專利名稱：一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)牧τX交互裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及了一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)挠X交互裝置，該設(shè)備提供六個(gè)空間運(yùn)動自由度和三自由度力反饋，能夠用于虛擬環(huán)境或是主從遙操作領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)力反饋交互，準(zhǔn)確模擬交互過程中的力/觸覺大小和方向。
背景技術(shù)：
進(jìn)入新世紀(jì)隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和主從遠(yuǎn)程遙操作技術(shù)的發(fā)展，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了許多的用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域和主從遠(yuǎn)程遙操作領(lǐng)域的力覺交互設(shè)備，其中較為成功的力覺交互裝置，例如美國Sensable公司的PHANToM系列力反饋設(shè)備,瑞士 ForceDimension 的Omega系列力反饋設(shè)備。上述這些裝置依然存在缺陷沒有進(jìn)行完全的重力補(bǔ)償，本身存在系統(tǒng)剛性差，提供的反饋力有限等。針對上述缺陷，本實(shí)用新型提出了一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)挠X交互裝置。該裝置能夠進(jìn)行自動、實(shí)時(shí)的重力補(bǔ)償，能夠極大提高力反饋感覺逼真，避免或者減少了直流電機(jī)用于重力補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使直流電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了設(shè)備的反饋力調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)的剛度。相比較采用配重塊的重力補(bǔ)償技術(shù)，采用自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力補(bǔ)償，能夠極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)還能夠減小配重塊的加入對整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響同時(shí)也使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡潔。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種能自動、實(shí)時(shí)對力覺交互裝置機(jī)械手臂進(jìn)行重力補(bǔ)償，并可在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域或是遠(yuǎn)程遙操作領(lǐng)域中的使用的一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)牧τX交互裝置。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是提出了一種自主重力補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⑹褂迷摲椒ㄔO(shè)計(jì)了一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)挠X交互裝置，該裝置具有自動補(bǔ)償重力平衡機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)依靠一個(gè)直流電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制一個(gè)平衡滑塊在平衡桿的位置，實(shí)現(xiàn)對力覺交互裝置的機(jī)械手臂的自動重力平衡調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)備重力補(bǔ)償。自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對力覺裝置進(jìn)行自動、實(shí)時(shí)的重力補(bǔ)償能夠極大提高交互力感的逼真性，避免或者減少了直流電機(jī)用于重力補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使直流電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了設(shè)備的反饋力調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)的剛性。相比較重力配重塊的重力補(bǔ)償技術(shù)，采用自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，能夠極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)還能夠減小配重塊的加入對整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響同時(shí)也使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡潔。一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)牧τX交互裝置包括底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)構(gòu)成。底座機(jī)構(gòu)在該裝置最下面,肩部機(jī)構(gòu)安裝底座機(jī)構(gòu)的正上方,大臂機(jī)構(gòu)一端與自主重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一端按照前后順序通過固定構(gòu)件固定在肩部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，大臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與小臂機(jī)構(gòu)一端相連，小臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連接，腕部機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)相連接。四個(gè)直流電機(jī)中一個(gè)固定在底座機(jī)構(gòu)上，驅(qū)動底座機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力。另外三個(gè)都安裝在肩部機(jī)構(gòu)上，其中二個(gè)電機(jī)用來驅(qū)動大臂機(jī)構(gòu)和小臂機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力，另外一個(gè)用來調(diào)節(jié)自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的平衡滑塊。三個(gè)高精度電位計(jì)分別安裝在小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)上，檢測另外三個(gè)運(yùn)動自由度。本實(shí)用新型提供了一種自主調(diào)節(jié)重力平衡的力反饋交互設(shè)備，與現(xiàn)有的技術(shù)相比較其優(yōu)點(diǎn)在于(I)提出并設(shè)計(jì)了一種自動補(bǔ)償重力機(jī)構(gòu)，通過自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的對大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器所處不同位置時(shí)進(jìn)行重力補(bǔ)償。(2)采用自動補(bǔ)償重力機(jī)構(gòu)重力補(bǔ)償與完全采用電機(jī)進(jìn)行重力補(bǔ)償技術(shù)相比較，極大減少了電機(jī)用于補(bǔ)償?shù)乃璁a(chǎn)生的力，從而使電機(jī)能夠輸出更大的反饋力，大大提高了力反饋設(shè)備的反饋力和系統(tǒng)的剛度。(3)采用自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與完全采用重力配重塊的補(bǔ)償技術(shù)相比較，極大的減小了系統(tǒng)的慣量和摩擦，同時(shí)減小了配重塊的加入對整個(gè)系統(tǒng)工作空間和機(jī)械手臂靈活性的影響以及使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡潔。(4)該力覺交互裝置設(shè)計(jì)緊湊，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的分布和各部分安裝對稱性；其次，由于引入自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，使得電機(jī)充分用于力反饋的產(chǎn)生而不必用于重力的補(bǔ)償，這樣可以選擇力矩更小質(zhì)量更輕的電機(jī)。因此，引入自主平衡的設(shè)計(jì)也減小了力反饋設(shè)備的慣量和摩擦。

圖I本實(shí)用新型一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)挠X交互裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中底座機(jī)構(gòu)(I)肩部機(jī)構(gòu)(2)大臂機(jī)構(gòu)(3)小臂機(jī)構(gòu)(4)腕部機(jī)構(gòu)(5)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(6)自主重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(7)。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖說明如下本實(shí)用新型包括底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、四個(gè)完全相同的直流電機(jī)、四個(gè)完全相同的光電編碼器、三個(gè)完全相同的高精度角度電位計(jì)。底座機(jī)構(gòu)在該裝置最下面，肩部機(jī)構(gòu)安裝底座機(jī)構(gòu)的正上方，大臂機(jī)構(gòu)一端與自主重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一端按照前后順序通過固定構(gòu)建固定在肩部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，大臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與小臂機(jī)構(gòu)一端相連 ，小臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連接，腕部機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)相連接。四個(gè)直流電機(jī)中一個(gè)固定在底座機(jī)構(gòu)上，驅(qū)動底座機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力；另外三個(gè)都安裝在肩部機(jī)構(gòu)上，其中二個(gè)電機(jī)用來驅(qū)動大臂機(jī)構(gòu)和小臂機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力，另外一個(gè)用來調(diào)節(jié)自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的平衡滑塊；三個(gè)高精度電位計(jì)分別安裝在小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)上，檢測另外三個(gè)運(yùn)動自由度。
權(quán)利要求1. 一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)牧τX交互裝置，其特征在于所述裝置包括底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)； 底座機(jī)構(gòu)在該裝置最下面，肩部機(jī)構(gòu)安裝底座機(jī)構(gòu)的正上方，大臂機(jī)構(gòu)一端與自主重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一端按照前后順序通過固定構(gòu)件固定在肩部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，大臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與小臂機(jī)構(gòu)一端相連，小臂機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與腕部機(jī)構(gòu)相連接，腕部機(jī)構(gòu)另外一端通過轉(zhuǎn)軸與末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)相連接；四個(gè)直流電機(jī)中一個(gè)固定在底座機(jī)構(gòu)上，驅(qū)動底座機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力；另外三個(gè)都安裝在肩部機(jī)構(gòu)上，其中二個(gè)電機(jī)用來驅(qū)動大臂機(jī)構(gòu)和小臂機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力，另外一個(gè)用來調(diào)節(jié)自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的平衡滑塊；三個(gè)高精度電位計(jì)分別安裝在小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)上，檢測另外三個(gè)運(yùn)動自由度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有自動重力補(bǔ)償?shù)牧τX交互裝置，它由底座機(jī)構(gòu)、肩部機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、腕部機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、自主調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)、四個(gè)直流電機(jī)四個(gè)光電編碼器、三個(gè)高精度角度電位計(jì)等構(gòu)成。本實(shí)用新型使用直流電機(jī)與線傳動減速機(jī)構(gòu)相配合提供三個(gè)自由度力反饋，通過三個(gè)光電編碼器和三個(gè)角度電位計(jì)檢測它的六個(gè)運(yùn)動自由度。自動重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用一個(gè)直流電機(jī)通過減速裝置驅(qū)動和控制平衡滑塊自動、實(shí)時(shí)的對該設(shè)備的手臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行自重進(jìn)行補(bǔ)償，有效降低人手疲勞。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、工作空間范圍大、剛度高，反饋力的范圍大。
文檔編號B25J9/10GK202367759SQ20112045828
公開日2012年8月8日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉小平, 徐少平, 李春泉, 楊曉輝, 胡昌文 申請人:南昌大學(xué)