CN113183184A - 一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，包括固定底座，还包括安装在固定底座上的腰关节机构、肩关节机构、肘关节机构、大臂机构、小臂机构、小臂旋转连接机构和腕关节机构，大臂机构上设有大臂重力补偿机构，小臂旋转连接机构上设有小臂重力平衡机构。上述关节机构均安装有编码器和驱动电机，以实现遥操作信息流中的六维目标位姿信息输入和反馈力输出。本发明利用弹性重力补偿以及重力平衡的方式抵消遥操作力反馈主手在运动过程中的重力干涉，减小关节电机的扭矩输出和负载，且可实现力反馈的透明性。其优点在于结构简单，工作空间大，系统刚度高、并可输出较大的反馈力。

Description

一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手

技术领域

本发明实施例涉及力反馈遥操作技术领域，具体涉及一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手。

背景技术

众所周知，对于复杂多变的工作任务以及危险的工作环境，单依靠机器人自主智能系统无法完成既定的规划目标任务。人机交互遥操作技术可以作为操作人员与远端作业环境的交互媒介，将人的操作目的信息传递到远端环境并执行任务，同时也需要将远端作业环境中的接触力反馈信息尽可能真实地反馈给操作人员。其中遥操作主手设备负责将操作人员期望的机器人位姿意图传递到远端作业环境。因此，建立稳定，安全的人机遥操作交互信息流需要精确、可靠的遥操作主手设备，其具有广泛的应用前景。

传统的力反馈机械臂需要完全或部分依靠电机平衡自身重力矩，如此降低了电机的有效负载，使得配套电机减速器的减速比增大，同时，传统力反馈机械臂工作空间较小，刚度较低，影响实际使用效果。

因此，如何设计新型的六自由度力反馈操作主手，为操作者提供一种与远端机器人之间进行直观交互的遥操作工具，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有机械式重力补偿装置的串联六自由度力反馈遥操作主手装置，可实现遥操作环境中操作人员的位姿信息输入以及远端操作环境中的反馈力信息的输出。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，包括固定底座，还包括安装在所述固定底座上的腰关节机构、肩关节机构、肘关节机构、大臂机构、小臂机构、小臂旋转连接机构、腕关节机构、大臂重力补偿机构和小臂重力平衡机构，所述肩关节机构和肘关节机构对称设于所述腰关节机构上端，所述大臂机构下端传动连接所述肩关节机构，所述大臂机构上端传动连接所述小臂机构，所述小臂旋转连接机构上端传动连接所述小臂机构，所述小臂旋转连接机构下端传动连接所述肘关节机构，所述小臂机构末端传动连接腕关节机构；用于输入空间中的六维位姿信息并输出空间中六维反馈力；

其中，所述大臂机构上设有大臂重力补偿机构，所述小臂旋转连接机构上设有小臂重力平衡机构。

进一步地，所述大臂重力补偿机构设有两套，两套所述大臂重力补偿机构对称设于所述大臂机构两侧；

所述大臂重力补偿机构包括弹簧套筒、弹簧本体、弹簧调节杆、直线轴承和弹簧拉杆，所述弹簧套筒内穿设有弹簧拉杆，所述弹簧拉杆上套设有弹簧本体，所述弹簧拉杆第一端向外穿出所述弹簧套筒并与大臂机构铰接，所述弹簧拉杆第二端上设有弹簧预压缩调节螺纹，所述弹簧预压缩调节螺纹连接于弹簧调节杆，所述直线轴承外圈设于所述弹簧套筒的内端部，且所述直线轴承内圈直线滑动于所述弹簧拉杆，所述弹簧本体两端分别与所述弹簧套筒和弹簧调节杆相抵；

其中第一侧的所述弹簧套筒第一端铰接在所述肩关节机构上端，第二侧所述弹簧套筒第一端铰接在所述肘关节机构上端。

进一步地，所述小臂重力平衡机构包括力矩调节杆和配重，所述力矩调节杆固定连接所述小臂旋转连接机构末端，所述力矩调节杆上设有螺纹丝杠，所述配重螺纹连接在所述螺纹丝杠上。

进一步地，所述肩关节机构包括肩关节电机支架、肩关节电机和肩关节编码器，所述肩关节电机支架固定设于所述腰关节机构上端，所述肩关节电机支架上固定有肩关节电机，所述肩关节电机外侧设有肩关节编码器，所述肩关节电机内侧传动连接所述大臂机构，所述肩关节电机支架上端与第一侧的所述弹簧套筒第一端铰接。

进一步地，所述肘关节机构包括肘关节电机支架、肘关节电机和肘关节编码器，所述肘关节电机支架固定设于所述腰关节机构上端，所述肘关节电机支架上固定有肘关节电机，所述肘关节电机外侧设有肘关节编码器，所述肘关节电机内侧传动连接所述小臂旋转连接机构，所述肘关节电机支架上端与第二侧的所述弹簧套筒第一端铰接。

进一步地，所述大臂机构包括大臂旋转连接件、大臂-弹簧拉杆铰接件、大臂拉杆和肘关节接头，所述大臂旋转连接件传动连接所述肩关节电机，所述大臂旋转连接件传动连接大臂-弹簧拉杆铰接件，所述大臂-弹簧拉杆铰接件同轴固定连接所述大臂拉杆一端，所述大臂拉杆另一端通过肘关节接头与小臂机构铰接，所述大臂-弹簧拉杆铰接件与弹簧拉杆端部铰接。

进一步地，所述小臂旋转连接机构包括小臂旋转连接件、辅助杆和辅助杆接头，所述小臂旋转连接件一端传动连接所述肘关节电机，所述小臂旋转连接件另一端上设有小臂重力平衡机构，所述小臂旋转连接件中部与辅助杆一端铰接，所述辅助杆另一端通过辅助杆接头与所述小臂机构第一端部铰接。

进一步地，所述小臂机构包括小臂、腕关节连接件和操作辅助手柄，所述小臂上设有腕关节连接件和操作辅助手柄，所述小臂第一端部与所述辅助杆接头铰接，所述小臂第二端部设有腕关节机构。

进一步地，所述腕关节机构包括与小臂同轴设置并轴向转动的第一旋转部、与第一旋转部垂直并轴向转动的第二旋转部以及与所述第二旋转部垂直并轴向转动的第三旋转部，所述第一旋转部、第二旋转部和第三旋转部的旋转轴线相交于一点并构成球副，用于向操作人员反馈空间中三维姿态反馈力，并输入操作人员对目标姿态的意图信息，所述第三旋转部底座下端设有控制开关。

进一步地，所述腰关节机构包括腰关节电机、输出端盖、托盘、承托轴承、轴承外套和腰关节编码器，所述底座中心下部设有轴承外套，所述轴承外套内圈与承托轴承外圈相连，所述承托轴承内圈与输出端盖外圈相连，所述输出端盖内部设有腰关节电机，所述腰关节电机下端设有腰关节编码器，所述腰关节电机输出端与输出端盖相连，所述输出端盖上端固连设有托盘，所述肩关节机构和肘关节机构固定于所述托盘上端，所述腰关节机构、肘关节机构和肩关节机构用于向操作人员反馈空间中三维位置反馈力，并输入操作人员对目标位置的意图信息。

本发明实施例具有如下优点：

本发明利用弹性重力补偿以及重力平衡的方式抵消遥操作机械臂在运动过程中的重力干涉，可减小关节电机因重力所带来的扭矩输出。同时，采用的重力补偿装置可减小关节电机的负载，扭矩电机无减速器可实现力反馈的透明性。本发明这种串联式遥操作主手结构简单，在兼顾较大的工作空间的情况下，保证了遥操作主手系统的刚度和较大的反馈力输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手结构示意图；

图2为本发明实施例提供的大臂重力补偿机构和大臂机构连接结构示意图；

图3为本发明实施例提供的肩关节机构和肘关节机构安装示意图；

图4为本发明实施例提供的肩关节机构和肘关节机构安装主视示意图；

图5为本发明实施例提供的小臂重力平衡机构安装结构示意图；

图6为本发明实施例提供的腰关节机构安装结构示意图；

图7为本发明实施例提供的腕关节机构上第一旋转部剖视图；

图8为本发明实施例提供的腕关节机构上第二旋转部和第三旋转部剖视图。

图中：

1固定底座；2腰关节机构；201腰关节电机；202输出端盖；203托盘；204承托轴承；205轴承外套；206腰关节编码器；3肩关节机构；301肩关节电机支架；302肩关节电机；303肩关节编码器；4肘关节机构；401肘关节电机支架；402肘关节电机；403肘关节编码器；5大臂机构；501大臂旋转连接件；502大臂-弹簧拉杆铰接件；503大臂拉杆；504肘关节接头；6小臂机构；601小臂；602腕关节连接件；603操作辅助手柄；7小臂旋转连接机构；701小臂旋转连接件；702辅助杆；703辅助杆接头；8腕关节机构；801第一旋转部；802第二旋转部；803第三旋转部；9大臂重力补偿机构；901弹簧套筒；902弹簧本体；903弹簧调节杆；904直线轴承；905弹簧拉杆；10小臂重力平衡机构；1001力矩调节杆；1002配重。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，属于“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品、或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造的上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

为了解决现有技术中存在的相关技术问题，本申请实施例提供了一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，旨在实现利用弹性重力补偿以及重力平衡的方式抵消遥操作机械臂在运动过程中的重力干涉，减小关节电机因重力所带来的扭矩输出。

具体的，包括固定底座1，用于为整个设备提供稳定支撑，其包括底板和设置在其下端四角的福马轮，通过福马轮的设置既可以保证底板产生一定的离地空间，方便腰关节机构等部件的安装，还能够方便整个设备的移动。

如图1-8，还包括安装在固定底座1上的腰关节机构2、肩关节机构3、肘关节机构4、大臂机构5、小臂机构6、小臂旋转连接机构7、腕关节机构8、大臂重力补偿机构9和小臂重力平衡机构10。其中，腰关节机构2安装在固定底座1的中心位置，从而在使用时能够保证设备的稳定，肩关节机构3和肘关节机构4对称设于腰关节机构2上端，腰关节机构2的输出轴垂直于固定底座1，因此，腰关节机构2能够带动其上设置的肩关节机构3和肘关节机构4进行周向转动。此实施例中，肩关节机构3和肘关节机构4的输出轴均横向且相对设置，如图1，大臂机构5下端传动连接肩关节机构3，大臂机构5上端传动连接小臂机构6，小臂旋转连接机构7上端传动连接小臂机构6，小臂旋转连接机构7下端传动连接肘关节机构4，小臂机构6末端传动连接腕关节机构8。因此，通过肩关节机构3和大臂机构5的配合与肘关节机构4和小臂机构6的配合实现了多个自由度的操作。

基于以上基本结构，本申请还创造性的提出了大臂机构5上设有大臂重力补偿机构9，小臂旋转连接机构7上设有小臂重力平衡机构10。本发明利用弹性重力补偿机构以及小臂重力平衡机构10抵消遥操作机械臂在运动过程中的重力干涉，可减小关节电机因重力所带来的扭矩输出。具体的设置方式和使用原理如下：

如图1所示，大臂重力补偿机构9设有两套，两套大臂重力补偿机构9对称设于大臂机构5两侧。大臂重力补偿机构9用来补偿大臂所产生的重力矩，其由压缩弹簧本体902充当弹性元件提供弹性力输出。

作为代表，图1中仅展示了设置在大臂机构5一侧的大臂重力补偿机构9。具体的，如图2，大臂重力补偿机构9包括弹簧套筒901、弹簧本体902、弹簧调节杆903、直线轴承904和弹簧拉杆905。弹簧套筒901内穿设有弹簧拉杆905，弹簧拉杆905上套设有弹簧本体902，弹簧拉杆905第一端向外穿出弹簧套筒901并与大臂机构5铰接，如图2和3中所示的，大臂机构5上朝向与其垂直方向伸出固定点，弹簧拉杆905的端部与此固定点进行铰接设置。弹簧拉杆905的第二端设置在弹簧套筒901内，其中，弹簧拉杆905第二端上设有弹簧预压缩调节螺纹，弹簧预压缩调节螺纹连接于弹簧调节杆903，弹簧本体902两端分别与弹簧套筒901和弹簧调节杆903相抵，因此弹簧本体902能够为大臂重力补偿机构9提供弹性力，而通过对弹簧调节杆903的调节，可对弹簧本体902的初始压缩比进行调节，具体通过转动弹簧调节杆903与弹簧预压缩调节螺纹来实现调节。同时，直线轴承904外圈设于弹簧套筒901的内端部，直线轴承904固定设置，且直线轴承904内圈直线滑动于弹簧拉杆905，保证了弹簧拉杆905能够顺畅的穿设在弹簧套筒901内。

需要说明的是，对称设置的两个大臂重力补偿机构9为了实现对大臂机构5的弹性调节，需要将弹簧套筒901的至少一端进行铰接固定，具体的，其中第一侧的弹簧套筒901第一端铰接在肩关节机构3上端，第二侧弹簧套筒901第一端铰接在肘关节机构4上端。

其中，压缩弹簧本体902安装在弹簧套筒901内，弹簧套筒901固定在上述位置的正上方，一压缩弹簧拉杆905固连在主手大臂机构5固定位置，随着主手大臂转动，可根据大臂的关节位置输出对应位置的压缩弹簧本体902距离差，使其产生对一个的弹性重力补偿力矩，从而实现主手肩关节的重力平衡。

基于以上结构，本发明的大臂重力补偿机构9为满足补偿遥操作主手肩关节机构3在运动中任意位置重力矩，可由下式计算得到：

m为肩关节之后总质量，g为重力加速度，l_c为大臂重心到肩关节距离，s₀为弹簧本体902预压缩量，a，b分别为肩关节轴心到弹簧套筒901铰接点和肩关节轴心到大臂与弹簧拉杆905铰接点的距离，θ为肩关节与竖直轴夹角，c为以a，b为边，θ为夹角的三角形对边边长。其中，当弹簧本体902预压缩量s₀等于a，b距离之差时，由公式可知，k为常数，即主手运动过程中的任一点重力势能可由弹簧本体902弹性势能补偿。

此实施例中提供的小臂重力平衡机构10包括力矩调节杆1001和配重1002，如图3，力矩调节杆1001固定连接小臂旋转连接机构7末端，力矩调节杆1001上设有螺纹丝杠，配重1002螺纹连接在螺纹丝杠上。其中，小臂重力平衡机构10通过末端配重1002的方式来补偿主手小臂所产生的重力矩，其可根据螺纹调节配重1002的重力矩，实现小臂的自身中力矩平衡。

基于以上结构，本发明的小臂重力平衡机构10为满足补偿遥操作主手肘关节机构4在运动其中任意位置重力矩，配重1002可由下式计算得到：

其中m₂为配重1002质量，m₁为肘关节之后的总质量，l₁为肘关节质心到肘关节轴线距离，l₂为平行四边形辅助杆702与小臂旋转连接机构7铰接点到肩关节轴线距离，l₃为配重1002质心到平行四边形辅助杆702与小臂旋转连接机构7铰接点距离。

本发明结构简单，利用弹性重力补偿以及重力平衡的方式抵消遥操作主手在运动过程中的重力干涉，使得力反馈的透明性大大增强。

此实施例中，肩关节机构3包括肩关节电机支架301、肩关节电机302和肩关节编码器303，肩关节电机支架301固定设于腰关节机构2上端，肩关节电机支架301上固定有肩关节电机302，肩关节电机302外侧设有肩关节编码器303，肩关节电机302内侧传动连接大臂机构5，肩关节电机支架301上端与第一侧的弹簧套筒901第一端铰接。肩关节电机支架301与腰关节机构2上的托盘203固连，肩关节可绕固定底座1垂直方向旋转。肩关节电机302输出端与大臂机构5传动，大臂重力矩可由大臂重力补偿机构9平衡。

此实施例中，肘关节机构4与肩关节机构3结构相同，但对称设置，其中肘关节机构4包括肘关节电机支架401、肘关节电机402和肘关节编码器403。肘关节电机支架401固定设于腰关节机构2上端，肘关节电机支架401上固定有肘关节电机402，肘关节电机402外侧设有肘关节编码器403，肘关节电机402内侧传动连接小臂旋转连接机构7，肘关节电机支架401上端与第二侧的弹簧套筒901第一端铰接。肘关节电机支架401与腰关节机构2的托盘203固连，使得肘关节机构4可绕固定底座1平行方向旋转，肘关节电机402输出端与小臂旋转连接机构7固连，大臂固定时，肘关节电机402转动可致使小臂机构6转动，小臂末端固连腕关节机构8，小臂重力矩可由小臂重力平衡机构10补偿。

基于上述结构，进一步地，大臂机构5包括大臂旋转连接件501、大臂-弹簧拉杆铰接件502、大臂拉杆503和肘关节接头504。大臂旋转连接件501传动连接肩关节电机302，大臂旋转连接件501传动连接大臂拉杆503，其能够在肩关节电机302横向输出轴的带动下转动，通过传导，能够进一步带动大臂-弹簧拉杆铰接件502和大臂拉杆503以肩关节电机302输出轴为轴心转动。其中，大臂-弹簧拉杆铰接件502同轴固定连接大臂拉杆503一端，大臂拉杆503另一端通过肘关节接头504与小臂机构6铰接，在动作过程中，能够使得小臂机构6产生动作。大臂-弹簧拉杆铰接件502与弹簧拉杆905端部铰接，随着主手大臂拉杆503转动，可根据大臂拉杆503的关节位置输出对应位置的压缩弹簧本体902距离差，使其产生一个相对的弹性重力补偿力矩，从而实现主手肩关节的重力平衡。

基于上述结构，进一步地，小臂旋转连接机构7包括小臂旋转连接件701、辅助杆702和辅助杆接头703。小臂旋转连接件701一端传动连接肘关节电机402，小臂旋转连接件701另一端上设有小臂重力平衡机构10，肘关节电机402的横向输出轴能够带动小臂旋转连接件701转动，小臂旋转连接件701中部与辅助杆702一端铰接，辅助杆702另一端通过辅助杆接头703与小臂机构6第一端部铰接。其一方面，能够在小臂旋转连接件701的带动下，牵引辅助杆702发生倾斜或移动，进一步辅助杆702带动小臂601发生转动或移动，另一方面，小臂重力平衡机构10实现主手肘关节的重力平衡。

此实施例中，进一步地，小臂机构6包括小臂601、腕关节连接件602和操作辅助手柄603。小臂601上设有腕关节连接件602和操作辅助手柄603，进一步可通过操作辅助手柄603单独控制主手位置，避免姿态信息与位置信息的输入耦合，通过腕关节连接件602实现小臂601和腕关节机构8的连接和传动。小臂601第一端部与辅助杆接头703铰接，小臂601第二端部设有腕关节机构8。

进一步地，如图7和8所示的，腕关节机构8包括与小臂同轴设置并轴向转动的第一旋转部801、与第一旋转部801垂直并轴向转动的第二旋转部802以及与第二旋转部802垂直并轴向转动的第三旋转部803，第一旋转部801、第二旋转部802和第三旋转部803的旋转轴线相交于一点并构成球副，第三旋转部803底座下端设有控制开关，可用于控制单自由度末端执行器运动。具体的，腕关节机构8其由三个旋转电机构成，每个电机的旋转关节相交于一点，构成一球副运动单元，可实现设定工作空间的姿态信息流输入。

进一步地，腰关节机构2包括腰关节电机201、输出端盖202、托盘203、承托轴承204、轴承外套205和腰关节编码器206，底座中心下部设有轴承外套205，轴承外套205内圈与承托轴承204外圈相连，承托轴承204内圈与输出端盖202外圈相连，输出端盖202内部设有腰关节电机201，腰关节电机201下端设有腰关节编码器206，腰关节电机201输出端与输出端盖202相连，输出端盖202上端固连设有托盘203，肩关节电机支架301和肘关节电机支架401固定于托盘203上端。腰关节电机201的竖直输出轴能够带动其上的托盘203进行转动，可绕底座垂直方向旋转，从而进一步的可带动托盘203上的肩关节机构3和肘关节机构4转动。

综上所述，腰关节机构2、肩关节机构3和肘关节机构4可以构成的六自由度力反馈要操作助手可实现空间中的六维位姿反馈，且可输出六自由度的模拟交互力。同时，能够到达工作空间中的任意位置，完成位置信息流的反馈。

综上所述，操作主手的腰关节机构、肘关节机构和肩关节机构分别设计安装有驱动电机和与之配合的编码器，可向操作人员反馈空间中三维位置反馈力，并输入操作人员对目标位置的意图信息；而腕关节机构为三旋转轴相交于一点的球副机构，每根轴分别设计安装有驱动电机和预制配合的编码器，可向操作人员反馈空间中三维姿态反馈力，并输入操作人员对目标姿态的意图信息。综上，其可输入空间中的六维位姿信息并输出空间中六维反馈力。

本发明可依靠关节编码器实现200×200×200mm工作空间内六个自由度的位置和姿态信息输入。本发明可依靠关节扭矩电机实现六个自由度的虚拟交互力，位置关节扭矩可达3Nm，腕关节扭矩可达300mNm。本发明采用的重力补偿装置可减小关节电机的负载，扭矩电机无减速器可实现力反馈的透明性。

本方案采用弹性以及重力矩的方式平衡机械臂自身重力矩，由于位置驱动电机无需减速器，使得力反馈的透明性大大增强。主手通过关节编码器反馈操作人员输入的位姿信息，且可通过关节电机模拟反馈遥操作过程中的交互力大小，即实现遥操作信息流中的目标位姿输入和模拟力输出。本发明的力反馈机械臂可达到200×200×200mm的工作空间，且由于结构简单具有较大的自身刚度和响应性，同时其加工设计简单，具有成本低，可靠性高的优点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，包括固定底座，其特征在于，还包括安装在所述固定底座上的腰关节机构、肩关节机构、肘关节机构、大臂机构、小臂机构、小臂旋转连接机构、腕关节机构、大臂重力补偿机构和小臂重力平衡机构，所述肩关节机构和肘关节机构对称设于所述腰关节机构上端，所述大臂机构下端传动连接所述肩关节机构，所述大臂机构上端传动连接所述小臂机构，所述小臂旋转连接机构上端传动连接所述小臂机构，所述小臂旋转连接机构下端传动连接所述肘关节机构，所述小臂机构末端传动连接腕关节机构；用于输入空间中的六维位姿信息并输出空间中六维反馈力；

其中，所述大臂机构上设有大臂重力补偿机构，所述小臂旋转连接机构上设有小臂重力平衡机构。

2.如权利要求1所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述大臂重力补偿机构设有两套，两套所述大臂重力补偿机构对称设于所述大臂机构两侧；

所述大臂重力补偿机构包括弹簧套筒、弹簧本体、弹簧调节杆、直线轴承和弹簧拉杆，所述弹簧套筒内穿设有弹簧拉杆，所述弹簧拉杆上套设有弹簧本体，所述弹簧拉杆第一端向外穿出所述弹簧套筒并与大臂机构铰接，所述弹簧拉杆第二端上设有弹簧预压缩调节螺纹，所述弹簧预压缩调节螺纹连接于弹簧调节杆，所述直线轴承外圈设于所述弹簧套筒的内端部，且所述直线轴承内圈直线滑动于所述弹簧拉杆，所述弹簧本体两端分别与所述弹簧套筒和弹簧调节杆相抵；

其中第一侧的所述弹簧套筒第一端铰接在所述肩关节机构上端，第二侧所述弹簧套筒第一端铰接在所述肘关节机构上端。

3.如权利要求1所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述小臂重力平衡机构包括力矩调节杆和配重，所述力矩调节杆固定连接所述小臂旋转连接机构末端，所述力矩调节杆上设有螺纹丝杠，所述配重螺纹连接在所述螺纹丝杠上。

4.如权利要求2所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述肩关节机构包括肩关节电机支架、肩关节电机和肩关节编码器，所述肩关节电机支架固定设于所述腰关节机构上端，所述肩关节电机支架上固定有肩关节电机，所述肩关节电机外侧设有肩关节编码器，所述肩关节电机内侧传动连接所述大臂机构，所述肩关节电机支架上端与第一侧的所述弹簧套筒第一端铰接。

5.如权利要求2所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述肘关节机构包括肘关节电机支架、肘关节电机和肘关节编码器，所述肘关节电机支架固定设于所述腰关节机构上端，所述肘关节电机支架上固定有肘关节电机，所述肘关节电机外侧设有肘关节编码器，所述肘关节电机内侧传动连接所述小臂旋转连接机构，所述肘关节电机支架上端与第二侧的所述弹簧套筒第一端铰接。

6.如权利要求5所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述大臂机构包括大臂旋转连接件、大臂-弹簧拉杆铰接件、大臂拉杆和肘关节接头，所述大臂旋转连接件传动连接所述肩关节电机，所述大臂旋转连接件传动连接大臂-弹簧拉杆铰接件，所述大臂-弹簧拉杆铰接件同轴固定连接所述大臂拉杆一端，所述大臂拉杆另一端通过肘关节接头与小臂机构铰接，所述大臂-弹簧拉杆铰接件与弹簧拉杆端部铰接。

7.如权利要求5所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述小臂旋转连接机构包括小臂旋转连接件、辅助杆和辅助杆接头，所述小臂旋转连接件一端传动连接所述肘关节电机，所述小臂旋转连接件另一端上设有小臂重力平衡机构，所述小臂旋转连接件中部与辅助杆一端铰接，所述辅助杆另一端通过辅助杆接头与所述小臂机构第一端部铰接。

8.如权利要求7所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述小臂机构包括小臂、腕关节连接件和操作辅助手柄，所述小臂上设有腕关节连接件和操作辅助手柄，所述小臂第一端部与所述辅助杆接头铰接，所述小臂第二端部设有腕关节机构。

9.如权利要求8所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述腕关节机构包括与小臂同轴设置并轴向转动的第一旋转部、与第一旋转部垂直并轴向转动的第二旋转部以及与所述第二旋转部垂直并轴向转动的第三旋转部，所述第一旋转部、第二旋转部和第三旋转部的旋转轴线相交于一点并构成球副，用于向操作人员反馈空间中三维姿态反馈力，并输入操作人员对目标姿态的意图信息，所述第三旋转部底座下端设有控制开关。

10.如权利要求1所述的具有重力补偿的六自由度力反馈遥操作主手，其特征在于，所述腰关节机构包括腰关节电机、输出端盖、托盘、承托轴承、轴承外套和腰关节编码器，所述底座中心下部设有轴承外套，所述轴承外套内圈与承托轴承外圈相连，所述承托轴承内圈与输出端盖外圈相连，所述输出端盖内部设有腰关节电机，所述腰关节电机下端设有腰关节编码器，所述腰关节电机输出端与输出端盖相连，所述输出端盖上端固连设有托盘，所述肩关节机构和肘关节机构固定于所述托盘上端，所述腰关节机构、肘关节机构和肩关节机构用于向操作人员反馈空间中三维位置反馈力，并输入操作人员对目标位置的意图信息。

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