CN113012516A - 包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；其中手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三，手柄螺杆与手柄活动连接，手柄通过手柄螺杆与旋转架连接力矩电机一和力矩电机二，拇指指环通过传动齿轮连接力矩电机三，三台力矩电机内置旋转编码器和控制寄存器，力矩电机转轴转动会带动旋转编码器旋转，从而得出力矩电机的角位移，进而判断手柄当前的位姿并输出给电脑，通过数据转换即可对月球车或其他受控对象进行操控。本发明结构简单，加工方便，可用于载人月球车驾驶训练等需前后、左右、上下三个自由度的控制操作，实现虚拟训练力反馈的功能。

Description

包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄

技术领域

本发明属于力反馈控制技术领域，具体涉及一种包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄。

背景技术

随着现代工业的发展，机器如何操作仍然是一项非常重要的课题，部分行业已经能够实现机器自动化控制，例如装配、焊接等行业，但是对于一些特殊场合，例如医疗手术机器人、救灾抢险机器人、航空航天行业中的重要机械等等，仍然需要人员手动控制，也即人机交互。但是目前大部分行业所采用的按钮控制或无反馈的手柄控制，或是无法直观的对机器进行操作，或是无法直观的感知机器的当前状态，从而存在操作不当的可能性。

例如通过手柄遥控车辆在具有复杂地形的环境中前行时，车辆所允许通过的坡度存在一个范围，如果操作员缺少最直观的反馈，就可能导致操作员无法准确掌握车辆周围的环境参数，从而可能会出现轮胎打滑、地盘与地面接触、溜车等危险情况，对于航空航天行业和医疗行业，类似失误更是有可能造成无法承担的后果。因此，包含力反馈功能的操作手柄具有强大的功能和相当广阔的应用前景。操作员在使用力反馈手柄进行人机交互的过程中，手柄朝不同方向运动，所反馈的力或力矩是不同的，通过比较各个方向的力或力矩，操作员能够判断出当前所操控对象的状态，从而进行合理的操作决策。

但是，现存的力反馈手柄装置大多结构复杂，从而导致手柄的控制和使用较为困难。另外，由于激励的迟滞和不规则性，系统不能给出及时适当的力反馈。最后，受手柄硬件本身的惯量，以及软件存在的数据转换等因素影响，力反馈的精度有所欠缺。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，结构简单、理解容易，加工方便，可用于载人月球车驾驶训练等需前后、左右、上下三个自由度的控制操作，系统从虚拟环境中计算出力矩，实现虚拟训练力反馈的功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；其中，手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三。

对于三自由度力反馈手柄，底座整体为正方形，内部设有若干框架用于安装力矩电机一、力矩电机二、旋转架。底座上方设有形状相同的上盖，上盖中央留有空洞，用于手柄和手柄螺杆的安装。

力矩电机一与力矩电机二呈90°固定在底座上；四个旋转架两两组合，通过螺栓和螺母连接，两个组合的旋转架成90°交错，旋转架的圆弧分别位于上方和下方；旋转架组合体的圆弧中部留有空槽，将手柄螺杆夹在中间；手柄螺杆上部套有螺纹，手柄螺杆的杆身中部和底部各有一圈突起，能够将两组旋转架夹在中间，实现手柄螺杆的上下方向的限位。

两组旋转架分别和力矩电机一与力矩电机二通过插孔直接连接；旋转架远离力矩电机的一端通过轴承一设置在底座上；上盖和底座之间通过螺丝连接；手柄螺杆上方套有外螺纹，手柄下方攻内螺纹，二者通过螺纹连接；负责控制力矩电机的控制电路板通过安装支架固定在平台上。

所述传动齿轮包括锥齿轮一和锥齿轮二，其中，拇指指环和锥齿轮一通过螺丝连接在一起；锥齿轮一和支架通过轴承连接；力矩电机三和锥齿轮二相连，力矩电机三固定在支架上；两个锥齿轮之间成90°夹角传动。

三个电机（力矩电机一、力矩电机二、力矩电机三）均与控制电路板相连，控制电路板通过串口和电脑相连；单片机通过向三个电机内置的控制寄存器写值，控制电机以不同的方式运转，从而实现力反馈的目的。

本发明的有益效果是：

本发明所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，只需检测与两组旋转架相连的力矩电机的编码器以及和指环位置存在对应关系的力矩电机的编码器，即可计算出旋转架当前分别在两个轴上的角位移以及指环的角位移，进而判断出当前手柄的位姿，从而控制被操作对象的运动。通过三个力矩电机，不但可以精确实现操作过程中的力反馈功能，而且由于是力矩电机的原因，在静止状态下同样可以实现力反馈，从而可以令操作者感受到更加真实的力反馈体验。

附图说明

图1为本发明核心结构的示意图；

图2为旋转架的三视图；

图3为本发明核心结构的爆炸视图；

图4为本发明手柄部分的剖视图；

图5为本发明手柄部分剖视图下的爆炸视图。

附图标记列表：

1、底座，2、轴承一，3、旋转架，4、力矩电机一，5、手柄螺杆，6、拇指指环，7、轴承二，8、锥齿轮一，9、锥齿轮二，10、支架，11、力矩电机三，12、力矩电机二，13、空槽，14、插孔，15、外螺纹，16、内螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

为叙述方便，将图1、图2、图3所示的，包含“前后”、“左右”两个自由度的部分称为下半部分；将图4、图5所示的，包含“上下”一个自由度的部分称为上半部分。

以下为下半部分的硬件连接方式：

如图1所示，该图为旋转架3的三视图，从图中可以看出，当有两个旋转架相对拼合在一起时，在旋转架的圆弧部分中间会形成一个空槽13。

如图1、图3所示，本发明下半部分包括底座1、轴承一2、旋转架3、力矩电机4、12、手柄螺杆5、手柄、上盖、控制电路板。其中手柄、上盖、控制电路板并未在图中画出。同时，力矩电机、控制电路板均为现有技术。

旋转架3共有四个，以两个为一组，共有两组，旋转架与旋转架之间通过螺丝连接。这里需要着重说明的是，在拧上螺丝之前，必须先将手柄螺杆5置于两组旋转架3各自拼接形成的空槽13中，之后才能旋紧螺丝。两组旋转架需要成90°交错放置，同时，为避免碰撞，两组旋转架3的圆弧部分需分别向上弯曲和向下弯曲，具体情形如图1所示。

旋转架上的空槽13有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：保证手柄螺杆5顺利沿空槽13走向方向运动而不推动旋转架3；手柄螺杆5沿垂直于空槽的方向运动时能推动旋转架3旋转，进而带动力矩电机一4或力矩电机二12旋转；力反馈部分：力矩电机一4或力矩电机二12旋转时，旋转架3通过空槽13的侧面推动手柄螺杆5，形成力反馈。

力矩电机一4（或者力矩电机二12）的转轴和旋转架3端部预留的插孔14形状相同，均为切去部分侧面的直圆柱，切出的平面即能进行力矩传导，又能确保装配过程的唯一性。在连接力矩电机一4（或者力矩电机二12）和旋转架3时直接将力矩电机一4（或者力矩电机二12）的转轴插入插孔14即可，二者通过摩擦力连接。两组旋转架3均只有一端需要连接力矩电机，力矩电机被固定在底座1框架上，固定所需的框架图中未画出，靠近力矩电机一端的旋转架3和底座1之间有一段空隙，二者并不接触，故不存在摩擦力。

两组旋转架3远离力矩电机一4（或者力矩电机二12）的一端通过轴承一2与底座1进行连接。其中，旋转架3插入轴承一2的内圈，轴承一2内圈带有橡胶，二者通过摩擦力传动；轴承一2外圈通过螺丝固定在底座1支架上。

力矩电机一4（或者力矩电机二12）表面接出若干接线与控制电路板相连，控制电路板通过另外的USB串口与电脑连接。

以下为上半部分的硬件连接方式：

如图4、图5所示，本发明上半部分包括拇指指环6、轴承二7、锥齿轮一8、锥齿轮二9、支架10、力矩电机三11组成。力矩电机三11同样为现有技术，与之前手柄下半部分中所提到的控制电路板相连。

拇指指环6与锥齿轮一8通过螺丝连接，轴承二7的外圈插入锥齿轮一8的内圈中，内圈套在支架10上。锥齿轮一8与锥齿轮二9的区别在于，锥齿轮一8的内圈是圆形，而锥齿轮二9的内圈为圆形切出一个平面，与之前所诉的力矩电机4的形状相同。力矩电机三11的转轴插入锥齿轮二9的孔中，二者通过转轴上的平面进行力传动。力矩电机三11被固定在支架10上（连接锥齿轮一8的芯棒也属于支架10），固定的方式图中未画出。锥齿轮一8与锥齿轮二9均为45度角的锥齿轮，二者形成90°的交错轴.力矩电机三11表面接出若干接线与控制电路板相连，控制电路板通过另外的USB串口与电脑连接。

传动齿轮（包括锥齿轮一8与锥齿轮二9）有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：拇指指环6通过锥齿轮一8、锥齿轮二9带动力矩电机三11旋转，改变力矩电机三11内部编码器的位置；力反馈部分：力矩电机三11旋转时，通过锥齿轮二9、锥齿轮一8带动拇指指环，形成力反馈。

手柄螺杆5上方套有外螺纹15，手柄下方攻内螺纹16，二者通过螺纹连接；负责控制力矩电机的控制电路板通过安装支架固定在平台上。

以下为三自由度力反馈手柄中控制部分的工作原理：

上面已经提到，如图1所示，两个旋转架3零件拼合后，在旋转架3的圆弧部分的中间会形成一个空槽13。在装配时，手柄螺杆5需要先被夹在空槽13中间再拧上拼合旋转架3所需要的螺丝。两组旋转架3通过这种连接方式能对手柄螺杆5进行限位，使其只能相对于旋转架3提供的两个90度交错的轴旋转，此即为手柄下半部分所拥有的两个自由度，分别对应了“前后”和“左右”。如图1所示，空槽13既能实现运动的引导，也能实现力传动。同时，手柄螺杆5的杆身中部和底部各有一圈突起，能够将两组旋转架3夹在中间，从而实现手柄螺杆的上下方向的限位，消除了下半部分“上下”方向的自由度。“上下”方向的自由度由手柄上半部分进行补足，锥齿轮一8与锥齿轮二9的组合能将拇指指环6的转动转变为力矩电机三11的转动。

从上述运动规律中可以看出，手柄螺杆5带动旋转架3旋转，从而旋转架3带动力矩电机一4（和/或力矩电机二12）的转轴旋转；拇指驱动拇指指环6旋转，通过锥齿轮一8与锥齿轮二9带动力矩电机三11的转轴旋转。力矩电机中内置旋转编码器，转轴转动又会带动旋转编码器旋转，从而得出当前三台力矩电机的角位移，进而判断手柄当前的位姿并输出给电脑，通过一系列的数据转换，即可对月球车或其他受控对象进行操控。

以下为三自由度力反馈手柄中力反馈部分的工作原理：

从图1中可以看出，手柄螺杆5沿旋转架3中间的空槽13的运动有略小于90度的旋转空间，拇指指环6也有类似的范围。本手柄的优选方案中，通过数据转换定义-45~45°的角位移所对应的数据为-1~1，编程者可以人为对其进行不同取值范围的划分，从而分类讨论手柄不同位姿状态下各自所需要的力反馈。

三台力矩电机具备控制寄存器，向控制寄存器中写值即可命令三台力矩电机传递扭矩。电脑在相应程序中计算出所需要的力矩，进而向三台力矩电机的控制寄存器中写值，则力矩电机4（或力矩电机二12）能提供一个力矩给旋转架3，旋转架3通过槽的侧面将力矩转换为推力作用在手柄螺杆5上；力矩电机三11能提供一个力矩给锥齿轮二9，通过锥齿轮一8传动给拇指指环6，从而实现力反馈。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；其中手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三，手柄螺杆与手柄活动连接，手柄通过手柄螺杆与旋转架连接力矩电机一和力矩电机二，拇指指环通过传动齿轮连接力矩电机三。

2.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：所述底座整体为正方形，内部设有若干框架用于安装力矩电机一、力矩电机二与旋转架；底座上方设有形状相同的上盖，上盖中央留有空洞，用于手柄螺杆伸出；上盖和底座之间通过螺丝连接。

3.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：四个旋转架两两组合，通过螺栓和螺母连接，两个组合的旋转架成90°交错，旋转架的圆弧分别位于上方和下方；旋转架组合体的圆弧中部留有空槽，将手柄螺杆夹在中间。

4.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：所述手柄螺杆上方套有外螺纹，手柄下方攻内螺纹，二者通过螺纹连接；负责控制力矩电机的控制电路板通过安装支架固定在平台上。

5.根据权利要求3所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：所述手柄螺杆的杆身中部和底部各有一圈突起，所述突起将两组旋转架夹在中间，实现手柄螺杆的上下方向的限位。

6.根据权利要求3所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：力矩电机一与力矩电机二呈90°固定在底座上；旋转架的端部预留有与力矩电机一与力矩电机二转轴形状的插口，力矩电机转轴插入相应插口，实现力矩电机与旋转架之间的传动。

7.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：旋转架远离力矩电机的一端通过轴承一设置在底座上。

8.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：所述传动齿轮包括锥齿轮一和锥齿轮二，其中，拇指指环和锥齿轮一通过螺丝连接在一起；锥齿轮一和支架通过轴承连接；力矩电机三和锥齿轮二相连，力矩电机三固定在支架上；两个锥齿轮之间成90°夹角传动。

9.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄的操控方法，其特征在于：力矩电机一、力矩电机二、力矩电机三内置旋转编码器和控制寄存器，三台力矩电机通过数据线与单片机进行连接，单片机通过USB串口与电脑进行连接，电脑经过相应计算后得出所需的力反馈，向单片机发送数据，单片机控制三台力矩电机提供相应力矩；单片机读取三台力矩电机的位姿，向电脑发送数据，电脑判断手柄螺杆的位姿和拇指指环的角位移通过数据转换即可对月球车或其他受控对象进行操控，

三台力矩电机内的旋转编码器反映当前力矩电机转轴旋转的角度，将相应数据传递给单片机，单片机发送给电脑，电脑判断出手柄螺杆当前的位姿、拇指指环的角位移；电脑向控制寄存器中写值，通过不同的数值使三台力矩电机以不同的方式运转，

两组垂直的旋转架对手柄螺杆进行限位，手柄螺杆在旋转架上的空槽内以两个成90°交错的方向移动，手柄螺杆与旋转架的组合拥有“前后”与“左右”方向的自由度；旋转架上的空槽有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：保证手柄螺杆顺利沿空槽走向方向运动而不推动旋转架；手柄螺杆沿垂直于空槽的方向运动时能推动旋转架旋转，进而带动力矩电机一或力矩电机二旋转；力反馈部分：力矩电机一或力矩电机二旋转时，旋转架通过空槽的侧面推动手柄螺杆，形成力反馈，

传动齿轮的组合将拇指指环的上下移动转变为力矩电机的转动，使手柄拥有“上下”方向的自由度；传动齿轮有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：拇指指环通过锥齿轮一、锥齿轮二带动力矩电机三旋转，改变力矩电机三内部编码器的位置；力反馈部分：力矩电机三旋转时，通过锥齿轮二、锥齿轮一带动拇指指环，形成力反馈。

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