通用型6自由度力反馈设备的制作方法

本发明涉及到力反馈设备领域，特别是涉及到一种通用型6自由度力反馈设备。

背景技术：

多自由度力觉交互设备，作为人机交互的接口，是完成力/触觉交互不可缺少的硬件设备，因此，多自由度力觉交互设备的设计与制造，成了力/触觉人机交互效果好坏的关键。目前的力反馈设备主要存在着如下问题：1.末端三个自由度用编码器旋转轴作关节旋转轴，刚度低，容易损坏；2.只在电机末端设置增量式编码器，每次上电开机都需要执行校准程序，操作麻烦，且传动线的弹性变形得不到补偿，影响设备的定位精度；3.设备整体惯量太大，对交互操作实时性影响较大；4.旋转关节只用了单个深沟球轴承，导致设备整体的定位精度严重降低，针对以上存在缺点，本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种通用型6自由度力反馈设备，可以进行自动校准，同时设备整体结构紧凑，精度高。

本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备，包括基座、并联机构和串联机构；并联机构包括浮动平台和多条支链，每一条破支链包括电机、电路板、电机端编码器、主动绕线轮、半圆盘、连接杆与轴端编码器，电机和电路板分别与基座固定连接，电路板和电机以及电机端编码器电连接，电机端编码器与电机的输出轴末端连接，主动绕线轮与电机的输出轴前端传动连接，半圆盘与基座转动连接，多个半圆盘直立在基座上，多个半圆盘均匀分布，且朝向同一个轴心，半圆盘与主动绕线轮传动连接，轴端编码器安装在半圆盘内，用于测量半圆盘的转动角度，连接杆与半圆盘转动连接，浮动平台与连接杆转动连接；串联机构与浮动平台转动连接。

进一步地，串联机构包括u型杆、弓形杆和手柄，u型杆与浮动平台转动连接，弓形杆与u型杆转动连接，手柄与弓形杆转动连接。

进一步地，还包括第四编码器、第五编码器和第六编码器，第四编码器的码盘与u型杆固定连接，且其外壳与浮动平台固定连接；第五编码器的码盘与弓形杆固定连接，且其外壳与u型杆固定连接；第六编码器的码盘与手柄固定连接，且其外壳与弓形杆固定连接。

进一步地，还包括传动线，半圆盘包括传动紧固机构和传动线槽，传动线槽位于半圆盘的轮辐上，传动线沿着传动线槽分别连接主动绕线轮和传动紧固机构，传动紧固机构用于保持传动线处于张紧状态。

进一步地，半圆盘还包括导向轮，导向轮安装在传动线槽的两端，传动线通过导向轮分别连接主动绕线轮和传动紧固机构。

进一步地，基座还包括半圆盘支撑架、第一空心旋转轴、第一深沟球轴承、第一推力球轴承、第一蝶形弹簧，第一空心旋转轴穿过半圆盘与半圆盘支撑架，半圆盘支撑架与第一空心旋转轴固定连接，半圆盘与第一空心旋转轴通过第一深沟球轴承转动连接，半圆盘与半圆盘支撑架通过第一推力球轴承和第一蝶形弹簧转动连接。

进一步地，每一条支链所包括的连接杆的数量为4根，4根连接杆组成平行四边形结构，两根相对的连接杆分别与半圆盘和浮动平台转动连接。

进一步地，连接杆之间通过旋转关节连接，旋转关节包括关节轴、第一深沟球轴承、轴承锁紧环、平垫圈、第二弹簧垫圈，第一深沟球轴承套在关节轴上，轴承锁紧环套在第一深沟球轴承的外圈上，第一深沟球轴承通过平垫圈和第二弹簧垫圈固定在关节轴上。

进一步地，还包括第二空心旋转轴、第三深沟球轴承、第二推力球轴承和第二蝶形弹簧，第二空心旋转轴穿过u型杆与浮动平台，且一端伸出u型杆，u型杆与第二空心旋转轴固定连接，第二空心旋转轴通过第三深沟球轴承与浮动平台转动连接，u型杆通过第二推力球轴承和第二蝶形弹簧与浮动平台转动连接。

进一步地，u形架与浮动平台之间设置有限位柱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备，在电机输出轴端设置电机端编码器，用于测量电机输出轴的转动角度，在半圆盘内设置轴端编码器，用于测量半圆盘的转动角度，通过把三个轴端编码器的值与三个电机末端输出轴上的电机端编码器的读数进行比较，通过算法补偿来消除传动过程中的误差，使用时不再需要重新校准，使得设备操作更加简单，同时通过正向运动学的计算，便可计算出设备末端在空间的位置。在传动线的拐角处设置有导向轮，消除了以往力反馈设备中拐角处结构对传动线导致的应力集成问题，使传动线的使用寿命更长。传动线末端的安装固定采用传动紧固机构的形式，使传动线时刻保持张紧状态，减小了长期使用后传动线的松驰问题，使设备的定位精度更高。连接的旋转关节中，通过深沟球轴承，推力球轴承与蝶形弹簧的组合，可以消除关节轴上的摆动间隙，使得设备的刚度更大，定位精度更高。

附图说明

图1是本发明通用型6自由度力反馈设备第一实施例的整体装配示意图。

图2是本发明通用型6自由度力反馈设备第二实施例的整体装配示意图。

图3是本发明通用型6自由度力反馈设备第三实施例的基座的装配示意图。

图4是本发明通用型6自由度力反馈设备第四实施例的半圆盘的结构示意图。

图5是本发明通用型6自由度力反馈设备第五实施例的半圆盘关节的剖面示意图。

图6是本发明通用型6自由度力反馈设备第六实施例的部分装配示意图。

图7是本发明通用型6自由度力反馈设备第七实施例的传动线紧固结构示意图。

图8是本发明通用型6自由度力反馈设备第八实施例的串联机构装配示意图。

图9是本发明通用型6自由度力反馈设备第九实施例的并联机构部分装配示意图。

图10是本发明通用型6自由度力反馈设备第十实施例的连接杆关节结构剖面示意图。

图11是本发明通用型6自由度力反馈设备第十一实施例的串联机构关节结构剖面示意图。

图12是本发明通用型6自由度力反馈设备第十二实施例的串联机构关节结构剖面示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1、图2、图3、图5所示，本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备，包括基座1、并联机构2和串联机构3；在一些实施例中，基座1包括支撑座、固定平台103。并联机构2包括浮动平台203和多条支链，每一条支链包括电机104、电路板105、电机端编码器106、主动绕线轮107、半圆盘201、连接杆202与轴端编码器204，电机104与固定平台103固定连接，电路板105与固定平台103固定连接，在一些实施例中，固定平台103为圆环状，电路板105镶嵌在固定平台103里。电路板105和电机104以及电机端编码器106电连接，电路板105用于转化传输信号到虚拟场景中，从而使虚拟场景根据用户在力反馈设备上的现实操作得出相应的变化。电机端编码器106与电机104的输出轴末端连接，用于测量电机104的位置和转速，主动绕线轮107与电机104的输出轴前端连接；多个半圆盘201直立在固定平台103上，均匀分布，朝向同一个轴心，在一些实施例中，半圆盘201的数量为3个，3个半圆盘201呈三角形分布，且朝向同一个轴心，为与半圆盘201连接的并联机构2和串联机构3提供6个移动自由度。半圆盘201包括传动线，传动线缠绕在主动绕线轮上，半圆盘201通过传动线与主动绕线轮107传动连接，当半圆盘201转动的时候，通过传动线带动主动绕线轮107也产生旋转，发生相应的角度变化，继而带动与主动绕线轮107同轴固定的电机104的输出轴发生相应的角度变化，电机104输出轴转动后，电机104会产生一个驱动电流，使电机104产生转矩，使得用户在操作时感受到有力反馈。在一些实施例中，整个设备还包括半圆盘支撑架206、第一空心旋转轴207、第一深沟球轴承208、第一推力球轴承209、第一蝶形弹簧210、第一弹簧垫圈211，第一空心旋转轴207穿过半圆盘201与半圆盘支撑架206，第一空心旋转轴207的两端分别伸出半圆盘201和半圆盘支撑架206，半圆盘支撑架206与第一空心旋转轴207固定连接，第一空心旋转轴207露出半圆盘支撑架206的部分用第一弹簧垫圈211和螺母锁紧，半圆盘201与第一空心旋转轴207通过第一深沟球轴承208转动连接，同时轴向定位锁2071把第一空心旋转轴207锁在半圆盘201上，限制半圆盘201向外脱出，半圆盘201与半圆盘支撑架206通过第一推力球轴承209和第一蝶形弹簧210转动连接，从而能够消除第一空心旋转轴207与半圆盘201之间的轴向间隙，使设备整体更加紧凑，运行流畅。半圆盘支撑架206固定在固定平台103上，半圆盘201与主动绕线轮107传动连接，轴端编码器204安装在半圆盘201内，用于检测半圆盘201的旋转角度。连接杆202与半圆盘201转动连接，连接杆202与浮动平台203转动连接；当用户操作浮动平台203在上下左右前后6个移动自由度方向上移动时，浮动平台203通过连接杆202带动3个半圆盘201转动，做相应角度变化，三个半圆盘201里的轴端编码器204检测到半圆盘201的角度变化，半圆盘201转动时，通过传动线带动主动绕线轮107也产生旋转，发生相应的角度变化，继而带动与主动绕线轮107同轴固定的电机104的输出轴发生相应的角度变化，位于输出轴末端的电机端编码器106检测出输出轴的角度变化，把半圆盘201里的轴端编码器204的值与电机104末端输出轴上的电机端编码器106的读数进行比较，可以消除传动过程中产生的误差，当半圆盘201转动带动电机104输出轴转动时，由于半圆盘201通过传动线带动电机104输出轴，而传动线所用材料不论是钢丝绳还是合成材料，均会产生弹性变形，因而导致半圆盘201转动与电机104输出轴转动两者之间的转动角度比值不构成原设定的传动系数比例值，所以通过根据轴端编码器204的读数对电机104输出轴端的电机端编码器106进行一定程度的调节，以使电机104输出轴补偿后的转动角度值和原设定与半圆盘201的转动角度具备一定传动系数比例的对应的电机104输出轴转动角度值一致。例如：理想状态下(即不存在误差)半圆盘201转动30度，相应地，电机104输出轴应转动90度，半圆盘201与电机104输出轴之间的传动系数比例为1:3。当半圆盘201转动20度时，电机104输出轴只转动了58度，但是半圆盘201已经达到预定角度，因此需要通过调节电机104输出轴端电机端编码器106的值，使电机104输出轴转动的角度可达到60度，通过使电机104输出轴转动的角度达到60度后对应的半圆盘201转动的角度即为补偿电机104输出轴转动角度之后所得的机械臂传动机构的关节角度为机械臂传动机构的关节转动的真实角度，实现了机械臂传动机构关节的角度测量更精确的效果，进而使机械臂传动机构末端的定位精度提高，同时通过正向运动学的计算，便可计算出浮动平台203在空间的位置。

综上，本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备，在电机104输出轴端设置电机端编码器106，用于测量电机104输出轴的转动角度，在半圆盘201内设置轴端编码器204，用于测量半圆盘201的转动角度，在传动时，通过两端编码器的读数比较，可以消除传动过程中的误差，得到机械臂传动机构的关节转动的真实角度，使用时不再需要重新校准，使得设备操作更加简单，同时通过正向运动学的计算，便可计算出设备末端在空间的位置。

如图1、图2、图3、图5所示，在一些实施例中，串联机构3包括u型杆301、弓形杆302和手柄303，u型杆301与浮动平台203转动连接，弓形杆302与u型杆301转动连接，手柄303与弓形杆302转动连接。如此设置u型杆301、弓形杆302和手柄303，使得用户可以通过操纵手柄在虚拟场景中在各个方向自由度上进行活动。

如图6、图8、图11、图12所示，在一些实施例中，还包括第四编码器304、第五编码器305和第六编码器306，编码器包括码盘与外壳3042，码盘与需要测量的空心旋转轴同轴心固定，外壳上有pcb板，通过pcb板、可以测量码盘转动的位置，从而测量转过的角度。第四码盘3041与u型杆301固定连接，且其外壳3042与浮动平台203固定连接，在一些实施例中，还包括第二空心旋转轴3011、第三弹簧垫圈3012、第三深沟球轴承3013、第二推力球轴承3014、第二蝶形弹簧3015，第四码盘3041与第二空心旋转轴3011同轴心固定，第二空心旋转轴3011穿过u型杆301与浮动平台203，一端伸出u型杆301，u型杆301与第二空心旋转轴3011固定连接，第二空心旋转轴3011伸出u型杆301的部分通过第三弹簧垫圈3012和螺母锁紧，第二空心旋转轴3011通过第三深沟球轴承3013与浮动平台203转动连接，u型杆301通过第二推力球轴承3014和第二蝶形弹簧3015与浮动平台203转动连接，以消除第二空心旋转轴3011与浮动平台203之间的轴向间隙，当用户操作手柄303左右摆动时，u型杆301也绕着第二空心旋转轴3011左右摆动，从而使第四pcb板3042通过检测到手柄303在空间中的左右位置变动，通过电路板105传输转化这个位置变动信号，进而在虚拟场景中模拟手臂的左右摆动动作。第五编码器305的码盘与弓形杆302固定连接，且其外壳与u型杆301固定连接，在一些实施例中，还包括第三空心旋转轴3021、第四弹簧垫圈3022、第四深沟球轴承3023、第三推力球轴承3024、第三蝶形弹簧3025，第五码盘3051与第三空心旋转轴3021同轴心固定，第三空心旋转轴3021穿过u型杆301与弓形杆302，一端伸出弓形杆302，弓形杆302与第三空心旋转轴3021固定连接，第三空心旋转轴3021伸出弓形杆302的部分通过第四弹簧垫圈3022和螺母锁紧，第三空心旋转轴3021通过第四深沟球轴承3023与u型杆301转动连接，弓形杆302通过第三推力球轴承3024和第三蝶形弹簧3025与u型杆301转动连接，以消除第三空心旋转轴3021与u型杆301之间的轴向间隙，当用户操作手柄303上下摆动时，弓形杆302同样绕着自身轴线上下摆动，从而使得第五pcb板3052检测到手柄303在空间中的上下位置变动，通过电路板105传输转化这个位置变动信号，进而在虚拟场景中进行模拟手臂的上下摆动动作。第六码盘3061与手柄303固定连接，且其外壳与弓形杆302固定连接，在一些实施例中，还包括第四空心旋转轴3031、第五弹簧垫圈3032、第五深沟球轴承3033、第四推力球轴承3034、第四蝶形弹簧3035，第六码盘3061与第四空心旋转轴3031同轴心固定，第四空心旋转轴3031穿过手柄303与弓形杆302，一端伸出，手柄303与第四空心旋转轴3031固定连接，第四空心旋转轴3031伸出手柄303的部分通过第五弹簧垫圈3032和螺母锁紧，第四空心旋转轴3031通过第五深沟球轴承3033与弓形杆302转动连接，手柄303通过第四推力球轴承3034和第四蝶形弹簧3035与弓形杆302转动连接，以消除第四空心旋转轴3031与弓形杆302之间的轴向间隙，当用户操作进行手柄303进行旋转时，第六pcb板3062就可以检测到手柄303在空间中的旋转运动，通过电路板105传输转化这个位置变动信号，进而在虚拟场景中进行模拟手臂的自转动作。通过第四编码器304、第五编码器305和第六编码器306，检测到u型杆301、弓形杆302和手柄303这三个部件在空间中的位置变动，并通过电路板105传输转化这个位置变动信号，进而在虚拟场景中可以模拟手臂的种种动作，满足人机交互的基本功能。

如图6、图7所示，在一些实施例中，半圆盘201还包括传动紧固机构和传动线槽2011，传动线槽2011位于半圆盘201的轮辐上，传动线沿着传动线槽2011分别连接传动紧固机构与主动绕线轮107，传动紧固机构用于保持传动线保持处于张紧状态，在一些实施例中，传动紧固机构包括传动紧固架2012、螺钉2013、滑块2014和弹簧2015，传动线通过传动线槽2011连接主动绕线轮107和滑块2014，传动紧固架2012与半圆盘201固定连接，螺钉2013与传动紧固架2012螺纹连接，滑块2014与螺钉2013固定连接，当需要使传动线保持紧张不松弛时，可进行手动拧动螺钉2013，滑块2014会跟随螺钉2013一起向左或向右移动，从而拉紧传动线，减少传动误差。在另一些实施例中，还包括弹簧2015，弹簧2015套在螺钉2013上，位于螺钉2013的的螺帽与传动紧固架2012之间，弹簧2015处于被压缩状态，会给螺钉2013和传动紧固架2012一个相反的力，使得螺钉2013保持一个向右移动的趋势，从而使得当传动线松弛时，滑块2014也会跟着螺钉2013一起向右移动，自动调整传动线，使之保持紧张状态，减少传动误差。

如图9所示，在一些实施例中，半圆盘201还包括导向轮2016，导向轮2016的数量为两个，导向轮2016安装在传动线槽2011的两端，传动线到达传动线槽2011的两端之后，便进行转向，此处有一个较大的转向拐角，设置导向轮2016，消除了以往力反馈设备中拐角处结构对传动线导致的应力集成问题，使传动线的使用寿命更长。

如图4、图5、图6所示，在一些实施例中，基座1还包括半圆盘支撑架206、第一空心旋转轴207、第一深沟球轴承208、第一推力球轴承210209、第一蝶形弹簧210、第一弹簧垫圈211，第一空心旋转轴207穿过半圆盘201与半圆盘支撑架206，第一空心旋转轴207的两端分别伸出半圆盘201和半圆盘支撑架206，半圆盘支撑架206与第一空心旋转轴207固定连接，第一空心旋转轴207露出半圆盘支撑架206的部分用第一弹簧垫圈211和螺母锁紧，半圆盘201与第一空心旋转轴207通过第一深沟球轴承208转动连接，同时轴向定位锁2071把第一空心旋转轴207锁在半圆盘201上，限制半圆盘201向外脱出，半圆盘201与半圆盘支撑架206通过第一推力球轴承209和第一蝶形弹簧210转动连接，从而能够消除第一空心旋转轴207与半圆盘201之间的轴向间隙，使设备整体更加紧凑，运行流畅。

如图2所示，在一些实施例中，支撑座包括第一支撑座101和第二支撑座102，第一支撑座101与第二支撑座102固定连接，第二支撑座102与固定平台103固定连接，支撑座用于稳固整个力反馈设备，使之平稳运行。

如图6、图9所示，在一些实施例中，每一条支链所包括的连接杆202的数量为4根，4根连接杆202组成平行四边形结构，其中两根杆相对较长，称之为被动杆2021，用于传动，两根杆相对较短，称之为主动杆2022，用于与浮动平台203和半圆盘201固定。半圆盘201固定在其中一根主动杆2022上，浮动平台203固定在另外一根主动杆2022上，当用户操作手柄303，带动浮动平台203在6个移动自由度方向上移动时，浮动平台203通过连接杆202带动3个半圆盘201转动，做相应角度变化。设置被动杆2021用于传动，主动杆2022用于固定，使得设备整体紧凑，占用空间较小，同时浮动平台203的移动范围大，优化人机交互体验。

如图2、图10所示，在一些实施例中，连接杆202之间通过旋转关节212连接，浮动平台203包括延长杆2031，延长杆2031和被动杆2022转动连接，旋转关节212包括关节轴2121、第二深沟球轴承2122、轴承锁紧环2123、平垫圈2124、第二弹簧垫圈2125，第二深沟球轴承2122套在关节轴2121上，轴承锁紧环2123套在第二深沟球轴承2122的外圈上，锁紧第二深沟球轴承2122。第二深沟球轴承2122与关节轴2121螺纹固定，平垫圈2124与第二弹簧垫圈2125位于第二深沟球轴承2122的内圈与关节轴2121之间，以消除第二深沟球轴承2122与关节轴2121之间的间隙，使设备整体更加紧凑，运行流畅。

如图8所示，在一些实施例中，在u形杆与浮动平台203之间设置有限位柱307，限位柱307对u型杆301在浮动平台203上的转动进行角度限位，防止其可以无限转动，与现实中手臂的摆动情况不符。在另一些实施例中，弓形杆302与u形杆之间以及手柄303与弓形杆302之间也都有相似的限位柱307，对弓形杆302和手柄303的转动进行角度限位，使手臂的模拟运动与现实相符。

如图8、图12所示，在一些实施例中，在手柄303上还设置有按钮308，按钮308通过按钮支撑架309固定在手柄303上，按钮308与电路板105电连接，当用户按下按钮308时，会产生一个信号，通过电路板105传输转化这个变动信号到虚拟场景中，用于在虚拟情景中模拟手抓取物品的动作。

综上，本发明提出了一种通用型6自由度力反馈设备，在电机104输出轴端设置电机端编码器106，用于测量电机104输出轴的转动角度，在半圆盘201内设置轴端编码器204，用于测量半圆盘201的转动角度，三个轴端编码器204的值与三个电机104末端输出轴上的电机端编码器106的读数进行比较，可以消除传动过程中的误差，使用时不再需要重新校准，使得设备操作更加简单，同时通过正向运动学的计算，便可计算出设备末端在空间的位置。在传动线的拐角处设置有导向轮2016，消除了以往力反馈设备中拐角处结构对传动线导致的应力集成问题，使传动线的使用寿命更长。传动线末端的安装固定采用滑块2014与弹簧组合的形式，使传动线时刻保持张紧状态，减小了长期使用后传动线的松驰问题，使设备的定位精度更高。在旋转关节212中，通过深沟球轴承，推力球轴承与蝶形弹簧的组合，可以消除关节轴2121上的摆动间隙，使得设备的刚度更大，定位精度更高。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。