CN206757454U - 单控制手柄宏动六维控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于该控制器包括六个阻尼器、六个角度测量元件、静平台、三条结构尺寸相同的运动支链、信号采集处理模块、动平台、手柄和存储介质，所述三条结构尺寸相同的运动支链均匀分布在静平台和动平台之间，六个阻尼器和六个角度测量元件成对的分布于三条运动支链的最下端的转动副上；所述动平台的上部安装手柄，角度测量元件通过导线与信号采集处理模块的输入端连接，信号采集处理模块的输出端采用RS485通讯协议与存储介质连接；所述存储介质内加载有运动学正解算法，存储介质与被控物体连接；所述每条运动支链均包括一个五转动副平面运动链(41)、上连杆(43)、上虎克铰(44)和下虎克铰(42)。

Description

单控制手柄宏动六维控制器

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，特别是涉及一种单控制手柄宏动六维控制器。

背景技术

随着工业生产的工况越来越复杂以至于简单的编程很难完成机械动作；或者工作条件不利于人类身体健康，例如在核辐射特别强的地区工作，此时需要控制器对机器人进行远程控制以完成机器人的动作。

生活中最典型的位移控制器是鼠标，鼠标控制电脑屏幕的小箭头在屏幕内实现二维移动，鼠标是最典型的二维控制器，但随着当今科技的日益发展，工业自动化领域对于多维控制器的需要越来越多，但由于六维控制器功能复杂，目前在国内六维控制器的种类并不多，六维控制器的研究是目前自动控制领域的主要研究问题之一。

申请号200820227632.1公开了一种单控制手柄六维控制器，该控制器通过六组应变片组成全桥电路，六组应变片测量动平台所受的力的大小，通过六组电信号解耦后控制信号源，实现六维运动。但是该控制器是通过检测手柄所受的力的大小去控制被控物体，动平台并没有进行宏观的运动，被控物体的运动与动平台的运动并没有直接的联系，不直观，在一些需要精确控制的场合不利于控制被控物体。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种单控制手柄宏动六维控制器。该控制器可以对某现实物体或者某虚拟物体进行六维位移控制，实现宏动，使被控物体的位移与动平台的位移直接相关，更容易被控制。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于该控制器包括六个阻尼器、六个角度测量元件、静平台、三条结构尺寸相同的运动支链、信号采集处理模块、动平台、手柄和存储介质，所述三条结构尺寸相同的运动支链均匀分布在静平台和动平台之间，六个阻尼器和六个角度测量元件成对的分布于三条运动支链的最下端的转动副上；所述动平台的上部安装手柄，角度测量元件通过导线与信号采集处理模块的输入端连接，信号采集处理模块的输出端采用RS485通讯协议与存储介质连接；所述存储介质内加载有运动学正解算法，存储介质与被控物体连接；

所述每条运动支链均包括一个五转动副平面运动链(41)、上连杆(43)、上虎克铰(44)和下虎克铰(42)，五转动副平面运动链(41)的上端连接下虎克铰(42)，下端连接静平台，上虎克铰(44)和下虎克铰(42)之间通过上连杆(43)连接；

五转动副平面运动链(41)是由四个下连杆(411、412、413和414)以及静平台3构成的平面五边形及五个转动副(415、416、417、418和419)构成，其中，静平台作为机架，两个下连杆(411、414)为位于下部的两个连架杆，两个下连杆(412、413)为位于中间的两个连杆，五个转动副(415、416、417、418和419)的轴线相互平行，并均垂直于四个下连杆(411、412、413和414)所在的平面，两个下连杆(411、414)转动作为该运动支链的驱动，两个转动副(415、419)为运动支链的最下层的运动副，每个最下层的运动副上均通过一根长轴安装有一个角度测量元件和一个阻尼器，两个转动副(415、419)通过轴承座与静平台相连接；在两个下连杆(412、413)的铰接处安装下虎克铰，下虎克铰通过上连杆(43)与上虎克铰(44)连接，上虎克铰(44)同时与动平台连接；下虎克铰(42)的第一个转轴(421)的轴线与连接两个下连杆(412、413)的转动副(417)的轴线共线，上虎克铰(44)与下虎克铰(42)在连接它们的上连杆(43)上的第二个转轴(442)与第二个转轴(422)的轴线相互平行；三个上虎克铰的第一个转轴(441)的轴线的相互位置关系为相互平行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用一个控制手柄即可提供六路控制信号源从而实现六维运动的控制。该控制器成本低，结构紧凑，易于加工，操作方便，失真度小(更加灵巧)，刚度大，同时对操作者的要求低，感受直观，不要求操作者有较多的专业知识即可操作。

本实用新型中的被控物体可以是某虚拟物体，也可以是某现实中的实际物体，该控制器能使被控物体的位移与动平台的位移直接相关，而不是与动平台手柄所受的力相关，更加直观，可应用于需要对三维移动和三维转动进行宏动控制的场合。

附图说明

图1为本实用新型单控制手柄宏动六维控制器一种实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型单控制手柄宏动六维控制器一种实施例一个运动支链4的连接结构示意图；

图3为本实用新型单控制手柄宏动六维控制器一种实施例的俯视结构示意图；

图4为本实用新型单控制手柄宏动六维控制器一种实施例的工作流程图；

图5为本实用新型单控制手柄宏动六维控制器一种实施例的存储介质的运行流程图。

图中，1阻尼器、2角度测量元件、3静平台、4运动支链、5.信号采集处理模块、7动平台、8手柄、6存储介质；41五转动副平面运动链，44上虎克铰，42下虎克铰，411～414下连杆，415～418转动副，421、441第一个转轴，422、442第二个转轴。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步叙述本实用新型，但实施例不限制本申请的权利要求保护范围。

本实用新型单控制手柄宏动六维控制器(简称控制器，参见图1-3)包括六个阻尼器1、六个角度测量元件2、静平台3、三条结构尺寸相同的运动支链4、信号采集处理模块5、动平台7、手柄8和存储介质6，所述三条结构尺寸相同的运动支链均匀分布在静平台3和动平台7之间，六个阻尼器1和六个角度测量元件2成对的分布于三条运动支链4的最下端的转动副上；所述动平台7的上部安装手柄8，角度测量元件2通过导线与信号采集处理模块的输入端连接，信号采集处理模块5的输出端采用RS485通讯协议与存储介质连接；所述存储介质内加载有运动学正解算法，存储介质与被控物体连接；

所述每条运动支链均包括一个五转动副平面运动链41、上连杆43、上虎克铰44和下虎克铰42，五转动副平面运动链41的上端连接下虎克铰42，下端连接静平台3，上虎克铰44和下虎克铰42之间通过上连杆43连接；

五转动副平面运动链41是由四个下连杆(411、412、413和414)以及静平台3构成的平面五边形及五个转动副(415、416、417、418和419)构成，其中，静平台作为机架，两个下连杆(411、414)为位于下部的两个连架杆，两个下连杆(412、413)为位于中间的两个连杆，五个转动副(415、416、417、418和419)的轴线相互平行，并均垂直于四个下连杆(411、412、413和414)所在的平面，两个下连杆(411、414)转动作为该运动支链的驱动，两个转动副(415、419)为运动支链4的最下层的运动副，每个最下层的运动副上均通过一根长轴安装有一个角度测量元件2和一个阻尼器1，两个转动副(415、419)通过轴承座与静平台3相连接；在两个下连杆(412、413)的铰接处安装下虎克铰42，下虎克铰42通过上连杆43与上虎克铰44连接，上虎克铰44同时与动平台2连接；下虎克铰42的第一个转轴421的轴线与连接两个下连杆(412、413)的转动副417的轴线共线，上虎克铰44与下虎克铰42在连接它们的上连杆43上的第二个转轴442与第二个转轴422的轴线相互平行；三个上虎克铰的第一个转轴441的轴线的相互位置关系为相互平行；

安装在同一个转动副(415或419)上的阻尼器1和角度测量元件2分别位于该转动副的轴线方向的一侧或两侧。

所述动平台7由上下两个大小形状完全相同的板件组成，易于加工，成本低，同时安装上虎克铰44非常方便；手柄8的下端为阶梯轴，动平台的两个板件由手柄下端的阶梯轴定位，并由三组螺栓螺母紧固。

所述上连杆43由两个相同的平行杆件组成，更易于加工，成本低，简化了上虎克铰42和下虎克铰44的安装方式，安装非常方便，克服了现有虎克铰的安装方式复杂且成本较高的问题。

所述上虎克铰44和下虎克铰42的形状结构相同，上虎克铰44由两个转轴组成，两个转轴(第一个转轴和第二个转轴)呈十字交叉状，上虎克铰的加工方法是：首先加工出两个转轴，其中一个转轴的中心打有通孔，该通孔的直径与另一个转轴的中间位置的直径相匹配，将没有通孔的转轴插进有通孔的轴的通孔里，用轴肩定位，定位之后，将两个转轴焊接在一起，完成上虎克铰的十字轴的加工；第一个转轴441的两端分别连接动平台的上下两个板件，第二个转轴442的两端分别连接上连杆43的两个平行杆件，如此的安装方式简单易行，且能显著降低成本。

本实用新型所述角度测量元件用于测量运动支链中连架杆即下连杆(411或414)的角位移，可以为电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、旋转变压器、电位计和光电编码器中的任意一种，同一个控制器上只能用一种角度测量元件。

本实用新型所述存储介质为电脑或DSP系统，为电脑时，被控物体是虚拟物体，电脑内加载运动学正解算法，信号采集处理模块处理后的信号在电脑中进行求正解处理，计算出机构正解，通过改变手柄的动作而改变电脑中虚拟物体的移动；为DSP系统时，被控物体是现实中的实际物体，DSP系统同时与现实中的实际物体连接，信号采集处理模块处理后的信号在DSP系统中进行求正解处理，计算出机构正解，使用者通过改变手柄的动作而改变现实中的实际物体的移动。

本实用新型的工作原理和过程是：在静平台上可以安装阻尼器1和角度测量元件2，阻尼器1在人不使用控制器的时候，避免控制器因为受重力作用而不能保持原本的位置，角度测量元件2用来测量连架杆411、连架杆414的角位移，即感应转动副(415、419)的转动。三条运动支链上的六个转动副(415、419)由轴套配合实现，转动副415和转动副419所在位置为轴承座所在的位置，应用轴承座承受运动支链4、动平台7和手柄8的重量，中间用一根长轴来保证角度测量元件2、连架杆和阻尼器1没有相对转动。转动副(416或418)的两端各有一个法兰盘，中间用一根短轴将一个连架杆(411或414)和一个位于中间的连杆(412或413)联接，构成转动副。上连杆43由两个相同的杆件组成，两个杆件相互静止，位于两个第二个转轴(422、442)的转动副中间。第一个转轴441和第二个转轴442构成一个虎克铰，由一个十字轴完成虎克铰的两个转动副的运动约束。

人手操作手柄，手柄带动动平台与运动支链4运动，当三个运动支链4的转动副(415和419)共同被相应的角度测量元件2感应时，测量六个角位移，角度测量元件输出六个电压信号，信号采集处理模块5接收测量信号，六个电压信号经信号采集处理模块5进行采样和AD转换后输出六个数字信号，再将六个数字信号传到存储介质，经存储介质计算出机构正解，求出动平台位姿。这里的机构指这三条运动支链和动平台组成的机构，机构正解是指已知六个下连杆(三个连架杆411和三个连架杆414)的转角，求出动平台位姿的过程。如果被控物体是一个虚拟的物体，那么就让虚拟物体跟随控制器的运动而运动；如果被控物体是现实中的实际物体，就通过DSP系统控制现实中的实际物体的电机的信号，从而控制电机转动，使那个现实中的实际物体跟随本实用新型中的手柄运动。

求出六维控制器的动平台位姿后，根据被控物体的实际需要，如果被控物体是一个实际的物体，DSP系统控制被控物体的主动件完成特定的运动，例如被控物体是由电机驱动，DSP系统则会控制此时电机的转速，转向等。在电脑里算出正解，直接控制虚拟物体，在电脑中完成该虚拟物体在虚拟空间中的运动，实现交互式仿真；或者是在DSP系统里算出正解后，再算出被控物体的主动件的运动，直接由DSP系统与被控物体的主动件相连(主动件比如说可以是电机等)，通过DSP系统实现被控物体跟随手柄的运动而运动。

本实用新型中被控物体可以是某虚拟物体，也可以是某现实中的实际物体，使被控物体的位移与动平台(这个动平台就是指控制器的动平台或者手柄)的位移直接相关，更容易被控制。

本实用新型所述存储介质的运行流程是(参见图5)：开始并进行串口初始化，打开串口，然后对信号采集处理模块传来的信号进行信号采集，并对该信号进行正解运算，再将正解运算结果与前一次循环的位置进行比较，如果机构位置没有变化量，则返回信号采集，如果机构位置有变化量，则将正解运算的数据下传至被控物体，被控物体执行相应的动作，完成一次循环；再判断动平台是否停止工作，若没有停止工作，则进入下一次循环，存储介质时刻监测信号采集处理模块的信号，信号采集处理模块给出下一次信号，进行正解运算；若动平台停止工作，则关闭串口，结束程序。

本实用新型中所述的信号采集处理模块为C2000MDV8电压采集模块。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于该控制器包括六个阻尼器、六个角度测量元件、静平台、三条结构尺寸相同的运动支链、信号采集处理模块、动平台、手柄和存储介质，所述三条结构尺寸相同的运动支链均匀分布在静平台和动平台之间，六个阻尼器和六个角度测量元件成对的分布于三条运动支链的最下端的转动副上；所述动平台的上部安装手柄，角度测量元件通过导线与信号采集处理模块的输入端连接，信号采集处理模块的输出端采用RS485通讯协议与存储介质连接；所述存储介质与被控物体连接；

所述每条运动支链均包括一个五转动副平面运动链（41）、上连杆（43）、上虎克铰（44）和下虎克铰（42），五转动副平面运动链（41）的上端连接下虎克铰（42），下端连接静平台，上虎克铰（44）和下虎克铰（42）之间通过上连杆（43）连接；

五转动副平面运动链（41）是由四个下连杆（411、412、413和414）以及静平台3构成的平面五边形及五个转动副（415、416、417、418和419）构成，其中，静平台作为机架，两个下连杆（411、414）为位于下部的两个连架杆，两个下连杆（412、413）为位于中间的两个连杆，五个转动副（415、416、417、418和419）的轴线相互平行，并均垂直于四个下连杆（411、412、413和414）所在的平面，两个下连杆（411、414）转动作为该运动支链的驱动，两个转动副（415、419）为运动支链的最下层的运动副，每个最下层的运动副上均通过一根长轴安装有一个角度测量元件和一个阻尼器，两个转动副（415、419）通过轴承座与静平台相连接；在两个下连杆（412、413）的铰接处安装下虎克铰，下虎克铰通过上连杆（43）与上虎克铰（44）连接，上虎克铰（44）同时与动平台连接；下虎克铰（42）的第一个转轴（421）的轴线与连接两个下连杆（412、413）的转动副（417）的轴线共线，上虎克铰（44）与下虎克铰（42）在连接它们的上连杆（43）上的第二个转轴（442）与第二个转轴（422）的轴线相互平行；三个上虎克铰的第一个转轴（441）的轴线的相互位置关系为相互平行。

2.根据权利要求1所述的单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于安装在同一个转动副（415或419）上的阻尼器和角度测量元件分别位于该转动副的轴线方向的两侧。

3.根据权利要求1所述的单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于所述动平台由上下两个大小形状完全相同的板件组成；手柄的下端为阶梯轴，动平台的两个板件由手柄下端的阶梯轴定位，并由三组螺栓螺母紧固。

4.根据权利要求1所述的单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于所述上连杆（43）由两个相同的平行杆件组成，上连杆（43）的两个平行杆件的两端分别连接两个虎克铰的第二个转轴的两端。

5.根据权利要求1所述的单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于所述角度测量元件为电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、旋转变压器、电位计和光电编码器中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的单控制手柄宏动六维控制器，其特征在于所述存储介质为电脑或DSP系统。