CN113977554B - 一种基于球关节电机的六维力反馈装置 - Google Patents

一种基于球关节电机的六维力反馈装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113977554B
CN113977554B CN202111299208.4A CN202111299208A CN113977554B CN 113977554 B CN113977554 B CN 113977554B CN 202111299208 A CN202111299208 A CN 202111299208A CN 113977554 B CN113977554 B CN 113977554B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ball joint
joint motor
sensor
mechanical arm
parallel mechanical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111299208.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113977554A (zh
Inventor
白坤
李孟轲
邓雅晴
唐明章
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202111299208.4A priority Critical patent/CN113977554B/zh
Publication of CN113977554A publication Critical patent/CN113977554A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113977554B publication Critical patent/CN113977554B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0045—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于球关节电机的六维力反馈装置，属于力反馈装置领域，用于给操作者的手提供三个正交方向的作用力及三个正交方向的作用力矩，使操作者具有真实的力觉反馈。其中，并联机械臂机构具有三个线性自由度，并能够提供三维反馈力；球关节电机具有三个转动自由度，并能够提供三维力矩。通过两种机构混联，整体系统具有六自由度运动，并能够提供解耦的三维力和三维力矩。

Description

一种基于球关节电机的六维力反馈装置
技术领域
本发明属于力反馈装置领域，更具体地，涉及一种基于球关节电机的六维力反馈装置。
背景技术
力反馈装置是刺激人的力触觉的人机接口装置，可以尽可能真实地再现远程或虚拟环境中的力信息。六维力反馈装置被广泛应用于工业、医疗和军事等领域。例如在传统的医学手术过程中，医生需要在现场使用各种器械亲自完成各种操作，而使用力反馈装置即可进行远程协作。
由于传统的力反馈装置普遍采用类似机械操作臂的串联结构实现多自由度的运动以及力的反馈，这种平移和旋转耦合的机构在控制时容易出现位移和姿态命令相互影响的情况，在提供反馈力时也使得操作者难以准确感觉并区分力和力矩，这给力反馈装置的远程控制带来极大的不便，也给力反馈装置的反馈力、力矩精度带来了一定的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于球关节电机的六维力反馈装置，旨在解决现有的传统力反馈装置应用在实际中难以实现位置与姿态间解耦，使得操作者难以准确感知并区分力和力矩，为力反馈装置的远程控制带来了极大的不便问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于球关节电机的六维力反馈装置，包括：并联机械臂机构、球关节电机、位姿传感器和操作手柄；
球关节电机固定于并联机械臂机构的运动末端；位姿传感器使用时与并联机械臂机构和球关节电机固连；操作手柄位于球关节电机的末端；
位姿传感器用于测量并联机械臂机构的位置及球关节电机的姿态信息；
并联机械臂机构具有三个线性运动自由度，根据并联机械臂机构运动末端的位置以及期望力指令，输出三维线性力；球关节电机具有三个转动自由度，根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令，通过调节自身输出电流产生电磁力矩，提供三维输出力矩；
操作手柄用于被作用三维线性力和三维输出力矩，为操作者提供反馈的感知力和感知力矩。
优选地，位姿传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；
并联机械臂传感器与并联机械臂主动臂连接；球关节电机传感器与球关节电机转子连接；
并联机械臂传感器用于获取并联机械臂机构的位置信息；
球关节电机传感器用于球关节电机的姿态信息。
优选地，并联机械臂机构包括动平台、从动臂、主动臂和关节基座；
从动臂和所述主动臂均设置有三个，且一一对应；每个从动臂的第一端与一个主动臂的一端连接；从动臂为平行四边形结构，从动臂的第二端与动平台连接，且三个从动臂关于动平台的中心轴对称分布；从动臂的第一端与其第二端相对；主动臂的另一端固定安装在关节基座上；
主动臂用于根据并联机械臂机构运动末端的位置，在期望力指令下输出旋转力矩；从动臂用于将主动臂产生的旋转力矩转换为三个线性方向上的输出力。
优选地，球关节电机包括球关节电机定子基座、电磁线圈、永磁体、球关节电机转子和球轴承；
球关节电机转子为圆形外壳；球轴承嵌套至球关节电机定子基座上；球关节电机转子位于球关节电机定子基座的外侧；电磁线圈位于球关节电机定子基座上；永磁体位于球关节电机转子上；
电磁线圈用于通电后，通过与永磁体之间的电磁力作用，产生一定大小的电磁力矩，通过多个电磁线圈与永磁体的作用，最终能够提供三个互相垂直方向上的输出力矩；
其中，通电大小根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令确定。
优选地，位姿传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；且并联机械臂传感器和球关节电机传感器均为角度传感器。
优选地，并联机械臂传感器为光电编码器；所述球关节电机传感器为惯性测量单元。
优选地，手柄固定于球关节电机的转子上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明相比于传统力反馈装置，通过并联机械臂机构与球关节电机的结构，实现三个相互垂直方向上的线性移动、力反馈及三个相互垂直方向上的转动、力矩反馈间的解耦，使得反馈装置命令更准确。更为具体地，并联机械臂机构由静平台、三条运动支链结构、动平台构成，其中三条运动支链结构是由三个关于中心对称的主动臂与从动臂组成，三个对称的从动臂为平行四边形机构，由于末端动平台与这三个平行四边形的一边相连，保证了平台所在平面始终与从动臂平行四边形的一边相平行，这种结构的并联机械臂机构可以保证末端的动平台具有三个线性自由度而无转动自由度，同时能够提供三个线性输出力而无输出力矩。力反馈装置上的球关节电机由定子和转子构成，定子与转子上分别布置有电磁线圈与永磁体，当电磁线圈通电后，通过定子上电磁线圈与转子上永磁体之间电磁力的作用，可以提供在三个相互垂直方向上的输出力矩。
附图说明
图1是本发明实施例提供的六维力反馈装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的三自由度球关节电机结构示意图；
标记说明：
1-动平台；2-从动臂；3-主动臂；4-关节基座；5-手柄；6-球关节电机；7-电磁线圈；8-定子基座；9-永磁体；10-转子外壳；11-球轴承。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于球关节电机的六维力反馈装置，包括：并联机械臂机构、球关节电机、位姿传感器和操作手柄；
球关节电机固定于并联机械臂机构的运动末端；位姿传感器使用时与并联机械臂机构和球关节电机固连；操作手柄位于球关节电机的末端；
位姿传感器用于测量并联机械臂机构的位置及球关节电机的姿态信息；
并联机械臂机构具有三个线性运动自由度，根据并联机械臂机构运动末端的位置以及期望力指令，输出三维线性力；球关节电机具有三个转动自由度，根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令，通过调节自身输出电流产生电磁力矩，提供三维输出力矩；
操作手柄用于被作用三维线性力和三维输出力矩，为操作者提供反馈的感知力和感知力矩。
优选地，位姿传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；
并联机械臂传感器与并联机械臂主动臂连接；球关节电机传感器与球关节电机转子连接；
并联机械臂传感器用于获取并联机械臂机构的位置信息；
球关节电机传感器用于球关节电机的姿态信息。
优选地，并联机械臂机构包括动平台、从动臂、主动臂和关节基座；
从动臂和所述主动臂均设置有三个，且一一对应；每个从动臂的第一端与一个主动臂的一端连接；从动臂为平行四边形结构，从动臂的第二端与动平台连接，且三个从动臂关于动平台的中心轴对称分布；从动臂的第一端与其第二端相对；主动臂的另一端固定安装在关节基座上；
主动臂用于根据并联机械臂机构运动末端的位置，在期望力指令下输出旋转力矩；从动臂用于将主动臂产生的旋转力矩转换为三个线性方向上的输出力。
优选地，球关节电机包括球关节电机定子基座、电磁线圈、永磁体、球关节电机转子和球轴承；
球关节电机转子为圆形外壳；球轴承嵌套至球关节电机定子基座上；球关节电机转子位于球关节电机定子基座的外侧；电磁线圈位于球关节电机定子基座上；永磁体位于球关节电机转子上；
电磁线圈用于通电后，通过与永磁体之间的电磁力作用，产生一定大小的电磁力矩，通过多个电磁线圈与永磁体的作用，最终能够提供三个互相垂直方向上的输出力矩；
其中，通电大小根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令确定。
优选地，位姿传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；且并联机械臂传感器和球关节电机传感器均为角度传感器。
优选地，并联机械臂传感器为光电编码器；所述球关节电机传感器为惯性测量单元。
优选地，手柄固定于球关节电机的转子上。实施例
如图1所示，本发明实施例提供的基于球关节电机的六维力反馈装置包括并联机械臂机构、球关节电机6、传感器和处理器；
并联机械臂机构具有三个线性自由度，为手柄提供三个线性方向上的自由度，并提供三维线性输出力；
球关节电机6具有三个转动自由度，为手柄提供三个转动自由度，并提供三维输出力矩；
传感器用于感应力反馈装置的位置及姿态信息。
在移动或转动六维力反馈装置时，通过并联机械臂机构及球关节电机上的传感器得到当前状态下并联机械臂机构的位置信息及球关节电机末端的姿态信息；通过并联机械臂机构及球关节电机所提供的驱动力矩，可实现力反馈装置在三个线性自由度上的力反馈以及三个旋转自由度方向上的力矩反馈；
传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；
并联机械臂机构包括动平台1、从动臂2、主动臂3和关节基座4；
从动臂2和主动臂3均有三个，且一一对应；每个从动臂2的第一端与一个主动臂3的一端连接；从动臂2为平行四边形结构，从动臂2的第二端与动平台1连接，且三个从动臂2关于动平台1的中心轴对称分布；从动臂2的第一端与第二端相对；主动臂3的另一端固定安装在关节基座4上；并联机械臂传感器与主动臂3的旋转电机相连；
主动臂用于在所述并联机械臂接收到反馈力的指令下输出旋转力矩；
从动臂用于将主动臂上电机产生的旋转力矩转换为三个线性方向上的输出力。
三个线性方向上的输出力传递至手柄5；
上述这种结构的并联机械臂机构可以保证动平台所在平面始终与从动臂平行四边形的一边相平行，动平台具有三个线性自由度而无转动自由度，同时能够提供三个线性输出力而无输出力矩。
六维力反馈装置上的球关节电机6包括电机定子基座8、电磁线圈7、永磁体9、球关节电机转子10和球轴承11；电机转子10为圆形外壳；球轴承11嵌套至球关节电机定子基座8上；球关节电机转子10位于球关节电机定子基座8的外侧；电磁线圈7位于球关节电机定子基座8上；永磁体9位于球关节电机转子10上；
当力反馈装置姿态信息发生变化时，球关节电机传感器感应力反馈装置的姿态信息；
当电磁线圈通电后，通过球关节电机定子基座8上的电磁线圈7与球关节电机转子10上的永磁体9之间的电磁力作用，可以提供在三个相互垂直方向上的输出力矩。
图2为三自由度球关节电机的结构示意图，如图2所示，该球关节电机包括定子基座8及转子外壳10构成，定子基座8及转子外壳10上分别布置有电磁线圈及圆柱形永磁体，通过电磁线圈7和永磁体9之间的电磁力作用，可以提供三个方向上的输出力矩。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于球关节电机的六维力反馈装置，其特征在于，包括：并联机械臂机构、球关节电机、位姿传感器和操作手柄；
所述球关节电机固定于并联机械臂机构的运动末端；所述位姿传感器使用时与并联机械臂机构和球关节电机固连；所述操作手柄位于球关节电机的末端；
所述位姿传感器用于测量并联机械臂机构的位置及球关节电机的姿态信息；
所述并联机械臂机构具有三个线性运动自由度，根据并联机械臂机构运动末端的位置以及期望力指令，输出三维线性力；所述球关节电机具有三个转动自由度，根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令，通过调节自身输出电流产生电磁力矩，提供三维输出力矩；
操作手柄用于被作用三维线性力和三维输出力矩，为操作者提供反馈的感知力和感知力矩；
所述并联机械臂机构包括动平台、从动臂、主动臂和关节基座；
所述从动臂和所述主动臂均设置有三个，且一一对应；每个所述从动臂的第一端与一个所述主动臂的一端连接；所述从动臂为平行四边形结构，所述从动臂的第二端与所述动平台连接，且三个所述从动臂关于所述动平台的中心轴对称分布；所述从动臂的第一端与其第二端相对；所述主动臂的另一端固定安装在关节基座上；
所述主动臂用于根据并联机械臂机构运动末端的位置，在期望力指令下输出旋转力矩；
所述从动臂用于将主动臂产生的旋转力矩转换为三个线性方向上的输出力；
所述球关节电机包括球关节电机定子基座、电磁线圈、永磁体、球关节电机转子和球轴承；
所述球关节电机转子为圆形外壳；所述球轴承嵌套至球关节电机定子基座上；所述球关节电机转子位于所述球关节电机定子基座的外侧；所述电磁线圈位于所述球关节电机定子基座上；所述永磁体位于所述球关节电机转子上；
所述电磁线圈用于通电后，通过与永磁体之间的电磁力作用，产生电磁力矩，通过多个电磁线圈与永磁体的作用，提供三个互相垂直方向上的输出力矩；
其中，通电大小根据球关节电机的姿态以及期望力矩指令确定。
2.根据权利要求1所述的六维力反馈装置，其特征在于，所述位姿传感器包括并联机械臂传感器和球关节电机传感器；所述并联机械臂传感器与所述并联机械臂主动臂连接；所述球关节电机传感器与所述球关节电机转子连接；
所述并联机械臂传感器用于获取并联机械臂机构的位置信息；所述球关节电机传感器用于球关节电机的姿态信息。
3.根据权利要求2所述的六维力反馈装置，其特征在于，所述并联机械臂传感器和所述球关节电机传感器均为角度传感器。
4.根据权利要求3所述的六维力反馈装置，其特征在于，所述并联机械臂传感器为光电编码器；所述球关节电机传感器为惯性测量单元。
5.根据权利要求1或4所述的六维力反馈装置，其特征在于，所述手柄固定于球关节电机的转子上。
CN202111299208.4A 2021-11-04 2021-11-04 一种基于球关节电机的六维力反馈装置 Active CN113977554B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111299208.4A CN113977554B (zh) 2021-11-04 2021-11-04 一种基于球关节电机的六维力反馈装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111299208.4A CN113977554B (zh) 2021-11-04 2021-11-04 一种基于球关节电机的六维力反馈装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113977554A CN113977554A (zh) 2022-01-28
CN113977554B true CN113977554B (zh) 2023-05-09

Family

ID=79746375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111299208.4A Active CN113977554B (zh) 2021-11-04 2021-11-04 一种基于球关节电机的六维力反馈装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113977554B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114952800A (zh) * 2022-06-30 2022-08-30 华中科技大学 一种基于球关节驱动的混联机械操作臂

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101439514B (zh) * 2008-12-25 2010-06-30 上海交通大学 滑块式结构解耦六维力反馈装置
JP5841451B2 (ja) * 2011-08-04 2016-01-13 オリンパス株式会社 手術器具およびその制御方法
CN104842342B (zh) * 2015-05-25 2020-03-24 山东理工大学 并联式六维力反馈装置
US10828115B2 (en) * 2015-07-23 2020-11-10 Sri International Robotic arm and robotic surgical system
CN105835086B (zh) * 2016-05-11 2017-12-01 华南理工大学 一种混联式6自由度力反馈机械臂
CN112077816B (zh) * 2020-09-24 2023-12-19 上海交通大学 遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法
CN113081288A (zh) * 2021-03-23 2021-07-09 华中科技大学 一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手及其系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113977554A (zh) 2022-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6648021B2 (ja) 多方向力フィードバックを有する制御装置、触覚インタフェース、マスタロボット及びスレーブロボットシステム、及び、協力ロボット
US6281651B1 (en) Haptic pointing devices
CN102152314B (zh) 触感装置中的夹持力反馈系统
WO2022198809A1 (zh) 一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手及其系统
CN113977554B (zh) 一种基于球关节电机的六维力反馈装置
CN109316239B (zh) 基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统
CN114080301A (zh) 独立平移的同轴机器人臂和感知壳体
CN110327011A (zh) 一种基于磁矢量误差标定图像的双半球胶囊机器人姿态检测方法
WO2019039131A1 (ja) パラレルリンク装置並びにマスタ－スレーブシステム
CN109282774B (zh) 一种基于距离测量求解球关节三自由度姿态的装置及方法
GB2554876A (en) Haptic device
CN110897725A (zh) 一种全主动8自由度串联式主操作手
US20230070187A1 (en) Treatment assistance equipment
CN201224104Y (zh) 力反馈三自由度手控器的机构
CN108136590B (zh) 并行链节机器人和操作装置
Black et al. Towards differential magnetic force sensing for ultrasound teleoperation
CN115634049A (zh) 一种手术机器人力反馈手柄
WO2022204869A1 (zh) 一种力反馈装置及其应用
Tsumaki et al. A spherical haptic interface with unlimited workspace
CN111150608B (zh) 基于压力传感器识别运动意图的康复机器人的控制方法
WO2018069835A1 (en) A robot arm
JP4155546B2 (ja) 球面超音波モータ
Sun et al. Design of a snake robot based on modular joint
KR100500964B1 (ko) 의료 시술 장치의 3차원 위치 측정 및 고정기구
JP3819636B2 (ja) パッシブ型力覚提示装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant