專利名稱：三自由度力覺(jué)交互裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有三個(gè)自由度的能準(zhǔn)確模擬虛擬環(huán)境中物體之間接觸力大小和方向的力覺(jué)交互裝置。
背景技術(shù)：
力覺(jué)交互又稱觸覺(jué)再現(xiàn)，該技術(shù)起源于機(jī)器人主從操作和遙操作，目的是給位于異地的操作者提供力覺(jué)信息，模擬其臨場(chǎng)操作的感知，以提高操作質(zhì)量和效率。近年來(lái)，力覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，成為一種新的計(jì)算機(jī)人機(jī)交互方式，在對(duì)虛擬物體進(jìn)行操作時(shí)，操作者通過(guò)力覺(jué)再現(xiàn)裝置感受到虛擬物體的作用力、物體的材質(zhì)和形狀，甚至物體的運(yùn)動(dòng)，體驗(yàn)到如同操作真實(shí)物體的力覺(jué)感知效果。其功能是測(cè)量操作者操作趨勢(shì)，與虛擬仿真環(huán)境通信，接受虛擬環(huán)境計(jì)算的虛擬力信號(hào)，通過(guò)機(jī)械接口將反饋力施加給操作者。
力覺(jué)交互裝置的類型包括固定于操作者手臂和固定于工作臺(tái)上的兩大類型，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。前者主要包括數(shù)據(jù)臂、數(shù)據(jù)手套，這類設(shè)備的特點(diǎn)是可以跟蹤操作者手臂或手指的多自由度運(yùn)動(dòng)，但普遍存在尺寸龐大、重量較重、力覺(jué)感受逼真度差等缺點(diǎn)，適用于不要求逼真感知交互力的場(chǎng)合，一般用于機(jī)械臂或機(jī)器人靈巧手的主從操作中。本發(fā)明是一種固定于工作臺(tái)上的桌面式力覺(jué)交互裝置，具有操作方便、運(yùn)動(dòng)靈活，力覺(jué)感受逼真等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三自由度力覺(jué)交互裝置，所述力覺(jué)交互裝置采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)作為減速傳動(dòng)方式，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)相對(duì)旋轉(zhuǎn)支架的平面運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，給握在手柄處的人手一個(gè)和虛擬環(huán)境中虛擬力相同的力的感覺(jué)。
本發(fā)明是一種三自由度力覺(jué)交互裝置，由三套減速機(jī)構(gòu)、機(jī)座、旋轉(zhuǎn)支架、連桿機(jī)構(gòu)、手柄、兩個(gè)編碼器和三個(gè)電機(jī)組成。所述三套減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，由主動(dòng)輪、兩根鋼絲繩和從動(dòng)輪構(gòu)成；減速機(jī)構(gòu)A安裝在機(jī)座的安裝面上，旋轉(zhuǎn)支架的軸承段穿過(guò)減速機(jī)構(gòu)A的從動(dòng)輪A的中心孔安裝在機(jī)座立柱內(nèi)的兩個(gè)軸承上，電機(jī)A的輸出軸穿過(guò)機(jī)座連接板上的孔并固定在連接板上，電機(jī)A輸出軸與主動(dòng)輪A連接；所述主動(dòng)輪A上設(shè)有鋼絲繩螺紋段和與電機(jī)A輸出軸連接的連接段，螺紋段上設(shè)有兩個(gè)套孔，連接段上設(shè)有兩個(gè)用于固緊電機(jī)A輸出軸的螺紋孔，主動(dòng)輪A的中心是一通孔，通孔的直徑與電機(jī)A輸出軸的直徑適配；電機(jī)B固定在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面A上，且電機(jī)B輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面A的安裝孔內(nèi)，編碼器C安裝在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面A的安裝孔內(nèi)，電機(jī)B的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器C檢測(cè)；電機(jī)C固定在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面B上，且電機(jī)C輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面B的安裝孔內(nèi)，編碼器B安裝在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面B的安裝孔內(nèi)，電機(jī)C的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器B檢測(cè)；減速機(jī)構(gòu)B和減速機(jī)構(gòu)C通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架的安裝面A的凸柱和安裝面B的凸柱上；連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿的L形連接端安裝在減速機(jī)構(gòu)C的從動(dòng)輪C上，連桿機(jī)構(gòu)的第四連桿的L形連接端安裝在減速機(jī)構(gòu)B的從動(dòng)輪B上；手柄通過(guò)一球鉸安裝在連桿機(jī)構(gòu)的圓形連接端內(nèi)，手柄為一圓柱棒。
所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其減速機(jī)構(gòu)A的兩根鋼絲繩的一端分別固緊在主動(dòng)輪A的套孔A和套孔B內(nèi)，兩根鋼絲繩的另一端反向纏繞在主動(dòng)輪A的輪緣的外部；所述減速機(jī)構(gòu)B的兩根鋼絲繩的一端分別固緊在與電機(jī)B輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪B的輪緣的外部；所述減速機(jī)構(gòu)C的兩根鋼絲繩的一端分別固緊在與電機(jī)C輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪C的輪緣的外部。
所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其第一自由度是指電機(jī)A帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)A驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架繞豎直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)；第二自由度是指電機(jī)B帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)B驅(qū)動(dòng)第四連桿運(yùn)動(dòng)；第三自由度是指電機(jī)C帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)C驅(qū)動(dòng)第三連桿運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明三自由度力覺(jué)交互裝置的優(yōu)點(diǎn)在于(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，功能可靠，運(yùn)動(dòng)精確高，操作靈活，加工、裝配及維護(hù)簡(jiǎn)便等；(2)旋轉(zhuǎn)支架上安裝的兩個(gè)電機(jī)的非同軸安裝設(shè)計(jì)和數(shù)字編碼器的獨(dú)立安裝方式使得機(jī)構(gòu)盡可能的緊湊，從而減小了本發(fā)明裝置總體相對(duì)豎直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；(3)通過(guò)在機(jī)座、從動(dòng)輪A、從動(dòng)輪B、從動(dòng)輪C和旋轉(zhuǎn)支架上安裝限位開關(guān)和限位柱來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)極限位置的限定。通過(guò)數(shù)字編碼器對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄以及對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行檢測(cè)；(4)能夠提供較大的工作空間和較大的輸出力，機(jī)構(gòu)末端的手柄球鉸中心處具有較高的位置分辯率；(5)設(shè)計(jì)的鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了較小速比的減速運(yùn)動(dòng)，又保證了纏繞在大小傳動(dòng)輪上的鋼絲繩不打滑和沒(méi)有回差的特性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，具有創(chuàng)造性；(6)本發(fā)明機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體積小，操作輕巧，運(yùn)動(dòng)靈活，各向同性好。


圖1和圖2分別是本發(fā)明三自由度力覺(jué)交互裝置的外部結(jié)構(gòu)圖。
圖3是機(jī)座、電機(jī)A、主動(dòng)輪A、從動(dòng)輪A和旋轉(zhuǎn)支架的裝配圖。
圖4是機(jī)座的結(jié)構(gòu)圖。
圖5(a、b、c)是從動(dòng)輪A的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是旋轉(zhuǎn)支架的結(jié)構(gòu)圖。
圖7(a、b、c)是從動(dòng)輪C的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖9是主動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)圖。
圖中1.機(jī)座 101.底盤102.孔 103.凸面104.立柱 105.通孔 106.連接板 107.孔 108.深溝球軸承109.圓錐滾子軸承 110.孔 111.安裝面 2.減速機(jī)構(gòu)A201.中心孔202.圓孔 203.ㄩ形凸耳 204.銷孔205.限位銷 206.限位開關(guān)207.孔208.穿孔 209.銷孔210.輪緣 211.凸緣212.穿孔 213.從動(dòng)輪A214.主動(dòng)輪A 215.鋼絲繩 216.螺紋段217.連接段218.螺紋孔 219.通孔220.套孔B 221.套孔A222.螺旋槽3.旋轉(zhuǎn)支架 301.安裝面B 302.安裝面A303.限位開關(guān)304.孔305.孔 306.凸柱307.限位開關(guān) 308.孔309.孔310.凸柱 311.水平安裝面 312.第一段軸 313.第二段軸314.第三段軸 315.銷孔 316.豎直軸線317.水平旋轉(zhuǎn)軸 4.減速機(jī)構(gòu)C401.支撐緣402.通孔 403.圓孔404.輪緣 405.槽口406.ㄩ形凸耳 407.銷孔 408.穿孔409.穿孔 410.限位銷411.從動(dòng)輪C 412.鋼絲繩 413.螺紋414.安裝孔 5.連桿機(jī)構(gòu)510.第一連桿 520.第二連桿 530.第三連桿540.第四連桿 511.U形連接端512.方形連接端513.圓形連接端 514.連接臂 515.上平板 516.下平板517.上平板518.下平板 519.圓孔521.連接臂 522.U形連接端523.軸孔 524.上平板 525.下平板 531.連接臂 532.軸孔533.L形連接端 534.端板 535.安裝孔 6.手柄 7.電機(jī)A8.電機(jī)B 9.電機(jī)C10.數(shù)字編碼器C 11.數(shù)字編碼器B12.減速機(jī)構(gòu)B 1201.從動(dòng)輪B 1202.鋼絲繩
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種力覺(jué)交互裝置，具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度(手柄可水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和左右旋擺)，能夠準(zhǔn)確跟蹤人手的三維運(yùn)動(dòng)同時(shí)在手柄球鉸處輸出不小于4N的力。它可以應(yīng)用在許多虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和仿真領(lǐng)域，提高操作者在虛擬環(huán)境中的“沉浸感”，實(shí)現(xiàn)力覺(jué)的模擬，使得人機(jī)交互更加真實(shí)、自然。
在力覺(jué)模擬過(guò)程中，力覺(jué)交互裝置工作在兩種工作狀態(tài)。一種是用戶操作裝置在虛擬空間自由移動(dòng)，虛擬工具沒(méi)有接觸到虛擬物體，此時(shí)電機(jī)處于斷電的自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，力覺(jué)交互裝置的手柄使得這種工作狀態(tài)被稱為反向驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)；另外一種工作狀態(tài)是電機(jī)處于通電運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用戶操作力覺(jué)交互裝置的手柄使得虛擬工具和虛擬物體接觸，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算得到接觸力的大小和方向再通過(guò)裝置反饋給用戶，使用戶感覺(jué)到此接觸力，這種工作狀態(tài)稱為正向驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)。
在本發(fā)明中，力覺(jué)交互裝置正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)電機(jī)(電機(jī)A7、電機(jī)B8和電機(jī)C9)分別通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)(即減速機(jī)構(gòu)A、減速機(jī)構(gòu)B和減速機(jī)構(gòu)C)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架3的豎直軸線316處的軸段(第一段軸312、第二段軸313和第三段軸314)和連桿機(jī)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在操作手柄6球鉸處輸出力的信息，其手柄6與連桿機(jī)構(gòu)5接合處的球鉸的位置分辯率達(dá)到0.04mm，反向驅(qū)動(dòng)力為0.67N～1.31N，該裝置輸出的觸覺(jué)反饋力為4N～50N。所述電機(jī)A 7為直流伺服電機(jī)，輸出功率為60W；電機(jī)B 8和電機(jī)C 9為盤式直流伺服電機(jī)，電機(jī)輸出功率為50W。
在本發(fā)明中，力覺(jué)交互裝置反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)電機(jī)處于斷電的自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，操作者通過(guò)手柄6實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，其余構(gòu)件作為從動(dòng)件在操作者的操作方式下運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明是一種三自由度力覺(jué)交互裝置，由減速機(jī)構(gòu)A2、減速機(jī)構(gòu)B12、減速機(jī)構(gòu)C4、機(jī)座1、旋轉(zhuǎn)支架3、連桿機(jī)構(gòu)5、手柄6、編碼器10、11和電機(jī)A7、電機(jī)B8、電機(jī)C9組成(如圖1和圖2所示)，其中還涉及幾個(gè)小器件，如限位銷(結(jié)構(gòu)為小型圓柱棒)、限位開關(guān)(結(jié)構(gòu)為薄銅片)、以及套在水平旋轉(zhuǎn)軸317上的套管(套管結(jié)構(gòu)為空心圓管，該套管在使用上較為普遍，在本發(fā)明中用來(lái)解決從動(dòng)輪B12和從動(dòng)輪C411之間的間隔位置，起到定位的目的)。所述減速機(jī)構(gòu)A2由主動(dòng)輪A213、兩根鋼絲繩和從動(dòng)輪A214構(gòu)成，所述減速機(jī)構(gòu)B12由主動(dòng)輪、兩根鋼絲繩1202和從動(dòng)輪B1201構(gòu)成，所述減速機(jī)構(gòu)C4由主動(dòng)輪、兩根鋼絲繩412和從動(dòng)輪C411構(gòu)成，它們分別與三個(gè)電機(jī)(電機(jī)A7、電機(jī)B8和電機(jī)C9)輸出軸連接，三個(gè)減速機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)是相同的(如圖9所示)。減速機(jī)構(gòu)A2安裝在機(jī)座1的安裝面111上，旋轉(zhuǎn)支架3的軸承段312、313、314穿過(guò)減速機(jī)構(gòu)A2的從動(dòng)輪A213的中心孔201安裝在機(jī)座1立柱104內(nèi)的兩個(gè)軸承108、109上，電機(jī)A7的輸出軸穿過(guò)機(jī)座1連接板106上的孔107并固定在連接板106上，電機(jī)A7輸出軸與主動(dòng)輪A214連接；所述主動(dòng)輪A214上設(shè)有鋼絲繩螺紋段216和與電機(jī)A7輸出軸連接的連接段217，螺紋段216上設(shè)有兩個(gè)套孔，連接段217上設(shè)有兩個(gè)用于固緊電機(jī)A7輸出軸的螺紋孔218，主動(dòng)輪A214的中心是一通孔219，通孔219的直徑與電機(jī)A7輸出軸的直徑適配；電機(jī)B8固定在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面A302上，且電機(jī)B8輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面A 302的安裝孔309內(nèi)，編碼器C10安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面A 302的安裝孔308內(nèi)，電機(jī)B8的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器C10檢測(cè)；電機(jī)C9固定在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面B301上，且電機(jī)C9輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面B301的安裝孔304內(nèi)，編碼器B11安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面B301的安裝孔305內(nèi)，電機(jī)C9的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器B11檢測(cè)；減速機(jī)構(gòu)B12和減速機(jī)構(gòu)C4通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)軸317安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的安裝面A302的凸柱310和安裝面B301的凸柱306上；連桿機(jī)構(gòu)5的第三連桿530的L形連接端533安裝在減速機(jī)構(gòu)C4的從動(dòng)輪C411上，連桿機(jī)構(gòu)5的第四連桿540的L形連接端安裝在減速機(jī)構(gòu)B12的從動(dòng)輪C411上；手柄6通過(guò)一球鉸安裝在連桿機(jī)構(gòu)5的圓形連接端513內(nèi)，手柄6為一圓柱棒。
在本發(fā)明中，機(jī)座1的底盤101上設(shè)有供電機(jī)A7安裝的孔102以及用于將機(jī)座1固定在一個(gè)基面的安裝孔，在底盤101的中心設(shè)有凸面103，凸面103至連接板106之間是立柱104，連接板106上設(shè)有供電機(jī)A 7輸出軸穿過(guò)的孔107，以及用于固定限位開關(guān)206的安裝孔110，立柱104的中心是一通孔105，通孔105的內(nèi)底部設(shè)有圓錐滾子軸承109，通孔105的上部設(shè)有深溝球軸承108(如圖3和圖4所示)。
在本發(fā)明中，減速機(jī)構(gòu)A 2的從動(dòng)輪A213的中心位置處設(shè)有凸緣211，凸緣211中心孔201的孔徑與旋轉(zhuǎn)支架3的第一軸承段312直徑適配，凸緣211上設(shè)有銷孔209，第一軸承段312上的銷孔315與從動(dòng)輪A213的凸緣211上的銷孔209通過(guò)一銷柱實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)支架3與從動(dòng)輪A213的連接，凸緣211與輪緣210之間對(duì)稱開設(shè)有三個(gè)圓孔202，每?jī)蓚€(gè)圓孔202之間設(shè)有“ㄩ”形凸耳203，凸耳203的兩個(gè)“ㄩ”角上分別設(shè)有銷孔204和螺紋孔207，螺紋孔207位置的輪緣210上設(shè)有供鋼絲繩215通過(guò)的穿孔208(如圖5所示)。
在本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)支架3上設(shè)有第一軸承段312、第二軸承段313、第三軸承段314，與第一軸承段312接合處是水平安裝面311，水平安裝面311的兩個(gè)側(cè)邊上設(shè)有安裝面A302和安裝面B301，安裝面A302上設(shè)有供數(shù)字編碼器A10和電機(jī)B8安裝的孔308、309，安裝面A302的凸柱310外側(cè)安裝有限位開關(guān)307，凸柱310的端部中心開設(shè)有供水平旋轉(zhuǎn)軸317穿過(guò)的孔，安裝面B301上設(shè)有供數(shù)字編碼器B11和電機(jī)C9安裝的孔304、305，安裝面B301的凸柱306外側(cè)安裝有限位開關(guān)303，凸柱306的端部中心開設(shè)有供水平旋轉(zhuǎn)軸317穿過(guò)的孔(如圖6所示)。
在本發(fā)明中，減速機(jī)構(gòu)C4的從動(dòng)輪C411的中心位置處設(shè)有支撐緣401，支撐緣401通孔402的孔徑與支撐軸412的直徑適配，在從動(dòng)輪C411的輪緣404上設(shè)有供連桿機(jī)構(gòu)5的第三連桿530的連接臂531放置的槽口405，在槽口405開口垂直方向上設(shè)有安裝孔414，支撐緣401與輪緣404之間開設(shè)有兩個(gè)圓孔403，與圓孔403對(duì)稱位置設(shè)有“ㄩ”形凸耳406，凸耳406的兩個(gè)“ㄩ”角上分雖設(shè)有螺紋孔413，螺紋孔413位置的輪緣404上設(shè)有供鋼絲繩通過(guò)的穿孔408，“ㄩ”形凸耳406的外側(cè)邊設(shè)有銷孔407，限位銷410安裝在銷孔407內(nèi)(如圖7所示)。
在本發(fā)明中，連桿機(jī)構(gòu)5由第一連桿510、第二連桿520、第三連桿530和第四連桿540構(gòu)成，第四連桿540的軸孔與第一連桿510的U形連接端511采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第三連桿530的軸孔與第二連桿520的U形連接端522采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二連桿520的軸孔與第一連桿510的方形連接端512采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第一連桿510的圓形連接端513的圓孔519內(nèi)安裝有球鉸，各連桿的連接形成一個(gè)四邊形形狀，第一連桿510上設(shè)有連接臂514，連接臂514的一端是U形連接端511，U形連接端511的上板515和下板516上分別設(shè)有安裝孔，連接臂511的另一端是方形連接端512，方形連接端512的上板517和下板518上分別設(shè)有安裝孔，方形連接端512的端部是用于安裝所述手柄6球鉸的圓形連接端513，第二連桿520上設(shè)有連接臂521，連接臂521的一端是U形連接端522，U形連接端522的上板524和下板525上分別設(shè)有安裝孔，連接臂521的另一端上設(shè)有軸孔523，第三連桿530上設(shè)有連接臂531，連接臂531的一端上設(shè)有軸孔532，連接臂531的另一端設(shè)計(jì)成L形連接端533，端板上534上設(shè)有安裝孔535。連桿機(jī)構(gòu)5的第三連桿530與從動(dòng)輪C411的連接采用將螺釘套裝在安裝孔535和安裝孔414上實(shí)現(xiàn)固定連接；連桿機(jī)構(gòu)5的第二連桿520與從動(dòng)輪B1201的連接采用將螺釘套裝在第二連桿520的L形連接端的端板的安裝孔和從動(dòng)輪B1201的安裝孔上實(shí)現(xiàn)固定連接。在本發(fā)明中，第一連桿510的圓形連接端513的圓孔519內(nèi)安裝有球鉸(球鉸是一個(gè)關(guān)節(jié)軸承，關(guān)節(jié)軸承的中心孔中安裝有手柄6)。
在本發(fā)明中，三套鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)(減速機(jī)構(gòu)A2、減速機(jī)構(gòu)B12和減速機(jī)構(gòu)C4)中鋼絲繩為常規(guī)的，故未對(duì)其結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的說(shuō)明。鋼絲繩的纏繞方式將通過(guò)下述的文字說(shuō)明來(lái)表述請(qǐng)參見(jiàn)圖9所示，主動(dòng)輪A214的連接段217上通過(guò)在兩個(gè)螺紋孔218中擰入螺釘使電機(jī)A7的輸出軸固定在主動(dòng)輪A214上，然后將兩根鋼絲繩215的一端分別穿過(guò)主動(dòng)輪A214上的套孔A221和套孔B220后，打結(jié)并纏繞在螺旋槽222中(螺旋槽222中纏繞的鋼絲繩是依據(jù)連桿機(jī)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)計(jì)量其長(zhǎng)度的，一般纏繞5～10圈即可)，然后將兩根鋼絲繩215的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪A2的輪緣210上后，并穿過(guò)輪緣210上開設(shè)的鋼絲繩穿孔208和鋼絲繩穿孔212后，且在鋼絲繩末端打結(jié)，并采用將螺釘安裝在螺紋孔中使鋼絲繩215不脫落，實(shí)現(xiàn)電機(jī)A7帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)A2驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架3繞豎直軸線316的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述減速機(jī)構(gòu)B12的兩根鋼絲繩1202的一端分別固緊在與電機(jī)B8輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩1202的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪B1201的輪緣的外部；所述減速機(jī)構(gòu)C4的兩根鋼絲繩412的一端分別固緊在與電機(jī)C9輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩412的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪C411的輪緣404的外部。作為本發(fā)明涉及到的以電機(jī)B8和電機(jī)C9的另外兩個(gè)減速機(jī)構(gòu)，其鋼絲繩纏繞方式是相同的，故不作重復(fù)說(shuō)明。因此，本發(fā)明三自由度力覺(jué)交互裝置的三個(gè)自由度是指電機(jī)A7帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)A2驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架3繞豎直軸線316的轉(zhuǎn)動(dòng)；第二自由度是指電機(jī)B8帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)B12驅(qū)動(dòng)第四連桿540運(yùn)動(dòng)；第三自由度是指電機(jī)C9帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)C4驅(qū)動(dòng)第三連桿530運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的力覺(jué)交互裝置，主體機(jī)構(gòu)為繞豎直軸線316(即旋轉(zhuǎn)支架3的多段式軸的中心線)的一自由度定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)5相對(duì)旋轉(zhuǎn)支架3的平面運(yùn)動(dòng)的二自由度運(yùn)動(dòng)。電機(jī)A7豎直安裝在機(jī)座1上，通過(guò)鋼絲繩215傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)A2帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架3和其上的電機(jī)B8、電機(jī)C9、減速機(jī)構(gòu)B12、減速機(jī)構(gòu)C4、連桿機(jī)構(gòu)5和手柄6等一同繞豎直線316做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)B8和電機(jī)C9水平安裝在旋轉(zhuǎn)支架3的兩個(gè)安裝面A301和安裝面B302上，其電機(jī)B8和電機(jī)C9的安裝位置是兩個(gè)電機(jī)的電機(jī)軸線平行但不同軸方式固定安裝，與電機(jī)B8連接的主動(dòng)輪通過(guò)鋼絲繩1202帶動(dòng)從動(dòng)輪B1201運(yùn)動(dòng)從而使連桿機(jī)構(gòu)5的第四連桿540運(yùn)動(dòng)，與電機(jī)C9連接的主動(dòng)輪通過(guò)鋼絲繩412帶動(dòng)從動(dòng)輪C411運(yùn)動(dòng)從而使連桿機(jī)構(gòu)5的第三連桿530運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地使得水平放置的電機(jī)B8和電機(jī)C9靠近豎直軸線316，達(dá)到減小本發(fā)明裝置繞豎直軸線316中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的。電機(jī)B8和電機(jī)C9通過(guò)各自鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)5相對(duì)旋轉(zhuǎn)支架3的二個(gè)自由度的平面運(yùn)動(dòng)，最終在手柄6與連桿機(jī)構(gòu)5的連接處實(shí)現(xiàn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。為了實(shí)現(xiàn)較好的反向驅(qū)動(dòng)性能，要求本發(fā)明的力覺(jué)交互裝置能克服本身的重力、慣性力、摩擦力，并做到各向同性。為了減小繞豎直軸線316轉(zhuǎn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)5的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，本發(fā)明采用軸向尺寸小徑向尺寸大的盤式直流電機(jī)兩個(gè)(即電機(jī)B8和電機(jī)C9)，并且很好地解決了數(shù)字編碼器C10和數(shù)字編碼器B11的安裝問(wèn)題。
本發(fā)明的力覺(jué)交互裝置能在手柄球鉸處輸出不小于4N的力，機(jī)構(gòu)末端的位置分辨率可以達(dá)到0.04mm，最大反向驅(qū)動(dòng)力僅為1.31N，平均反向驅(qū)動(dòng)力為0.67N，平均各向同性度為0.89。
本發(fā)明的三自由度力覺(jué)交互裝置共采用三個(gè)直流電機(jī)，通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)豎直軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)相對(duì)豎直軸的平面運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。本發(fā)明的三自由度力覺(jué)交互裝置是一個(gè)能夠固定在一個(gè)工作臺(tái)面上的桌面式力覺(jué)再現(xiàn)機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(電機(jī)工作狀態(tài))下，可以在較大的工作空間內(nèi)給握在手柄上的人手一個(gè)較準(zhǔn)確的模擬虛擬環(huán)境下虛擬力的大小和方向，且力值較大；在反向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(電機(jī)不工作狀態(tài))下，機(jī)構(gòu)的工作空間更大，人手通過(guò)手柄帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈敏、輕便。該力覺(jué)交互裝置實(shí)現(xiàn)了在正向驅(qū)動(dòng)時(shí)在較大的工作空間內(nèi)和較高剛度下輸出較大的觸覺(jué)力、在反向驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)靈敏的特性要求。設(shè)計(jì)中兼顧了大剛度與小質(zhì)量和小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的矛盾問(wèn)題，做到了機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中的間隙和摩擦盡可能小，自由運(yùn)動(dòng)空間和工作空間盡可能大的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于由減速機(jī)構(gòu)A(2)、減速機(jī)構(gòu)B(12)、減速機(jī)構(gòu)C(4)、機(jī)座(1)、旋轉(zhuǎn)支架(3)、連桿機(jī)構(gòu)(5)、手柄(6)、編碼器(10、11)和電機(jī)A(7)、電機(jī)B(8)、電機(jī)C(9)組成；所述減速機(jī)構(gòu)A(2)由主動(dòng)輪A(213)、兩根鋼絲繩和從動(dòng)輪A(214)構(gòu)成；所述減速機(jī)構(gòu)B(12)由主動(dòng)輪、兩根鋼絲繩(1202)和從動(dòng)輪B(1201)構(gòu)成；所述減速機(jī)構(gòu)C(4)由主動(dòng)輪、兩根鋼絲繩(412)和從動(dòng)輪C(411)構(gòu)成；減速機(jī)構(gòu)A(2)安裝在機(jī)座(1)的安裝面(111)上，旋轉(zhuǎn)支架(3)的軸承段(312、313、314)穿過(guò)減速機(jī)構(gòu)A(2)的從動(dòng)輪A(213)的中心孔(201)安裝在機(jī)座(1)立柱(104)內(nèi)的兩個(gè)軸承(108、109)上；電機(jī)A(7)的輸出軸穿過(guò)機(jī)座(1)連接板(106)上的孔(107)并固定在連接板(106)上，電機(jī)A(7)輸出軸與主動(dòng)輪A(214)連接；所述主動(dòng)輪A(214)上設(shè)有鋼絲繩螺紋段(216)和與電機(jī)A(7)輸出軸連接的連接段(217)，螺紋段(216)上設(shè)有兩個(gè)套孔，連接段(217)上設(shè)有兩個(gè)用于固緊電機(jī)A(7)輸出軸的螺紋孔(218)，主動(dòng)輪A(214)的中心是一通孔(219)，通孔(219)的直徑與電機(jī)A(7)輸出軸的直徑適配；電機(jī)B(8)固定在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面A(302)上，且電機(jī)B(8)輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面A(302)的安裝孔(309)內(nèi)，編碼器C(10)安裝在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面A(302)的安裝孔(308)內(nèi)，電機(jī)B(8)的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器C(10)檢測(cè)；電機(jī)C(9)固定在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面B(301)上，且電機(jī)C(9)輸出軸安裝在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面B(301)的安裝孔(304)內(nèi)，編碼器B(11)安裝在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面B(301)的安裝孔(305)內(nèi)，電機(jī)C(9)的旋轉(zhuǎn)角度由編碼器B(11)檢測(cè)；減速機(jī)構(gòu)B(12)和減速機(jī)構(gòu)C(4)通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)軸(317)安裝在旋轉(zhuǎn)支架(3)的安裝面A(302)的凸柱(310)和安裝面B(301)的凸柱(306)上；連桿機(jī)構(gòu)(5)的第三連桿(530)的L形連接端(533)安裝在減速機(jī)構(gòu)C(4)的從動(dòng)輪C(411)上，連桿機(jī)構(gòu)(5)的第四連桿(540)的L形連接端安裝在減速機(jī)構(gòu)B(12)的從動(dòng)輪C(1201)上；手柄(6)通過(guò)一球鉸安裝在連桿機(jī)構(gòu)(5)的圓形連接端(513)內(nèi)，手柄(6)為一圓柱棒；所述機(jī)座(1)的底盤(101)上設(shè)有供電機(jī)A(7)安裝的孔(102)以及用于將機(jī)座(1)固定在一個(gè)基面的安裝孔，在底盤(101)的中心設(shè)有凸面(103)，凸面(103)至連接板(106)之間是立柱(104)，連接板(106)上設(shè)有供電機(jī)A(7)輸出軸穿過(guò)的孔(107)，以及用于固定限位開關(guān)(206)的安裝孔(110)，立柱(104)的中心是一通孔(105)，通孔(105)的內(nèi)底部設(shè)有圓錐滾子軸承(109)，通孔(105)的上部設(shè)有深溝球軸承(108)；所述減速機(jī)構(gòu)A(2)的從動(dòng)輪A(213)的中心位置處設(shè)有凸緣(211)，凸緣(211)中心孔(201)的孔徑與旋轉(zhuǎn)支架(3)的第一軸承段(312)直徑適配，凸緣(211)上設(shè)有銷孔(209)，第一軸承段(312)上的銷孔(315)與從動(dòng)輪A(213)的凸緣(211)上的銷孔(209)通過(guò)一銷柱實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)支架(3)與從動(dòng)輪A(213)的連接，凸緣(211)與輪緣(210)之間對(duì)稱開設(shè)有三個(gè)圓孔(202)，每?jī)蓚€(gè)圓孔(202)之間設(shè)有“ㄩ”形凸耳(203)，凸耳(203)的兩個(gè)“ㄩ”角上分別設(shè)有銷孔(204)和螺紋孔(207)，螺紋孔(207)位置的輪緣(210)上設(shè)有供鋼絲繩(215)通過(guò)的穿孔(208)；所述旋轉(zhuǎn)支架(3)上設(shè)有第一軸承段(312)、第二軸承段(313)、第三軸承段(314)，與第一軸承段(312)接合處是水平安裝面(311)，水平安裝面(311)的兩個(gè)側(cè)邊上設(shè)有安裝面A(302)和安裝面B(301)，安裝面A(302)上設(shè)有供數(shù)字編碼器A(10)和電機(jī)B(8)安裝的孔(308、309)，安裝面A(302)的凸柱(310)外側(cè)安裝有限位開關(guān)(307)，凸柱310的端部中心開設(shè)有供水平旋轉(zhuǎn)軸(317)穿過(guò)的孔，安裝面B(301)上設(shè)有供數(shù)字編碼器B(11)和電機(jī)C(9)安裝的孔(304、305)，安裝面B(301)的凸柱(306)外側(cè)安裝有限位開關(guān)(303)，凸柱(306)的端部中心開設(shè)有供水平旋轉(zhuǎn)軸317穿過(guò)的孔；所述減速機(jī)構(gòu)C(4)的從動(dòng)輪C(411)的中心位置處設(shè)有支撐緣(401)，支撐緣(401)通孔(402)的孔徑與支撐軸(412)的直徑適配，在從動(dòng)輪C(411)的輪緣(404)上設(shè)有供連桿機(jī)構(gòu)(5)的第三連桿(530)的連接臂(531)放置的槽口(405)，在槽口(405)開口垂直方向上設(shè)有安裝孔(414)，支撐緣(401)與輪緣(404)之間開設(shè)有兩個(gè)圓孔(403)，與圓孔(403)對(duì)稱位置設(shè)有“ㄩ”形凸耳(406)，凸耳(406)的兩個(gè)“ㄩ”角上分別設(shè)有螺紋孔(413)，螺紋孔(413)位置的輪緣(404)上設(shè)有供鋼絲繩通過(guò)的穿孔(408)，“ㄩ”形凸耳(406)的外側(cè)邊設(shè)有銷孔(407)，限位銷(410)安裝在銷孔(407)內(nèi)；所述連桿機(jī)構(gòu)(5)由第一連桿(510)、第二連桿(520)、第三連桿(530)和第四連桿(540)構(gòu)成，第四連桿(540)的軸孔與第一連桿(510)的U形連接端(511)采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第三連桿(530)的軸孔與第二連桿(520)的U形連接端(522)采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二連桿(520)的軸孔與第一連桿(510)的方形連接端(512)采用滾動(dòng)軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第一連桿(510)的圓形連接端(513)的圓孔(519)內(nèi)安裝有球鉸，各連桿的連接形成一個(gè)四邊形形狀，第一連桿(510)上設(shè)有連接臂(514)，連接臂(514)的一端是U形連接端(511)，U形連接端(511)的上板(515)和下板(516)上分別設(shè)有安裝孔，連接臂(511)的另一端是方形連接端(512)，方形連接端(512)的上板(517)和下板(518)上分別設(shè)有安裝孔，方形連接端(512)的端部是用于安裝所述手柄(6)球鉸的圓形連接端(513)，第二連桿(520)上設(shè)有連接臂(521)，連接臂(521)的一端是U形連接端(522)，U形連接端(522)的上板(524)和下板(525)上分別設(shè)有安裝孔，連接臂(521)的另一端上設(shè)有軸孔(523)，第三連桿(530)上設(shè)有連接臂(531)，連接臂(531)的一端上設(shè)有軸孔(532)，連接臂(531)的另一端設(shè)計(jì)成L形連接端(533)，端板上(534)上設(shè)有安裝孔(535)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于所述減速機(jī)構(gòu)A(2)的兩根鋼絲繩(215)的一端分別固緊在主動(dòng)輪A(214)的套孔A(221)和套孔B(220)內(nèi)，兩根鋼絲繩(215)的另一端反向纏繞在主動(dòng)輪A(214)的輪緣(210)的外部；所述減速機(jī)構(gòu)B(12)的兩根鋼絲繩(1202)的一端分別固緊在與電機(jī)B(8)輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩(1202)的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪B(1201)的輪緣的外部；所述減速機(jī)構(gòu)C(4)的兩根鋼絲繩(412)的一端分別固緊在與電機(jī)C(9)輸出軸連接的主動(dòng)輪的兩個(gè)套孔內(nèi)，兩根鋼絲繩(412)的另一端反向纏繞在從動(dòng)輪C(411)的輪緣(404)的外部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于第一自由度是指電機(jī)A(7)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)A(2)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架(3)繞豎直軸線(316)的轉(zhuǎn)動(dòng)；第二自由度是指電機(jī)B(8)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)B(12)驅(qū)動(dòng)第四連桿(540)運(yùn)動(dòng)；第三自由度是指電機(jī)C(9)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)C(4)驅(qū)動(dòng)第三連桿(530)運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于所述電機(jī)A(7)為直流伺服電機(jī)，輸出功率為60W；電機(jī)B(8)和電機(jī)C(9)為盤式直流伺服電機(jī)，電機(jī)輸出功率為50W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于手柄(6)與連桿機(jī)構(gòu)(5)接合處的球鉸的位置分辯率達(dá)到0.04mm，反向驅(qū)動(dòng)力為0.67N～1.31N。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度力覺(jué)交互裝置，其特征在于所述三自由度力覺(jué)交互裝置輸出的觸覺(jué)反饋力為4N～50N。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三自由度力覺(jué)交互裝置，其由三套減速機(jī)構(gòu)、機(jī)座、旋轉(zhuǎn)支架、連桿機(jī)構(gòu)、手柄、兩個(gè)編碼器和三個(gè)電機(jī)組成。減速機(jī)構(gòu)A和旋轉(zhuǎn)支架安裝在機(jī)座的上方，旋轉(zhuǎn)支架上安裝有另兩套減速機(jī)構(gòu)、編碼器和兩個(gè)電機(jī)，連桿機(jī)構(gòu)安裝在從動(dòng)輪上且繞旋轉(zhuǎn)支架的豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，手柄安裝在連桿機(jī)構(gòu)的末端。本發(fā)明裝置是一個(gè)能夠固定在一個(gè)工作臺(tái)面上的桌面式力覺(jué)交互機(jī)構(gòu)，在正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，可以在較大的工作空間內(nèi)給握在手柄上的人手一個(gè)較準(zhǔn)確的模擬虛擬環(huán)境下虛擬力的大小和方向，且力值較大；在反向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)的工作空間更大，人手通過(guò)手柄帶動(dòng)機(jī)構(gòu)靈敏運(yùn)動(dòng)。該力覺(jué)交互裝置實(shí)現(xiàn)了在正向驅(qū)動(dòng)時(shí)在較大的工作空間內(nèi)和較高剛度下輸出較大的觸覺(jué)力、在反向驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)靈敏的特性要求。
文檔編號(hào)B25J1/00GK1792572SQ20051011590
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者張玉茹, 郭衛(wèi)東, 張世清, 姜俊杰, 曹永剛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)