CN113524207B - 一种力觉反馈主手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力觉反馈主手，包括液压缸组和底部回转结构，所述的底部回转结构可在水平面内回转，其通过阻尼转轴连接机械臂一，所述的机械臂一通过第一可调阻尼转轴连接机械臂二，所述的机械臂二通过旋转轴连接机械臂三、机械臂三通过第一可调阻尼转轴与机械臂四相连，第一液压缸和第二液压缸通过钢丝绳控制第一可调阻尼转轴正转或者反转；第三液压缸和第四液压缸通过钢丝绳控制第二可调阻尼转轴正转或者反转。

Description

一种力觉反馈主手

技术领域

本发明公开了一种力觉反馈主手，可以用于核电站应急救援领域或有一定量核辐射的领域。

背景技术

现有的主手采集用户的操作力和位置都是采用了伺服电机的原理，这种采集方法要求主手的每个自由度必须配有一个伺服电机，伺服电机相对于主手来说，体积较大，而且必须安装在主手的关节处，这就限制了主手的结构形式。同时，在一些特殊应用环境中，例如核电站应急救援任务中，经常需要在有一定核辐射的环境中工作，而核辐射是高能粒子，打到半导体元件上，会造成元件参数变化，影响电路尤其是高精度仪器(编码器、伺服电机、扭矩电机等)的工作，严重的会使元件失效。

此外，现有的主手力反馈的原理，也是采用了电机的原理，将远端执行装置的力或力矩通过电机的输出扭矩反馈给操作用户。这就导致每个自由度必须配一个伺服电机，同时，输出的扭矩跟电机的大小成一定的正比关系，当反馈的力量很大时，小型的电机不能输出这么大的扭矩，则需要增加各种结构，以提供给用户更多的力觉反馈，这样就无形增加了主手的体积，同时也限制了主手的结构形式——必须在关节处采用电机提供反馈力量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种力觉反馈主手，本发明采用了液压缸和阻尼转轴，将提供力觉反馈的液压缸和液压站放置在远端，在主手上只需要较小的空间和简单的结构，即可实现大力量的力觉反馈。此种方法不需要在关节处安装电机，因此大大节省了空间，也使主手的设计更能多样化。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种力觉反馈主手，包括液压缸组和底部回转结构，所述的底部回转结构可在水平面内回转，其通过阻尼转轴连接机械臂一，所述的机械臂一通过第一可调阻尼转轴连接机械臂二，所述的机械臂二通过旋转轴连接机械臂三、机械臂三通过第一可调阻尼转轴与机械臂四相连，第一液压缸和第二液压缸通过钢丝绳控制第一可调阻尼转轴正转或者反转；第三液压缸和第四液压缸通过钢丝绳控制第二可调阻尼转轴正转或者反转。

作为进一步的技术方案，在所述的机械臂一上还安装有倾角传感器，倾角传感器可以实时测量机械臂一相对于水平面的角度，并将其反馈给控制器，即实现了主手一段当前位姿的实时反馈功能。

作为进一步的技术方案，所述的机械臂一的壳体表面还设有应变片；当用户操作主手时，表面的应变片能检测到机械臂一的形变，进而应变片产生阻值的改变，并将阻值转换成电压或者电流的形式实时反馈给控制器。因此，此过程实现了用户操作主手的力量实时反馈给控制器。

作为进一步的技术方案，所述的旋转轴的端部设有角度尺，角度尺可以实时测量出机械臂二和机械臂三的相对角度值，并将其反馈给控制器，从而实现了机械臂三位姿的实时反馈。

作为进一步的技术方案，在机械臂二内设有倾角传感器，可以实时将机械臂二相对于水平面的角度值测量出来，并反馈给控制器，从而实现了机械臂二位姿的实时反馈。

作为进一步的技术方案，在第一可调阻尼转轴的两端均设有一个调节螺栓，所述的第一液压缸通过钢丝绳与一个螺栓相连，第二液压缸通过钢丝绳与另一螺栓相连。

作为进一步的技术方案，在第二可调阻尼转轴的两端均设有一个调节螺栓，所述的第三液压缸通过钢丝绳与一个螺栓相连，第四液压缸通过钢丝绳与另一螺栓相连。

作为进一步的技术方案，在机械臂四内部设有角度尺，角度尺一端与机械臂四固定，输出端与机械臂三固定，从而在机械臂四绕轴与机械臂三段产生相对转动时，机械臂四内部的角度尺可以将机械臂四的位姿实时反馈给控制器。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.主手上力或力矩力量的采集。不采用传统的扭矩传感器或者力传感器，而是采用主手结构件应变位移的方式，将应变片因形变而改变的电阻，以电流或者电压的形式实时采集出来，进而将其转变为主手所受到的力或力矩，并反馈给控制器。

2.力反馈原理。没有采用电机或扭矩电机等零部件，而是采用了液压或者气动装置，将远端执行装置的力量实时反馈给用户。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明底部回转结构的结构示意图；

图3是图2中的底部回转结构的部分结构示意图；

图4、图5、图7是机械臂内部结构的示意图；

图6是液压缸组部分的结构示意图；

图8是机械臂二、机械臂三、机械臂四的结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1液压缸组、2底部回转结构、3机械臂一、4机械臂二、5机械臂三、6机械臂四；

11液压缸一；12液压缸二；13液压缸三；14液压缸四；15推杆；16钢丝绳，161钢丝绳；17拉线金属头；19拉线头固定螺栓；181拉线管一；182拉线管二；183拉线管三；184拉线管四；

21编码器；22编码器支架；23连接件；24连接件；25支撑板；26弹性联轴器，27回转轴承；28轴承连接件；

31阻尼转轴；32外壳；33应变片；34拉线一；35应变片；36可调阻尼转轴，361调节螺栓；37倾角传感器；38拉线二；

41外壳一；42外壳二；43角度尺；

51应变片；52应变片；53拉线三；51拉线四；

61壳体；62角度尺。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种力觉反馈主手。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提出的力觉反馈主手，具有6个自由度，是一种操作手柄，能够实时采集用户操作主手使用的力量，并将其反馈给控制器，同时能将远端采集的力量，经过控制器按比例或者需求力量大小，实时反馈给主手，使用户在操作主手的过程中感受到力得改变(力的改变可以由控制器实时控制)。

如图1所示，其包括底座，在所述底座上设有液压缸组1和底部回转结构2，底部回转结构2连接机械臂一3、机械臂一3连接机械臂二4、机械臂二4连接机械臂三5、机械臂三5连接机械臂四6；

其中，如图2、图3所示，底部回转结构包括编码器21、编码器支架22、编码器21安装在支撑板25底部，通过弹性连轴器26与回转轴承27相连，回转轴承27的外圈与连接件24固定连接，内圈与轴承连接件28、连接件23固定连接。编码器支架22上端与支撑板25固定连接，下端与编码器21固定连接。连接件23的旋转的角度可以被编码器21实时检测到，并传输给控制器。连接件23表面敷有多个应变片，且有一定的柔性，当用户操作主手时，连接件23表面的应变片能检测到连接件23的形变，进而应变片产生阻值的改变，并将阻值转换成电压或者电流的形式实时反馈给控制器。因此，此过程实现了用户操作主手的力量实时反馈给控制器。

如图4、图5所示，机械臂一包括阻尼转轴31；外壳32；应变片33；拉线一34；应变片35，可调阻尼转轴36；倾角传感器37；拉线二38；

外壳32的一端通过阻尼转轴31与连接件23相连，另一端通过可调阻尼转轴36与机械臂段23二相连，在所述的壳体32上固定有倾角传感器37、应变片33、应变片35；

如图6所示，液压缸组包括液压缸一11；液压缸二12、液压缸三13、液压缸四14；

液压缸一11与液压缸二12的运动方向相反，即1液压缸一11的推杆15伸出时，液压缸12的推杆缩回，且两个液压缸伸或者缩的长度比例相关。

钢丝绳16在拉线金属头17、拉线管一181、拉线头固定螺栓19内部，可在拉线管一181内进行相对滑动。拉线管一181与拉线一34通过拉线管和钢丝绳连接在一起，拉线一34和拉线管一181属于同一根拉线；拉线二38与拉线管二182连接，拉线二38与拉线管二182属于同一根拉线。

如图6、图7所示，当液压缸11推杆缩回，液压缸12伸出时，拉动钢丝绳16和钢丝绳161，使调节螺栓361顺时针旋转一定角度，从而使可调阻尼转轴36的阻力值增大，进而使人在转动这个关节时感受到变大的阻力。反之，当液压缸12推杆缩回，液压缸11伸出时，拉动钢丝绳16和钢丝绳161，使调节螺栓361逆时针旋转一定角度，从而使可调阻尼转轴36的阻力值减小，进而使人在转动这个关节时感受到变小的阻力。通过上述流程，使操作人员能够感受到操作主手时力度的变化，即实现了此主手的力觉反馈功能。

倾角传感器37可以实时测量机械臂一相对于水平面的角度，并将其反馈给控制器，即实现了主手一段当前位姿的实时反馈功能。

如图8所示，机械臂二4与机械臂三5之间通过转轴连接，在转轴上安装有角度尺43；机械臂三5绕轴相对于机械臂二4进行转动时，角度尺43可以实时测量出来相对角度值，并将其反馈给控制器，从而实现了机械臂三5位姿的实时反馈。

壳体41和壳体42中间装有倾角传感器，可以实时将机械臂二4相对于水平面的角度值测量出来，并反馈给控制器，从而实现了机械臂二4位姿的实时反馈。

机械臂四61内部有角度尺，角度尺一端与机械臂四61固定，输出端与机械臂三5固定，从而在机械臂四61绕轴与机械臂三5产生相对转动时，机械臂四61内部的角度尺可以将机械臂四61的位姿实时反馈给控制器。角度尺62主体与机械臂四61外壳固定在一起，角度尺62输出端伸出机械臂四61外面，可以手动转动角度尺62并实时测量转动角度尺62的角度值和速度值，并将其反馈给控制器。通过以上流程，实现了主手六个自由度角度值和速度值的实时监测和反馈。

拉线三53和拉线管三183属于同一根拉线，拉线四54和拉线管四184属于同一根拉线。液压缸三13和液压缸四14的推杆伸缩方向相反，长度相同。人员在操作机械臂四61在转动时，由于拉线三53和拉线四54钢丝绳的牵扯，人员可以实时感受到转动时的阻力的变化，其变化大小由液压缸三13和液压缸四14内部压力所决定，而液压缸三13和液压缸四14的内部压力可有伺服阀根据需要实时控制，因此操作人员在转动机械臂四61时，可以实时感受到通过控制器和伺服阀等所预设的阻力值，即实现了主手末端的力觉反馈功能。

同时，操作人员在操作机械臂四61转动时，液压缸三13和液压缸四14推杆发生伸缩，进而影响液压缸内部的压力，通过与液压缸连接的压力传感器可以实时记录当前的压力值，进而实时监测出操作人员在操作机械臂四61转动时的力量，并将其反馈给控制器。因此，主手末端实现了实时采集作业人员在操作机械臂四61时使用的力量，实现了力或者力矩的实时采集功能。

应变片51、应变片52能实时检测机械臂三5的应变，当操作人员转动机械臂三5时，机械臂三5发生微小形变，进而影响了应变片51、应变片52的电阻值，应变片51、应变片52将其阻值以电流或者电压信号的形式实时反馈给控制器，进而实现了采集操作人员在操作机械臂三5时使用的力或者力矩的功能，即实现了实时采集操作力的功能。

本发明中的主手上力或力矩力量的采集。不采用传统的扭矩传感器或者力传感器，而是采用主手结构件应变位移的方式，将应变片因形变而改变的电阻，以电流或者电压的形式实时采集出来，进而将其转变为主手所受到的力或力矩，并反馈给控制器。本发明没有采用电机或扭矩电机等零部件，而是采用了液压或者气动装置，将远端执行装置的力量实时反馈给用户。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种力觉反馈主手，其特征在于，包括液压缸组和底部回转结构，所述的底部回转结构可在水平面内回转，其通过阻尼转轴连接机械臂一，所述的机械臂一通过第一可调阻尼转轴连接机械臂二，所述的机械臂二通过旋转轴连接机械臂三、机械臂三通过第一可调阻尼转轴与机械臂四相连，第一液压缸和第二液压缸通过钢丝绳控制第一可调阻尼转轴正转或者反转；第三液压缸和第四液压缸通过钢丝绳控制第二可调阻尼转轴正转或者反转；

所述的机械臂一的壳体表面还设有应变片，应变片能检测到机械臂一的形变实时反馈给控制器；

力觉反馈主手，具有6个自由度，是一种操作手柄，能够实时采集用户操作主手使用的力量，并将其反馈给控制器，同时能将远端采集的力量，经过控制器按比例或者需求力量大小，实时反馈给主手，使用户在操作主手的过程中感受到力得改变；

液压缸组包括液压缸一；液压缸二、液压缸三、液压缸四；

液压缸一与液压缸二的运动方向相反，即液压缸一的推杆伸出时，液压缸的推杆缩回，且两个液压缸伸或者缩的长度比例相关；

钢丝绳在拉线金属头、拉线管一、拉线头固定螺栓内部，可在拉线管一内进行相对滑动；拉线管一与拉线一通过拉线管和钢丝绳连接在一起，拉线一和拉线管一属于同一根拉线；拉线二与拉线管二连接，拉线二与拉线管二属于同一根拉线；

当液压缸推杆缩回，液压缸伸出时，拉动钢丝绳和钢丝绳，使调节螺栓顺时针旋转一定角度，从而使可调阻尼转轴的阻力值增大，进而使人在转动这个关节时感受到变大的阻力；反之，当液压缸推杆缩回，液压缸伸出时，拉动钢丝绳和钢丝绳，使调节螺栓逆时针旋转一定角度，从而使可调阻尼转轴的阻力值减小，进而使人在转动这个关节时感受到变小的阻力；通过上述流程，使操作人员能够感受到操作主手时力度的变化，即实现了此主手的力觉反馈功能。

2.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，在所述的机械臂一上还安装有倾角传感器，所述倾角传感器实时测量机械臂一相对于水平面的角度，并将其反馈给控制器。

3.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，所述的旋转轴的端部设有角度尺，角度尺实时测量出机械臂二和机械臂三的相对角度值，并将其反馈给控制器。

4.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，在机械臂二内设有倾角传感器，倾角传感器实时检测机械臂二相对于水平面的倾斜角度值并反馈给控制器。

5.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，在第一可调阻尼转轴的两端均设有一个调节螺栓，所述的第一液压缸通过钢丝绳与一个螺栓相连，第二液压缸通过钢丝绳与另一螺栓相连。

6.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，在第二可调阻尼转轴的两端均设有一个调节螺栓，所述的第三液压缸通过钢丝绳与一个螺栓相连，第四液压缸通过钢丝绳与另一螺栓相连。

7.如权利要求1所述的一种力觉反馈主手，其特征在于，在机械臂四内部设有角度尺，所述角度尺一端与机械臂四固定，输出端与机械臂三固定，所述角度尺将机械臂四的位姿实时反馈给控制器。