一混联式6自由度力反馈机械臂的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在底座机构上的并联机构、设置于并联机构末端的串联机构，并联机构包括固定在所述底座机构上的固定平台、三条一端与所述固定平台正面活动连接的支链、与各支链另一端活动连接的浮动平台，固定平台上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；串联机构包括依次设置在所述浮动平台上的三维力传感器、具有三个旋转自由度的手柄机构；驱动执行元件末端、手柄机构上设有传感器。本实用新型提供6个自由度运动输入，能灵活捕捉操作者手部空间位置与姿态，为虚拟环境中的模拟特别是造型设计模拟提供了很好的硬件平台，结构紧凑、运动空间适合、刚度高、运动灵活。
【专利说明】
一混联式6自由度力反馈机械臂
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种力反馈装置，尤其涉及一混联式6自由度力反馈机械臂，其能够捕捉操作者手部的空间位置和姿态，用于虚拟造型设计中的交互。
【背景技术】
[0002]虚拟造型设计，是虚拟现实技术在设计制造业的重要应用之一，造型设计人员借助虚拟现实系统与虚拟环境进行交互，可以进行造型设计、模拟仿真、性能分析、模型修改等。相比于传统的CAD软件建模设计，借助于虚拟现实系统的虚拟造型设计技术可以使造型设计更加直观、简洁，更有利于设计人员将设计思想迅速表达。其中力觉交互技术是虚拟造型设计中的关键技术，提高了原本单纯依赖视觉和听觉再现设备的人机交互性，使人与虚拟世界的交互更可靠、真实，可以使虚拟设计在视觉、听觉的基础上更加具有沉浸性、想象性与交互性。而力觉交互设备是设计人员与虚拟现实环境进行力觉交互的接口，是虚拟现实技术系统中的重要组成部分。因而力觉交互设备的设计成为了虚拟现实技术系统具有更强的真实性与交互性的关键。
[0003]目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，经过对现有技术的文献检索发现，美国Force Dimens1n公司的Delta系列产品，其设计的是一种三自由度并联式力反馈机械臂，具有三个运动自由度，在三个运动自由度上均具有反馈力，但该设备工作空间太小，且只具有三个运动自由度，不能满足造型设计人员在操作空间内手部的自由旋转运动，且由于使用材料的特殊性导致产品设备价格昂贵；中国专利申请号201510033110.2，名称为:一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，该专利具有七个运动自由度且在七个运动自由度上均具有力反馈，但操作末端上安装的电机导致整个设备的运动惯量及设备阻抗较大，严重影响了设备的精确性定位和实时性交互；中国专利申请号201310042090.6，名称为:一种串并联力反馈遥操作手，该专利具有6个运动自由度，在3个自由度上具有反馈力，且在末端的串联3自由度上通过配重块进行了重力平衡补偿，但末端的配重机构导致了设备末端结构的不紧凑，运动灵活性降低。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提供一种结构简单紧凑、运动灵活、成本低廉、运动范围合适、刚度较高，能与虚拟造型设计应用中对交互设备大刚度、运动范围要求较低、运动灵活等要求相匹配，能实时地与造型设计的虚拟现实环境进行力觉交互的混联式6自由度力反馈机械臂。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:
[0006]—混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在所述底座机构上的并联机构、设置于并联机构末端的串联机构，所述的并联机构包括固定在所述底座机构上的固定平台、三条一端与所述固定平台正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台，所述浮动平台具有三个移动自由度，所述固定平台上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；
[0007]所述的串联机构包括依次设置在所述浮动平台上的三维力传感器、具有三个旋转自由度的手柄机构；
[0008]所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。
[0009]进一步地，每个支链均包括一平行四边形机构、通过轴承转动连接于所述平行四边形机构两相对边中部的第一延长杆和第二延长杆，所述第一延长杆另一端通过第一旋转轴与固定在上述固定平台正面的两个第一支撑架活动铰接，所述第二延长杆的另一端与所述浮动平台固定连接。
[0010]进一步地，所述的平行四边形机构包括两根平行设置的第二旋转轴、两根平行设置的第一杆件，两根第二旋转轴的两端分别固定设置有角接头，所述第一杆件的两端通过轴承与第二旋转轴的两端的角接头旋转连接。
[0011]进一步地，所述驱动执行元件通过第二支撑架固定在所述固定平台背面。
[0012]进一步地，所述驱动执行元件为有刷空心杯直流伺服电机。
[0013]进一步地，所述的传动装置包括通过钢丝绳驱动连接的主动轮和半圆形减速从动轮，所述主动轮设置在所述驱动执行元件输出轴前端，所述半圆形减速从动轮通过第一旋转轴转动设置在两个第一支撑架之间，所述半圆形减速从动轮直径方向与所述第一延长杆固定连接。
[0014]进一步地，所述的手柄机构包括设有竖直边的十字支撑架、正交地转动设置在所述十字支撑架上的X轴旋转部件、Y轴旋转部件、转动设置在上述Y轴旋转部件上的Z轴旋转部件，所述的X轴旋转部件包括分别与所述十字支撑架两相对竖直边旋转连接的第一圆盘与第二圆盘，所述第一圆盘与第二圆盘之间通过支撑柱固定连接，所述Y轴旋转部件包括与所述十字支撑架的另一相对竖直边旋转连接的十字旋转块，与所述十字旋转块另两端旋转连接的U形旋转块，所述的Z轴旋转部件包括转动地设置在所述U形旋转块中部的操作手柄，所述操作手柄相切地夹设在两根支撑柱之间。
[0015]进一步地，所述的传感器包括设置于所述驱动执行元件输出轴后端的第一传感检测元件、设置于所述十字支撑架一侧用于检测第一圆盘与第二圆盘转动的第四传感检测元件、设置于所述十字支撑架的另一侧用于检测十字旋转块转动的第五传感检测元件、设置在所述U形旋转块上用于检测操作手柄旋转的第六传感检测元件。
[0016]进一步地，所述的第一传感检测元件为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件、第五传感检测元件、第六传感检测元件为角度电位器。
[0017]进一步地，所述固定平台上设置有第一限位块，所述半圆形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔;所述十字支撑架连接第一圆盘或第二圆盘的竖直边内侧设置有第二限位块，所述第一圆或第二圆盘上按到一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔。
[0018]相比现有技术，本实用新型的有益效果是:
[0019]1、本实用新型通过并联结构与串联结构的混合，使得混联式6自由度力反馈臂同时具有了并联机构刚度大，串联机构运动灵活的特点。在满足虚拟造型设计所需要的工作空间范围的前提下，使得机构具有更大的刚度和运动灵活性。
[0020]2、本实用新型的末端机构是三个自由度的串联机构，三个运动自由度的运动轴线相交于一点，且第五个运动自由度处于第四个运动自由度的第一、第二圆盘之中，从而使得末端点距离并联机构与串联机构的交点距离更近，反馈力更加真实。
[0021]3、本实用新型中的传动机构中主动轮与减速从动轮间的运动与力矩传递通过钢丝绳实现，钢丝绳传动克服了传统齿轮传动等有传动间隙的影响，传动钢丝绳设置适度的张紧，避免其打滑同时也使其有较长的寿命。
[0022]4、操作末端不含配重机构或电机，减少整个设备的运动惯量及运动阻抗，保障设备的精确性定位、运动灵活性和实时性交互。
[0023]5、结构简单、成本低，安装维护方便。
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型实施例的总体结构示意图。
[0025]图2是图1实用新型实施例总体结构的详细示意图。
[0026]图3是本实用新型实施例的另一视角总体结构的详细示意图。
[0027]图4是本实用新型实施例的并联机构结构示意图。
[0028]图5是本实用新型实施例的并联机构一条支链结构示意图。
[0029]图6是本实用新型实施例的底座机构的结构示意图。
[0030]图7是本实用新型实施例的串联机构结构不意图。
[0031]图8是本实用新型实施例的串联机构的十字支撑架、第一圆盘、第二圆盘、支撑柱、第四传感检测元件、第五传感检测元件的连接示意图。
[0032]图9是本实用新型实施例的串联机构的十字支撑架、十字旋转块、U形旋转块、操作手柄、第五传感检测元件、第六传感检测元件的连接示意图。
[0033]图10是本实用新型实施例的浮动平台的结构示意图。
[0034]图中所示为:1.支撑座、2.并联机构、3.串联机构、11.第一支撑座、12.第二支撑座、13.第三支撑座、211.固定平台、212.第一支撑架、213.第一旋转轴、214.浮动平台、215.第二延长杆、221.半圆形减速从动轮、222.第一延长杆、223.第二旋转轴、224.第一杆件、225.角接头、226.绕线柱、231.第二支撑架、232.伺服电机、233.编码器、234.主动轮、235.第一限位块、311.十字支撑架、312.第一圆盘、313.第二圆盘、314.支撑柱、315.第二限位块、321.十字旋转块、322.U形旋转块、331.操作手柄、341.第四角度传感器、342.第五角度传感器、343.第六角度传感器、41.三维力传感器、51.传动线固定柱螺纹孔、52.限位柱调节螺纹孔、53.柱形沉孔。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明:本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0036]如图1和图2所示，一混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构1、设置在底座机构上的并联机构2、设置于并联机构2末端的串联机构。
[0037]如图6所示，所述底座机构I包括放置在水平面上的第一支撑座11，通过螺钉与第一支撑座11连接的第二支撑座12，通过螺栓与第二支撑座12连接的第三支撑座13，三个支撑座构成了一个放置在水平面上，用于支撑并联机构2的悬臂梁。
[0038]结合图3、图4和图5，所述的并联机构2包括固定在所述底座机构I上的固定平台211、三条一端与所述固定平台211正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台214，所述浮动平台214具有三个移动自由度，所述固定平台211上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件，所述驱动执行元件232为有刷空心杯直流伺服电机。所述固定平台211通过螺栓与第三支撑座13固定连接，所述固定平台211与浮动平台214之间是三条完全一样的支链，所述传动装置包括主动轮234与半圆形减速从动轮221，所述主动轮234通过螺钉与驱动执行元件232的前端输出轴连接，所述驱动执行元件232的末端输出轴与第一传感检测元件233连接，驱动执行元件232通过第二支撑架231固定在固定平台211上，所述半圆形减速从动轮221通过轴承与第一旋转轴213转动连接，所述第一旋转轴213固定在两个第一支撑架212上，两个第一支撑架212均通过螺钉固定在固定平台211上，所述半圆形减速从动轮211轮幅上设置有线槽，并对称设置有两个绕线柱226和两个传动线固定柱螺纹孔51，传动钢丝绳在主动轮234轮上缠绕数圈后紧贴半圆形减速从动轮211的线槽到半圆形减速从动轮211的绕线柱226上缠绕后通过螺钉固定在固定柱螺纹孔51上。绕线柱226的设置有利于传动线的紧固和使传动线不容易滑落;在所述固定平台211的背面设置有第一限位块235，所述半圆形减速从动轮211轮辐上沿弧形轨迹按15度的等角度间隔加工有若干用于安装起限位柱作用的限位螺钉的螺纹孔52，所述第一限位块235与所述限位螺钉配合用以调节半圆形减速从动轮211的运动范围。在所述半圆形减速从动轮221的直径方向通过螺栓设置有第一延长杆222，所述第一延长杆222通过深沟球轴承与第二旋转轴223转动连接。浮动平台214上通过螺栓设置有第二延长杆215，第二延长杆215通过深沟球轴承与另一第二旋转轴223转运连接，两个第二旋转轴223的两端均通过螺钉与角接头225连接。所述两个第二旋转轴223对应端的角接头225均通过深沟球轴承与第一杆件224连接。在所述的每一条支链中，两个第一杆件224、四个角接头225，两个第二旋转轴223共同构与一个平行四边行机构。
[0039]如图7至图9所示，所述串联机构3包括依次设置在所述浮动平台214上的三维力传感器41、具有三个旋转自由度的手柄机构，所述三维力传感器41设置在浮动平台214上的柱形沉孔53中(见图10)，通过螺栓与浮动平台214及十字支撑架311固定连接。所述三维力传感器41能够测量混联式6自由度力反馈机械臂X、Y、Z三个方向输出的反馈力，测量到的反馈力再反馈回控制系统中，经过与期望的输出力进行比较后，在控制器中输出力进行补偿，以使实际的输出力与期望的输出力更加接近。所述三维力传感器41上设置有十字支撑架311，与所述十字支撑架311两相对竖直边旋转连接的第一圆盘312与第二圆盘313，所述第一圆盘312与第二圆盘313之间通过支撑柱314固定连接，另两个相对竖直边旋转连接有十字旋转块321，所述十字旋转块321另两端旋转连接有U形旋转块322，所述十字支撑架311—侧设置有检测第一圆盘312与第二圆盘313转动的第四传感检测元件341，所述十字支撑架311的另一侧设置有检测十字旋转块321转动的第五传感检测元件342，所述U形旋转块322上设置有第六传感检测元件343，用与检测与第六传感检测元件343输出轴固定连接的操作手柄331的旋转。
[0040]如图8所示，所示第一圆盘312沿弧形轨迹按15度的间隔加工有若干限位柱调节螺纹孔54，用于安装起限位作用的限位螺钉，在与所述第一圆盘接近的十字支撑架311的内侦U，设置有第二限位块315，所述第二限位块315与限位螺钉配合，调节第一圆盘312和第二圆盘313的运动范围，所述第二圆盘313通过螺钉与支撑柱314固定。所述第一圆盘312的外侧设置有连接转轴353，所述连接转轴353通过深沟球轴承351与十字支撑架311转动连接，所述第二圆盘313的外侧设置有连接轴套354，所述连接轴套354圆周上设置有螺纹孔，与设置在十字支撑架311外侧的第四传感检测元件341的输出轴通过螺钉固定连接。
[0041]本实施例中，所述第一传感检测元件233为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件341，第五传感检测元件342，第六传感检测元件343为角度电位器，反应灵敏，精度高。
[0042]本实施例中并联机构的各传动减速系统通过传动钢丝绳连接三个主动轮234与三个半圆形减速从动轮221，传动钢丝绳在主动轮234的螺旋槽上缠绕数圈后绕到半圆形减速从动轮221线槽上并在半圆形减速从动轮221上固定，传动钢丝绳为具有高强度和高抗疲劳性的7*7钢丝绳；串联机构3具有三个旋转自由度，能检测到操作者手部上下，左右的摆动以及手部的自转三个自由度，并联机构2与串联机构3的混合使用，使得设备在具有大刚度、合适的操作空间的前提下，操作更加灵活。
[0043]本实施例的传动形式为线传动，通过张紧的传动钢丝绳在主动轮与各从动轮间传递运动和力矩。线传动平稳、惯量小、无传动间隙、无传动噪音，成本低廉，设置张紧机构使传动线适度张紧，既能避免传动打滑，又能使传动钢丝绳具有较长的使用寿命。
[0044]本实用新型的目的是在虚拟造型设计中把力反馈机械臂当作交互工具与虚拟现实环境进行交互，使系统能检测到操作者手部的空间位置和空间姿态，并获得操作手部与机械臂接触处的反馈务，其中用于确定操作者手部空间位置的并联机构上的3个自由度具有反馈力输出，反馈力通过直流伺服电机与线传动减速机构相配合来实现，用于确定操作者手部空间姿态的串联部分的三个自由度通过三个高精度光电编码器来检测，为虚拟环境中的模拟提供了一个很好的硬件平台，结构紧凑、运动空间适合、刚度高、运动灵活，其工作过程及原理如下:
[0045]1、手部的空间姿态获取
[0046]当操作者手部捏着操作手柄331并使手臂自转时，操作手柄331也同时自转，由于操作手柄331的与第六传感检测元件343的输出轴固定，而第六传感检测元件343的外壳固定在U形旋转块322上，从而第六传感检测元件343可以检测到手臂的自动运动。当操作者捏操作手柄331在第一圆盘312与第二圆盘313之间左右摆时，操作手柄331、U形旋转块322、十字旋转块321在该方向没有相对运动，从而该三者作为一个整体在十字支撑架311上旋转，由于十字旋转块321与第五传感检测元件342的输出轴同轴固定，从而第五传感检测元件便能检测出十字旋转块321的转运情况，也即手部左右摆动角度变化。当操作者捏着操作手柄331上下摆动时，由于操作手柄331与第一圆盘312与第二圆盘313之间的支撑柱314相切，从而第一圆盘312、第二圆盘313—起上下摆，由于第四传感检测元件341的输出轴与固定在第一圆盘312上的连接轴套354同轴固定，从而第四传感检测元件341便能检测出第一圆盘312的转动情况，也即手部上下摆动的角度变化。
[0047]2、手部的空间位置获取
[0048]当操作者操作机械臂在工作空间内运动时，并联机构2中浮动平台214相对于固定平台211运动，连接浮动平台214与固定平台211的三条相同的支链改变相对角度，即三个半圆形减速从动轮221发生角度变化，由于半圆形减速从动轮221通过传动钢丝绳与主动轮234连接，从而主动轮234也产生旋转，发生相应的角度变化，继而与主动轮同234轴固定的驱动执行元件232的轴发生相应的角度变化，同时也使与驱动执行元件232同轴的第一传感检测元件233检测出变化的角度。三个第一传感检测元件233分别检测了三个半圆形减速从动轮221的角度变值，通过正向运动学的运算，便可计算出机械臂末端在空间的位置。
[0049]本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(I)、设置在所述底座机构(I)上的并联机构(2)、设置于并联机构(2)末端的串联机构(3)，其特征在于: 所述的并联机构(2)包括固定在所述底座机构(I)上的固定平台(211)、三条一端与所述固定平台(211)正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台(214)，所述浮动平台(214)具有三个移动自由度，所述固定平台(211)上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件； 所述的串联机构(3)包括依次设置在所述浮动平台(214)上的三维力传感器(41)、具有三个旋转自由度的手柄机构； 所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。2.根据权利要求1所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于: 每个支链均包括一平行四边形机构、通过轴承转动连接于所述平行四边形机构两相对边中部的第一延长杆(222)和第二延长杆(215)，所述第一延长杆(222)另一端通过第一旋转轴(213)与固定在上述固定平台(211)正面的两个第一支撑架(212)活动铰接，所述第二延长杆(215)的另一端与所述浮动平台(214)固定连接。3.根据权利要求2所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于: 所述的平行四边形机构包括两根平行设置的第二旋转轴(223)、两根平行设置的第一杆件(224)，两根第二旋转轴(223)的两端分别固定设置有角接头(225)，所述第一杆件(224)的两端通过轴承与第二旋转轴(223)的两端的角接头(225)旋转连接。4.根据权利要求2所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于: 所述驱动执行元件(232)通过第二支撑架(231)固定在所述固定平台(211)背面。5.根据权利要求4所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述驱动执行元件(232)为有刷空心杯直流伺服电机。6.根据权利要求4所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述的传动装置包括通过钢丝绳驱动连接的主动轮(234)和半圆形减速从动轮(221)，所述主动轮(234)设置在所述驱动执行元件(232)输出轴前端，所述半圆形减速从动轮(221)通过第一旋转轴(213)转动设置在两个第一支撑架(212)之间，所述半圆形减速从动轮(221)直径方向与所述第一延长杆(222)固定连接。7.根据权利要求6所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述的手柄机构包括设有竖直边的十字支撑架(311 )、正交地转动设置在所述十字支撑架(311)上的X轴旋转部件、Y轴旋转部件、转动设置在上述Y轴旋转部件上的Z轴旋转部件，所述的X轴旋转部件包括分别与所述十字支撑架(311)两相对竖直边旋转连接的第一圆盘(312)与第二圆盘(313)，所述第一圆盘(312)与第二圆盘(313)之间通过支撑柱(314)固定连接，所述Y轴旋转部件包括与所述十字支撑架(311)的另一相对竖直边旋转连接的十字旋转块(321)，与所述十字旋转块(321)另两端旋转连接的U形旋转块(322)，所述的Z轴旋转部件包括转动地设置在所述U形旋转块(322)中部的操作手柄(331)，所述操作手柄(331)相切地夹设在位于第一圆盘(312)、第二圆盘(313)之间的两根支撑柱(314)之间。8.根据权利要求7所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述的传感器包括设置于所述驱动执行元件(232)输出轴后端的第一传感检测元件(233)、设置于所述十字支撑架(311) —侧用于检测第一圆盘(312)与第二圆盘(313)转动的第四传感检测元件(341)、设置于所述十字支撑架(311)的另一侧用于检测十字旋转块(321)转动的第五传感检测元件(342)、设置在所述U形旋转块(322)上用于检测操作手柄(331)旋转的第六传感检测元件(343)。9.根据权利要求8所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述的第一传感检测元件(233)为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件(341)、第五传感检测元件(342)、第六传感检测元件(343)为角度电位器。10.根据权利要求7所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于:所述固定平台(211)上设置有第一限位块(235)，所述半圆形减速从动轮(221)轮辐上沿弧形轨迹按一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔(52);所述十字支撑架(311)连接第一圆盘(312)或第二圆盘(313)的竖直边内侧设置有第二限位块(315)，所述第一圆盘(312)或第二圆盘(313)上按到一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔(52)。
【文档编号】B25J9/00GK205704267SQ201620435508
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】王清辉, 吴书传, 李静蓉, 黄仲东, 倪建龙
【申请人】华南理工大学