专利名称：滑块式结构解耦六维力反馈装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滑块式结构解耦六维力反馈装置，用于准确模拟虚拟环境中 物体之间相互作用所产生的接触力、接触力矩的大小和方向，实现人机力觉交互 感知，属于机械工程中机器人技术领域。
背景技术：
力觉交互又称触觉再现，该技术起源于机器人主从操作和遥操作，目的是给 位于异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的感知，以提高操作质量和效 率。近年来，力觉再现技术在虚拟现实领域得到快速发展，成为一种新的计算机 人机交互方式，在对虚拟物体进行操作时，操作者通过力觉再现装置感受到虚拟 物体的作用力、物体的材质和形状，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体 的力觉感知效果。其功能是测量操作者操作趋势，与虚拟仿真环境通信，接受虚 拟环境计算的虚拟力信号，通过机械接口将反馈力施加给操作者。
现有的力反馈机构多为并联构型，由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦 合的，即并联机构整体输出平台沿任意方向的运动都是所有驱动单元的运动合 成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性 关系，因此导致机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和 成本的下降。
如果机构在某方向的移动或转动仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其 它方向上的驱动单元不作有效动作的运动组合，则称之为机构的解耦。解耦可以 分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。无条件解耦如果机构在任意位置和姿态下都是解耩的，则称之为无条件解 耦或完全解耦；有条件解耦如果机构在任意位置和特定初始姿态下是解耦的， 则称之为有条件解耦或限制解耦；瞬时解耦如果机构仅在特定位置和特定初始 姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦或点解耦。
机构的解耦可以大大降低控制难度，提高控制精度。所以，如何结合并串联 机构的优点，实现机构解耦，以简化机构的位姿控制和标定，提高机构控制精度 并降低制造成本， 一直是一个困难而富于挑战性的课题。
经检索发现，公开号为CN1266656A的中国发明专利"六自由度力觉人机交互 装置"发表了由固定基座、静平台、动平台、六个支链、驱动单元和复合球副组 成的一种并联力反馈机构，但此并联机构耦合度大，使得控制难度大大增加。公 开号为CN1352563A的中国发明专利"六自由度并联解耦机构"，包括具有基座、 动平台和在基座与动平台之间正交固连布置的六个相同的驱动单元，在其中一个 或多个驱动单元执行驱动工作时，其它的驱动单元只要产生相应牵连运动或者协 调运动，可以实现六自由度有条件解耦。通过文献检索分析，无论是在宏动领域 还是在微动领域，目前尚未出现六维无条件解耦的力反馈装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种滑块式结构解耦六维力反 馈装置，可实现六自由度无条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度 高，工作空间不受限制，成本较低等优点。
为实现上述目的，本发明设计的滑块式结构解耦六维力反馈装置由固定基 座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。
其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由立柱导 轨、滑块、移动驱动电机和双连杆构成；三个立柱导轨相互正交固结在固定基座 上，分别由三个移动驱动电机驱动；滑块由立柱导轨导向，与双连杆一端铰接； 双连杆另一端通过U型块与转动基座连接。三自由度并串联转动单元由转动基座、三个转动驱动电机、第一弧形杆、传 递平台、长轴、第二弧形杆、中长轴、第三弧形杆、短轴、动平台和串联轴组 成；第一弧形杆通过长轴与传递平台相连，第二弧形杆通过中长轴与传递平台相 连，第三弧形杆通过短轴与第二弧形杆相连，传递平台通过串联轴与动平台相 连；三个转动驱动电机分别连接在第一弧形杆、传递平台、第三弧形杆上；转动 基座通过支撑铰链A与第一弧形杆相连、通过支撑铰链B与第三弧形杆相连。所 述三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台中心点，并且相 互正交。
本发明的滑块式结构解耦六维力反馈装置，独特设计了在固定基座上固连且 彼此正交布置的三个移动驱动单元，和转动机构上彼此正交布置的三个转动驱动 电机，当进行一维或多维运动时，只需要对其中相应的一个或多个驱动单元(或 电机)进行驱动，其它的驱动单元(或电机)都不会产生耦合运动，从而可以实 现机构的运动解耦，可做到三自由度移动无条件解耦和三自由度转动无条件解 耦。
本发明可用于准确模拟虚拟环境中物体之间相互作用所产生的接触力、接触 力矩的大小和方向，实现人机力觉交互感知，具有显著的特点和实质性进步。本
发明结构简单，成本低，采用的机构部件可为常用的机械机构或零部件的组合； 工作中无耦合运动，仅需要分别对所需运动相应的移动或转动驱动单元进行控 制，不需要全部或者在一定条件下全部考虑各驱动单元同步控制问题，因而具有 工作可靠，控制容易的特点；因解耦程度较高，因此运动精度高；工作空间不受 限制，既适用于微动领域，也适用于宏动领域。
图l为本发明整体结构图。
图l中，l为固定基座；2为立柱导轨；3为滑块；4为移动驱动电机；5为双 连杆；6为U型块；7为转动基座。图2为本发明三自由度并联转动机构的局部结构图。
图2中7为转动基座；8为第一弧形杆；9为传递平台；10为长轴；11为第 二弧形杆；12为长轴；13为第三弧形杆；14为短轴；15为动平台；16为串联 轴；17为支撑铰链A; 18为支撑铰链B; 19为转动驱动电机。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述-
图1为本发明整体结构图。如图1所示，本发明的滑块式结构解耦六维力反 馈装置，由固定基座l、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。
其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由立柱导轨2，滑 块3，移动驱动电机4,双连杆5构成。三个立柱导轨2相互正交固结在固定基座
l上，分别由三个移动驱动电机4驱动，形成三个移动驱动单元；滑块3由立柱导
轨2导向，并与双连杆5 —端相连，双连杆5另一端通过U型块6与转动基座7 相连。三个移动驱动单元分别位于x、 y、 z三个正交方向；三个移动分支所在平 面分别与x、 y、 z三个正交方向垂直，即分别与三个移动驱动单元正交，并且汇 交于动平台15中心点。
图2为本发明三自由度并联转动机构的局部结构图。如图2所示，三自由度 并串联转动单元由转动基座7、三个转动驱动电机19、第一弧形杆8、传递平台 9、长轴10、第二弧形杆11、中长轴12、第三弧形杆13、短轴14、动平台15、 串联轴16组成。第一弧形杆8通过长轴10与传递平台9相连，形成一个转动分 支；第二弧形杆11通过中长轴12与传递平台9相连，第三弧形杆13通过短轴 14与第二弧形杆11相连，形成一个转动分支；传递平台9通过串联轴16与动平 台15相连，形成一个转动分支；转动驱动电机19分别连接在第一弧形杆8、传 递平台9、第三弧形杆13上；转动基座7通过支撑铰链A17与第一弧形杆8相 连、通过支撑铰链B 18与第三弧形杆13相连。三自由度并串联转动单元的所有 的运动副轴线皆汇交于动平台15中心点，并且相互正交。本发明的机构在其中心位置，即动平台15中心点位置上，对于x、 y、 z轴 方向的三个移动和绕x、 y、 z轴的三个转动相互解耦。现以图1所示的实施例对
本发明六自由度并串联解耦机构的工作原理做出说明
当任意轴向例如x (或y或z )上的移动驱动单元接受控制指令驱动动平台 15工作时，动平台15将沿驱动方向、例如x (或y或z )向作移动。此时动平 台15带动三个移动分支进行平面牵连运动，进而产生动平台15与这些驱动分支 之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令移动驱动单元的驱动工作 与另外的驱动单元(或电机)的运动无关，也即避免了不同驱动单元(或电机) 之间的运动耦合，实现动平台15在x 、 y 、 z三个方向上的移动解耦，并且是 无条件解耦。
再来看转动解耦情况假设三个转动驱动电机19的轴线分别为X 、 Z 、 Y ,且称为三个"瞬时转动轴"，当任意轴向例如x (或y或z )上的转动驱动 电机19接受控制指令驱动动平台15工作时，动平台15将绕驱动方向、例如x (或y或z )向作转动。由于动平台15的中心即为三条轴线的交点，因此此时 动平台15将带动三个转动分支进行球面牵连运动，进而产生动平台15与这些驱 动分支之间的相对移动或者协调运动，从而使得接受控制指令转动驱动电机的驱 动工作与另外的驱动单元(或电机)的运动无关，也即避免了不同驱动单元(或 电机)之间的运动耦合，实现动平台15在绕x 、 y 、 z三个方向上的转动解 耦，并且也是无条件解耦。
当x轴向移动驱动电机4运行时，带动动平台15沿x轴方向移动，并且移 动位移与相应移动驱动电机4转角成正比。当X轴向转动驱动电机运行时，动平 台15绕X轴向转动，并且转动角度等于电机转角。当沿y轴或z轴移动，或绕 Y轴或Z轴转动时，情况完全类似。所以，本发明的机构各个方向的位置和转角 可以分别调节，因此控制方便，控制灵敏度与运动精度都很高。
权利要求
1、一种滑块式结构解耦六维力反馈装置，其特征在于由固定基座(1)、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成；所述三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由立柱导轨(2)、滑块(3)、移动驱动电机(4)和双连杆(5)构成；三个立柱导轨(2)相互正交固结在固定基座(1)上，分别由三个移动驱动电机(4)驱动；滑块(3)由立柱导轨(2)导向，与双连杆(5)一端铰接；双连杆(5)另一端通过U型块(6)与转动基座(7)连接；所述三自由度并串联转动单元由转动基座(7)、三个转动驱动电机(19)、第一弧形杆(8)、传递平台(9)、长轴(10)、第二弧形杆(11)、中长轴(12)、第三弧形杆(13)、短轴(14)、动平台(15)和串联轴(16)组成；第一弧形杆(8)通过长轴(10)与传递平台(9)相连，第二弧形杆(11)通过中长轴(12)与传递平台(9)相连，第三弧形杆(13)通过短轴(14)与第二弧形杆(11)相连，传递平台(9)通过串联轴(16)与动平台(15)相连；三个转动驱动电机(19)分别连接在第一弧形杆(8)、传递平台(9)、第三弧形杆(13)上；转动基座(7)通过支撑铰链A(17)与第一弧形杆(8)相连、通过支撑铰链B(18)与第三弧形杆(13)相连，所述三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台(15)中心点，并且相互正交。
2、 根据权利要求1所述的滑块式结构解耦六维力反馈装置，其特征在于所 述的三自由度并联移动单元中的三个双连杆(5)所在运动平面分别与三个立柱滑 轨(2)正交，并且汇交于动平台(15)中心点。
全文摘要
本发明公开了一种滑块式结构解耦六维力反馈装置，由固定基座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由移动驱动电机驱动的立柱导轨导向滑块，双连杆端与滑块铰接，另一端通过U型块与转动基座相连。三自由度并串联转动单元由三个转动驱动电机驱动。转动基座通过支撑铰链A、支撑铰链B分别与第一弧形杆、第三弧形杆相连。第一弧形杆通过长轴与传递平台相连，第二弧形杆通过中长轴与传递平台相连，第三弧形杆通过短轴与第二弧形杆相连，传递平台通过串联与动平台相连。本发明可做到六自由度无条件解耦，具有结构简单，控制容易，运动精度高，成本较低等优点。
文档编号B25J9/16GK101439514SQ200810207800
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者勇 张, 田兴华, 赵现朝, 郭为忠, 金振林, 峰 高 申请人:上海交通大学