CN109366451A - 一种绳传动三自由度力反馈设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绳传动三自由度力反馈设备，属于力反馈技术领域，解决现有力反馈设备惯性较大、成本高昂、不适用于小场景的问题。绳传动三自由度力反馈设备包括：约束支链、驱动支链和基座；约束支链包括第一连杆和第二连杆，且第一连杆和第二连杆通过万向节连接；第二连杆与基座铰接；驱动支链设有至少3组，沿圆周均布阵列在约束支链的周围；驱动支链包括驱动连杆，驱动连杆一端与基座通过绳传动机构铰接，另一端与第一连杆端部的动平台铰接。本发明提出的三自由度绳传动力反馈设备，具备大刚度、大输出力、小质量、高位置精度、高响应速度等优点，加工设计简单，成本低。

Description

一种绳传动三自由度力反馈设备

技术领域

本发明涉及力反馈技术领域，尤其涉及一种绳传动三自由度力反馈设备。

背景技术

力反馈是一种虚拟现实技术，利用机械结构来表现出虚拟场景中的反作用力，通过力反馈技术可以实现远程操作，常被应用于远程手术、电子游戏和反恐防爆等领域。凭借高动态响应、高刚度、高精度等优势，并联机构被广泛应用于力反馈设备。然而在一些场景下，例如远程手术，需要在较小的运动范围下，进行精确快速的力反馈控制，现有的力反馈设备采用的并联机构由于每条连杆必须采用金属材料以保证刚性，这种力反馈设备的惯性较大，影响了整个设备的相应速度、操作流畅度，而为了保证在较高的惯性的情况下也能保证控制精度，加工精度要求非常高，进而提高制造成本高，不利于推广和使用。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种绳传动三自由度力反馈设备，用以解决现有力反馈设备惯性较大、成本高昂、不适用于小场景的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种绳传动三自由度力反馈设备，绳传动三自由度力反馈设备包括：约束支链、驱动支链和基座；约束支链包括第一连杆和第二连杆，且第一连杆和第二连杆通过万向节连接；第二连杆与基座铰接；驱动支链设有至少3组，沿圆周均布阵列在约束支链的周围；驱动支链包括驱动连杆，驱动连杆一端与基座通过绳传动机构铰接，另一端与第一连杆端部的动平台铰接。

本发明技术方案中，第一连杆的端部与动平台固定连接；第二连杆的端部设有垂直贯穿第二连杆的连杆轴，且第二连杆能绕连杆轴转动；连杆轴的两端均与基座固定连接。

本发明技术方案中，万向节采用十字轴的形式：包括互相垂直的第一轴和第二轴；第一连杆与第一轴连接，第二连杆与第二轴连接，且第二轴能够始终与第二连杆垂直。

本发明技术方案中，绳传动机构包括：电机、电机座、第一绳轮、第二绳轮；

电机固定安装在电机座上；电机座与基座固定连接；第一绳轮通过绳轮轴与电机座转动连接，且绳轮轴与电机输出轴平行；第一绳轮的外缘与驱动连杆铰接；

第二绳轮与电机的输出轴固定连接；第一绳轮的外缘和第二绳轮的外缘设有钢丝绳，且第二绳轮通过钢丝绳带动第一绳轮转动。

本发明技术方案中，第一绳轮为半圆轮，绳轮轴固定在第一绳轮的圆心处；第一绳轮的圆周侧面设有内凹的绳槽，直径侧面设有2个紧固机构；

第二绳轮为圆轮，电机与第二绳轮的圆心处固定；第二绳轮的圆周侧面设有内凹的绳槽；

钢丝绳缠绕第二绳轮，并跨过第一绳轮的圆周侧面，且钢丝绳两端分别与紧固机构固定连接。

本发明技术方案中，电机上设有第一角度传感器，用来测量电机的转角；

绳轮轴上设有第二角度传感器，用来测量绳轮轴转动的角度；

第二角度传感器通过传感器座与电机座固定连接。

本发明技术方案中，驱动连杆为碳纤维杆，两端均固定安装有转动铰机构；

转动铰机构包括转动轴、固定套和球轴承；固定套一端设有盲孔，驱动连杆的端部插入盲孔中；

固定套另一端设有通孔，通过球轴承与转动轴连接；

第一绳轮的外缘和动平台的外缘均设有能够与转动轴固定连接的轴套。

本发明技术方案中，第一绳轮的靠近电机座的半圆面上设有一体化的限位销轴；

电机座对应限位销轴的位置设有圆弧形的通槽，限位销轴插入通槽中，形成限位结构。

本发明技术方案中，动平台为正多边形结构，且边数与驱动支链的组数相同；

动平台的轴套设置在动平台的顶点处。

本发明技术方案中，基座包括第一底盘和的第二底盘；

第一底盘为圆环形，驱动支链与第一底盘连接；约束支链与第一底盘的内圈铰接；

第二底盘与第一底盘垂直固定连接；第二底盘为圆环或椭圆环或多边形环。

本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明通过约束支链，限制动平台的运动范围，防止动平台移动出目标区域，结合线传动机构中的限位结构，还能防止因运动幅度过大造成整个设备的损坏；

2、本发明在驱动支链的驱动连杆使用了碳纤维杆，通过转动铰机构来实现驱动连杆的转动，而且回避了碳纤维杆不易连接的问题，能够有效的减轻整个设备的质量，减轻在运动过程中的惯性，提高整个设备的响应速度，增加输出力的大小，还不会影响整个设备的刚度和精度，进而降低了生产过程中对零部件的精度要求，降低了生产成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1本发明所述的三自由度绳传动力反馈设备整体装配图；

图2本发明所述的三自由度绳传动力反馈设备驱动支链结正面构图；

图3本发明所述的三自由度绳传动力反馈设备驱动支链结背面构图；

图4本发明所述的三自由度绳传动力反馈设备约束支链结构图；

图5本发明所述的三自由度绳传动力反馈设备基座结构图。

附图标记：

1-驱动支链、101-电机、102-第一角度传感器、103-电机座、104-第二角度传感器、105-传感器座、106-绳轮轴、107-第一绳轮、108-限位销轴、109-转动轴、110-球轴承、111-驱动连杆、112-第二绳轮、113-钢丝绳、114-紧固机构、2-约束支链、201-固定座、202-连杆轴、203-第二连杆、204-十字轴、205-第一连杆、206-动平台、207-轴套、3-基座、301-第一底盘、302-第二底盘。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

为了能够在充分利用并联结构的高动态响应、高刚度、高精度的优势，同时限制反馈设备的虚拟运动范围，本发明实施例中，一种绳传动三自由度力反馈设备，包括：约束支链2、驱动支链1和基座3。约束支链2包括第一连杆205和第二连杆203，且第一连杆205和第二连杆203通过万向节连接，能够保证动平台206在可移动的空间内自由移动；第二连杆203与基座3铰接；本发明实施例通过约束支链2连限制力反馈设备的运动范围。驱动支链1设有至少3组，优选为3组，过多的驱动支链1虽然能够同样实现本发明实施例的功能，但是增加了控制的难度，而且增加了整体的质量。驱动支链1沿圆周均布阵列在约束支链2的周围，驱动支链1包括驱动连杆111，驱动连杆111一端与基座3通过绳传动机构铰接，另一端与第一连杆205端部的动平台206铰接，形成闭环结构，当驱动支链1设有3组时，3组驱动支链1绕基座3的中心圆周均布，同时使用绳传动机构来带动驱动连杆111转动，进而实现动平台206的移动。

为了能够使动平台206在可移动的空间内自由移动，第一连杆205需要能够随动平台206移动，本发明实施例中，第一连杆205的端部与动平台206固定连接。为了不使第二连杆203影响动平台206的移动，本发明实施例中，第二连杆203的端部设有垂直贯穿第二连杆203的连杆轴202，且第二连杆203能绕连杆轴202转动。考虑到安装和拆卸方便，连杆轴202的两端均通过固定座201与基座3固定连接。

万向节可以采用多种形式，例如球铰，考虑到简化整个结构，同时在实际控制的过程中通常采用笛卡尔坐标系，因此本发明实施例中，万向节采用十字轴204的形式：包括互相垂直的第一轴和第二轴；第一连杆205与第一轴连接，第二连杆203与第二轴连接，且第二轴能够始终与第二连杆203垂直。正交的十字轴204能够使得本发明实施例的结构更加简单清晰，同时正交的形式也有利于进行左边变换，简化了控制算法的计算难度，进而提高控制精度。

为了减轻约束支链2的质量，第一连杆205和第二连杆203均采用铝合金材料制成同时，设有减重槽，通过合理的结构设计也能够增加本发明所述力反馈设备的机械刚度。

本发明实施例中，绳传动机构包括：电机101、电机座103、第一绳轮107、第二绳轮112；电机101固定安装在电机座103上，示例性的，电机101可以采用直流有刷或直流无刷电机101；电机座103与基座3固定连接；第一绳轮107通过绳轮轴106与电机座103转动连接，且绳轮轴106与电机101输出轴平行；第一绳轮107的外缘与驱动连杆111铰接；第二绳轮112与电机101的输出轴固定连接，示例性的，可以采用粘结或螺钉紧固的形式连接；第一绳轮107的外缘和第二绳轮112的外缘设有钢丝绳113，且第二绳轮112通过钢丝绳113带动第一绳轮107转动。驱动连杆111和第一绳轮107形成了连杆结构，使得绳传动机构能够有效的控制驱动连杆111的转动角度，实际使用时，电机101驱动第二绳轮112转动，第二绳轮112通过钢丝绳113带动第一绳轮107转动，进而带动驱动连杆111转动。此外采用钢丝绳113驱动的形式使得驱动的结构简单，无需过高的要求零部件的加工精度。

为了防止钢丝绳113被过度磨损，本发明实施例中，第一绳轮107为半圆轮，绳轮轴106固定在第一绳轮107的圆心处；第一绳轮107的圆周侧面设有内凹的绳槽，直径侧面设有2个紧固机构114；第二绳轮112为圆轮，电机101与第二绳轮112的圆心处固定；第二绳轮112的圆周侧面设有内凹的绳槽；钢丝绳113缠绕第二绳轮112，并跨过第一绳轮107的圆周侧面，且钢丝绳113两端分别与紧固机构114固定连接。绳槽不仅能够防止钢丝绳113过度磨损，还能防止钢丝绳113打滑，保证控制精度。紧固机构114除了能够固定钢丝绳113之外，还能调节钢丝绳113的张紧程度，防止钢丝绳113打滑或绷断，示例性的可以采用螺钉结构，将钢丝绳113与螺钉固定，通过旋转螺钉的形式来调整钢丝绳113的张紧程度。此外，为了能够降低本发明实施例的整体质量，第一绳轮107的圆周上设有若干减重通孔。

由于本发明实施例需要精确控制，因此需要时刻了解各部分的转动角度，本发明实施例中，电机101上设有第一角度传感器102，用来测量电机101的转角；绳轮轴106上设有第二角度传感器104，用来测量绳轮轴106转动的角度；第二角度传感器104通过传感器座105与电机座103固定连接。通过电机101的转角和绳轮轴106转动的角度即可计算出驱动连杆111的姿态和位置，以便于确定动平台206的姿态和位置。示例性的，第一角度传感器102可采用光电绝对编码器或光电增量编码器或电位计等具有测量角位移的传感器，第二角度传感器104均可采用电位计、磁编码器或绝对光电编码器等能够测量绝对角度的位移传感器。

为了进一步在不降低本发明实施例的结构强度的前提下，降低本发明实施例的质量，本发明实施例中，驱动连杆111为中空的碳纤维杆，两端均固定安装有转动铰机构；转动铰机构包括转动轴109、固定套和球轴承110；固定套一端设有盲孔，驱动连杆111的端部插入盲孔中，并通过粘结或通过销钉结合过盈配合来进行固定；固定套另一端设有通孔，通过球轴承110与转动轴109连接；第一绳轮107的外缘和动平台206的外缘均设有能够与转动轴109固定连接的轴套207。驱动连杆111可以直接采用炭纤维杆的标准件，而且两端的转动铰机构完全相同，可以方便安装，同时球轴承110和转动轴109也都可以采用标准件，因此只需要生产特定的固定套即可实现驱动连杆111的装配，而且装配后的驱动连杆111的两端也不用加以区分，方便了本发明实施例的整理装配。

考虑到当运动平台206的移动幅度过大时，会对整体结构造成损坏，因此需要对驱动连杆111的转动角度进行限位。本发明实施例中，第一绳轮107的靠近电机座103的半圆面上设有一体化的限位销轴108；电机座103对应限位销轴108的位置设有圆弧形的通槽，限位销轴108插入通槽中，形成限位结构。实际设计时可以根据不同的使用场景需求，来调整圆弧形通槽的圆心角角度，进而限制驱动连杆111的转动角度。

为了节省动平台206的用料，本发明实施例中，动平台206为正多边形结构，且边数与驱动支链1的组数相同；动平台206的轴套207设置在动平台206的顶点处。能够使每个驱动连杆111的作用相同，方便驱动算法的均一化，进而削减驱动算法的复杂程度。

本发明实施例在实际使用时，不一定会安装或固定在水平或竖直平面内，因此发明实施例中，基座3包括第一底盘301和的第二底盘302；第一底盘301为圆环形，驱动支链1与第一底盘301连接；约束支链2与第一底盘301的内圈铰接；第二底盘302与第一底盘301垂直固定连接；第二底盘302为圆环或椭圆环或多边形环。实际使用时，可以调整实第一底盘301和的第二底盘302之间的角度，以适应本发明实施例的安装环境。

综上所述，本发明实施例提供了一种绳传动三自由度力反馈设备，本发明通过约束支链2，限制动平台206的运动范围，防止动平台206移动处目标区域，结合线传动机构中的限位结构，还能都防止因运动幅度过大造成整个设备的损坏；本发明在驱动支链1的驱动连杆111使用了碳纤维杆，通过转动铰机构来实现驱动连杆111的转动，而且回避了碳纤维杆不易连接的问题，能够有效的减轻整个设备的质量，减轻在运动过程中的惯性，提高整个设备的响应速度，增加输出力的大小，还不会影响整个设备的刚度和精度，进而降低了生产过程中对零部件的精度要求，降低了生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述绳传动三自由度力反馈设备包括：约束支链(2)、驱动支链(1)和基座(3)；所述约束支链(2)包括第一连杆(205)和第二连杆(203)，且所述第一连杆(205)和第二连杆(203)通过万向节连接；所述第二连杆(203)与基座(3)铰接；所述驱动支链(1)设有至少3组，沿圆周均布阵列在所述约束支链(2)的周围；所述驱动支链(1)包括驱动连杆(111)，所述驱动连杆(111)一端与基座(3)通过绳传动机构铰接，另一端与所述第一连杆(205)端部的动平台(206)铰接。

2.根据权利要求1所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述第一连杆(205)的端部与动平台(206)固定连接；所述第二连杆(203)的端部设有垂直贯穿所述第二连杆(203)的连杆轴(202)，且所述第二连杆(203)能绕所述连杆轴(202)转动；所述连杆轴(202)的两端均与所述基座(3)固定连接。

3.根据权利要求2所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述万向节采用十字轴(204)的形式：包括互相垂直的第一轴和第二轴；所述第一连杆(205)与所述第一轴连接，所述第二连杆(203)与所述第二轴连接，且所述第二轴能够始终与所述第二连杆(203)垂直。

4.根据权利要求3所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述绳传动机构包括：电机(101)、电机座(103)、第一绳轮(107)和第二绳轮(112)；

所述电机(101)固定安装在所述电机座(103)上；所述电机座(103)与所述基座(3)固定连接；所述第一绳轮(107)通过绳轮轴(106)与所述电机座(103)转动连接，且所述绳轮轴(106)与电机(101)输出轴平行；所述第一绳轮(107)的外缘与所述驱动连杆(111)铰接；

所述第二绳轮(112)与电机(101)的输出轴固定连接；所述第一绳轮(107)的外缘和第二绳轮(112)的外缘设有钢丝绳(113)，且所述第二绳轮(112)通过所述钢丝绳(113)带动所述第一绳轮(107)转动。

5.根据权利要求4所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述第一绳轮(107)为半圆轮，所述绳轮轴(106)固定在所述第一绳轮(107)的圆心处；所述第一绳轮(107)的圆周侧面设有内凹的绳槽，直径侧面设有2个紧固机构(114)；

所述第二绳轮(112)为圆轮，所述电机(101)与所述第二绳轮(112)的圆心处固定；所述第二绳轮(112)的圆周侧面设有内凹的绳槽；

所述钢丝绳(113)缠绕所述第二绳轮(112)，并跨过所述第一绳轮(107)的圆周侧面，且所述钢丝绳(113)两端分别与所述紧固机构(114)固定连接。

6.根据权利要求5所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述电机(101)上设有第一角度传感器(102)，用来测量电机(101)的转角；

所述绳轮轴(106)上设有第二角度传感器(104)，用来测量绳轮轴(106)转动的角度；

所述第二角度传感器(104)通过传感器座(105)与所述电机座(103)固定连接。

7.根据权利要求6所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述驱动连杆(111)为碳纤维杆，两端均固定安装有转动铰机构；

所述转动铰机构包括转动轴(109)、固定套和球轴承(110)；所述固定套一端设有盲孔，所述驱动连杆(111)的端部插入所述盲孔中；

所述固定套另一端设有通孔，通过所述球轴承(110)与所述转动轴(109)连接；

所述第一绳轮(107)的外缘和动平台(206)的外缘均设有能够与所述转动轴(109)固定连接的轴套(207)。

8.根据权利要求7所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述第一绳轮(107)靠近所述电机座(103)的半圆面上设有一体化的限位销轴(108)；

所述电机座(103)对应所述限位销轴(108)的位置设有圆弧形的通槽，所述限位销轴(108)插入所述通槽中，形成限位结构。

9.根据权利要求8所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述动平台(206)为正多边形结构，且边数与驱动支链(1)的组数相同；

所述动平台(206)的轴套(207)设置在所述动平台(206)的顶点处。

10.根据权利要求1至9所述的绳传动三自由度力反馈设备，其特征在于，所述基座(3)包括第一底盘(301)和的第二底盘(302)；

所述第一底盘(301)为圆环形，所述驱动支链(1)与所述第一底盘(301)连接；所述约束支链(2)与所述第一底盘(301)的内圈铰接；

所述第二底盘(302)与所述第一底盘(301)垂直固定连接；所述第二底盘(302)为圆环或椭圆环或多边形环。