专利名称：三自由度力觉感知手控器的制作方法
技术领域：
本发明是一种三自由度的力觉感知手控器的机构，尤其是一种应用于机器人 控制的人机接口装置中的通用型异构式力觉感知手控器机构。
背景技术：
随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人 机接口装置。数据手套和机器人手控器是两种常见的遥操作机器人的人机接口装 置，由于数据手套无法测量人手臂关节的变化，并且缺乏有效的力觉反馈，因此， 机器人手控器是实现遥操作机器人控制的最有效的人机接口装置，它一方面通过 测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或者虚拟现实中的虚拟机 械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直 接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工 作现场的"身临其境"的力觉/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控 制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受。机器人手控器可以分为同构式和异 构式两种，现有的手控器大都是同构式，同构式手控器与远地机械手具有相同的 结构和自由度，采取关节——关节的驱动方式。机器人同构式手控器虽然控制简 单，但其只能用于特定型号的机器人控制，缺少通用性。因此，通用型的手控器 都采用和机器人结构不同的异构方式，现有的异构式手控器有笔形操作杆结构、 并联结构、串/并联混合结构、 一体化的闭链式结构和基于Delta机构的异构式
手控器。前四种异构式手控器的缺点在于存在着无法克服的平动与转动之间的运 动耦合和力的耦合，后一种基于Delta机构的异构式手控器缺点在于工作空间 小，无法克服重力的影响，并且控制复杂。
技术内容
技术问题本发明提供了一种有利于提高测量精度的三自由度力觉感知手 控器，该装置操作轻便，惯性小，重力自平衡，无重力干扰。
技术方案 一种三自由度力觉感知手控器，由菱形连杆机构组件、手部机构、配重、支架、手柄连接件和配重连接件组成。菱形连杆机构组件包括第一组菱形连杆机构、第二组菱形连杆机构和第三组菱形连杆机构。第二组菱形连杆机构和第三组菱形连杆机构相互平行，第一组菱形连杆机构与上述第二、三组菱形连杆机构垂直。并且，以第二、三组菱形连杆机构所在平面或与之平行的平面为xoz坐标平面，以第一组菱形连杆机构所在平面或与之平行的平面为X0Y坐标平面，以与X0Z坐标平面及X0Y坐标平面相垂直的平面为Y0Z平面。在第一组菱形连杆机构和第二组菱形连杆机构上分别设有围绕Y轴旋转的1维自由度万向节、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节，并且第一组菱形连杆机构通过围绕Y轴旋转的1维自由度万向节与第一力矩反馈电机的输出轴连接，第二组菱形连杆机构通过围绕Z轴旋转的1维自由度万向节与第二力矩反馈电机的输出轴连接，第一力矩反馈电机的基座及第二力矩反馈电机的基座分别与支架连接。在第三组菱形连杆机构与支架之间设有围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节，所述的围绕Y轴旋转的1维自由度万向节、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节及围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节处于同一平面内且该同一平面与Y0Z平面平行。在菱形连杆机构组件中的任一菱形连杆机构上设有第三力矩反馈电机，第三力矩反馈电机的基座与组成菱形连杆机构的一根菱形连杆连接，第三力矩反馈电机的输出轴与组成菱形连杆机构的另一根菱形连杆连接，且用于设置第三力矩反馈电机的菱形连杆机构中的两根菱形连杆相邻。菱形连杆机构组件中的任一菱形连杆机构的两端分别连接有围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节且分别与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节的一端连接。位于菱形连杆机构一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与配重连接件的一侧连接，配重连接件的另一侧与配重连接。位于菱形连杆机构另一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与手柄连接件的一侧连接，手柄连接件的另一侧与手部机构连接。
有益效果(1)本发明通过三组菱形连杆机构来实现三维平动，简化了机构的复杂程度。本发明所采用的三组菱形连杆机构构成了平行杠杆机构，三组菱形连杆机构的中间处通过万向节和力矩反馈电机与支架相连，使得三组菱形连杆机构的重心落于支架上，从而，三组菱形连杆机构在支架和配重的共同作用下具有重力自平衡的特点，避免了重力对本发明的影响，有利于测量精度的提高。本发明的这种技术方案与力矩反馈电机技术措施的结合，使本发明成为具有力反馈功能的手控器，它能够避免复杂的位置测量和力觉再现控制过程中运动之间复杂的耦合关系，提高了测量精度和力觉感知的真实性。(2)本发明采用菱形连杆机构
的技术方案，通过力矩反馈电机的作用和菱形连杆机构中相邻连杆之间夹角的变化来实现菱形连杆机构的转动与伸縮，从而实现手部机构的运动，同现有的手控
器的机构相比具有体积小、工作空间大的优点。(3)本发明所采用的手部机构操作方便，轻松的实现了手腕的力矩反馈功能，本发明在采用了力矩反馈电机的技术措施后，使本发明成为力觉感知手控器，而上述结构具有便于控制电机实现力矩反馈的优点。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明菱形连杆机构组件实施例的结构示意图。 图3是本发明第一组菱形连杆机构实施例的结构示意图。
图4是本发明第三力矩反馈电机的连接机构实施例的结构示意图。
图5是本发明第一力矩反馈电机的连接机构实施例的结构示意图。
图6是本发明2维自由度万向节的连接机构实施例的结构示意图。
图中"A"标记表示该处固定不动，具体采用与支架相连的连接方式。
具体实施方案
一种三自由度力觉感知手控器，由菱形连杆机构组件1、手部机构2、配重3、支架4、手柄连接件5和配重连接件6组成。菱形连杆机构组件1包括第一组菱形连杆机构13、第二组菱形连杆机构11和第三组菱形连杆机构12。第二组菱形连杆机构11和第三组菱形连杆机构12相互平行，第一组菱形连杆机构13与上述第二、三组菱形连杆机构11、 12垂直。并且，以第二、三组菱形连杆机构11、12所在平面或与之平行的平面为X0Z坐标平面，以第一组菱形连杆机构13所在平面或与之平行的平面为X0Y坐标平面，以与X0Z坐标平面及X0Y坐标平面相垂直的平面为Y0Z平面。在第一组菱形连杆机构13和第二组菱形连杆机构11上分别设有围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112。并且第一组菱形连杆机构13通过围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132与第一力矩反馈电机131的输出轴连接，第二组菱形连杆机构11通过围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112与第二力矩反馈电机111的输出轴连接，第一力矩反馈电机131的基座及第二力矩反馈电机lll的基座分别与支架4连接。在第三组菱形连杆机构12与支架4之间设有围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节122。所述的围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112及围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节122处于同一平面内且该同一平面与Y0Z平面平行。在菱形连杆机构组件1中的任一菱形连杆机构上设有第三力矩反馈电机133，第三力矩反馈电机133的基座与组成菱形连杆机构的一根菱形连杆连接，第三力矩反馈电机133的输出轴与组成菱形连杆机构的另一菱形根连杆连接，且用于设置第三力矩反馈电机133的菱形连杆机构中的两根菱形连杆相邻。菱形连杆机构组件1中的任一菱形连杆机构的两端分别连接有围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节且分别与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节的一端连接。位于菱形连杆机构一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与配重连接件6的一侧连接，配重连接件6的另一侧与配重3连接。位于菱形连杆机构另一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与手柄连接件5的一侧连接，手柄连接件5的另一侧与手部机构2连接。此外，在第一力矩反馈电机131、第二力矩反馈电机lll和第三力矩反馈电机133上分别设有第一光电编码盘137、第二光电编码盘115和第三光电编码盘138。
下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明-参照图l，本实施例涉及一种三自由度力觉感知手控器，由菱形连杆机构组件l、手部机构2、配重3、支架4、手柄连接件5和配重连接件6组成。菱形连杆机构组件1包括第一组菱形连杆机构13、第二组菱形连杆机构11和第三组菱形连杆机构12，第二组菱形连杆机构11和第三组菱形连杆机构12相互平行，第一组菱形连杆机构13与上述第二、三组菱形连杆机构ll、 12垂直。以第二、三组菱形连杆机构ll、 12所在平面或与之平行的平面为X0Z坐标平面，以第一组菱形连杆机构13所在平面或与之平行的平面为X0Y坐标平面，以与X0Z坐标平面及X0Y坐标平面相垂直的平面为Y0Z平面。
参照图2，在第一组菱形连杆机构13和第二组菱形连杆机构11上分别设有围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112。并且第一组菱形连杆机构13通过围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132与第一力矩反馈电机131的输出轴连接，第二组菱形连杆机构11通过围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112与第二力矩反馈电机111的输出轴连接，第一力矩反馈电机131的基座及第二力矩反馈电机lll的基座分别与支架4连接。在第三组菱形连杆机构12与支架4之间设有围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节122。所述的围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112及围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节122处于同一平面内且该同一平面与YOZ平面平行。在第一力矩反馈电机131、第二力矩反馈电机lll上分别设有第一光电编码盘137、第二光电编码盘115。
参照图3、图4、图5，第一组菱形连杆机构13的第一菱形连杆135与第三力矩反馈电机133的基座固定连接，且第一菱形连杆135与第三力矩反馈电机133的输出轴转动连接。第一菱形连杆135的末端与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节134的"U"形框架相连接。第一组菱形连杆机构13的第二菱形连杆139与第三力矩反馈电机133的输出轴固定连接。第一组菱形连杆机构13的围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132与第一组菱形连杆机构13的第三菱形连杆1351固定连接，与第一组菱形连杆机构13的第四菱形连杆1391转动连接。第一组菱形连杆机构13的第一力矩反馈电机131的输出轴与上述围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132的"U"形框架相连接。第二组菱形连杆机构11上所设置的菱形连杆、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节112和第二力矩反馈电机111之间的连接方式与上述第一组菱形连杆机构13上所设置的菱形连杆、围绕Y轴旋转的1维自由度万向节132和第一力矩反馈电机131之间的连接方式相同。
参照图3、图6，第一组菱形连杆机构13的第五菱形连杆1352和第六菱形连杆1392与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节136的"U"形框架相连接。参照图6、图2，菱形连杆机构组件1中的任一菱形连杆机构的两端分别连接有围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节且分别与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节的一端连接，且任一菱形连杆机构的两端与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节的连接方式与上述第一组菱形连杆机构13的菱形连杆与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节136的连接方式相同，位于菱形连杆机构一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与配重连接件6的一侧连接，配重连接件6的另一侧与配重3连接，位于菱形连杆机构另一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与手柄连接件5的一侧连接，手柄连接件5的另-一侧与手部机构2连接。配重连接件6与配重3可以构成整体，即可采用直接在配重上设一平面并由该平面与万向节连接，配重连接件6与配重3也可以采用分体结构，即可采用在配重连接件6上设一螺杆并将配重3旋在其上。
权利要求
1、一种三自由度力觉感知手控器，其特征在于由菱形连杆机构组件(1)、手部机构(2)、配重(3)、支架(4)、手柄连接件(5)和配重连接件(6)组成，菱形连杆机构组件(1)包括第一组菱形连杆机构(13)、第二组菱形连杆机构(11)和第三组菱形连杆机构(12)，第二组菱形连杆机构(11)和第三组菱形连杆机构(12)相互平行，第一组菱形连杆机构(13)与上述第二、三组菱形连杆机构(11、12)垂直，并且，以第二、三组菱形连杆机构(11、12)所在平面或与之平行的平面为XOZ坐标平面，以第一组菱形连杆机构(13)所在平面或与之平行的平面为XOY坐标平面，以与XOZ坐标平面及XOY坐标平面相垂直的平面为YOZ平面，在第一组菱形连杆机构(13)和第二组菱形连杆机构(11)上分别设有围绕Y轴旋转的1维自由度万向节(132)、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节(112)，并且第一组菱形连杆机构(13)通过围绕Y轴旋转的1维自由度万向节(132)与第一力矩反馈电机(131)的输出轴连接，第二组菱形连杆机构(11)通过围绕Z轴旋转的1维自由度万向节(112)与第二力矩反馈电机(111)的输出轴连接，第一力矩反馈电机(131)的基座及第二力矩反馈电机(111)的基座分别与支架(4)连接，在第三组菱形连杆机构(12)与支架(4)之间设有围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节(122)，所述的围绕Y轴旋转的1维自由度万向节(132)、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节(112)及围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节(122)处于同一平面内且该同一平面与YOZ平面平行，在菱形连杆机构组件(1)中的任一菱形连杆机构上设有第三力矩反馈电机(133)，第三力矩反馈电机(133)的基座与组成菱形连杆机构的一根菱形连杆连接，第三力矩反馈电机(133)的输出轴与组成菱形连杆机构的另一菱形根连杆连接，且用于设置第三力矩反馈电机(133)的菱形连杆机构中的两根菱形连杆相邻，菱形连杆机构组件(1)中的任一菱形连杆机构的两端分别连接有围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节且分别与围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节的一端连接，位于菱形连杆机构一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与配重连接件(6)的一侧连接，配重连接件(6)的另一侧与配重(3)连接，位于菱形连杆机构另一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与手柄连接件(5)的一侧连接，手柄连接件(5)的另一侧与手部机构(2)连接。
2、根据权利要求l所述的三自由度力觉感知手控器，其特征在于在第一力 矩反馈电机(131)、第二力矩反馈电机(111)和第三力矩反馈电机(133)上分 别设有第一光电编码盘(137)、第二光电编码盘(115)和第三光电编码盘(138)。
全文摘要
一种三自由度力觉感知手控器，由菱形连杆机构组件、手部机构、配重、支架、手柄连接件和配重连接件组成，菱形连杆机构组件包括第一、二、三组菱形连杆机构，第二、三组菱形连杆机构平行，第一组菱形连杆机构与第二、三组菱形连杆机构垂直，在第一、二组菱形连杆机构上分别设有万向节并通过万向节分别与第一、二力矩反馈电机连接，第一、二力矩反馈电机与支架连接，在任一菱形连杆机构上设有第三力矩反馈电机，配重设在配重连接件上，手部机构设在手柄连接件上，任一菱形连杆机构的两端分别连接有万向节且分别与万向节的一端连接，位于菱形连杆机构一端的万向节的另一端与配重连接件连接，位于菱形连杆机构另一端的万向节的另一端与手柄连接件连接。
文档编号B25J13/02GK101633169SQ200810022840
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者宋爱国, 崔建伟, 李会军, 胡晓晶, 胡相利 申请人:东南大学