CN112025740B

CN112025740B - 一种张拉整体结构力反馈装置

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Publication number: CN112025740B
Application number: CN202010744479.5A
Authority: CN
Inventors: 周国杰; 王攀峰; 刘世博; 赵学满; 马帅
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: CN112025740A

Abstract

本发明公开了一种张拉整体结构力反馈装置，包括随动转向模组、操作模组和三组结构相同的驱动绕线模组；驱动绕线模组包括转轴和与电机支架转动连接的绕线轮，三个转轴位于同一平面、周向均布、且轴线相交于一点；随动转向模组包括轴套筒和可以改变夹角的三个万向节；操作模组包括三组均由串联的一条绳索和一个弹簧构成的拉伸结构，三条绳索分别缠绕于三个绕线轮上，拉伸结构的两端分别与操作手柄和操作手柄后平台连接。当操作者移动操作手柄时，控制三个驱动电机的输出力矩，通过拉伸结构将驱动力传递至操作手柄，实现力反馈。整个装置具有较高的力反馈精度、较大的工作空间以及紧凑的结构，且同时具有运动部件惯性低，成本低、维护简单等优点。

Description

一种张拉整体结构力反馈装置

技术领域

本发明涉及一种用于机器人的力反馈机构，尤其涉及一种张拉整体结构力反馈装置。

背景技术

现有的力反馈装置多采用串联机构或并联机构，由于串联机构力反馈机构刚性差且运动部件惯性大降低了力觉刚性、且位置精度较低。类似的，并联机构虽然刚性高且精度较高，但由于结构复杂，制造难度高，因而整机价格较高。因此，本发明将基于一种张拉整体结构设计力反馈装置。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种张拉整体结构力反馈装置，该装置中采用具有质量轻且结构紧凑的独特优势的张拉整体结构，整个装置具有较高的力反馈精度、较大的工作空间以及紧凑的结构，且同时具有运动部件惯性低，成本低、维护简单等优点。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种张拉整体结构力反馈装置，包括机架、三组结构相同的驱动绕线模组、随动转向模组和操作模组；

所述驱动绕线模组包括电机支架、驱动电机、绕线轮和转轴，所述驱动电机与所述绕线轮安装于所述电机支架上，所述绕线轮与所述电机支架转动连接，所述驱动电机通过传动机构带动所述绕线轮，每组驱动绕线模组中的所述转轴通过轴承转动安装于所述机架上，三组驱动绕线模组中的所述转轴位于同一平面，周向均匀布置、且轴线相交于一点；

所述随动转向模组包括一个轴套筒、一个主万向节和两个副万向节，所述主万向节和两个副万向节均分别通过一对圆柱销或一对转轴与所述轴套筒转动连接，两个副万向节在与所述轴套筒的连接处开有横槽；所述主万向节与驱动绕线模组中的一个转轴固接，两个副万向节分别与驱动绕线模组中的另两个转轴固接；

所述操作模组包括花键轴套、花键轴、操作手柄、操作手柄后平台和三组拉伸结构；所述花键轴套与所述随动转向模组中的所述轴套筒固定安装，所述花键轴与所述花键轴套滑动安装，所述操作手柄后平台和所述操作手柄分别固接于所述花键轴的两端；每组拉伸结构包括一条绳索，所述绳索的一端连接有一个弹簧，三组拉伸结构中的每条绳索分别缠绕于三组驱动绕线模组中的绕线轮上，所述拉伸结构的两端分别与所述操作手柄和所述操作手柄后平台连接。

进一步讲，本发明所述的张拉整体结构力反馈装置，当操作者移动操作手柄时，控制三个驱动电机的输出力矩，通过所述弹簧及绳索的作用，将驱动电机的驱动力传递至操作手柄，从而实现力反馈。

本发明中，三组驱动绕线模组中的驱动电机均安装有编码器和位置检测装置，当操作者移动操作手柄时，所述位置检测装置检测驱动电机的旋转角度，计算出操作手柄中心的空间位置，从而实现位姿监测。

本发明中，所述随动转向模组中，在所述轴套筒的周向均匀布置有六个贯穿所述轴套筒筒壁的圆柱销或转轴，相对的两个圆柱销或转轴构成一对，其中的一对与所述主万向节转动连接，其余的两对分别与两个副万向节连接，与所述副万向节连接的所述圆柱销或转轴在所述横槽内转动及滑动，从而实现包括一个主万向节和两个副万向节的三个万向节间夹角的变化。

每组拉伸结构中的所述绳索的另一端与所述操作手柄固定连接，所述弹簧的另一端与操作手柄后平台连接；或是每组拉伸结构中的所述绳索的另一端与所述操作手柄后平台固定连接，所述弹簧的另一端与操作手柄连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明应用张拉整体结构设计，使得该力反馈装置在满足力学刚性和位置精度的前提下，简化了整体结构，降低了制造成本，运动部件惯性大幅降低，操作简洁方便，动态性能高、维护性能好。

附图说明

图1为本发明张拉整体结构力反馈装置的结构示意图；

图2为本发明中随动转向模组的结构示意图；

图3为图2所示的随动转向模组中轴套筒及圆柱销的位置关系示意图；

图中：

1-机架 2-电机支架 3-绕线轮 4-驱动电机

5-操作手柄后平台 6-弹簧 7-副万向节 8-主万向节

9-转轴 10-轴套筒 11-花键轴套 12花键轴

13-绳索 14-操作手柄 15-横槽

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种张拉整体结构力反馈装置，包括用来固定该装置的机架1，三组结构相同的驱动绕线模组，随动转向模组和操作模组。

如图1所示，所述驱动绕线模组包括电机支架2、驱动电机4、绕线轮3和转轴9，所述驱动电机4与所述绕线轮3安装于所述电机支架2上，所述绕线轮3与所述电机支架2转动连接，所述驱动电机4通过传动机构带动所述绕线轮3（例如，通过联轴器、同步带、齿轮等装置直接或间接连接），每组驱动绕线模组中的所述转轴9通过轴承转动安装于所述机架1上，三组驱动绕线模组中的所述转轴9位于同一平面，周向均匀布置、且轴线相交于一点。

如图1和图2所示，所述随动转向模组包括一个轴套筒10和三个万向节，该三个万向节包括一个主万向节8和两个副万向节7，所述主万向节8和两个副万向节7均分别通过一对圆柱销或一对转轴与所述轴套筒10转动连接，两个副万向节7在与所述轴套筒10的连接处开有横槽15；所述主万向节8与驱动绕线模组中的一个转轴9固接，两个副万向节7分别与驱动绕线模组中的另两个转轴9固接。如图图2和图3所示，所述随动转向模组中，在所述轴套筒10的周向均匀布置有六个贯穿所述轴套筒10筒壁的圆柱销或转轴，如图中a,b,c,d,e,f所示；相对的两个圆柱销或转轴构成一对，共分为三对，图中a,d为一对，b,e为一对，c,f为一对，其中的a,d一对与所述主万向节8转动连接，其余的b,e和c,f两对分别与两个副万向节7连接，由于在每个副万向节7的侧面开有横槽15（如图2中所示），因此，与所述副万向节7连接的所述圆柱销或转轴可以在所述横槽15内转动及滑动，从而实现三个万向节（包括一个主万向节8和两个副万向节7）间夹角的变化，如图2中的A，B所示。如图3所示，所述主万向节8与驱动绕线模组中的一个转轴9固接，两个副万向节7分别与驱动绕线模组中的另两个转轴9固接。

如图1所示，所述操作模组包括花键轴套11、花键轴12、操作手柄14、操作手柄后平台5和三组拉伸结构；所述花键轴套11与所述随动转向模组中的所述轴套筒10固定安装，所述花键轴12与所述花键轴套11滑动安装，所述操作手柄后平台5和所述操作手柄14分别固接于所述花键轴12的两端；每组拉伸结构包括一条绳索13，所述绳索13的一端连接有一个弹簧6，三组拉伸结构中的每条绳索13分别缠绕于三组驱动绕线模组中的绕线轮3上，所述拉伸结构的两端分别与所述操作手柄14和所述操作手柄后平台5连接，即每条绳索13的一端与操作手柄14或操作手柄后平台5连接，另一端连接于所述弹簧6的一端，所述弹簧6的另一端与操作手柄后平台5或操作手柄14连接。图1所示的实施例是，每条绳索13的一端与操作手柄145连接，另一端连接于所述弹簧6的一端，所述弹簧6的另一端与操作手柄后平台5连接。

当操作者移动操作手柄14时，控制三个驱动电机4输出一定的力矩，通过所述弹簧6及绳索13的作用，将驱动电机4的驱动力传递至操作手柄14，从而实现力反馈。

将本发明的装置用于位姿监测时，在三组驱动绕线模组中的驱动电机4上均安装有编码器和位置检测装置，当操作者移动操作手柄14时，所述位置检测装置检测驱动电机4的旋转角度，计算出操作手柄14中心的空间位置，从而实现位姿监测。

本发明应用张拉整体结构设计出力反馈操作手柄，在满足力反馈装置精度的前提下，减小了惯性力对系统的影响，简化了整体结构，降低了制造成本，操作简洁方便，动态性好且维护性好。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，包括机架（1）、三组结构相同的驱动绕线模组、随动转向模组和操作模组；

所述驱动绕线模组包括电机支架（2）、驱动电机（4）、绕线轮（3）和转轴（9），所述驱动电机（4）与所述绕线轮（3）安装于所述电机支架（2）上，所述绕线轮（3）与所述电机支架（2）转动连接，所述驱动电机（4）通过传动机构带动所述绕线轮（3），每组驱动绕线模组中的所述转轴（9）通过轴承转动安装于所述机架（1）上，三组驱动绕线模组中的所述转轴（9）位于同一平面，周向均匀布置、且轴线相交于一点；

所述随动转向模组包括一个轴套筒（10）、一个主万向节（8）和两个副万向节（7），所述主万向节（8）和两个副万向节（7）均分别通过一对圆柱销或一对转轴与所述轴套筒（10）转动连接，两个副万向节（7）在与所述轴套筒（10）的连接处开有横槽（15）；所述主万向节（8）与驱动绕线模组中的一个转轴（9）固接，两个副万向节（7）分别与驱动绕线模组中的另两个转轴（9）固接；

所述操作模组包括花键轴套（11）、花键轴（12）、操作手柄（14）、操作手柄后平台（5）和三组拉伸结构；所述花键轴套（11）与所述随动转向模组中的所述轴套筒（10）固定安装，所述花键轴（12）与所述花键轴套（11）滑动安装，所述操作手柄后平台（5）和所述操作手柄（14）分别固接于所述花键轴（12）的两端；每组拉伸结构包括一条绳索（13），所述绳索（13）的一端连接有一个弹簧（6），三组拉伸结构中的每条绳索（13）分别缠绕于三组驱动绕线模组中的绕线轮（3）上，所述拉伸结构的两端分别与所述操作手柄（14）和所述操作手柄后平台（5）连接。

2.根据权利要求1所述的张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，当操作者移动操作手柄（14）时，控制三个驱动电机（4）的输出力矩，通过所述弹簧（6）及绳索（13）的作用，将驱动电机（4）的驱动力传递至操作手柄（14），从而实现力反馈。

3.根据权利要求1所述的张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，三组驱动绕线模组中的驱动电机（4）均安装有编码器和位置检测装置，当操作者移动操作手柄（14）时，所述位置检测装置检测驱动电机（4）的旋转角度，计算出操作手柄（14）中心的空间位置，从而实现位姿监测。

4.根据权利要求1所述的张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，所述随动转向模组中，在所述轴套筒（10）的周向均匀布置有六个贯穿所述轴套筒（10）筒壁的圆柱销或转轴，相对的两个圆柱销或转轴构成一对，其中的一对与所述主万向节（8）转动连接，其余的两对分别与两个副万向节（7）连接，与所述副万向节（7）连接的所述圆柱销或转轴在所述横槽（15）内转动及滑动，从而实现包括一个主万向节（8）和两个副万向节（7）的三个万向节间夹角的变化。

5.根据权利要求1所述的张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，每组拉伸结构中的所述绳索（13）的另一端与所述操作手柄（14）固定连接，所述弹簧（6）的另一端与操作手柄后平台（5）连接。

6.根据权利要求1所述的张拉整体结构力反馈装置，其特征在于，每组拉伸结构中的所述绳索（13）的另一端与所述操作手柄后平台（5）固定连接，所述弹簧（6）的另一端与操作手柄（14）连接。