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三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備的制作方法

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三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及一種力反饋操縱裝置,特別是涉及一種三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備。



背景技術(shù):

現(xiàn)有的商用sensablephantomomni力反饋手柄,利用串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三自由度的力反饋,由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),該力反饋手柄的末端精度不高,結(jié)構(gòu)剛度不夠,提供的力反饋較??;針對(duì)上述串聯(lián)機(jī)構(gòu)力反饋手柄的不足之處,業(yè)界人士研制出了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的力反饋手柄,而現(xiàn)有的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的力反饋手柄,存在運(yùn)動(dòng)學(xué)正解復(fù)雜導(dǎo)致設(shè)備響應(yīng)緩慢、力反饋延時(shí)效果嚴(yán)重,并且工作空間小、結(jié)構(gòu)龐大等問(wèn)題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、虛擬剛度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了如下方案:本發(fā)明一種三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,包括手柄、動(dòng)平臺(tái)、基座及三組驅(qū)動(dòng)裝置,所述手柄卡固于所述動(dòng)平臺(tái)上可與所述動(dòng)平臺(tái)同步動(dòng)作,所述三組驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相同,其中一組驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速機(jī)及連接桿,所述三組驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)均安裝于所述基座上,所述三組驅(qū)動(dòng)裝置的連接桿分別連接于所述動(dòng)平臺(tái)的不同位置上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述手柄下方設(shè)置冗余支鏈,所述冗余支鏈包括一組u型鉸鏈及一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,所述手柄下端固定于所述u型鉸鏈上端部,所述u型鉸鏈下端部可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于立桿上,所述立桿固定于所述基座上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述動(dòng)平臺(tái)的中心開有連接孔,所述連接孔帶有扇形限位槽,所述手柄上設(shè)置徑向凸出的扇形限位塊,所述手柄安裝于所述連接孔內(nèi),所述扇形限位塊置于所述扇形限位槽內(nèi)。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述動(dòng)平臺(tái)下端面上設(shè)置三個(gè)連接柱,所述三個(gè)連接柱沿所述動(dòng)平臺(tái)的周向均布,所述三組驅(qū)動(dòng)裝置的連接桿分別連接于一個(gè)所述連接柱上。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述連接桿均包括第一連桿及第二連桿,所述第一連桿一端鉸接于所述減速機(jī)輸出軸上,另一端與所述第二連桿相鉸接,所述第二連桿另一端鉸接于所述動(dòng)平臺(tái)的一個(gè)連接柱上,所述動(dòng)平臺(tái)及三組第一連桿、三組第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu),所述u型鉸鏈的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸和所述立桿的中心軸所在直線均交于一點(diǎn),且與所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合,所述第一連桿的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離、所述第二連桿的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到所述3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離均不相同。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述減速機(jī)為鋼絲繩減速機(jī)。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,其中,所述手柄上在所述動(dòng)平臺(tái)上方設(shè)置防塵蓋。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果:由于本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備包括手柄、動(dòng)平臺(tái)、基座及三組驅(qū)動(dòng)裝置,三組驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相同,包括電機(jī)、減速機(jī)及連接桿,并且三組驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)均設(shè)置于基座上、連接桿分別連接于動(dòng)平臺(tái)的不同位置上,因此三組驅(qū)動(dòng)裝置的作用力分別同時(shí)作用于動(dòng)平臺(tái)上,使本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備虛擬剛度較高并且結(jié)構(gòu)緊湊。

另外,由于手柄下方設(shè)置冗余支鏈,該冗余支鏈具有三個(gè)自由度,使手柄的工作范圍限制在繞x軸、y軸、z軸三軸±45°范圍內(nèi),防止意外操作。

還有,由于第一連桿的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離、第二連桿的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離均不相同,因此保證了連桿兩端的機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終處于不同半徑的球面上,從而避免連桿發(fā)生干涉,并且動(dòng)平臺(tái)及三組第一連桿、三組第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu),使本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)參數(shù)最優(yōu),在空間尺寸和質(zhì)量約束的前提下,實(shí)現(xiàn)工作空間大、虛擬剛度高、位置分辨率高、反向驅(qū)動(dòng)性好、各向同性度好等良好設(shè)備性能。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備中一組驅(qū)動(dòng)裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備中冗余支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備中動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖5為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備中第一連桿、第二連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑結(jié)構(gòu)示意圖;

圖6為本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備中控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂,下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1、2所示,本發(fā)明一種三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備,包括手柄11、動(dòng)平臺(tái)12、基座13及三組驅(qū)動(dòng)裝置,手柄11卡固于動(dòng)平臺(tái)12上并且可與動(dòng)平臺(tái)12同步動(dòng)作,三組驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相同,每組驅(qū)動(dòng)裝置均包括電機(jī)21、減速機(jī)22及連接桿,三組驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)均安裝于基座13上,三組驅(qū)動(dòng)裝置的連接桿分別連接于動(dòng)平臺(tái)12的不同位置上,三組驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)21通過(guò)減速機(jī)22帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)12動(dòng)作,手柄11上設(shè)置功能按鈕,手柄11質(zhì)量盡可能輕以保證力反饋手柄具有良好的反向驅(qū)動(dòng)性能。

手柄11下方設(shè)置冗余支鏈,如圖3所示,冗余支鏈包括一組u型鉸鏈31及一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,手柄11下端固定于u型鉸鏈31上端部,u型鉸鏈31下端部可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于立桿32上,立桿32下端固定于基座13上,該冗余支鏈具有三個(gè)自由度,采用串聯(lián)布置,繞x軸、y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)u型鉸鏈31實(shí)現(xiàn),繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)u型鉸鏈31與立桿32的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),u型鉸鏈31的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸和立桿32的中心軸所在直線均交于一點(diǎn)。手柄11的工作范圍為繞x軸、y軸、z軸三軸±45°,限于桿件干涉,手柄機(jī)構(gòu)中加入上述冗余支鏈作為限位裝置,可防止意外操作。

如圖4所示,動(dòng)平臺(tái)12的中心開有連接孔121,連接孔121帶有扇形限位槽122,手柄11上設(shè)置徑向凸出的扇形限位塊111,手柄11安裝于連接孔121內(nèi),扇形限位塊111置于扇形限位槽122內(nèi),使手柄11和動(dòng)平臺(tái)12同步。動(dòng)平臺(tái)12下端面上設(shè)置三個(gè)連接柱123,三個(gè)連接柱123沿動(dòng)平臺(tái)12的周向均布,三組驅(qū)動(dòng)裝置的連接桿分別連接于一個(gè)連接柱123上。

如圖2所示,每組驅(qū)動(dòng)裝置的連接桿均包括第一連桿41及第二連桿42,第一連桿41一端鉸接于減速機(jī)輸出軸上,另一端與第二連桿42相鉸接,第二連桿42另一端鉸接于動(dòng)平臺(tái)12的一個(gè)連接柱123上,動(dòng)平臺(tái)12及三組第一連桿、第二連桿組成3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu),u型鉸鏈31的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸和立桿32的中心軸所在直線均交于一點(diǎn),且與3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合,如圖5所示,第一連桿41的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心o的距離、第二連桿42的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副到3-rrr球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心o的距離均不相同,保證兩個(gè)連桿的兩端部在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終處在不同半徑的球面上,從而避免了連桿可能發(fā)生的干涉。

減速機(jī)22為鋼絲繩減速機(jī),鋼絲繩減速機(jī)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)回差的特點(diǎn),為防止鋼絲繩松弛,在鋼絲繩減速機(jī)的大繩輪和小繩輪之間設(shè)置碟簧張緊裝置。電機(jī)21采用直流無(wú)刷伺服電機(jī),

手柄11上在動(dòng)平臺(tái)12上方還安裝有防塵蓋14,使設(shè)備保持清潔。

本發(fā)明三維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋設(shè)備的控制系統(tǒng)如圖6所示,包括上位機(jī)、下位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器,下位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是傳感器數(shù)據(jù)采集和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、力伺服控制,控制算法實(shí)施、以及上下位機(jī)之間的通信。下位機(jī)的控制系統(tǒng)包括嵌入式微處理器、dac模塊、以太網(wǎng)控制器、cpld邏輯控制模塊、i/o接口等。微處理器的作用是接收上位機(jī)控指令、采集并處理傳感器數(shù)據(jù)、向dac模塊輸出電機(jī)電流大小指令。以太網(wǎng)控制器用于控制網(wǎng)絡(luò)通信,dac用于向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出模擬信號(hào)以控制電機(jī)電流大小。下位機(jī)的控制系統(tǒng)須保證數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性。通常為了保證力反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性,伺服控制的頻率應(yīng)達(dá)到1khz。本設(shè)計(jì)中采樣頻率設(shè)定為1khz,可以保證很好的力覺交互效果。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述,以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想;同時(shí),對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員,依據(jù)本發(fā)明的思想,在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述,本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

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