平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置的製作方法

2023-06-11 20:17:16

專利名稱：平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，用於準確模擬虛擬 環境中物體之間相互作用所產生的接觸力、接觸力矩的大小和方向，實現人機 力覺交互感知，屬於機械工程中機器人技術領域。
背景技術：
力覺交互又稱觸覺再現，該技術起源於機器人主從操作和遙操作，目的是 給位於異地的操作者提供力覺信息，模擬其臨場操作的感知，以提高操作質量 和效率。近年來，力覺再現技術在虛擬實境領域得到快速發展，成為一種新的 計算機人機互動方式，在對虛擬物體進行操作時，操作者通過力覺再現裝置感 受到虛擬物體的作用力、物體的材質和形狀，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，與虛擬仿真環境 通信，接受虛擬環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。
現有的力反饋機構多為並聯構型，由於並聯機構各驅動單元之間的運動是 耦合的，即並聯機構整體輸出平臺沿任意方向的運動都是所有驅動單元的運動 合成，並且各驅動單元的運動與並聯機構整體運動(即輸入與輸出)之間是非 線性關係，因此導致機構控制十分複雜，標定困難，同時也制約了設備精度的 提高和成本的下降。
如果機構在某方向的移動或轉動僅依賴於該方向上的驅動單元的動作，而 其他方向上的驅動單元不作有效動作的運動組合，則稱之為機構的解耦。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在任意位置和姿態下都是解耦的，則稱之為無條件 解耦或完全解耦；有條件解耦如果機構在任意位置和特定初始姿態下是解耦的，則稱之為有條件解耦或限制解耦；瞬時解耦如果機構僅在特定位置和特 定初始姿態下是解耦的，則稱之為瞬時解耦或點解耦。
機構的解耦可以大大降低控制難度，提高控制精度。所以，如何結合併串 聯機構的優點，實現機構解耦，以簡化機構的位姿控制和標定，提高機構控制 精度並降低製造成本， 一直是一個困難而富於挑戰性的課題。
經檢索發現，公開號為CN13101010510A的中國發明專利"六自由度力覺 人機互動裝置"發表了由固定基座、靜平臺、動平臺、六個支鏈、驅動單元和 複合球副組成的一種並聯力反饋機構，但此並聯機構耦合度大，使得控制難度 大大增加。公開號為CN14626103A的中國發明專利"六自由度並聯解耦機 構"，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 的驅動單元，在其中一個或多個驅動單元執行驅動工作時，其它的驅動單元只 要產生相應牽連運動或者協調運動，可以實現六自由度有條件解耦。通過文獻 檢索分析，無論是在宏動領域還是在微動領域，目前尚未出現六維無條件解耦 的力反饋裝置。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種平行四桿式結構解耦六 維力反饋裝置，可實現六自由度無條件解耦，且具有結構簡單，控制容易，運 動精度高，工作空間不受限制，成本較低等優點。
為實現上述目的，本發明設計的平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置由固 定基座、三自由度並聯移動單元、三自由度並串聯轉動單元構成。
其中三自由度並聯移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由移動導 向驅動、短連杆、長連杆構成。所述移動導向驅動的構型為平行四桿，並由一 個內嵌式移動驅動電機驅動，三組移動導向驅動相互正交固結在固定基座上； 所述短連杆一端由移動導向驅動導向，另一端與長連杆相連，長連杆的另一端 通過連接塊與轉動基座相連。
三自由度並串聯轉動單元由轉動基座、球面二自由度並聯解耦轉動機構、 串聯軸和動平臺構成，所述球面二自由度並聯解耦機構通過互相垂直布置的第
一支撐軸和第二支撐軸鉸接在轉動基座上，球面二自由度並聯解耦機構中的傳遞平臺通過串聯軸與動平臺相連，三個轉動驅動電機分別通過第一支撐軸、第 二支撐軸及串聯軸對球面二自由度並聯解耦機構和動平臺進行驅動；所述三自 由度並串聯轉動單元的所有的運動副軸線皆匯交於動平臺中心點，並且相互正 交。
本發明的平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，獨特設計了在固定基座上 固連且彼此正交布置的三個移動導向驅動和彼此正交布置的三個轉動驅動。當 進行一維或多維運動時，只需要對其中相應的一個或多個驅動進行控制，其它 的驅動都不會產生耦合運動，因此可以實現機構的運動解耦，即做到三自由度 移動無條件解耦和三自由度轉動無條件解耦。
本發明可用於準確模擬虛擬環境中物體之間相互作用所產生的接觸力、接 觸力矩的大小和方向，實現人機力覺交互感知。
本發明具有以下幾個特點-
1、 結構簡單，成本低，所述的力反饋裝置基本為常用的機械機構或零部 件的組合；
2、 工作可靠，控制容易，由於驅動單元之間無耦合運動，僅需要分別對 所需運動相應的移動或轉動驅動進行控制，不需要全部或者在一定條件下全部 考慮各驅動單元同步控制問題；
3、 運動精度高；
4、 工作空間不受限制，既適用於微動領域，也適用於宏動領域。


圖l為本發明整體結構圖。
圖l中l為固定基座；2為移動導向驅動；3為短連杆；4為長連杆； 5為連接塊；6為轉動基座。
圖2為本發明三自由度並串聯轉動單元的局部結構圖。
圖2中5為連接塊；6為轉動基座；7為球面二自由度並聯解耦機構；8 為第一支撐軸；9為第二支撐軸；IO為傳遞平臺；ll為串聯軸；12為動平 臺；13為轉動驅動電機。
圖3為本發明所用球面二自由度並聯解耦轉動機構的示意圖。圖3中8為第一支撐軸；9為第二支撐軸；IO為傳遞平臺，13為轉動驅 動電機。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。
圖l為本發明整體結構圖。如圖1所示，本發明設計的平行四桿式結構解 耦六維力反饋裝置由固定基座l、三自由度並聯移動單元、三自由度並串聯轉 動單元構成。三自由度並聯移動單元由三個相互正交的分支構成，每個分支由
移動導向驅動2、短連杆3和長連杆4構成。移動導向驅動2的構型為平行四 杆，並由一個內嵌式移動驅動電機驅動，三組移動導向驅動2相互正交固結在 固定基座l上；短連杆3—端由移動導向驅動2導向，另一端與長連杆4相 連，形成一個移動分支；三個移動分支分別通過三個相互正交布置的連接塊5 與轉動基座6相連。三個移動導向驅動2分別位於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三個方向正交，即分別與三個移動導向 驅動正交，並且匯交於動平臺12中心點。
圖2為本發明三自由度並串聯轉動單元的局部結構圖。如圖2所示，三自 由度並串聯轉動單元由轉動基座6、球面二自由度並聯解耦轉動機構6、串聯 軸11和動平臺12構成。球面二自由度並聯解耦機構7通過第一支撐軸8、第 二支撐軸9鉸接在轉動基座6上，球面二自由度並聯解耦機構7中的傳遞平臺 10通過串聯軸11與動平臺12相連，三個轉動驅動電機13分別通過第一支撐 軸8、第二支撐軸9、串聯軸11對球面二自由度並聯解耦機構7和動平臺12 進行驅動。三自由度並串聯轉動單元的所有的運動副軸線皆匯交於動平臺12 中心點，並且相互正交。
圖3為本發明所用球面二自由度並聯解耦轉動機構的示意圖。如圖3所 示，球面二自由度並聯解耦機構7為空間5桿機構，所有的運動副均為轉動 副，其軸線皆匯交於一點G兩個主動轉動副即兩個轉動驅動電機13放置於同 一平面，且分別通過第一支撐軸8、第二支撐軸9對球面二自由度並聯解耦機 構7進行驅動。兩個主動轉動副軸線互相正交，相交於球心a弧JS和5C分別對應9(T的圓心角，ZF正交於O:，從而傳遞平臺IO只能做圍繞球心(9的旋 轉運動。
本發明的機構在其中心位置，即動平臺12中心點位置上，對於x、 y、 z 軸方向的三個移動和繞x、 y、 z軸的三個轉動相互解耦。現以圖l所示整體 結構對本發明的工作原理做出說明
當任意軸向例如x (或y或z )上的移動導向驅動接受控制指令驅動動平 臺12工作時，動平臺12將沿驅動方向、例如x (或y或z )向作移動。此 時動平臺12帶動三個移動分支進行平面牽連運動，進而產生動平臺12與這 些驅動分支之間的相對移動或者協調運動，從而使得接受控制指令移動導向驅 動的驅動工作與另外的驅動單元的運動無關，也即避免了不同驅動單元之間的 運動耦合，實現動平臺12在x 、 y 、 z三個方向上的移動解耦，並且是無條 件解耦。
再來看轉動解耦情況假設三個轉動驅動電機13的軸線分別為XR 、 ZR 、 YR ，且稱為三個"瞬時轉動軸"，當任意軸向例如x (或y或z )上的 轉動驅動電機13接受控制指令驅動動平臺12工作時，動平臺12將繞驅動 方向、例如x (或y或z )向作轉動。由於動平臺12的中心即為三條軸線的 交點，因此此時動平臺12將帶動三個轉動分支進行球面牽連運動，進而產生 動平臺12與這些驅動分支之間的相對移動或者協調運動，從而使得接受控制 指令轉移驅動單元的驅動工作與另外的驅動單元的運動無關，也即避免了不同 驅動單元之間的運動耦合，實現動平臺12在繞x 、 y 、 z三個方向上的轉動 解耦，並且也是無條件解耦。
當x軸向移動導向驅動2運行時，帶動動平臺12沿x軸方向移動。當 XR軸向轉動驅動電機13運行時，動平臺12繞x軸向轉動，並且轉動角度等 於電機轉角。當沿y軸或z軸移動，或繞y軸或z軸轉動時，情況完全類 似。所以，本發明的機構各個方向的位置和轉角可以分別調節，因此控制方 便，控制靈敏度與運動精度都很高。
權利要求
1、一種平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，其特徵在於由固定基座(1)、三自由度並聯移動單元和三自由度並串聯轉動單元構成；所述三自由度並聯移動單元由三個相互正交的分支構成，每個分支由移動導向驅動(2)、短連杆(3)和長連杆(4)構成；所述移動導向驅動(2)的構型為平行四桿，並由一個內嵌式移動驅動電機驅動，三組移動導向驅動(2)相互正交固結在固定基座(1)上；所述短連杆(3)一端由移動導向驅動(2)導向，另一端與長連杆(4)相連，長連杆(4)另一端通過連接塊(5)與轉動基座(6)相連；所述三自由度並串聯轉動單元由轉動基座(6)、球面二自由度並聯解耦轉動機構(6)、串聯軸(11)和動平臺(12)構成；所述球面二自由度並聯解耦機構(7)通過互相垂直布置的第一支撐軸(8)和第二支撐軸(9)鉸接在轉動基座(6)上，球面二自由度並聯解耦機構(7)中的傳遞平臺(10)通過串聯軸(11)與動平臺(12)相連，三個轉動驅動電機(13)分別通過第一支撐軸(8)、第二支撐軸(9)及串聯軸(11)對球面二自由度並聯解耦機構(7)和動平臺(12)進行驅動；所述三自由度並串聯轉動單元的所有的運動副軸線皆匯交於動平臺(12)中心點，並且相互正交。
2、 根據權利要求l所述的平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，其特徵在於 所述的三自由度並聯移動單元三個分支中短連杆(3)與長連杆(4)所在運動平 面分別與三個移動導向驅動(2)正交，並且匯交於動平臺(12)中心點。
全文摘要
本發明公開了一種平行四桿式結構解耦六維力反饋裝置，用於準確模擬虛擬環境中物體之間相互作用所產生的接觸力、接觸力矩的大小和方向，實現人機力覺交互感知，由固定基座、三自由度並聯移動單元、三自由度並串聯轉動單元構成。其中三自由度並聯移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由移動導向驅動、短連杆、長連杆構成；三自由度並串聯轉動單元由轉動基座、球面二自由度並聯解耦轉動機構、串聯軸和動平臺構成，所有的運動副軸線皆匯交於動平臺中心點，並且相互正交。本發明可做到六自由度無條件解耦，具有結構簡單，控制容易，運動精度高，成本較低等優點。
文檔編號B25J9/16GK101439515SQ20081020780
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者勇 張, 田興華, 趙現朝, 郭為忠, 金振林, 峰 高 申請人:上海交通大學