈设备，能够适配圈式和笔式等多种人手运动捕捉装置，该设备可以提供6自由度运动输入和3自由度力觉输出。

背景技术

在虚拟现实技术领域中，通常需要向用户提供视觉、听觉、触/力觉等信息的反馈，使用户获得沉浸式的多感官体验和强烈的临场感。当前，市面上已有多款成熟的商业虚拟现实交互设备，如数据手套、力反馈器、VR眼镜等。其中，力反馈器作为一种新型的输入输出设备，可以为用户提供逼真的力觉反馈。与提供其它感官比如听觉、视觉、嗅觉的交互装置不同，力反馈器可以将力/触觉的信息在用户和虚拟场景之间进行双向传递。

目前，国内外已经有不少高校、研究所或个人在从事力反馈设备的研究和开发工作，所研制的力反馈设备主要为串联结构和Delta并联结构两种结构形式。经过对现有技术的专利文献检索发现，美国专利申请号US6088020，名称为：HAPTIC DEVICE，该专利在3自由度力反馈设备基础上，设计了一个可以提供2个自由度力矩输出的笔式末端，改善了单点式力反馈设备的力觉输出缺陷。但是缺点是笔式末端增加了额外的执行机构，使得末端转动惯量较大，对设备的自平衡有较大的影响。中国专利申请号201310042090.6和201610235880.X，名称分别为：一种串并联力反馈遥操作主手和一种三维平动力反馈设备，两个专利都采用了Delta并联结构来实现力反馈器的三维平动。此外，前者设计了串联结构的操作末端。但是由于Delta并联结构本身的局限性，这种结构的力反馈器的操作空间比较小，且正向运动学计算比较困难。中国专利申请号201110122863.2和2015103427022，名称分别为：一种6自由度力反馈虚拟手术器械和一种可拓展连接的6自由度力反馈机械臂，这两个专利设计的力反馈器的三维平动均采用串联结构实现，实现了比较大的操作空间。但是减速轮和配重块导致力反馈器平动的运动惯量较大。

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，反馈力大，实时性好，易于制造维修，自平衡简单，操作灵活，并且可以适配多种操作末端的6自由度框架式并联力反馈设备。

本发明所采用的技术方案是：

一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护。

进一步地，所述的机械机构包括底座组件、动平台组件、顶板组件和操作末端组件，所述底座组件和顶板组件通过四根竖直光杆导轨和光杆轴承固定座固接，组成力反馈器的外部框架结构，所述动平台组件通过四个箱式滑块分别与四根竖直光杆导轨滑动连接，实现竖直方向的平动；所述操作末端组件与动平台组件连接，用于捕捉人手运动，并实现力反馈器的6自由度运动。

进一步地，所述底座组件包含一个底座支撑平台、四个底座支脚、四根实心竖直的光杆导轨、四个光杆导轨支座、四个动平台限位支架、一个导线轮垫木、一个底座横向导线轮、两个底座侧向导线轮、第三电机、一个第三电机支架，四个底座支脚与底座支撑平台底部固定，可减小底座支撑平台与水平面的接触面积，方便搬运；四根实心竖直的光杆导轨和四个光杆导轨支座用于连接顶板组件和底座支撑平台；四个动平台限位支架分别套在四根实心竖直的光杆导轨上，并与底座支撑平台连接，用于限制动平台组件竖直方向的最低位置，防止动平台组件与底座支撑平台碰撞；所述底座横向导线轮固定在所述底座支撑平台上，用于将竖直方向从顶板组件传导下来的钢丝线转换成水平方向，然后经过两个底座侧向导线轮换向后与第三电机的第三电机轴螺纹套连接；所述第三电机支架用于将第三电机固定在底座支撑平台上。

进一步地，所述动平台组件包括一个移动平板、四个箱式滑块、八个移动平板固定支架、九个活接带孔螺栓、六条直线导轨、八个直线滑块、两条导轨连接支架、四个接线耳板、四个直线导轨限位支架、八个动平台横向导线轮、六个动平台侧向导线轮、两个电机支架、两个直线滑块垫木、一个十字连接支架、第一电机、第二电机，所述移动平板固定支架用于连接箱式滑块和移动平板；九个活接带孔螺栓中的四个用于通过钢丝线和底座组件的第三电机连接，实现移动平板的竖直方向的传动和力觉传输；另外四个用于通过钢丝线连接配重块，实现动平台组件的重力平衡；另一活接带孔螺栓过活接螺栓垫木设置在移动平板中心，与缠绕第三电机轴螺纹套的钢丝线连接形成一个闭环传动；所述六条直线导轨中的四条分别设置在移动平板四边形成矩形导轨框，两个直线导轨固定支架呈空间错开的十字形，两端均通过直线滑块与设置在移动平板四边的直线导轨滑动配合，实现互不干涉的平面运动，另外两条直线导轨呈十字形分别设置在两个直线导轨固定支架上，共同实现操作末端组件在移动平板上的平面运动；动平台横向导线轮和动平台侧向导线轮实现钢丝线换向，并分别与第一电机的第一电机轴螺纹套、第二电机的第二电机轴螺纹套连接；两个电机支架将第一电机、第二电机对称地固定在移动平板底部；四个接线耳板分别和位于直线导轨固定支架两端的直线滑块固接，提供钢丝线连接的位置；所述直线导轨限位支架设置在矩形导轨框两相邻直线导轨的两端，用于限制平面运动，防止直线滑块滑出直线导轨；所述十字连接支架通过另外四个直线滑块与两个空间错开的十字形直线导轨滑动连接，两个直线滑块垫木设置在所述十字连接支架与空间高度较低的直线滑块之间，用于弥补两个直线导轨固定支架的高度差，使二者整体高度一致，实现十字连接支架在移动平板上的二维平动。

进一步地，所述顶板组件包括一个顶板、固定在顶板上的四个顶板横向导线轮和三个顶板侧向导向轮、八个吊丝配重横向导线轮、四个用于连接光杆导轨的光杆支座，所述四个顶板横向导线轮和三个顶板侧向导线轮实现移动平板四角钢丝线在顶板的换向和汇集，最后将汇集后的钢丝线导入到底座组件，并和底座组件上的第三电机连接，八个吊丝配重横向导线轮用于配重钢丝线的换向。

进一步地，所述操作末端组件为笔式末端或圈式末端，所述笔式末端包括一个第一支架、深沟球轴承、一根主轴、一根第二支架、三个角度传感器、三个传感器轴套、一个四角按键开关和一根手柄，所述第一支架用于连接操作末端与动平台组件，所述主轴一端与固定在第一支架左臂上的深沟球轴承连接，另一端与带轴套的角度传感器连接，用于人手上下俯仰运动的捕捉，该角度传感器可以实时测量俯仰角度；所述第二支架下方与装在主轴中部的角度传感器连接，用于完成人手摆动运动的捕捉，该传感器可以实时测量摆动角度；所述手柄与固接在第二支架上端的角度传感器连接，用于捕捉人手沿手臂方向的自转运动，该角度传感器可以实时测量自转的角度；所述手柄上方的四角按键开关作为用户在虚拟环境中操作时抓取或释放虚拟物体的信号标识；例如按下按键抓取虚拟物体，松开按键释放虚拟物体；所述圈式末端包括一个传感器支座、一个第一支架、一个深沟球轴承、一个外圈、一个外圈挡板、一个内圈、三个角度传感器、一个螺纹套和一个薄壁止推轴承，所述传感器支座连接圈式末端和动平台组件，所述第一支架中部通过角度传感器及紧定螺钉与传感器支座转动连接，实现捕捉人手的左右摆动运动，该角度传感器可实时测量摆动角度；所述外圈和外圈挡板连接成整体，其一端通过深沟球轴承与第一支架左臂连接，另一端与位于第一支架右臂的角度传感器连接，实现捕捉人手的上下俯仰运动，该角度传感器可以实时测量上下俯仰角度；所述内圈通过薄壁止推轴承与外圈转动连接，所述外圈上固定有角度传感器，该角度传感器的轴上设有螺纹套，所述螺纹套上缠绕有与内圈相连接的钢丝，当内圈转动时带动角度传感器运动，实现捕捉人手沿手臂方向的自转运动。

进一步地，所述角度传感器均为零度测量盲区的霍尔式角度传感器。

进一步地，所述控制模块包括三个分别连接三个电机的500线光电编码器和三个带力矩控制模式和CAN总线通讯接口的电机驱动器，所述光电编码器用于获取电机当前的旋转角度，所述电机驱动器用于根据光电编码器采集的信息实时计算各电机的速度、角速度信息，然后根据机构运动学分析获得操作末端的位置、速度信息，所述电机驱动器还通过电流控制电机的输出力矩，从而实现在操作末端输出指定大小和方向的反馈力，相较于RS232或RS485通讯，采用CAN总线通讯减少了驱动器占用电脑端口的数量。三个空心杯永磁式直流有刷伺服电机、

进一步地，所述末端姿态采集模块包括ZigBee数据采集模块和ZigBee无线串口接收模块，所述数据采集模块的I/O口分别连接各角度传感器，所述数据采集模块对角度传感器进行电压信号采集并转换成相应的角度数据，然后按照ZStack协议将角度数据发送到接收端，此时电脑可以通过ZigBee无线串口模块接收采集到的角度数据。

进一步地，所述供电模块由24V直流电源适配器和三路空气开关构成，相比于普通开关电源，该电源适配器体积更小、包装更加可靠、使用寿命更长。空气开关接在电机和驱动器之间，当电机电流过载时，空气开关切断驱动器与电机的电路连接，起到保护电机的作用。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明摒弃传统串联结构和Delta并联结构的局限性，采用框架式并联结构设计了六自由度力反馈设备，具有反馈力大、结构及操作简单、实时性好、成本低廉、操作灵活等优点。

可适配多种末端的动平台组件设计，使得笔式和圈式等末端可以很方便地与动平台组件连接，极大地扩大了力反馈设备的应用场景，真正实现了一机多用。

对称的框架式并联结构使得力反馈器自平衡更加方便、可靠，采用吊丝配重法可以精确地平衡动平台组件的自重，大大减小末端操作的疲劳感，减少电机的负载损耗，使反馈力输出范围扩大。

通过线传动将动平台组件竖直方向运动传递到底座支撑平台上的第三电机，减小了动平台组件的运动惯量。第一、二电机对称布置在动平台组件上，保证了四周竖直光杆导轨上的箱式滑块受力的均衡性。

附图说明

图1和图2分别是本发明适配笔式和圈式操作末端的6自由度框架式并联力反馈设备的总体示意图。

图3是图1所示力反馈设备的底座组件具体组成示意图。

图4和图5分别是图1所示力反馈设备的动平台组件正面和反面具体组成示意图。

图6和图7分别是图1所示力反馈设备的顶板组件正面和反面的具体组成示意图。

图8是图1所示力反馈设备的笔式末端具体组成示意图。

图9是图2所示力反馈设备的圈式末端具体组成示意图。

图中：

1.底座组件；

1-1-1.底座支撑平台；1-2-1~1-2-4.底座支脚；1-3-1~1-3-4.光杆导轨支座；1-4-1~1-4-4.动平台限位支架；1-5-1~1-5-4.光杆导轨；1-6-1、1-6-2.空气开关固定支架；1-7-1.空气开关导轨；1-7-2.三路空气开关；1-8-1~1-8-3.三个电机驱动器；1-9-1.第三电机支架；1-10-1. 第三电机轴螺纹套；1-11-1.第三电机；1-12-1.第三光电编码器；1-13-1.导线轮垫木；1-14-1. 底座横向导线轮；1-15-1、1-15-2.底座侧向导线轮；

2.动平台组件；

2-1-1.移动平板；2-2-1~2-2-4.箱式滑块；2-3-1~2-3-8.移动平板固定支架；2-4-1~2-4-8.动平台横向导线轮；2-5-1~2-5-4.直线导轨限位支架；2-6-1~2-6-4、2-6-9.传动带孔活接螺栓；2-6-5~2-6-8.吊丝配重带孔活接螺栓；2-7-1~2-7-6.直线导轨；2-8-1~2-8-8.直线滑块；2-9-1~2-9-4.接线耳板；2-10-1~2-10-2.导轨连接支架；2-11-1~2-11-2.直线滑轨垫木；2-12-1.十字连接支架；2-13-1~2-13-6.动平台侧向导线轮；2-14-1.第一电机支架；2-14-2.第二电机支架；2-15-1. 第一电机轴螺纹套；2-15-2. 第二电机轴螺纹套；2-16-1.第一电机；2-16-2.第二电机；2-17-1~2-17-2.光电编码器；2-18-1.活接螺栓垫木；

3.顶板组件；

3-1-1.顶板；3-2-1~3-2-4.顶板横向导线轮；3-2-5~3-2-12.吊丝配重横向导线轮；3-3-1~3-3-3.顶板侧向导向轮；3-4-1~3-4-4.光杆支座；

4.笔式末端；

4-1-1.第一支架；4-2-1.深沟球轴承；4-3-1.主轴；4-4-1.第一角度传感器；4-4-2.第二角度传感器；4-4-3.第三角度传感器；4-5-1~4-5-3.传感器轴套； 4-6-1.第二支架；4-7-1.手柄；

5.圈式末端；

5-1-1.传感器支座；5-2-1.第三支架；5-3-1.第四角度传感器 ；5-3-2.第五角度传感器；5-3-3.第六角度传感器；5-4-1.外圈挡板；5-4-2.外圈；5-5-1.内圈；5-6-1.薄壁止推轴承。

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、图2所示，一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护。

具体而言，所述的机械机构包括底座组件1、动平台组件2、顶板组件3和操作末端组件，所述底座组件1和顶板组件3通过四根竖直光杆导轨和光杆轴承固定座固接，组成力反馈器的外部框架结构，所述动平台组件2通过四个箱式滑块分别与四根竖直光杆导轨滑动连接，实现竖直方向的平动；所述操作末端组件与动平台组件连接，用于捕捉人手运动，并实现力反馈器的6自由度运动，其中动平台组件2实现3个自由度平动和反馈力输出，操作末端组件实现3个自由度转动，可以根据特定应用场景选择合适的操作末端组件。

如图3所示，底座组件1包括底座支撑平台1-1-1、四个底座支脚1-2-1~1-2-4、四个光杆导轨支座1-3-1~1-3-4、四个动平台限位支架（1-4-1~1-4-4）、四根光杆导轨（1-5-1~1-5-4）、两个空气开关固定支架1-6-1、1-6-2、一根空气开关导轨1-7-1、一个三路空气开关1-7-2、三个电机驱动器1-8-1~1-8-3、第三电机支架1-9-1、第三电机轴螺纹套1-10-1、第三电机1-11-1、第三光电编码器1-12-1、导线轮垫木1-13-1、底座横向传动导线轮1-14-1、底座侧向传动导线轮1-15-1、1-15-2组成。四个底座支脚1-2-1~1-2-4通过沉头螺纹孔与底座支撑平台1-1-1连接，减少底座与平面接触面积且方便设备的搬运。四根光杆导轨1-5-1~1-5-4分别通过四个光杆导轨支座1-3-1~1-3-4与底座支撑平台1-1-1连接。四个限制动平台组件2竖直方向运动的动平台限位支架1-4-1~1-4-4分别套在四个光杆导轨1-5-1~1-5-4上，并通过螺栓与底座支撑平台1-1-1固定，限制动平台组件2最低位置，防止其与底座发生碰撞。三路空气开关1-7-2与空气开关导轨1-7-1连接，2个空气开关固定支架1-6-1、1-6-2连接空气开关导轨1-7-1与底座支撑平台1-1-1，空气开关作为电机电流过载保护，防止其烧毁。三个电机驱动器1-8-1~1-8-3直接通过螺栓与底座支撑平台1-1-1连接。第三电机1-11-1与第三电机支架1-9-1连接，第三电机支架1-9-1通过螺纹孔与底座支撑平台1-1-1固定。第三电机轴螺纹套1-10-1使用紧定螺钉与第三电机1-11-1连接。底座横向传动导线轮1-14-1与导线轮垫木1-13-1共同使用螺栓与底座支撑平台1-1-1固定。底座侧向传动导线轮1-15-1、1-15-2使用沉头螺钉与底座支撑平台1-1-1连接，底座横向传动导线轮1-14-1、底座侧向导线轮1-15-1、1-15-2负责将钢丝线换向并与第三电机1-11-1连接，实现闭环传动。

如图4、图5所示，所述动平台组件包括一个移动平板2-1-1、四个箱式滑块2-2-1~2-2-4、八个移动平板固定支架2-3-1~2-3-8、九个活接带孔螺栓、六条直线导轨2-7-1~2-7-6、八个直线滑块2-8-1~2-8-8、两条导轨连接支架2-10-1、2-10-2、四个接线耳板2-9-1~2-9-4、四个直线导轨限位支架2-5-1~2-5-4、八个动平台横向导线轮2-4-1~2-4-8、六个动平台侧向导线轮2-13-1~2-13-6、第一电机支架2-14-1、第二电机支架2-14-2、两个直线滑块垫木2-11-1、2-11-2、一个十字连接支架2-12-1、第一电机2-16-1、第二电机2-16-2，所述移动平板固定支架2-3-1~2-3-8用于连接箱式滑块2-2-1~2-2-4和移动平板2-1-1；九个活接带孔螺栓中的四个传动带孔活接螺栓2-6-1~2-6-4用于通过钢丝线和底座组件1的第三电机1-10-1连接，实现移动平板2-1-1的竖直方向的传动和力觉传输；另外四个吊丝配重带孔活接螺栓2-6-5~2-6-8用于通过钢丝线连接配重块，实现动平台组件的重力平衡；另一活传动带孔活接螺栓2-6-9通过活接螺栓垫木2-18-1设置在移动平板2-1-1中心，与缠绕第三电机轴螺纹套1-10-1的钢丝线连接形成一个闭环传动；四条直线导轨2-7-1~2-7-4设置在移动平板2-1-1四边形成矩形导轨框，两条导轨连接支架2-10-1、2-10-2呈空间错开的十字形，两端均通过直线滑块2-8-1~2-8-4与设置在移动平板2-1-四边的直线导轨2-7-1~2-7-4滑动配合，实现互不干涉的平面运动，另外两条直线导轨2-7-5~2-7-6呈十字形分别设置在两个直线导轨固定支架2-10-1、2-10-2上，共同实现操作末端组件在移动平板上的平面运动；动平台横向导线轮2-4-1~2-4-8和动平台侧向导线轮2-13-1~2-13-6实现钢丝线换向，并分别与第一电机的第一电机轴螺纹套、第二电机的第二电机轴螺纹套连接，其中八个动平台横向导线轮2-4-1~2-4-8两两上下对称布置在移动平板2-1-1的上下面，通过螺栓与移动平板2-1-1固定，实现将与耳板连接的钢丝线换向。；两个电机支架分别将第一电机机2-16-1、第二电机机2-16-2对称地固定在移动平板底部；四个接线耳板2-9-1~2-9-4分别和位于直线导轨固定支架2-10-1、2-10-2两端的直线滑块2-8-1~2-8-4固接，提供钢丝线连接的位置；所述直线导轨限位支架2-5-1~2-5-4呈L形，紧贴地设置在矩形导轨框两相邻直线导轨的两端，如直线导轨2-7-1和2-7-4两端，底部与移动平板2-1-1固定，用于限制平面运动，防止直线滑块2-8-1和2-8-4滑出直线导轨2-7-1和2-7-4；所述十字连接支架2-12-1通过另外四个直线滑块2-8-5~2-8-8与两个空间错开的十字形分布的直线导轨2-7-5~2-7-6滑动连接，两个直线滑块垫木2-11-1、2-11-2设置在所述十字连接支架2-12-1与空间高度较低的直线滑块2-8-6、2-8-8之间，用于弥补两个直线导轨固定支架的高度差，使二者整体高度一致，实现十字连接支架2-12-1在移动平板2-1-1上的二维平动。

如图6、图7所示，所述顶板组件包括一个顶板3-1-1、固定在顶板3-1-1上的四个顶板横向导线轮3-2-1~3-2-4和三个顶板侧向导向轮3-3-1~3-3-3、八个吊丝配重横向导线轮3-2-5~3-2-12、四个用于连接光杆导轨的光杆支座3-4-1~3-4-4，所述四个顶板横向导线轮3-2-1~3-2-4和三个顶板侧向导线轮实现移动平板四角钢丝线在顶板的换向和汇集，最后将汇集后的钢丝线导入到底座组件1，并和底座组件1上的第三电机1-11-1的第三电机轴螺纹套1-10-1连接，八个吊丝配重横向导线轮3-2-5~3-2-12用于配重钢丝线的换向，八个吊丝配重横向导线轮3-2-5~3-2-12通过螺栓与顶板固定，三个顶板侧向导向轮3-3-1~3-3-3使用沉头螺钉与顶板连接，四个光杆导轨支座3-4-1~3-4-4将四根光杆导轨1-5-1~1-5-4与顶板3-1-1固定连接。

在一个可行的实施例中，如图8所示，所述操作末端组件为笔式末端4，包括一个第一支架4-1-1、深沟球轴承4-2-1、一根主轴4-3-1、一根第二支架4-6-1、第一角度传感器4-4-1、第二角度传感器4-4-2、第三角度传感器4-4-3、三个传感器轴套4-5-1~4-5-3、一个四角按键开关和一根手柄4-7-1，所述第一支架4-1-1用于连接操作末端与动平台组件2，所述主轴4-3-1一端与固定在第一支架4-1-1左臂上的深沟球轴承4-2-1连接，深沟球轴承4-2-1外圈与第一支架4-1-1过盈配合，主轴4-3-1左端与深沟球轴承4-2-1内圈过盈配合；另一端与带轴套的第一角度传感器4-4-1连接，主轴4-3-1可以沿轴线自转，用于人手上下俯仰运动的捕捉，第一角度传感器4-4-1可以实时测量俯仰角度；所述第二支架4-6-1下方与装在主轴4-3-1中部的第二角度传感器4-4-2连接，用于完成人手摆动运动的捕捉，第二角度传感器4-4-2可以实时测量摆动角度。所述手柄与固接在第二支架上端的角度传感器连接，用于捕捉人手沿手臂方向的自转运动；第三角度传感器可以实时测量自转的角度。所述手柄4-7-1上方的四角按键开关作为用户在虚拟环境中操作时抓取或释放虚拟物体的信号标识；例如按下按键抓取虚拟物体，松开按键释放虚拟物体。

在另一可行的实施例中，如图9所示，所述操作末端组件为圈式末端5，包括一个传感器支座5-1-1、一个第三支架5-2-1、一个深沟球轴承、一个外圈5-4-1、一个外圈挡板5-4-2、一个内圈5-5-1、第四角度传感器5-3-1、第五角度传感器5-3-2、第六角度传感器5-3-3、一个螺纹套和一个薄壁止推轴承5-6-1，所述传感器支座5-1-1连接圈式末端和动平台组件2，所述第三支架5-2-1中部通过第四角度传感器5-3-1及紧定螺钉与传感器支座5-1-1转动连接，实现捕捉人手的左右摆动运动，该第四角度传感器5-3-1可实时测量摆动角度；所述外圈5-4-1和外圈挡板5-4-2使用六个螺栓连接成整体，其一端通过深沟球轴承与第三支架5-2-1左臂连接，另一端与位于第三支架5-2-1右臂的第五角度传感器5-3-2连接，实现捕捉人手的上下俯仰运动，第五角度传感器5-3-2可以实时测量上下俯仰角度；所述内圈5-5-1通过薄壁止推轴承5-6-1与外圈5-4-1转动连接，所述外圈5-4-1上固定有第六角度传感器5-3-3，第六角度传感器5-3-3的轴上设有螺纹套，所述螺纹套上缠绕有与内圈5-5-1相连接的钢丝，当内圈5-5-1转动时带动第六角度传感器5-3-3运动，实现捕捉人手沿手臂方向的自转运动。

设备3个自由度的平动传动比均为1:1，传动形式为线传动。线传动具有无传动间隙、动平稳、惯量小、无传动噪音，成本低廉等优点。各电机采用空心杯永磁式直流有刷伺服电机。各电机驱动器采用与电机匹配，带有力矩控制模式和CAN总线通讯接口的电机控制器。各角度使用零度测量盲区的霍尔式角度传感器。

所述末端姿态采集模块包括ZigBee数据采集模块和ZigBee无线串口接收模块，所述数据采集模块的I/O口分别连接各角度传感器，所述数据采集模块对角度传感器进行电压信号采集并转换成相应的角度数据，然后按照ZStack协议将角度数据发送到接收端，此时电脑可以通过ZigBee无线串口模块接收采集到的角度数据。

所述供电模块由24V直流电源适配器和三路空气开关构成，相比于普通开关电源，该电源适配器体积更小、包装更加可靠、使用寿命更长。空气开关接在电机和驱动器之间，当电机电流过载时，空气开关切断驱动器与电机的电路连接，起到保护电机的作用。

本发明的目的是获取用户操作时，人手在空间中的位姿，并提供人手三维的力觉反馈，其工作原理是：

1、人手在空间中位置信息的获取。操作者用手握住笔式末端4的手柄4-7-1，或者把手伸入到圈式末端5的内圈5-5-1中，并使用扎带对手进行捆绑固定。当操作者上下移动手时，箱式滑块2-2-1~2-2-4会带动移动平板2-1-1沿着竖直方向上下移动，移动平板2-1-1四个角上的传动带孔活接螺栓2-6-1~2-6-4分别连接着四条钢丝线，四条钢丝线经过顶板3-1-1的顶板横向导线轮3-2-1~3-2-4和顶板侧向导线轮3-3-1~3-3-3换向，在顶板横向导线轮3-2-4汇聚成一条钢丝线。这根钢丝线一直延伸到底座支撑平台1-1-1，经过一个底座横向导线轮1-14-1和两个底座侧向导线轮1-15-1、1-15-2换向，与固定在第三电机1-11-1上的第三电机轴螺纹套1-10-1缠绕三圈，最后钢丝线与移动平板2-1-1中心的传动带孔活接螺栓2-6-9连接，形成一个闭环传动。移动平板2-1-1上下移动通过上述钢丝线传递到第三电机1-11-1，通过第三光电编码器1-12-1可以采集第三电机1-11-1旋转的角度，从而可以获取人手竖直方向的位置；当操作者左右移动手时，会带动前后直线滑轨2-7-1、2-7-3上的直线滑块2-8-1、2-8-3左右移动。直线滑块2-8-3上的接线耳板2-9-2左侧连接有钢丝线，钢丝线经过两个动平台横向导线轮2-4-4、2-4-8、两个动平台侧向导线轮2-13-1、2-13-3换向，与固定在第一电机2-16-1上的第一电机轴螺纹套2-15-1缠绕三圈，接着钢丝线依次经过四个动平台侧向导线轮2-13-4、2-13-5、2-13-6、2-13-2和两个动平台横向导线轮2-4-5、2-4-3换向，最后与接线耳板2-9-2右端连接，形成闭环传动。直线滑块2-8-1、2-8-3的左右移动沿着上述钢丝线传递到第一电机2-16-1。通过第一光电编码器2-17-1可以采集第一电机2-16-1旋转的角度，从而可以获取人手左右方向的位置；当操作者前后移动手时，会带动左右直线滑轨2-7-4、2-7-2上的直线滑块2-8-4、2-8-2前后移动。直线滑块2-8-2上的接线耳板2-9-1前端连接有钢丝线，钢丝线经过两个动平台横向导线轮2-4-2、2-4-6，与固定在第二电机2-16-2上的第二电机轴螺纹套2-15-2缠绕三圈，接着经过两个动平台横向导线轮2-4-7、2-4-1换向，最后与接线耳板2-9-1后端连接，形成闭环传动。直线滑块2-8-4、2-8-2的前后移动沿着上述钢丝线传递到第二电机2-16-2。通过第二光电编码器2-17-2可以采集第二电机2-16-2旋转的角度，从而可以获取人手前后方向的位置；

2、人手在空间中姿态信息的获取。笔式末端4：当人手上下俯仰时，会带动主轴4-3-1沿轴线转动，主轴4-3-1右端与第一角度传感器4-4-1的轴连接，因此主轴4-3-1的转动会带动第一角度传感器4-4-1的轴转动。通过采集第一角度传感器4-4-1的电压值就可以获取人手俯仰的角度；当人手左右摆动时，会带动第二支架4-6-1沿第二角度传感器4-4-2的轴线转动，第二角度传感器4-4-2轴与第二支架4-6-1固接，因此第二支架4-6-1的转动会带动第二角度传感器4-4-2的轴转动。通过采集第二角度传感器4-4-2的电压值就可以获取人手左右摆动的角度；当人手沿手臂方向自转时，手柄4-7-1沿第三角度传感器4-4-3的轴线转动，第三角度传感器4-4-3轴与手柄4-7-1固接，因此手柄4-7-1的转动会带动第三角度传感器4-4-3的轴转动。通过采集第三角度传感器4-4-3的电压值就可以获取人手沿手臂方向自转的角度。圈式末端5：当人手上下俯仰时，会带动外圈5-4-1沿第三支架5-2-1左右臂上端通孔的轴线转动，外圈5-4-1的右端与第五角度传感器5-3-2的轴连接，因此外圈5-4-1的转动会带动第五角度传感器5-3-2的轴转动，通过采集第五角度传感器5-3-2的电压值就可以获取人手俯仰的角度；当人手左右摆动时，会带动第三支架5-2-1沿传感器支座5-1-1的轴线转动。第四角度传感器5-3-1与第三支架5-2-1固接，第四角度传感器5-3-1的轴与传感器支座5-1-1连接，因此第三支架5-2-1的转动会带动第四角度传感器5-3-1的轴转动，通过采集第四角度传感器5-3-1的电压值就可以获取人手左右摆动的角度；当人手沿手臂方向自转时，会带动内圈5-5-1沿轴线自转。内圈5-5-1与固定在外圈5-4-1的第六角度传感器5-3-3使用线传动形式连接，因此内圈5-5-1的转动会带动第六角度传感器5-3-3的轴转动，通过采集第六角度传感器5-3-3的电压值就可以获取人手手臂方向自转的角度。

3、人手三维力觉反馈的获取。当操作者控制末端保持其位置动时，需要输出的指定反馈力，首先将需要输出的反馈力分解成三个方向上的分力，然后根据第一电机2-16-1、第二电机2-16-2、第三电机1-11-1的转矩常数、各传动线路的传动比以及调整系数分别计算出需要提供给电机的电流值，最后通过三个驱动器1-8-1~1-8-3分别向第一电机2-16-1、第二电机2-16-2、第三电机1-11-1输出指定大小的电流，实现提供人手执行大小和方向的反馈力。

综上可知，本发明各电机到操作末端的传动比均为1:1，且对称的框架式并联结构可以彻底平衡为力反馈设备动平台组件的自重，从而充分使用了电机的负载能力，可以提供较大的反馈力输出，具有反馈力大、结构及操作简单、实时性好、成本低廉、运动灵活等优点，所述移动平板组件2可以适配多种操作末端，如圈式末端和笔试末端等，极大地拓展了设备的应用场景，实现了一机多用。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动而不脱离本发明的设计范围。倘若这些改动属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护；所述机械机构包括底座组件、动平台组件、顶板组件和操作末端组件，所述底座组件和顶板组件通过四根竖直光杆导轨和光杆轴承固定座固接，组成力反馈器的外部框架结构，所述动平台组件通过四个箱式滑块分别与四根竖直光杆导轨滑动连接，实现竖直方向的平动；所述操作末端组件与动平台组件连接，用于捕捉人手运动，并实现力反馈器的6自由度运动。

2.根据权利要求1所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述底座组件包含一个底座支撑平台、四个底座支脚、四根实心竖直的光杆导轨、四个光杆导轨支座、四个动平台限位支架、一个导向轮垫木、一个底座横向导向轮、两个底座侧向导向轮、第三电机、一个第三电机支架，四个底座支脚与底座支撑平台底部固定；四根实心竖直的光杆导轨和四个光杆导轨支座用于连接顶板组件和底座支撑平台；四个动平台限位支架分别套在四根实心竖直的光杆导轨上，并与底座支撑平台连接；所述底座横向导向轮固定在所述底座支撑平台上，用于将竖直方向从顶板组件传导下来的钢丝线转换成水平方向，然后经过两个底座侧向导向轮换向后与第三电机的第三电机轴螺纹套连接；所述第三电机支架用于将第三电机固定在底座支撑平台上。

3.根据权利要求2所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述动平台组件包括一个移动平板、四个箱式滑块、八个移动平板固定支架、九个活接带孔螺栓、六条直线导轨、八个直线滑块、两条导轨连接支架、四个接线耳板、四个直线导轨限位支架、八个动平台横向导向轮、六个动平台侧向导向轮、两个电机支架、两个直线滑块垫木、一个十字连接支架、第一电机、第二电机，所述移动平板固定支架用于连接箱式滑块和移动平板；九个活接带孔螺栓中的四个用于通过钢丝线和底座组件的第三电机连接，实现移动平板的竖直方向的传动和力觉传输，另外四个用于通过钢丝线连接配重块，实现动平台组件的重力平衡，最后一个活接带孔螺栓通过活接螺栓垫木设置在移动平板中心，与缠绕第三电机轴螺纹套的钢丝线连接形成一个闭环传动；所述六条直线导轨中的四条分别设置在移动平板四边形成矩形导轨框，两个直线导轨固定支架呈空间错开的十字形，每一个直线导轨固定支架两端均通过直线滑块与设置在移动平板四边的直线导轨滑动配合，实现互不干涉的平面运动，另外两条直线导轨呈十字形分别设置在两个直线导轨固定支架上，共同实现操作末端组件在移动平板上的平面运动；动平台横向导向轮和动平台侧向导向轮实现钢丝线换向，并分别与第一电机的第一电机轴螺纹套、第二电机的第二电机轴螺纹套连接；两个电机支架将第一电机、第二电机对称地固定在移动平板底部；四个接线耳板分别和位于直线导轨固定支架两端的直线滑块固接，提供钢丝线连接的位置；所述直线导轨限位支架设置在矩形导轨框两相邻直线导轨的两端，用于限制平面运动，防止直线滑块滑出直线导轨；所述十字连接支架通过另外四个直线滑块与两个空间错开的十字形直线导轨滑动连接，两个直线滑块垫木设置在所述十字连接支架与空间高度较低的直线滑块之间，用于弥补两个直线导轨固定支架的高度差，使二者整体高度一致，实现十字连接支架在移动平板上的二维平动。

4.根据权利要求2所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述顶板组件包括一个顶板、固定在顶板上的四个顶板横向导向轮和三个顶板侧向导向轮、八个吊丝配重横向导向轮、四个用于连接光杆导轨的光杆支座，所述四个顶板横向导向轮和三个顶板侧向导向轮实现移动平板四角钢丝线在顶板的换向和汇集，最后将汇集后的钢丝线导入到底座组件，并和底座组件上的第三电机连接，八个吊丝配重横向导向轮用于配重钢丝线的换向。

5.根据权利要求1所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述操作末端组件为笔式末端或圈式末端，所述笔式末端包括一个笔式末端第一支架、深沟球轴承、一根主轴、一根第二支架、三个角度传感器、三个传感器轴套、一个四角按键开关和一根手柄，所述笔式末端第一支架用于连接操作末端与动平台组件，所述主轴一端与固定在笔式末端第一支架左臂上的深沟球轴承连接，另一端与带轴套的角度传感器连接，用于人手上下俯仰运动的捕捉；所述第二支架下方与装在主轴中部的角度传感器连接，用于完成人手摆动运动的捕捉；所述手柄与固接在第二支架上端的角度传感器连接，用于捕捉人手沿手臂方向的自转运动；所述手柄上方的四角按键开关作为用户在虚拟环境中操作时抓取或释放虚拟物体的信号标识；所述圈式末端包括一个传感器支座、一个圈式末端第一支架、一个深沟球轴承、一个外圈、一个外圈挡板、一个内圈、三个角度传感器、一个螺纹套和一个薄壁止推轴承，所述传感器支座连接圈式末端和动平台组件，所述圈式末端第一支架中部通过角度传感器及紧定螺钉与传感器支座转动连接，实现捕捉人手的左右摆动运动；所述外圈和外圈挡板连接成整体，其一端通过深沟球轴承与圈式末端第一支架左臂连接，另一端与位于圈式末端第一支架右臂的角度传感器连接，实现捕捉人手的上下俯仰运动；所述内圈通过薄壁止推轴承与外圈转动连接，所述外圈上固定有角度传感器，外圈上的角度传感器的轴上设有螺纹套，外圈上的角度传感器轴上的螺纹套上缠绕有与内圈相连接的钢丝，当内圈转动时带动外圈上的角度传感器运动，实现捕捉人手沿手臂方向的自转运动。

6.根据权利要求5所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述笔式末端或圈式末端中的角度传感器均为零度测量盲区的霍尔式角度传感器。

7.根据权利要求3所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述驱动控制模块包括三个分别连接三个电机的500线光电编码器、三个带力矩控制模式和CAN总线通讯接口的电机驱动器，所述光电编码器用于获取电机当前的旋转角度，所述电机驱动器用于根据光电编码器采集的信息实时计算各电机的速度、角速度信息，然后根据机构运动学分析获得操作末端的位置、速度信息，所述电机驱动器还通过电流控制电机的输出力矩，从而实现在操作末端输出指定大小和方向的反馈力。

8.根据权利要求5所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述末端姿态采集模块包括ZigBee数据采集模块和ZigBee无线串口接收模块，所述数据采集模块的I/O口分别连接各角度传感器，所述数据采集模块对角度传感器进行电压信号采集并转换成相应的角度数据，然后按照ZStack协议将角度数据发送到接收端，此时电脑可以通过ZigBee无线串口模块接收采集到的角度数据。

9.根据权利要求1所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述供电模块由24V直流电源适配器和三路空气开关构成，所述空气开关接在电机和驱动器之间。

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