滑塊式結構解耦六維力反饋裝置的製作方法

2023-07-02 22:03:16

專利名稱：滑塊式結構解耦六維力反饋裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種滑塊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 它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CN1266656A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CN1352563A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，提供一種滑塊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，本發明設計的滑塊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，每個分支由立柱導 軌、滑塊、移動驅動電機和雙連杆構成；三個立柱導軌相互正交固結在固定基座 上，分別由三個移動驅動電機驅動；滑塊由立柱導軌導向，與雙連杆一端鉸接； 雙連杆另一端通過U型塊與轉動基座連接。三自由度並串聯轉動單元由轉動基座、三個轉動驅動電機、第一弧形杆、傳 遞平臺、長軸、第二弧形杆、中長軸、第三弧形杆、短軸、動平臺和串聯軸組 成；第一弧形杆通過長軸與傳遞平臺相連，第二弧形杆通過中長軸與傳遞平臺相 連，第三弧形杆通過短軸與第二弧形杆相連，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連接在第一弧形杆、傳遞平臺、第三弧形杆上；轉動 基座通過支撐鉸鏈A與第一弧形杆相連、通過支撐鉸鏈B與第三弧形杆相連。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。
本發明的滑塊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驅動單元，和轉動機構上彼此正交布置的三個轉動驅動 電機，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單元(或 電機)進行驅動，其它的驅動單元(或電機)都不會產生耦合運動，從而可以實 現機構的運動解耦，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，具有顯著的特點和實質性進步。本
發明結構簡單，成本低，採用的機構部件可為常用的機械機構或零部件的組合； 工作中無耦合運動，僅需要分別對所需運動相應的移動或轉動驅動單元進行控 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為立柱導軌；3為滑塊；4為移動驅動電機；5為雙 連杆；6為U型塊；7為轉動基座。圖2為本發明三自由度並聯轉動機構的局部結構圖。
圖2中7為轉動基座；8為第一弧形杆；9為傳遞平臺；10為長軸；11為第 二弧形杆；12為長軸；13為第三弧形杆；14為短軸；15為動平臺；16為串聯 軸；17為支撐鉸鏈A; 18為支撐鉸鏈B; 19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1為本發明整體結構圖。如圖1所示，本發明的滑塊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。
其中三自由度並聯移動單元包括三個相互正交的分支，每個分支由立柱導軌2，滑 塊3，移動驅動電機4,雙連杆5構成。三個立柱導軌2相互正交固結在固定基座
l上，分別由三個移動驅動電機4驅動，形成三個移動驅動單元；滑塊3由立柱導
軌2導向，並與雙連杆5 —端相連，雙連杆5另一端通過U型塊6與轉動基座7 相連。三個移動驅動單元分別位於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三個正交方向垂直，即分別與三個移動驅動單元正交，並且匯 交於動平臺15中心點。
圖2為本發明三自由度並聯轉動機構的局部結構圖。如圖2所示，三自由度 並串聯轉動單元由轉動基座7、三個轉動驅動電機19、第一弧形杆8、傳遞平臺 9、長軸10、第二弧形杆11、中長軸12、第三弧形杆13、短軸14、動平臺15、 串聯軸16組成。第一弧形杆8通過長軸10與傳遞平臺9相連，形成一個轉動分 支；第二弧形杆11通過中長軸12與傳遞平臺9相連，第三弧形杆13通過短軸 14與第二弧形杆11相連，形成一個轉動分支；傳遞平臺9通過串聯軸16與動平 臺15相連，形成一個轉動分支；轉動驅動電機19分別連接在第一弧形杆8、傳 遞平臺9、第三弧形杆13上；轉動基座7通過支撐鉸鏈A17與第一弧形杆8相 連、通過支撐鉸鏈B 18與第三弧形杆13相連。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15中心點，並且相互正交。本發明的機構在其中心位置，即動平臺15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1所示的實施例對
本發明六自由度並串聯解耦機構的工作原理做出說明
當任意軸向例如x (或y或z )上的移動驅動單元接受控制指令驅動動平臺 15工作時，動平臺15將沿驅動方向、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，進而產生動平臺15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驅動單元的驅動工作 與另外的驅動單元(或電機)的運動無關，也即避免了不同驅動單元(或電機) 之間的運動耦合，實現動平臺15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19的軸線分別為X 、 Z 、 Y ,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19接受控制指令驅動動平臺15工作時，動平臺15將繞驅動方向、例如x (或y或z )向作轉動。由於動平臺15的中心即為三條軸線的交點，因此此時 動平臺15將帶動三個轉動分支進行球面牽連運動，進而產生動平臺15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動驅動電機的驅 動工作與另外的驅動單元(或電機)的運動無關，也即避免了不同驅動單元(或 電機)之間的運動耦合，實現動平臺15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軸向移動驅動電機4運行時，帶動動平臺15沿x軸方向移動，並且移 動位移與相應移動驅動電機4轉角成正比。當X軸向轉動驅動電機運行時，動平 臺15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、一種滑塊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、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包括三個相互正交的分支，每個分支由立柱導軌(2)、滑塊(3)、移動驅動電機(4)和雙連杆(5)構成；三個立柱導軌(2)相互正交固結在固定基座(1)上，分別由三個移動驅動電機(4)驅動；滑塊(3)由立柱導軌(2)導向，與雙連杆(5)一端鉸接；雙連杆(5)另一端通過U型塊(6)與轉動基座(7)連接；所述三自由度並串聯轉動單元由轉動基座(7)、三個轉動驅動電機(19)、第一弧形杆(8)、傳遞平臺(9)、長軸(10)、第二弧形杆(11)、中長軸(12)、第三弧形杆(13)、短軸(14)、動平臺(15)和串聯軸(16)組成；第一弧形杆(8)通過長軸(10)與傳遞平臺(9)相連，第二弧形杆(11)通過中長軸(12)與傳遞平臺(9)相連，第三弧形杆(13)通過短軸(14)與第二弧形杆(11)相連，傳遞平臺(9)通過串聯軸(16)與動平臺(15)相連；三個轉動驅動電機(19)分別連接在第一弧形杆(8)、傳遞平臺(9)、第三弧形杆(13)上；轉動基座(7)通過支撐鉸鏈A(17)與第一弧形杆(8)相連、通過支撐鉸鏈B(18)與第三弧形杆(13)相連，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(15)中心點，並且相互正交。
2、 根據權利要求1所述的滑塊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中的三個雙連杆(5)所在運動平面分別與三個立柱滑 軌(2)正交，並且匯交於動平臺(15)中心點。
全文摘要
本發明公開了一種滑塊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，每個分支由移動驅動電機驅動的立柱導軌導向滑塊，雙連杆端與滑塊鉸接，另一端通過U型塊與轉動基座相連。三自由度並串聯轉動單元由三個轉動驅動電機驅動。轉動基座通過支撐鉸鏈A、支撐鉸鏈B分別與第一弧形杆、第三弧形杆相連。第一弧形杆通過長軸與傳遞平臺相連，第二弧形杆通過中長軸與傳遞平臺相連，第三弧形杆通過短軸與第二弧形杆相連，傳遞平臺通過串聯與動平臺相連。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B25J9/16GK101439514SQ200810207800
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