一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，包括底座機(jī)構(gòu)、設(shè)置在底座機(jī)構(gòu)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、設(shè)置于并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括固定在所述底座機(jī)構(gòu)上的固定平臺、三條一端與所述固定平臺正面活動連接的支鏈、與各支鏈另一端活動連接的浮動平臺，固定平臺上還設(shè)置有通過傳動裝置分別與各支鏈驅(qū)動連接的驅(qū)動執(zhí)行元件；串聯(lián)機(jī)構(gòu)包括依次設(shè)置在所述浮動平臺上的三維力傳感器、具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的手柄機(jī)構(gòu)；驅(qū)動執(zhí)行元件末端、手柄機(jī)構(gòu)上設(shè)有傳感器。本發(fā)明提供6個(gè)自由度的運(yùn)動輸入，能靈活地捕捉操作者手部的空間位置與姿態(tài)，為虛擬環(huán)境中的模擬特別是造型設(shè)計(jì)模擬提供了一個(gè)很好的硬件平臺，結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動空間適合、剛度高、運(yùn)動靈活。
【專利說明】
一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種力反饋裝置，尤其涉及一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其能夠捕捉操作者手部的空間位置和姿態(tài)，用于虛擬造型設(shè)計(jì)中的交互。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬造型設(shè)計(jì)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)制造業(yè)的重要應(yīng)用之一，造型設(shè)計(jì)人員借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，可以進(jìn)行造型設(shè)計(jì)、模擬仿真、性能分析、模型修改等。相比于傳統(tǒng)的CAD軟件建模設(shè)計(jì)，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬造型設(shè)計(jì)技術(shù)可以使造型設(shè)計(jì)更加直觀、簡潔，更有利于設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)思想迅速表達(dá)。其中力覺交互技術(shù)是虛擬造型設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，提高了原本單純依賴視覺和聽覺再現(xiàn)設(shè)備的人機(jī)交互性，使人與虛擬世界的交互更可靠、真實(shí)，可以使虛擬設(shè)計(jì)在視覺、聽覺的基礎(chǔ)上更加具有沉浸性、想象性與交互性。而力覺交互設(shè)備是設(shè)計(jì)人員與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行力覺交互的接口，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)中的重要組成部分。因而力覺交互設(shè)備的設(shè)計(jì)成為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的真實(shí)性與交互性的關(guān)鍵。
[0003]目前國內(nèi)外已經(jīng)有不少高校和研究所在從事力反饋設(shè)備的研究開發(fā)工作，經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國Force Dimens1n公司的Delta系列產(chǎn)品，，其設(shè)計(jì)的是一種三自由度并聯(lián)式力反饋機(jī)械臂，具有三個(gè)運(yùn)動自由度，在三個(gè)運(yùn)動自由度上均具有反饋力，但該設(shè)備工作空間太小，且只具有三個(gè)運(yùn)動自由度，不能滿足造型設(shè)計(jì)人員在操作空間內(nèi)手部的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且由于使用材料的特殊性導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)備價(jià)格昂貴；中國專利申請?zhí)?01510033110.2，名稱為:一種可切換式的七自由度力反饋遙操作手，該專利具有七個(gè)運(yùn)動自由度且在七個(gè)運(yùn)動自由度上均具有力反饋，但操作末端上安裝的電機(jī)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的運(yùn)動慣量及設(shè)備阻抗較大，嚴(yán)重影響了設(shè)備的精確性定位和實(shí)時(shí)性交互；中國專利申請?zhí)?01310042090.6，名稱為:一種串并聯(lián)力反饋遙操作手，該專利具有6個(gè)運(yùn)動自由度，在3個(gè)自由度上具有反饋力，且在末端的串聯(lián)3自由度上通過配重塊進(jìn)行了重力平衡補(bǔ)償，但末端的配重機(jī)構(gòu)導(dǎo)致了設(shè)備末端結(jié)構(gòu)的不緊湊，運(yùn)動靈活性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)動靈活、成本低廉、運(yùn)動范圍合適、剛度較高，能與虛擬造型設(shè)計(jì)應(yīng)用中對交互設(shè)備大剛度、運(yùn)動范圍要求較低、運(yùn)動靈活等要求相匹配，能實(shí)時(shí)地與造型設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行力覺交互的混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，包括底座機(jī)構(gòu)、設(shè)置在所述底座機(jī)構(gòu)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、設(shè)置于并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括固定在所述底座機(jī)構(gòu)上的固定平臺、三條一端與所述固定平臺正面活動連接的支鏈、與所述各支鏈另一端活動連接的浮動平臺，所述浮動平臺具有三個(gè)移動自由度，所述固定平臺上還設(shè)置有通過傳動裝置分別與各支鏈驅(qū)動連接的驅(qū)動執(zhí)行元件；
[0007]所述的串聯(lián)機(jī)構(gòu)包括依次設(shè)置在所述浮動平臺上的三維力傳感器、具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的手柄機(jī)構(gòu)；
[0008]所述驅(qū)動執(zhí)行元件、手柄機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于獲取手部空間姿態(tài)及空間位置的傳感器。
[0009]進(jìn)一步地，每個(gè)支鏈均包括一平行四邊形機(jī)構(gòu)、通過軸承轉(zhuǎn)動連接于所述平行四邊形機(jī)構(gòu)兩相對邊中部的第一延長桿和第二延長桿，所述第一延長桿另一端通過第一旋轉(zhuǎn)軸與固定在上述固定平臺正面的兩個(gè)第一支撐架活動鉸接，所述第二延長桿的另一端與所述浮動平臺固定連接。
[0010]進(jìn)一步地，所述的平行四邊形機(jī)構(gòu)包括兩根平行設(shè)置的第二旋轉(zhuǎn)軸、兩根平行設(shè)置的第一桿件，兩根第二旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別固定設(shè)置有角接頭，所述第一桿件的兩端通過軸承與第二旋轉(zhuǎn)軸的兩端的角接頭旋轉(zhuǎn)連接。
[0011]進(jìn)一步地，所述驅(qū)動執(zhí)行元件通過第二支撐架固定在所述固定平臺背面。
[0012]進(jìn)一步地，所述驅(qū)動執(zhí)行元件為有刷空心杯直流伺服電機(jī)。
[0013]進(jìn)一步地，所述的傳動裝置包括通過鋼絲繩驅(qū)動連接的主動輪和半圓形減速從動輪，所述主動輪設(shè)置在所述驅(qū)動執(zhí)行元件輸出軸前端，所述半圓形減速從動輪通過第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動設(shè)置在兩個(gè)第一支撐架之間，所述半圓形減速從動輪直徑方向與所述第一延長桿固定連接。
[0014]進(jìn)一步地，所述的手柄機(jī)構(gòu)包括設(shè)有豎直邊的十字支撐架、正交地轉(zhuǎn)動設(shè)置在所述十字支撐架上的X軸旋轉(zhuǎn)部件、Y軸旋轉(zhuǎn)部件、轉(zhuǎn)動設(shè)置在上述Y軸旋轉(zhuǎn)部件上的Z軸旋轉(zhuǎn)部件，所述的X軸旋轉(zhuǎn)部件包括分別與所述十字支撐架兩相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接的第一圓盤與第二圓盤，所述第一圓盤與第二圓盤之間通過支撐柱固定連接，所述Y軸旋轉(zhuǎn)部件包括與所述十字支撐架的另一相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接的十字旋轉(zhuǎn)塊，與所述十字旋轉(zhuǎn)塊另兩端旋轉(zhuǎn)連接的U形旋轉(zhuǎn)塊，所述的Z軸旋轉(zhuǎn)部件包括轉(zhuǎn)動地設(shè)置在所述U形旋轉(zhuǎn)塊中部的操作手柄，所述操作手柄相切地夾設(shè)在兩根支撐柱之間。
[0015]進(jìn)一步地，所述的傳感器包括設(shè)置于所述驅(qū)動執(zhí)行元件輸出軸后端的第一傳感檢測元件、設(shè)置于所述十字支撐架一側(cè)用于檢測第一圓盤與第二圓盤轉(zhuǎn)動的第四傳感檢測元件、設(shè)置于所述十字支撐架的另一側(cè)用于檢測十字旋轉(zhuǎn)塊轉(zhuǎn)動的第五傳感檢測元件、設(shè)置在所述U形旋轉(zhuǎn)塊上用于檢測操作手柄的旋轉(zhuǎn)的第六傳感檢測元件。
[0016]進(jìn)一步地，所述的第一傳感檢測元件為光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，所述第四傳感檢測元件、第五傳感檢測元件、第六傳感檢測元件為角度電位器。
[0017]進(jìn)一步地，所述固定平臺上設(shè)置有第一限位塊，所述半圓形減速從動輪輪輻上沿弧形軌跡按一定角度間隔均勻設(shè)置有若干用于安裝限位螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)螺紋孔;所述十字支撐架連接第一圓盤或第二圓盤的豎直邊內(nèi)側(cè)設(shè)置有第二限位塊，所述第一圓或第二圓盤上按到一定角度間隔均勻設(shè)置有若干用于安裝限位螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)螺紋孔。
[0018]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是:
[0019]1、本發(fā)明通過并聯(lián)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合，使得混聯(lián)式6自由度力反饋臂同時(shí)具有了并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大，串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動靈活的特點(diǎn)。在滿足虛擬造型設(shè)計(jì)所需要的工作空間范圍的前提下，使得機(jī)構(gòu)具有更大的剛度和運(yùn)動靈活性。
[0020]2、本發(fā)明的末端機(jī)構(gòu)是三個(gè)自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，三個(gè)運(yùn)動自由度的運(yùn)動軸線相交于一點(diǎn)，且第五個(gè)運(yùn)動自由度處于第四個(gè)運(yùn)動自由度的第一、第二圓盤之中，從而使得末端點(diǎn)距離并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的交點(diǎn)距離更近，反饋力更加真實(shí)。
[0021]3、本發(fā)明中的傳動機(jī)構(gòu)中主動輪與減速從動輪間的運(yùn)動與力矩傳遞通過鋼絲繩實(shí)現(xiàn)，鋼絲繩傳動克服了傳統(tǒng)齒輪傳動等有傳動間隙的影響，傳動鋼絲繩設(shè)置適度的張緊，避免其打滑同時(shí)也使其有較長的壽命。
[0022]4、操作末端不含配重機(jī)構(gòu)或電機(jī)，減少整個(gè)設(shè)備的運(yùn)動慣量及運(yùn)動阻抗，保障設(shè)備的精確性定位、運(yùn)動靈活性和實(shí)時(shí)性交互。
[0023]5、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，安裝維護(hù)方便。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是圖1發(fā)明實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的另一視角總體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖。
[0027]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的并聯(lián)機(jī)構(gòu)一條支鏈結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029 ]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的底座機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不意圖。
[0031]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)機(jī)構(gòu)的十字支撐架、第一圓盤、第二圓盤、支撐柱、第四傳感檢測元件、第五傳感檢測元件的連接示意圖。
[0032]圖9是本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)機(jī)構(gòu)的十字支撐架、十字旋轉(zhuǎn)塊、U形旋轉(zhuǎn)塊、操作手柄、第五傳感檢測元件、第六傳感檢測元件的連接示意圖。
[0033]圖10是本發(fā)明實(shí)施例的浮動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖中所示為:1.支撐座、2.并聯(lián)機(jī)構(gòu)、3.串聯(lián)機(jī)構(gòu)、11.第一支撐座、12.第二支撐座、13.第三支撐座、211.固定平臺、212.第一支撐架、213.第一旋轉(zhuǎn)軸、214.浮動平臺、215.第二延長桿、221.半圓形減速從動輪、222.第一延長桿、223.第二旋轉(zhuǎn)軸、224.第一桿件、225.角接頭、226.繞線柱、231.第二支撐架、232.伺服電機(jī)、233.編碼器、234.主動輪、235.第一限位塊、311.十字支撐架、312.第一圓盤、313.第二圓盤、314.支撐柱、315.第二限位塊、321.十字旋轉(zhuǎn)塊、322.U形旋轉(zhuǎn)塊、331.操作手柄、341.第四角度傳感器、342.第五角度傳感器、343.第六角度傳感器、41.三維力傳感器、51.傳動線固定柱螺紋孔、52.限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔、53.柱形沉孔。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0036]如圖1和圖2所示，一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，包括底座機(jī)構(gòu)1、設(shè)置在底座機(jī)構(gòu)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)2、設(shè)置于并聯(lián)機(jī)構(gòu)2末端的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。
[0037]如圖6所示，所述底座機(jī)構(gòu)I包括放置在水平面上的第一支撐座11，通過螺釘與第一支撐座11連接的第二支撐座12，通過螺栓與第二支撐座12連接的第三支撐座13，三個(gè)支撐座構(gòu)成了一個(gè)放置在水平面上，用于支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)2的懸臂梁。
[0038]結(jié)合圖3、圖4和圖5，所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)2包括固定在所述底座機(jī)構(gòu)I上的固定平臺211、三條一端與所述固定平臺211正面活動連接的支鏈、與所述各支鏈另一端活動連接的浮動平臺214，所述浮動平臺214具有三個(gè)移動自由度，所述固定平臺211上還設(shè)置有通過傳動裝置分別與各支鏈驅(qū)動連接的驅(qū)動執(zhí)行元件，所述驅(qū)動執(zhí)行元件232為有刷空心杯直流伺服電機(jī)。所述固定平臺211通過螺栓與第三支撐座13固定連接，所述固定平臺211與浮動平臺214之間是三條完全一樣的支鏈，所述傳動裝置包括主動輪234與半圓形減速從動輪221，所述主動輪234通過螺釘與驅(qū)動執(zhí)行元件232的前端輸出軸連接，所述驅(qū)動執(zhí)行元件232的末端輸出軸與第一傳感檢測元件233連接，驅(qū)動執(zhí)行元件232通過第二支撐架231固定在固定平臺211上，所述半圓形減速從動輪221通過軸承與第一旋轉(zhuǎn)軸213轉(zhuǎn)動連接，所述第一旋轉(zhuǎn)軸213固定在兩個(gè)第一支撐架212上，兩個(gè)第一支撐架212均通過螺釘固定在固定平臺211上，所述半圓形減速從動輪211輪幅上設(shè)置有線槽，并對稱設(shè)置有兩個(gè)繞線柱226和兩個(gè)傳動線固定柱螺紋孔51，傳動鋼絲繩在主動輪234輪上纏繞數(shù)圈后緊貼半圓形減速從動輪211的線槽到半圓形減速從動輪211的繞線柱226上纏繞后通過螺釘固定在固定柱螺紋孔51上。繞線柱226的設(shè)置有利于傳動線的緊固和使傳動線不容易滑落;在所述固定平臺211的背面設(shè)置有第一限位塊235，所述半圓形減速從動輪211輪輻上沿弧形軌跡按15度的等角度間隔加工有若干用于安裝起限位柱作用的限位螺釘?shù)穆菁y孔52，所述第一限位塊235與所述限位螺釘配合用以調(diào)節(jié)半圓形減速從動輪211的運(yùn)動范圍。在所述半圓形減速從動輪221的直徑方向通過螺栓設(shè)置有第一延長桿222，所述第一延長桿222通過深溝球軸承與第二旋轉(zhuǎn)軸223轉(zhuǎn)動連接。浮動平臺214上通過螺栓設(shè)置有第二延長桿215，第二延長桿215通過深溝球軸承與另一第二旋轉(zhuǎn)軸223轉(zhuǎn)運(yùn)連接，兩個(gè)第二旋轉(zhuǎn)軸223的兩端均通過螺釘與角接頭225連接。所述兩個(gè)第二旋轉(zhuǎn)軸223對應(yīng)端的角接頭225均通過深溝球軸承與第一桿件224連接。在所述的每一條支鏈中，兩個(gè)第一桿件224、四個(gè)角接頭225，兩個(gè)第二旋轉(zhuǎn)軸223共同構(gòu)與一個(gè)平行四邊行機(jī)構(gòu)。
[0039]如圖7至圖9所示，所述串聯(lián)機(jī)構(gòu)3包括依次設(shè)置在所述浮動平臺214上的三維力傳感器41、具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的手柄機(jī)構(gòu)，所述三維力傳感器41設(shè)置在浮動平臺214上的柱形沉孔53中(見圖10)，通過螺栓與浮動平臺214及十字支撐架311固定連接。所述三維力傳感器41能夠測量混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂X、Y、Z三個(gè)方向輸出的反饋力，測量到的反饋力再反饋回控制系統(tǒng)中，經(jīng)過與期望的輸出力進(jìn)行比較后，在控制器中輸出力進(jìn)行補(bǔ)償，以使實(shí)際的輸出力與期望的輸出力更加接近。所述三維力傳感器41上設(shè)置有十字支撐架311，與所述十字支撐架311兩相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接的第一圓盤312與第二圓盤313，所述第一圓盤312與第二圓盤313之間通過支撐柱314固定連接，另兩個(gè)相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接有十字旋轉(zhuǎn)塊321，所述十字旋轉(zhuǎn)塊321另兩端旋轉(zhuǎn)連接有U形旋轉(zhuǎn)塊322，所述十字支撐架311—側(cè)設(shè)置有檢測第一圓盤312與第二圓盤313轉(zhuǎn)動的第四傳感檢測元件341，所述十字支撐架311的另一側(cè)設(shè)置有檢測十字旋轉(zhuǎn)塊321轉(zhuǎn)動的第五傳感檢測元件342，所述U形旋轉(zhuǎn)塊322上設(shè)置有第六傳感檢測元件343，用與檢測與第六傳感檢測元件343輸出軸固定連接的操作手柄331的旋轉(zhuǎn)。
[0040]如圖8所示，所示第一圓盤312沿弧形軌跡按15度的間隔加工有若干限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔54，用于安裝起限位作用的限位螺釘，在與所述第一圓盤接近的十字支撐架311的內(nèi)偵U，設(shè)置有第二限位塊315，所述第二限位塊315與限位螺釘配合，調(diào)節(jié)第一圓盤312和第二圓盤313的運(yùn)動范圍，所述第二圓盤313通過螺釘與支撐柱314固定。所述第一圓盤312的外側(cè)設(shè)置有連接轉(zhuǎn)軸353，所述連接轉(zhuǎn)軸353通過深溝球軸承351與十字支撐架311轉(zhuǎn)動連接，所述第二圓盤313的外側(cè)設(shè)置有連接軸套354，所述連接軸套354圓周上設(shè)置有螺紋孔，與設(shè)置在十字支撐架311外側(cè)的第四傳感檢測元件341的輸出軸通過螺釘固定連接。
[0041]本實(shí)施例中，所述第一傳感檢測元件233為光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，所述第四傳感檢測元件341，第五傳感檢測元件342，第六傳感檢測元件343為角度電位器，反應(yīng)靈敏，精度高。
[0042]本實(shí)施例中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各傳動減速系統(tǒng)通過傳動鋼絲繩連接三個(gè)主動輪234與三個(gè)半圓形減速從動輪221，傳動鋼絲繩在主動輪234的螺旋槽上纏繞數(shù)圈后繞到半圓形減速從動輪221線槽上并在半圓形減速從動輪221上固定，傳動鋼絲繩為具有高強(qiáng)度和高抗疲勞性的7*7鋼絲繩；串聯(lián)機(jī)構(gòu)3具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能檢測到操作者手部上下，左右的擺動以及手部的自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，并聯(lián)機(jī)構(gòu)2與串聯(lián)機(jī)構(gòu)3的混合使用，使得設(shè)備在具有大剛度、合適的操作空間的前提下，操作更加靈活。
[0043]本實(shí)施例的傳動形式為線傳動，通過張緊的傳動鋼絲繩在主動輪與各從動輪間傳遞運(yùn)動和力矩。線傳動平穩(wěn)、慣量小、無傳動間隙、無傳動噪音，成本低廉，設(shè)置張緊機(jī)構(gòu)使傳動線適度張緊，既能避免傳動打滑，又能使傳動鋼絲繩具有較長的使用壽命。
[0044]本發(fā)明的目的是在虛擬造型設(shè)計(jì)中把力反饋機(jī)械臂當(dāng)作交互工具與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互，使系統(tǒng)能檢測到操作者手部的空間位置和空間姿態(tài)，并獲得操作手部與機(jī)械臂接觸處的反饋務(wù)，其中用于確定操作者手部空間位置的并聯(lián)機(jī)構(gòu)上的3個(gè)自由度具有反饋力輸出，反饋力通過直流伺服電機(jī)與線傳動減速機(jī)構(gòu)相配合來實(shí)現(xiàn)，用于確定操作者手部空間姿態(tài)的串聯(lián)部分的三個(gè)自由度通過三個(gè)高精度光電編碼器來檢測，為虛擬環(huán)境中的模擬提供了一個(gè)很好的硬件平臺，結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動空間適合、剛度高、運(yùn)動靈活，其工作過程及原理如下:
[0045]1、手部的空間姿態(tài)獲取
[0046]當(dāng)操作者手部捏著操作手柄331并使手臂自轉(zhuǎn)時(shí)，操作手柄331也同時(shí)自轉(zhuǎn)，由于操作手柄331的與第六傳感檢測元件343的輸出軸固定，而第六傳感檢測元件343的外殼固定在U形旋轉(zhuǎn)塊322上，從而第六傳感檢測元件343可以檢測到手臂的自動運(yùn)動。當(dāng)操作者捏操作手柄331在第一圓盤312與第二圓盤313之間左右擺時(shí)，操作手柄331、U形旋轉(zhuǎn)塊322、十字旋轉(zhuǎn)塊321在該方向沒有相對運(yùn)動，從而該三者作為一個(gè)整體在十字支撐架311上旋轉(zhuǎn)，由于十字旋轉(zhuǎn)塊321與第五傳感檢測元件342的輸出軸同軸固定，從而第五傳感檢測元件便能檢測出十字旋轉(zhuǎn)塊321的轉(zhuǎn)運(yùn)情況，也即手部左右擺動角度變化。當(dāng)操作者捏著操作手柄331上下擺動時(shí)，由于操作手柄331與第一圓盤312與第二圓盤313之間的支撐柱314相切，從而第一圓盤312、第二圓盤313—起上下擺，由于第四傳感檢測元件341的輸出軸與固定在第一圓盤312上的連接軸套354同軸固定，從而第四傳感檢測元件341便能檢測出第一圓盤312的轉(zhuǎn)動情況，也即手部上下擺動的角度變化。
[0047]2、手部的空間位置獲取
[0048]當(dāng)操作者操作機(jī)械臂在工作空間內(nèi)運(yùn)動時(shí)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)2中浮動平臺214相對于固定平臺211運(yùn)動，連接浮動平臺214與固定平臺211的三條相同的支鏈改變相對角度，即三個(gè)半圓形減速從動輪221發(fā)生角度變化，由于半圓形減速從動輪221通過傳動鋼絲繩與主動輪234連接，從而主動輪234也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，發(fā)生相應(yīng)的角度變化，繼而與主動輪同234軸固定的驅(qū)動執(zhí)行元件232的軸發(fā)生相應(yīng)的角度變化，同時(shí)也使與驅(qū)動執(zhí)行元件232同軸的第一傳感檢測元件233檢測出變化的角度。三個(gè)第一傳感檢測元件233分別檢測了三個(gè)半圓形減速從動輪221的角度變值，通過正向運(yùn)動學(xué)的運(yùn)算，便可計(jì)算出機(jī)械臂末端在空間的位置。
[0049]本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，包括底座機(jī)構(gòu)(1)、設(shè)置在所述底座機(jī)構(gòu)(1)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)(2)、設(shè)置于并聯(lián)機(jī)構(gòu)(2)末端的串聯(lián)機(jī)構(gòu)(3)，其特征在于: 所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)(2)包括固定在所述底座機(jī)構(gòu)(1)上的固定平臺(211)、三條一端與所述固定平臺(211)正面活動連接的支鏈、與所述各支鏈另一端活動連接的浮動平臺(214)，所述浮動平臺(214)具有三個(gè)移動自由度，所述固定平臺(211)上還設(shè)置有通過傳動裝置分別與各支鏈驅(qū)動連接的驅(qū)動執(zhí)行元件； 所述的串聯(lián)機(jī)構(gòu)(3)包括依次設(shè)置在所述浮動平臺(214)上的三維力傳感器(41)、具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的手柄機(jī)構(gòu)； 所述驅(qū)動執(zhí)行元件、手柄機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于獲取手部空間姿態(tài)及空間位置的傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于: 每個(gè)支鏈均包括一平行四邊形機(jī)構(gòu)、通過軸承轉(zhuǎn)動連接于所述平行四邊形機(jī)構(gòu)兩相對邊中部的第一延長桿(222)和第二延長桿(215)，所述第一延長桿(222)另一端通過第一旋轉(zhuǎn)軸(213)與固定在上述固定平臺(211)正面的兩個(gè)第一支撐架(212)活動鉸接，所述第二延長桿(215)的另一端與所述浮動平臺(214)固定連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于: 所述的平行四邊形機(jī)構(gòu)包括兩根平行設(shè)置的第二旋轉(zhuǎn)軸(223)、兩根平行設(shè)置的第一桿件(224)，兩根第二旋轉(zhuǎn)軸(223)的兩端分別固定設(shè)置有角接頭(225)，所述第一桿件(224)的兩端通過軸承與第二旋轉(zhuǎn)軸(223)的兩端的角接頭(225)旋轉(zhuǎn)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于: 所述驅(qū)動執(zhí)行元件(232)通過第二支撐架(231)固定在所述固定平臺(211)背面。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述驅(qū)動執(zhí)行元件(232)為有刷空心杯直流伺服電機(jī)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述的傳動裝置包括通過鋼絲繩驅(qū)動連接的主動輪(234)和半圓形減速從動輪(221)，所述主動輪(234)設(shè)置在所述驅(qū)動執(zhí)行元件(232)輸出軸前端，所述半圓形減速從動輪(221)通過第一旋轉(zhuǎn)軸(213)轉(zhuǎn)動設(shè)置在兩個(gè)第一支撐架(212)之間，所述半圓形減速從動輪(221)直徑方向與所述第一延長桿(222)固定連接。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述的手柄機(jī)構(gòu)包括設(shè)有豎直邊的十字支撐架(311)、正交地轉(zhuǎn)動設(shè)置在所述十字支撐架(311)上的X軸旋轉(zhuǎn)部件、Y軸旋轉(zhuǎn)部件、轉(zhuǎn)動設(shè)置在上述Y軸旋轉(zhuǎn)部件上的Z軸旋轉(zhuǎn)部件，所述的X軸旋轉(zhuǎn)部件包括分別與所述十字支撐架(311)兩相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接的第一圓盤(312)與第二圓盤(313)，所述第一圓盤(312)與第二圓盤(313)之間通過支撐柱(314)固定連接，所述Y軸旋轉(zhuǎn)部件包括與所述十字支撐架(311)的另一相對豎直邊旋轉(zhuǎn)連接的十字旋轉(zhuǎn)塊(321)，與所述十字旋轉(zhuǎn)塊(321)另兩端旋轉(zhuǎn)連接的U形旋轉(zhuǎn)塊(322)，所述的Z軸旋轉(zhuǎn)部件包括轉(zhuǎn)動地設(shè)置在所述U形旋轉(zhuǎn)塊(322)中部的操作手柄(331)，所述操作手柄(331)相切地夾設(shè)在位于第一圓盤(312)、第二圓盤(313)之間的兩根支撐柱(314)之間。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述的傳感器包括設(shè)置于所述驅(qū)動執(zhí)行元件(232)輸出軸后端的第一傳感檢測元件(233)、設(shè)置于所述十字支撐架(311) —側(cè)用于檢測第一圓盤(312)與第二圓盤(313)轉(zhuǎn)動的第四傳感檢測元件(341)、設(shè)置于所述十字支撐架(311)的另一側(cè)用于檢測十字旋轉(zhuǎn)塊(321)轉(zhuǎn)動的第五傳感檢測元件(342)、設(shè)置在所述U形旋轉(zhuǎn)塊(322)上用于檢測操作手柄(331)的旋轉(zhuǎn)的第六傳感檢測元件(343) ο9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述的第一傳感檢測元件(233)為光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，所述第四傳感檢測元件(341)、第五傳感檢測元件(342)、第六傳感檢測元件(343)為角度電位器。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的種混聯(lián)式6自由度力反饋機(jī)械臂，其特征在于:所述固定平臺(211)上設(shè)置有第一限位塊(235)，所述半圓形減速從動輪(221)輪輻上沿弧形軌跡按一定角度間隔均勻設(shè)置有若干用于安裝限位螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)螺紋孔(52);所述十字支撐架(311)連接第一圓盤(312)或第二圓盤(313)的豎直邊內(nèi)側(cè)設(shè)置有第二限位塊(315)，所述第一圓盤(312)或第二圓盤(313)上按到一定角度間隔均勻設(shè)置有若干用于安裝限位螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)螺紋孔(52)。
【文檔編號】B25J18/00GK105835086SQ201610312877
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】王清輝, 吳書傳, 李靜蓉, 黃仲東, 倪建龍
【申請人】華南理工大學(xué)