專利名稱：滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，用于準(zhǔn)確模擬虛擬環(huán)境中 物體之間相互作用所產(chǎn)生的接觸力、接觸力矩的大小和方向，實現(xiàn)人機力覺交互 感知，屬于機械工程中機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
力覺交互又稱觸覺再現(xiàn)，該技術(shù)起源于機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信息，模擬其臨場操作的感知，以提高操作質(zhì)量和效 率。近年來，力覺再現(xiàn)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域得到快速發(fā)展，成為一種新的計算機 人機交互方式，在對虛擬物體進行操作時，操作者通過力覺再現(xiàn)裝置感受到虛擬 物體的作用力、物體的材質(zhì)和形狀，甚至物體的運動，體驗到如同操作真實物體 的力覺感知效果。其功能是測量操作者操作趨勢，與虛擬仿真環(huán)境通信，接受虛 擬環(huán)境計算的虛擬力信號，通過機械接口將反饋力施加給操作者。
現(xiàn)有的力反饋機構(gòu)多為并聯(lián)構(gòu)型，由于并聯(lián)機構(gòu)各驅(qū)動單元之間的運動是耦 合的，即并聯(lián)機構(gòu)整體輸出平臺沿任意方向的運動都是所有驅(qū)動單元的運動合 成，并且各驅(qū)動單元的運動與并聯(lián)機構(gòu)整體運動(即輸入與輸出)之間是非線性 關(guān)系，因此導(dǎo)致機構(gòu)控制十分復(fù)雜，標(biāo)定困難，同時也制約了設(shè)備精度的提高和 成本的下降。
如果機構(gòu)在某方向的移動或轉(zhuǎn)動僅依賴于該方向上的驅(qū)動單元的動作，而其 它方向上的驅(qū)動單元不作有效動作的運動組合，則稱之為機構(gòu)的解耦。解耦可以 分為無條件解耦、有條件解耦和瞬時解耦三種。無條件解耦如果機構(gòu)在任意位置和姿態(tài)下都是解耩的，則稱之為無條件解 耦或完全解耦；有條件解耦如果機構(gòu)在任意位置和特定初始姿態(tài)下是解耦的， 則稱之為有條件解耦或限制解耦；瞬時解耦如果機構(gòu)僅在特定位置和特定初始 姿態(tài)下是解耦的，則稱之為瞬時解耦或點解耦。
機構(gòu)的解耦可以大大降低控制難度，提高控制精度。所以，如何結(jié)合并串聯(lián) 機構(gòu)的優(yōu)點，實現(xiàn)機構(gòu)解耦，以簡化機構(gòu)的位姿控制和標(biāo)定，提高機構(gòu)控制精度 并降低制造成本， 一直是一個困難而富于挑戰(zhàn)性的課題。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN1266656A的中國發(fā)明專利"六自由度力覺人機交互 裝置"發(fā)表了由固定基座、靜平臺、動平臺、六個支鏈、驅(qū)動單元和復(fù)合球副組 成的一種并聯(lián)力反饋機構(gòu)，但此并聯(lián)機構(gòu)耦合度大，使得控制難度大大增加。公 開號為CN1352563A的中國發(fā)明專利"六自由度并聯(lián)解耦機構(gòu)"，包括具有基座、 動平臺和在基座與動平臺之間正交固連布置的六個相同的驅(qū)動單元，在其中一個 或多個驅(qū)動單元執(zhí)行驅(qū)動工作時，其它的驅(qū)動單元只要產(chǎn)生相應(yīng)牽連運動或者協(xié) 調(diào)運動，可以實現(xiàn)六自由度有條件解耦。通過文獻檢索分析，無論是在宏動領(lǐng)域 還是在微動領(lǐng)域，目前尚未出現(xiàn)六維無條件解耦的力反饋裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反 饋裝置，可實現(xiàn)六自由度無條件解耦，且具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，運動精度 高，工作空間不受限制，成本較低等優(yōu)點。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計的滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置由固定基 座、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成。
其中三自由度并聯(lián)移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由立柱導(dǎo) 軌、滑塊、移動驅(qū)動電機和雙連桿構(gòu)成；三個立柱導(dǎo)軌相互正交固結(jié)在固定基座 上，分別由三個移動驅(qū)動電機驅(qū)動；滑塊由立柱導(dǎo)軌導(dǎo)向，與雙連桿一端鉸接； 雙連桿另一端通過U型塊與轉(zhuǎn)動基座連接。三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元由轉(zhuǎn)動基座、三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機、第一弧形桿、傳 遞平臺、長軸、第二弧形桿、中長軸、第三弧形桿、短軸、動平臺和串聯(lián)軸組 成；第一弧形桿通過長軸與傳遞平臺相連，第二弧形桿通過中長軸與傳遞平臺相 連，第三弧形桿通過短軸與第二弧形桿相連，傳遞平臺通過串聯(lián)軸與動平臺相 連；三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機分別連接在第一弧形桿、傳遞平臺、第三弧形桿上；轉(zhuǎn)動 基座通過支撐鉸鏈A與第一弧形桿相連、通過支撐鉸鏈B與第三弧形桿相連。所 述三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元的所有的運動副軸線皆匯交于動平臺中心點，并且相 互正交。
本發(fā)明的滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，獨特設(shè)計了在固定基座上固連且 彼此正交布置的三個移動驅(qū)動單元，和轉(zhuǎn)動機構(gòu)上彼此正交布置的三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動 電機，當(dāng)進行一維或多維運動時，只需要對其中相應(yīng)的一個或多個驅(qū)動單元(或 電機)進行驅(qū)動，其它的驅(qū)動單元(或電機)都不會產(chǎn)生耦合運動，從而可以實 現(xiàn)機構(gòu)的運動解耦，可做到三自由度移動無條件解耦和三自由度轉(zhuǎn)動無條件解 耦。
本發(fā)明可用于準(zhǔn)確模擬虛擬環(huán)境中物體之間相互作用所產(chǎn)生的接觸力、接觸 力矩的大小和方向，實現(xiàn)人機力覺交互感知，具有顯著的特點和實質(zhì)性進步。本
發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，采用的機構(gòu)部件可為常用的機械機構(gòu)或零部件的組合； 工作中無耦合運動，僅需要分別對所需運動相應(yīng)的移動或轉(zhuǎn)動驅(qū)動單元進行控 制，不需要全部或者在一定條件下全部考慮各驅(qū)動單元同步控制問題，因而具有 工作可靠，控制容易的特點；因解耦程度較高，因此運動精度高；工作空間不受 限制，既適用于微動領(lǐng)域，也適用于宏動領(lǐng)域。


圖l為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)圖。
圖l中，l為固定基座；2為立柱導(dǎo)軌；3為滑塊；4為移動驅(qū)動電機；5為雙 連桿；6為U型塊；7為轉(zhuǎn)動基座。圖2為本發(fā)明三自由度并聯(lián)轉(zhuǎn)動機構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)圖。
圖2中7為轉(zhuǎn)動基座；8為第一弧形桿；9為傳遞平臺；10為長軸；11為第 二弧形桿；12為長軸；13為第三弧形桿；14為短軸；15為動平臺；16為串聯(lián) 軸；17為支撐鉸鏈A; 18為支撐鉸鏈B; 19為轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述-
圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明的滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反 饋裝置，由固定基座l、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成。
其中三自由度并聯(lián)移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由立柱導(dǎo)軌2，滑 塊3，移動驅(qū)動電機4,雙連桿5構(gòu)成。三個立柱導(dǎo)軌2相互正交固結(jié)在固定基座
l上，分別由三個移動驅(qū)動電機4驅(qū)動，形成三個移動驅(qū)動單元；滑塊3由立柱導(dǎo)
軌2導(dǎo)向，并與雙連桿5 —端相連，雙連桿5另一端通過U型塊6與轉(zhuǎn)動基座7 相連。三個移動驅(qū)動單元分別位于x、 y、 z三個正交方向；三個移動分支所在平 面分別與x、 y、 z三個正交方向垂直，即分別與三個移動驅(qū)動單元正交，并且匯 交于動平臺15中心點。
圖2為本發(fā)明三自由度并聯(lián)轉(zhuǎn)動機構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，三自由度 并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元由轉(zhuǎn)動基座7、三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機19、第一弧形桿8、傳遞平臺 9、長軸10、第二弧形桿11、中長軸12、第三弧形桿13、短軸14、動平臺15、 串聯(lián)軸16組成。第一弧形桿8通過長軸10與傳遞平臺9相連，形成一個轉(zhuǎn)動分 支；第二弧形桿11通過中長軸12與傳遞平臺9相連，第三弧形桿13通過短軸 14與第二弧形桿11相連，形成一個轉(zhuǎn)動分支；傳遞平臺9通過串聯(lián)軸16與動平 臺15相連，形成一個轉(zhuǎn)動分支；轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機19分別連接在第一弧形桿8、傳 遞平臺9、第三弧形桿13上；轉(zhuǎn)動基座7通過支撐鉸鏈A17與第一弧形桿8相 連、通過支撐鉸鏈B 18與第三弧形桿13相連。三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元的所有 的運動副軸線皆匯交于動平臺15中心點，并且相互正交。本發(fā)明的機構(gòu)在其中心位置，即動平臺15中心點位置上，對于x、 y、 z軸 方向的三個移動和繞x、 y、 z軸的三個轉(zhuǎn)動相互解耦?，F(xiàn)以圖1所示的實施例對
本發(fā)明六自由度并串聯(lián)解耦機構(gòu)的工作原理做出說明
當(dāng)任意軸向例如x (或y或z )上的移動驅(qū)動單元接受控制指令驅(qū)動動平臺 15工作時，動平臺15將沿驅(qū)動方向、例如x (或y或z )向作移動。此時動平 臺15帶動三個移動分支進行平面牽連運動，進而產(chǎn)生動平臺15與這些驅(qū)動分支 之間的相對移動或者協(xié)調(diào)運動，從而使得接受控制指令移動驅(qū)動單元的驅(qū)動工作 與另外的驅(qū)動單元(或電機)的運動無關(guān)，也即避免了不同驅(qū)動單元(或電機) 之間的運動耦合，實現(xiàn)動平臺15在x 、 y 、 z三個方向上的移動解耦，并且是 無條件解耦。
再來看轉(zhuǎn)動解耦情況假設(shè)三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機19的軸線分別為X 、 Z 、 Y ,且稱為三個"瞬時轉(zhuǎn)動軸"，當(dāng)任意軸向例如x (或y或z )上的轉(zhuǎn)動驅(qū)動 電機19接受控制指令驅(qū)動動平臺15工作時，動平臺15將繞驅(qū)動方向、例如x (或y或z )向作轉(zhuǎn)動。由于動平臺15的中心即為三條軸線的交點，因此此時 動平臺15將帶動三個轉(zhuǎn)動分支進行球面牽連運動，進而產(chǎn)生動平臺15與這些驅(qū) 動分支之間的相對移動或者協(xié)調(diào)運動，從而使得接受控制指令轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機的驅(qū) 動工作與另外的驅(qū)動單元(或電機)的運動無關(guān)，也即避免了不同驅(qū)動單元(或 電機)之間的運動耦合，實現(xiàn)動平臺15在繞x 、 y 、 z三個方向上的轉(zhuǎn)動解 耦，并且也是無條件解耦。
當(dāng)x軸向移動驅(qū)動電機4運行時，帶動動平臺15沿x軸方向移動，并且移 動位移與相應(yīng)移動驅(qū)動電機4轉(zhuǎn)角成正比。當(dāng)X軸向轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機運行時，動平 臺15繞X軸向轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)動角度等于電機轉(zhuǎn)角。當(dāng)沿y軸或z軸移動，或繞 Y軸或Z軸轉(zhuǎn)動時，情況完全類似。所以，本發(fā)明的機構(gòu)各個方向的位置和轉(zhuǎn)角 可以分別調(diào)節(jié)，因此控制方便，控制靈敏度與運動精度都很高。
權(quán)利要求
1、一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，其特征在于由固定基座(1)、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成；所述三自由度并聯(lián)移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由立柱導(dǎo)軌(2)、滑塊(3)、移動驅(qū)動電機(4)和雙連桿(5)構(gòu)成；三個立柱導(dǎo)軌(2)相互正交固結(jié)在固定基座(1)上，分別由三個移動驅(qū)動電機(4)驅(qū)動；滑塊(3)由立柱導(dǎo)軌(2)導(dǎo)向，與雙連桿(5)一端鉸接；雙連桿(5)另一端通過U型塊(6)與轉(zhuǎn)動基座(7)連接；所述三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元由轉(zhuǎn)動基座(7)、三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機(19)、第一弧形桿(8)、傳遞平臺(9)、長軸(10)、第二弧形桿(11)、中長軸(12)、第三弧形桿(13)、短軸(14)、動平臺(15)和串聯(lián)軸(16)組成；第一弧形桿(8)通過長軸(10)與傳遞平臺(9)相連，第二弧形桿(11)通過中長軸(12)與傳遞平臺(9)相連，第三弧形桿(13)通過短軸(14)與第二弧形桿(11)相連，傳遞平臺(9)通過串聯(lián)軸(16)與動平臺(15)相連；三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機(19)分別連接在第一弧形桿(8)、傳遞平臺(9)、第三弧形桿(13)上；轉(zhuǎn)動基座(7)通過支撐鉸鏈A(17)與第一弧形桿(8)相連、通過支撐鉸鏈B(18)與第三弧形桿(13)相連，所述三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元的所有的運動副軸線皆匯交于動平臺(15)中心點，并且相互正交。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，其特征在于所 述的三自由度并聯(lián)移動單元中的三個雙連桿(5)所在運動平面分別與三個立柱滑 軌(2)正交，并且匯交于動平臺(15)中心點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，由固定基座、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成。其中三自由度并聯(lián)移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由移動驅(qū)動電機驅(qū)動的立柱導(dǎo)軌導(dǎo)向滑塊，雙連桿端與滑塊鉸接，另一端通過U型塊與轉(zhuǎn)動基座相連。三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元由三個轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機驅(qū)動。轉(zhuǎn)動基座通過支撐鉸鏈A、支撐鉸鏈B分別與第一弧形桿、第三弧形桿相連。第一弧形桿通過長軸與傳遞平臺相連，第二弧形桿通過中長軸與傳遞平臺相連，第三弧形桿通過短軸與第二弧形桿相連，傳遞平臺通過串聯(lián)與動平臺相連。本發(fā)明可做到六自由度無條件解耦，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，運動精度高，成本較低等優(yōu)點。
文檔編號B25J9/16GK101439514SQ200810207800
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者勇 張, 田興華, 趙現(xiàn)朝, 郭為忠, 金振林, 峰 高 申請人:上海交通大學(xué)