专利名称：一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟仪器，更特别地说，是指一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置。
背景技术：
三自由度力觉交互设备进行力反馈时，在交互设备和显示的图形设备之间有一个虚拟三自由度弹簧连接，为排除在用客观测量方法评价力觉交互算法的过程中力觉交互设备刚度影响，本发明设计了一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置， 该装置通过弹簧来模拟力觉交互设备操作时的接触刚度，探查真实物体表面过程中实时的采集探头末端的三维力和图形工具位置、图形工具位姿。本发明装置代替了力交互过程中力觉设备的小刚度。本发明是一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度的生成装置，该生成装置包括有X轴平移组件1、Y轴平移组件2、Z轴平移转动组件3、支撑组件4和六维力传感器5五部分。X轴平移组件1、Y轴平移组件2和Z轴平移转动组件3通过支撑组件4连接形成三自由度机构，六维力传感器5安装在支撑组件4的下方。在本发明中，XYZ三轴上的零部件采用相同结构设计。本发明接触刚度生成装置的优点在于①X轴平移组件与Y轴平移组件的组合能够实现平面二维弹簧刚度生成。②X轴平移组件、Y轴平移组件与Z轴平移转动组件的组合能够实现空间三维弹簧刚度生成。③支撑组件一方面用于组合X轴平移组件、Y轴平移组件与Z轴平移转动组件；另一方面当末端受力时，能够将所承的力传递给XYZ三轴上。④钢丝绳、配重块、滑块(即直线轴承座)和弹簧组合实现了弹簧变形量只与外力相关。⑤采用本发明接触刚度生成装置来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度。本装置是将三根相同刚度弹簧分别与基架的X，Y，Z轴同轴放置，并只能沿相应坐标轴受力和变形。通过一个第一连接件与XZY三轴上的弹簧间接相连，实现XYZ三轴上的直线轴承座的空间三自由度运动。⑥在本发明接触刚度生成装置空载时，但受到重力F作用时，通过重力补偿保证三根弹簧保持不变形，不受力。
图1是本发明用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置的结构图。
图2是本发明支撑组件的结构图。
图2A是本发明支撑组件中第一连接件的结构图。
图2B是本发明支撑组件中第二连接件的结构图。
图3是本发明X轴平移组件的结构图。
图3A是本发明X轴平移组件中X轴直线轴承座的结构图。
图3B是本发明X轴平移组件的分解图。
图4是本发明Y轴平移组件的结构图。
图4A是本发明Y轴平移组件中Y轴直线轴承座的结构图。
图4B是本发明Y轴平移组件的分解图。
图5是本发明Z轴平移转动组件的结构图。
图5A是本发明Z轴平移转动组件的分解图。
1. X轴平移组件 U. XA支撑轴11A.XA轴座 11B.XB轴座11C.X轴弹簧
12. XB支撑轴 12A. XC轴座12B. XD轴座 13. XC支撑轴13A. XE轴座
13B.XF轴座 13C.X轴配重块ImXD通孔 14. X轴支架141. A侧板
142. B侧板 15. X轴直线轴承座 151. XA通孔152. XB通孔
153. XC通孔 154. XA凸块155. XB凸块 156. XC凸块157.轴承顶孔
101. XA直线轴承102. XB直线轴承103. XC直线轴承
104. XD直线轴承105. XE直线轴承106. XF直线轴承
121.第一段钢丝绳121A. XA钢丝绳通孔
121B. XB钢丝绳通孔121C. )(C钢丝绳通孔
121D. )钢丝绳通孔121E. XE钢丝绳通孔
121F. XF钢丝绳通孔122.第二段钢丝绳
122B.XH钢丝绳通孔122C.XI钢丝绳通孔122D.XJ钢丝绳通孔
122E.XK钢丝绳通孔122FI钢丝绳通孔122G.XM钢丝绳通孔
122HXN钢丝绳通孑L123. XA导轮 124. XB导轮125. XA导轮座
1 . XB导轮座 2. Y轴平移组件21. YA支撑轴 MAYA轴座21B. YB轴座
21C.Y轴弹簧 22. YB支撑轴22A. YC轴座 22B. YD轴座Z3.YC支撑轴
23A. YE轴座 23B. YF轴座23C. Y轴配重块23D. YD通孔M.Y轴支架
Ml. A侧板 242. B侧板迅· Y轴直线轴承座251. YA通孔
252. YB通孔 253. YC通孔254. YA凸块 255. YB凸块256. YC凸块
257.轴承顶孔 201. YA直线轴承 202. TO]1线轴承
2)3. YC直线轴承204. YD直线轴承205. YE直线轴承
YF直线轴承221.第三段钢丝绳2MAYA钢丝绳通孑L
221B.YB钢丝绳通孔2MC.YC钢丝绳通孔2MD.YD钢丝绳通孑L
2ME.YE钢丝绳通孑L2MF.YF钢丝绳通孔222.第四段钢丝绳
222B.YH钢丝绳通孔222C. YI钢丝绳通孔222D.YJ钢丝绳通孔
222E.YK钢丝绳通孔222F.YL钢丝绳通孔222G.YM钢丝绳通孔
222H. YN钢丝绳通孔223. YA导轮 224. YB导轮2 . YA导轮座
2 . YB导轮座 3· Z轴平移转动组件 IZA支撑轴31A. ZAi^
31B. ZBi^:31C. Z轴弹簧31D.上法兰31Ε.下法兰31F.上挡片
31G.下挡片!33.ZC支撑轴33Α. ZE轴座33B.ZF轴座33C. Z轴配重块
331 ZD通孔;34·Ζ轴支架341.上侧板342.下侧板35. Z轴直线轴承座
351. YA通孔352. YB通孔353. YC通孔357.轴承顶孔301. ZA直线轴承
302. ZB直线轴承303. ZA滚珠轴承304. ZB滚珠轴承
305. ZE直线轴承30&ZF直线轴承321.第五段钢丝绳
3ΜΑ·ΖΑ钢丝绳通孔3ΜΒ.ΖΒ钢丝绳通孔322.第六段钢丝绳
322A_ZC钢丝绳通孔322B.ZD钢丝绳通孑L323. ZA导轮
324. ZB导轮325. ZA导轮座326. ZB导轮座4.支撑组件41.第一连接件
411. X支臂411Α·Α通孔4UB.A销孔412. Y支臂412Α. B 通孑 L
412B. B销孔413. Z支臂413AC通孑L4UB.C销孔411C.D销孔
42.第二连接件421.前端柱421Α. D通孔422.后端柱422Α. E 通孑 L
422B.F通孔422C. E销孔422D. F销孔423.支撑柱423Α. G 通孑 L
42 G销孔424.支撑梁424Α.减重孔43. A支撑轴44. B支撑轴
45. C支撑轴46. D支撑轴47. E支撑轴48.重心配重块401. A直线轴承402. B直线轴承403. C直线轴承404. D直线轴承405. E直线轴承406. F直线轴承407. G直线轴承408. H直线轴承409. I直线轴承410. J直线轴承5.六维力传感器
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明是一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度的生成装置，该生成装置包括有X轴平移组件1、Y轴平移组件2、Z轴平移转动组件3、支撑组件4 和六维力传感器5五部分。X轴平移组件1、Y轴平移组件2和Z轴平移转动组件3通过支撑组件4连接形成三自由度机构，六维力传感器5安装在支撑组件4的下方。在本发明中， XYZ三轴上的零部件采用相同结构设计。本发明装置通过弹簧来模拟力觉交互设备操作时的接触刚度，探查真实物体表面过程中实时的采集探头末端的三维力和图形工具位置、图形工具位姿。本发明装置代替了力交互过程中力觉设备的小刚度。在本发明中，六维力传感器5作为整个接触刚度测量装置的执行末端，用于检测承受的压力。(一 )支撑组件4参见图1、图2、图2Α、图2Β所示，支撑组件4包括有第一连接件41、第二连接件 42、重心配重块48、五个支撑轴和十个直线轴承。五个支撑轴是指A支撑轴43、Β支撑轴44、C支撑轴45、D支撑轴46、E支撑轴47。十个直线轴承是指A直线轴承401、B直线轴承402、C直线轴承403、D直线轴承 404、E直线轴承405、F直线轴承406、G直线轴承407、H直线轴承408、I直线轴承409、J 直线轴承410。参见图2、图2A所示，第一连接件41的X轴支臂411的端部设有A通孔411A、A销孔411B ；A通孔411A用于安装A支撑轴41的一端，A支撑轴41的另一端顺次套接有B直线轴承402、A直线轴承401 ；A销孔411B用于安装销钉，通过该销钉与A销孔411B的配合实现将A支撑轴41的一端固定安装在第一连接件41的X轴支臂411上。A通孔41IA的设计也有利于减轻第一连接件41的重量。第一连接件41的Y轴支臂412的端部设有B通孔412A、B销孔412B ；B通孔412A 用于安装B支撑轴42的一端，B支撑轴42的另一端顺次套接有D直线轴承404、C直线轴承403 ；B销孔412B用于安装销钉，通过该销钉与B销孔412B的配合实现将B支撑轴42的一端固定安装在第一连接件41的Y轴支臂412上。B通孔412A的设计也有利于减轻第一连接件41的重量。第一连接件41的Z轴支臂413上设有C通孔413A、C销孔413B、D销孔413C ；C 通孔413A内从下至上安装有I直线轴承409、J直线轴承410 ；I直线轴承409和J直线轴承410套接在E支撑轴47的一端上，E支撑轴47的另一端安装在第二连接件42的支撑柱 423的通孔内；C销孔41 用于安装销钉，通过该销钉与C销孔41 的配合实现将J直线轴承410安装在Z轴支臂413上；D销孔413C用于安装销钉，通过该销钉与D销孔413C的配合实现将I直线轴承409安装在Z轴支臂413上。参见图2、图2B所示，第二连接件42的前端柱421上设有D通孔421A，该D通孔 421A的上端用于安装重心配重块48，该D通孔421A的下端用于安装有六维力传感器5。第二连接件42的后端柱422上设有E通孔422A、F通孔422B、E销孔422C、F销孔 422D。E通孔422A用于安装C支撑轴45的一端，C支撑轴45的另一端顺次套接有F直线轴承406、E直线轴承405。F通孔422B用于安装D支撑轴46的一端，D支撑轴46的另一端顺次套接有H直线轴承408、G直线轴承407。E销孔422C用于安装销钉，通过该销钉与 E销孔422C的配合实现将C支撑轴45的一端固定安装在第二连接件42的后端柱422上。 F销孔422D用于安装销钉，通过该销钉与F销孔422D的配合实现将D支撑轴46的一端固定安装在第二连接件42的后端柱422上。第二连接件42的支撑柱423上设有G通孔423A，G销孔423B。G通孔423A用于安装E支撑轴47的一端，E支撑轴47的另一端顺次套接有J直线轴承409、I直线轴承410。 G销孔42 用于安装销钉，通过该销钉与G销孔42 的配合实现将E支撑轴47的一端固定安装在第二连接件42的支撑柱423上。第二连接件42的支撑梁424的中心开有减重孔424A。(二)X轴平移组件1参见图1、图3、图3A、图;3B所示，X轴平移组件1包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根X轴弹簧lie、一个X轴配重块13C、一个X轴支架14、一个X轴直线轴承座15、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座。八个直线轴承是指XA直线轴承101、XB直线轴承102、XC直线轴承103、XD直线轴承104、XE直线轴承105和XF直线轴承106。三根支撑轴是指XA支撑轴11、XB支撑轴12和)(C支撑轴13。六个支撑轴轴座是指XA支撑轴轴座11A、XB支撑轴轴座11B、XC支撑轴轴座12A、 XD支撑轴轴座12B、XE支撑轴轴座13A和XF支撑轴轴座13B。两段钢丝绳是指第三段钢丝绳121、第四段钢丝绳122。两个导轮是指XA导轮123、XB导轮1M。
两个导轮座是指XA导轮座125、XB导轮座126。参见图3A、图;3B所示，X轴直线轴承座15的XA凸块154上设有XA通孔151，该 XA通孔151用于放置XA直线轴承101、XB直线轴承102 ；X轴直线轴承座15的XB凸块155 上设有XB通孔152，该XB通孔152用于放置)(C直线轴承103、XD直线轴承104 ；X轴直线轴承座15的)(C凸块156上设有)(C通孔153，该)(C通孔153用于放置B直线轴承402、A直线轴承401。X轴直线轴承座15的凹槽两端设有XF钢丝绳通孔121F、XN钢丝绳通孔122H。 直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故X轴直线轴承座15上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔157。参见图1、图3、图;3B所示，X轴支架14为U形结构。X轴支架14的A侧板141的外侧面上安装有XA导轮座125，XA导轮座125上安装有XA导轮123。X轴支架14的B侧板142的外侧面上安装有XB导轮座126，XB导轮座1 上安装有XB导轮124。参见图;3B所示，X轴支架14的A侧板141的内侧面上安装有XA轴座11A、XC轴座12A和XE轴座13A，且XA轴座11A、XC轴座12A和XE轴座13A的安装位置呈等腰直角三角形，XA轴座IlA与)(C轴座12A在等腰直角三角形的底边上；在本发明中，XA轴座11A、 XC轴座12A和XE轴座13A可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在X轴支架14的A侧板141的内侧面上。参见图;3B所示，X轴支架14的B侧板142的内侧面上安装有XB轴座11B、XD轴座12B和XF轴座13B，且XB轴座11B、XD轴座12B和XF轴座13B的安装位置呈等腰直角三角形，XB轴座IlB与》)轴座12B在等腰直角三角形的底边上；在本发明中，XB轴座11B、 XD轴座12B和XF轴座1 可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在X轴支架14的B侧板142的内侧面上。参见图;3B所示，X轴支架14的A侧板141上设有用于安装XA轴座11A、XC轴座 12A和XE轴座13A的通孔(该通孔与轴座上的通孔为同轴配合关系，从而通过螺钉与螺母的配合固定实现轴座与A侧板141的安装)和用于第一段钢丝绳121通过的XB钢丝绳通孔121B、XK钢丝绳通孑L 121E ；参见图;3B所示，X轴支架14的B侧板142上设有用于安装XB轴座11B、XD轴座 12B和XF轴座13B的通孔(该通孔与轴座上的通孔为同轴配合关系，从而通过螺钉与螺母的配合固定实现轴座与B侧板142的安装)和用于第二段钢丝绳122通过的XH钢丝绳通孔122B、XM钢丝绳通孑L 122G。在本发明中，X轴平移组件1的连接关系为XA支撑轴11的一端安装在XA轴座IlA上，XA支撑轴11的另一端顺次穿过XA直线轴承101、XB直线轴承102、X轴弹簧IlC后安装在XB轴座IlB上。XB支撑轴12的一端安装在)(C轴座12A上，XB支撑轴12的另一端顺次穿过)(C直线轴承103、XD直线轴承104后安装在》)轴座12B上。)(C支撑轴13的一端安装在XE轴座13A上，)(C支撑轴13的另一端顺次穿过XE直线轴承105、XF直线轴承106后安装在XF轴座1 上。XE直线轴承105和XF直线轴承106 置于X轴配重块13C的》)通孔13D内。第一段钢丝绳121的一端固定在XF钢丝绳通孔121F上，第一段钢丝绳121的另一端顺次穿过XE钢丝绳通孔121E (设在X轴支架14上)JD钢丝绳通孔121D (设在XA导轮座125上)、XA导轮123、XC钢丝绳通知121C (设在XA导轮座125上)、XB钢丝绳通孔 121B (设在X轴支架14上)后固定在X轴配重块13C —端的XA钢丝绳通孔121A上。第二段钢丝绳122的一端固定在XN钢丝绳通孔122H上，第二段钢丝绳122的另一端顺次穿过XM钢丝绳通孔122G (设在X轴支架14上)、XL钢丝绳通孔122F (设在接合支架36上)、XK钢丝绳通孔122E (设在XB导轮座1 上)、XB导轮124、XJ钢丝绳通孔 122D (设在XB导轮座126上)、XI钢丝绳通孔122C(设在接合支架36上)、XH钢丝绳通孔 122B (设在X轴支架14上)后固定在X轴配重块13C另一端的钢丝绳通孔上。(三)Y轴平移组件2参见图1、图4、图4A、图4B所示，Y轴平移组件2包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根Y轴弹簧21C、一个Y轴配重块23C、一个Y轴支架24、一个Y轴直线轴承座25、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座。八个直线轴承是指YA直线轴承201、TO直线轴承202、YC直线轴承203、YD直线轴承204、YE直线轴承205和YF直线轴承206。三根支撑轴是指YA支撑轴21、TO支撑轴22和YC支撑轴23。六个支撑轴轴座是指YA支撑轴轴座21A JB支撑轴轴座21B、YC支撑轴轴座22A、 YD支撑轴轴座22B、YE支撑轴轴座23A和YF支撑轴轴座2!3B。两段钢丝绳是指第三段钢丝绳221、第四段钢丝绳222。两个导轮是指YA导轮223 JB导轮224。两个导轮座是指YA导轮座225、YB导轮座2 。参见图4A、图4B所示，Y轴直线轴承座25的YA凸块邪4上设有YA通孔251，该 YA通孔251用于放置YA直线轴承201JB直线轴承202 ；Y轴直线轴承座25的TO凸块255 上设有YB通孔252，该TO通孔252用于放置YC直线轴承203、YD直线轴承204 ；Y轴直线轴承座25的YC凸块256上设有YC通孔253，该YC通孔253用于放置D直线轴承404、C直线轴承403。Y轴直线轴承座25的凹槽两端设有YF钢丝绳通孔221F、YN钢丝绳通孔222H。 直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Y轴直线轴承座25上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔257。参见图1、图4、图4B所示，Y轴支架M 形结构。Y轴支架M的A侧板Ml的外侧面上安装有YA导轮座225，YA导轮座225上安装有YA导轮223。Y轴支架M的B侧板M2的外侧面上安装有YB导轮座226，YB导轮座2 上安装有YB导轮224。参见图4B所示，Y轴支架M的A侧板Ml的内侧面上安装有YA轴座21A、YC轴座22A和YE轴座23A，且YA轴座21A、YC轴座22A和YE轴座23A的安装位置呈等腰直角三角形，YA轴座2IA与YC轴座22A在等腰直角三角形的底边上；在本发明中，YA轴座21A、 YC轴座22A和YE轴座23A可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在Y轴支架M的A侧板241的内侧面上。参见图4B所示，Y轴支架M的B侧板M2的内侧面上安装有YB轴座21B、YD轴座22B和YF轴座23B，且TO轴座21B、YD轴座22B和YF轴座23B的安装位置呈等腰直角三角形，YB轴座2IB与YD轴座22B在等腰直角三角形的底边上；在本发明中，YB轴座2IB、 YD轴座22B和YF轴座2 可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在Y轴支架M的B侧板对2的内侧面上。
参见图4B所示，Y轴支架M的A侧板241上设有用于安装YA轴座21A、YC轴座 22A和YE轴座23A的通孔(该通孔与轴座上的通孔为同轴配合关系，从而通过螺钉与螺母的配合固定实现轴座与A侧板Ml的安装)和用于第三段钢丝绳221通过的TO钢丝绳通孔221B、YK钢丝绳通孔22IE ；参见图4B所示，Y轴支架M的B侧板242上设有用于安装YB轴座2IB、YD轴座 22B和YF轴座23B的通孔(该通孔与轴座上的通孔为同轴配合关系，从而通过螺钉与螺母的配合固定实现轴座与B侧板M2的安装)和用于第四段钢丝绳222通过的YH钢丝绳通孔222B、YM钢丝绳通孔222G。在本发明中，Y轴平移组件2的连接关系为YA支撑轴21的一端安装在YA轴座21A上，YA支撑轴21的另一端顺次穿过YA直线轴承201、TO直线轴承202、Y轴弹簧2IC后安装在YB轴座2IB上。YB支撑轴22的一端安装在YC轴座22A ±,YB支撑轴22的另一端顺次穿过YC直线轴承203、YD直线轴承204后安装在YD轴座22B上。YC支撑轴23的一端安装在YE轴座23A上，YC支撑轴23的另一端顺次穿过YE直线轴承205、YF直线轴承206后安装在YF轴座2 上。YE直线轴承205和YF直线轴承206 置于Y轴配重块23C的YD通孔23D内。第三段钢丝绳221的一端固定在YF钢丝绳通孔221F上，第三段钢丝绳221的另一端顺次穿过YE钢丝绳通孔221E (设在Y轴支架M上)、YD钢丝绳通孔221D (设在YA导轮座225上)、YA导轮223、YC钢丝绳通知221C (设在YA导轮座225上)、YB钢丝绳通孔 221B (设在Y轴支架M上)后固定在Y轴配重块23C —端的YA钢丝绳通孔221A上。第四段钢丝绳222的一端固定在YN钢丝绳通孔222H上，第四段钢丝绳222的另一端顺次穿过YM钢丝绳通孔222G (设在Y轴支架M上)、1钢丝绳通孔222F (设在接合支架36上)、I钢丝绳通孔222E (设在TO导轮座2 上)、YB导轮224、YJ钢丝绳通孔 222D (设在TO导轮座2 上)、YI钢丝绳通孔222C (设在接合支架36上)JH钢丝绳通孔 222B (设在Y轴支架M上)后固定在Y轴配重块23C另一端的钢丝绳通孔上。(四)Z轴平移转动组件3参见图1、图5、图5A所示，Z轴平移组件3包括有四个直线轴承、两个滚珠轴承、 两根支撑轴、四个支撑轴轴座、一根Z轴弹簧31C、一个Z轴配重块33C、一个Z轴支架34、一个Z轴直线轴承座35、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座。四个直线轴承是指ZA直线轴承301JB直线轴承302 JE直线轴承305和ZF直线轴承306。两个滚珠轴承是指ZA直线轴承303、ZB直线轴承304。两根支撑轴是指ZA支撑轴31和ZC支撑轴33。四个支撑轴轴座是指ZA支撑轴轴座31A、ZB支撑轴轴座31B、ZE支撑轴轴座33A 和ZF支撑轴轴座33B。两段钢丝绳是指第五段钢丝绳321、第六段钢丝绳322。两个导轮是指ZA导轮323、观导轮324。两个导轮座是指ZA导轮座325、ZB导轮座326。参见图5A所示，Z轴直线轴承座35上设有ZA通孔351JB通孔352、ZC通孔353 ；该ZA通孔351用于放置F直线轴承406、E直线轴承405 ；该观通孔352用于放置H直线轴承408、G直线轴承407 ；该ZC通孔353用于放置观直线轴承302、ZA直线轴承301。直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Z轴直线轴承座35上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔357。ZA直线轴承301的外部套接有ZA滚珠轴承303，观直线轴承302的外部套接有 ZB滚珠轴承304。参见图1、图5、图5A所示，Z轴支架34为U形结构。Z轴支架34的上侧板341的下方安装有ZA导轮座325，ZA导轮座325上安装有ZA导轮323。Z轴支架34的下侧板342 的上方安装有观导轮座326，ZB导轮座3 上安装有观导轮324。参见图5A所示，Z轴支架34的上侧板341的下方安装有ZA轴座31A、ZA导轮座 325和观轴座33A ；在本发明中，ZA轴座31A、ZA导轮座325和观轴座33A可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在Z轴支架34的上侧板341的下方。参见图5A所示，Z轴支架34的下侧板342的上方安装有观轴座31B、ZB导轮座 326和ZF轴座3!3B ；在本发明中，ZB轴座31B、ZB导轮座3 和ZF轴座3!3B可以通过螺钉与螺母的配合将其固定安装在Z轴支架34的下侧板M2的上方。在本发明中，Z轴平移组件3的连接关系为ZA支撑轴31的一端安装在ZA轴座31A上，ZA支撑轴31的另一端顺次穿过Z轴弹簧31C、ZA直线轴承301JB直线轴承302后安装在观轴座3IB上。ZA滚珠轴承303套接在ZA直线轴承301上，ZA滚珠轴承303的外部套接有上法兰31D，上法兰31D上安装有上垫片31F。ZB滚珠轴承304套接在观直线轴承302上，ZB滚珠轴承304的外部套接有下法兰31E，下法兰31E上安装有下垫片31G。ZC支撑轴33的一端安装在观轴座33A上，ZC支撑轴33的另一端顺次穿过观直线轴承305、ZF直线轴承306后安装在ZF轴座3 上。观直线轴承305和ZF直线轴承306 置于Z轴配重块33C的S)通孔33D内。第五段钢丝绳321的一端固定在观钢丝绳通孔321B上，第五段钢丝绳321的另一端穿过ZA导轮323后固定在Z轴配重块33C —端的ZA钢丝绳通孔321A上。第六段钢丝绳322的一端固定在ZD钢丝绳通孔322B上，第六段钢丝绳322的另一端穿过观导轮3M后固定在Z轴配重块33C另一端的钢丝绳通孔上。在本发明中，X轴平移组件1与Y轴平移组件2的结构设计完全相同。本发明的用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置的运动过程为(A)当六维力传感器5受到外力F (Fx，Fy，Fz)作用下，通过A支撑轴43、B支撑轴 44、C支撑轴45和D支撑轴46将F (Fx, Fy, Fz)传递给X轴直线轴承座15 (功能为滑块作用)、Y轴直线轴承座25和Z轴直线轴承座35 ；(B)X轴直线轴承座15将&传递给X轴弹簧11C，致使X轴弹簧IlC变形，则第一连接件41相对于接合支架36产生X轴方向的运动；X轴配重块13C随着X轴直线轴承座 15的运动作反向运动，并抵消X轴直线轴承座15所承受的重力；(C) Y轴直线轴承座25将Fy传递给Y轴弹簧21C，致使Y轴弹簧21C变形，则第一连接件41相对于接合支架36产生Y轴方向的运动；Y轴配重块23C随着Y轴直线轴承座 25的运动作反向运动，并抵消Y轴直线轴承座25所承受的重力；(D) Z轴直线轴承座35将内传递给Z轴弹簧31C，致使Z轴弹簧31C变形，则第一连接件41相对于接合支架36产生Z轴方向的运动；Z轴配重块33C随着Z轴直线轴承座 35的运动作反向运动，并抵消Z轴直线轴承座35所承受的重力。
权利要求
1. 一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度的生成装置，其特征在于该接触刚度生成装置包括有X轴平移组件(1)、Y轴平移组件( 、Z轴平移转动组件( 、支撑组件(4)和六维力传感器( 五部分；支撑组件(4)包括有第一连接件Gl)、第二连接件0 、重心配重块G8)、五个支撑轴和十个直线轴承；第一连接件Gl)的X轴支臂Gll)的A通孔GllA)内安装有A支撑轴的一端， A支撑轴Gl)的另一端顺次套接有B直线轴承002)、A直线轴承001)；第一连接件Gl)的Y轴支臂G12)的B通孔G12A)内安装B支撑轴02)的一端，B 支撑轴0 的另一端顺次套接有D直线轴承004)、C直线轴承003)；第一连接件Gl)的Z轴支臂013)的C通孔G13A)内从下至上安装有I直线轴承 009)、J直线轴承010) ； I直线轴承(409)和J直线轴承(410)套接在E支撑轴07)的一端上，E支撑轴07)的另一端安装在第二连接件G2)的支撑柱023)的通孔内；第二连接件G2)的前端柱021)上设有D通孔(421A)，该D通孔021A)的上端用于安装重心配重块(48)，该D通孔G21A)的下端用于安装有六维力传感器(5)；第二连接件(42)的后端柱(422)上设有E通孔(422A)、F通孔(422 、E销孔(422C)、 F销孔(422D) ；E通孔(422A)用于安装C支撑轴(45)的一端，C支撑轴(45)的另一端顺次套接有F直线轴承006)、E直线轴承005) ；F通孔G22B)用于安装D支撑轴06)的一端，D支撑轴06)的另一端顺次套接有H直线轴承(408)、G直线轴承007) ；E销孔022C) 用于安装销钉，通过该销钉与E销孔G22C)的配合实现将C支撑轴05)的一端固定安装在第二连接件G2)的后端柱(422)上；F销孔G22D)用于安装销钉，通过该销钉与F销孔 (422D)的配合实现将D支撑轴06)的一端固定安装在第二连接件0 的后端柱(422) 上；第二连接件(42)的支撑柱(423)上设有G通孔(423A)，G销孔(423B) ；G通孔(423A) 用于安装E支撑轴07)的一端，E支撑轴07)的另一端顺次套接有J直线轴承009)、I 直线轴承G10) ；G销孔G23B)用于安装销钉，通过该销钉与G销孔G23B)的配合实现将 E支撑轴G7)的一端固定安装在第二连接件0 的支撑柱(42 上；X轴平移组件(1)包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根X轴弹簧 (IlC)、一个X轴配重块(13C)、一个X轴支架(14)、一个X轴直线轴承座(15)、两段钢丝绳、 两个导轮和两个导轮座；X轴直线轴承座15的XA凸块154上设有XA通孔151，该XA通孔151用于放置XA直线轴承101、XB直线轴承102 ；X轴直线轴承座15的)(B凸块155上设有XB通孔152，该XB 通孔152用于放置VZ直线轴承103 JD直线轴承104 ；X轴直线轴承座15的VZ凸块156上设有I通孔153，该)(C通孔153用于放置B直线轴承402、A直线轴承401 ；X轴直线轴承座15的凹槽两端设有XF钢丝绳通孔121F、XN钢丝绳通孔122H ；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故X轴直线轴承座15上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔157 ；X轴支架14为U形结构；X轴支架14的A侧板141的外侧面上安装有XA导轮座125， XA导轮座125上安装有XA导轮123 ；X轴支架14的B侧板142的外侧面上安装有XB导轮座126，XB导轮座1 上安装有XB导轮124 ；X轴支架14的A侧板141的内侧面上安装有XA轴座IlAJC轴座12A和XE轴座13A，且XA轴座11A、XC轴座12A和XE轴座13A的安装位置呈等腰直角三角形，XA轴座IlA与 )(C轴座12A在等腰直角三角形的底边上；X轴支架14的B侧板142的内侧面上安装有XB轴座IlBJD轴座12B和XF轴座13B， 且XB轴座11B、XD轴座12B和XF轴座13B的安装位置呈等腰直角三角形，XB轴座IlB与 XD轴座12B在等腰直角三角形的底边上；X轴支架14的A侧板141上设有用于安装XA轴座IlAJC轴座12A和XE轴座13A的通孔和用于第一段钢丝绳121通过的XB钢丝绳通孔121B、XK钢丝绳通孔121E ；X轴支架14的B侧板142上设有用于安装XB轴座IlBJD轴座12B和XF轴座13B的通孔和用于第二段钢丝绳122通过的XH钢丝绳通孔122B、XM钢丝绳通孔122G ；XA支撑轴11的一端安装在XA轴座IlA上，XA支撑轴11的另一端顺次穿过XA直线轴承101、XB直线轴承102、X轴弹簧IlC后安装在XB轴座IlB上；XB支撑轴12的一端安装在)(C轴座12A上，XB支撑轴12的另一端顺次穿过)(C直线轴承103、》)直线轴承104后安装在》)轴座12B上；XC支撑轴13的一端安装在XE轴座13A上，)(C支撑轴13的另一端顺次穿过XE直线轴承105、XF直线轴承106后安装在XF轴座1 上；XE直线轴承105和XF直线轴承106置于X轴配重块13C的》)通孔13D内；第一段钢丝绳121的一端固定在XF钢丝绳通孔121F上，第一段钢丝绳121的另一端顺次穿过XE钢丝绳通孔121E、XD钢丝绳通孔121D、XA导轮123、XC钢丝绳通知121C、XB 钢丝绳通孔121B后固定在X轴配重块13C —端的XA钢丝绳通孔121A上；第二段钢丝绳122的一端固定在XN钢丝绳通孔122H上，第二段钢丝绳122的另一端顺次穿过XM钢丝绳通孔122G、XL钢丝绳通孔122F、XK钢丝绳通孔122E、XB导轮124、XJ 钢丝绳通孔122D、XI钢丝绳通孔122C、XH钢丝绳通孔122B后固定在X轴配重块13C另一端的钢丝绳通孔上；Y轴平移组件2包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根Y轴弹簧 21C、一个Y轴配重块23C、一个Y轴支架24、一个Y轴直线轴承座25、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座；Y轴直线轴承座25的YA凸块2M上设有YA通孔251，该YA通孔251用于放置YA直线轴承201、TO直线轴承202 ；Y轴直线轴承座25的TO凸块255上设有TO通孔252，该TO 通孔252用于放置YC直线轴承203、YD直线轴承204 ；Y轴直线轴承座25的YC凸块256上设有YC通孔253，该YC通孔253用于放置D直线轴承404、C直线轴承403 ；Y轴直线轴承座25的凹槽两端设有YF钢丝绳通孔221F、YN钢丝绳通孔222H ；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Y轴直线轴承座25上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔257 ；Y轴支架24为U形结构；Y轴支架M的A侧板Ml的外侧面上安装有YA导轮座225， YA导轮座225上安装有YA导轮223 ；Y轴支架M的B侧板M2的外侧面上安装有YB导轮座226，YB导轮座2 上安装有YB导轮224 ；Y轴支架M的A侧板Ml的内侧面上安装有YA轴座21A、YC轴座22A和YE轴座23A， 且YA轴座21A、YC轴座22A和YE轴座23A的安装位置呈等腰直角三角形，YA轴座21A与 YC轴座22A在等腰直角三角形的底边上；Y轴支架M的B侧板242的内侧面上安装有YB轴座21B、YD轴座22B和YF轴座23B，且TO轴座21B、YD轴座22B和YF轴座23B的安装位置呈等腰直角三角形，YB轴座21B与 YD轴座22B在等腰直角三角形的底边上；Y轴支架M的A侧板241上设有用于安装YA轴座21A、YC轴座22A和YE轴座23A的通孔和用于第三段钢丝绳221通过的TO钢丝绳通孔221B、YK钢丝绳通孔22IE ；Y轴支架M的B侧板242上设有用于安装YB轴座2IB、YD轴座22B和YF轴座23B的通孔和用于第四段钢丝绳222通过的钢丝绳通孔222Β、YM钢丝绳通孔222G ；YA支撑轴21的一端安装在YA轴座21Α上，YA支撑轴21的另一端顺次穿过YA直线轴承201、TO直线轴承202、Y轴弹簧2IC后安装在YB轴座2IB上；YB支撑轴22的一端安装在YC轴座22Α上，TO支撑轴22的另一端顺次穿过YC直线轴承203、YD直线轴承204后安装在YD轴座22Β上；YC支撑轴23的一端安装在YE轴座23Α上，YC支撑轴23的另一端顺次穿过YE直线轴承205、YF直线轴承206后安装在YF轴座2 上；YE直线轴承205和YF直线轴承206置于Y轴配重块23C的YD通孔23D内；第三段钢丝绳221的一端固定在YF钢丝绳通孔221F上，第三段钢丝绳221的另一端顺次穿过YE钢丝绳通孔221E、YD钢丝绳通孔221D、YA导轮223、YC钢丝绳通知221C、YB 钢丝绳通孔221B后固定在Y轴配重块23C —端的YA钢丝绳通孔221A上；第四段钢丝绳222的一端固定在YN钢丝绳通孔222H上，第四段钢丝绳222的另一端顺次穿过YM钢丝绳通孔222G、YL钢丝绳通孔222F、YK钢丝绳通孔222E、YB导轮224、YJ 钢丝绳通孔222D、YI钢丝绳通孔222C、YH钢丝绳通孔222B后固定在Y轴配重块23C另一端的钢丝绳通孔上；Z轴平移组件3包括有四个直线轴承、两个滚珠轴承、两根支撑轴、四个支撑轴轴座、一根Z轴弹簧31C、一个Z轴配重块33C、一个Z轴支架34、一个Z轴直线轴承座35、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座；Z轴直线轴承座；35上设有ZA通孔；351、邳通孔;352、ZC通孔；353 ；该ZA通孔351用于放置F直线轴承406、E直线轴承405 ；该观通孔352用于放置H直线轴承408、G直线轴承 407 ；该ZC通孔353用于放置观直线轴承302、ZA直线轴承301 ；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Z轴直线轴承座35上设有多个用于放置销顶的轴承顶孔357 ；ZA直线轴承 301的外部套接有ZA滚珠轴承303，ZB直线轴承302的外部套接有观滚珠轴承304 ；Z轴支架34为U形结构；Z轴支架34的上侧板341的下方安装有ZA导轮座325，ZA导轮座325上安装有ZA导轮323 ；Z轴支架34的下侧板342的上方安装有观导轮座326，观导轮座3 上安装有观导轮324 ；Z轴支架34的上侧板341的下方安装有ZA轴座31A、ZA导轮座325和观轴座33A ； Z轴支架34的下侧板342的上方安装有观轴座31B、ZB导轮座3 和ZF轴座33B ； ZA支撑轴31的一端安装在ZA轴座31A上，ZA支撑轴31的另一端顺次穿过Z轴弹簧 31C、ZA直线轴承301、ZB直线轴承302后安装在观轴座31B上；ZA滚珠轴承303套接在 ZA直线轴承301上，ZA滚珠轴承303的外部套接有上法兰31D，上法兰31D上安装有上垫片31F ；ZB滚珠轴承304套接在观直线轴承302上，观滚珠轴承304的外部套接有下法兰 31E，下法兰31E上安装有下垫片31G ；ZC支撑轴33的一端安装在观轴座33A上，ZC支撑轴33的另一端顺次穿过观直线轴承305、ZF直线轴承306后安装在ZF轴座3 上JE直线轴承305和ZF直线轴承306置于Z轴配重块33C的S)通孔33D内；第五段钢丝绳321的一端固定在观钢丝绳通孔321B上，第五段钢丝绳321的另一端穿过ZA导轮323后固定在Z轴配重块33C —端的ZA钢丝绳通孔321A上；第六段钢丝绳322的一端固定在ZD钢丝绳通孔322B上，第六段钢丝绳322的另一端穿过观导轮3M后固定在Z轴配重块33C另一端的钢丝绳通孔上。
全文摘要
本发明公开了一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置，该接触刚度生成装置包括有X轴平移组件、Y轴平移组件、Z轴平移转动组件、支撑组件和六维力传感器五部分。X轴平移组件、Y轴平移组件和Z轴平移转动组件通过支撑组件连接形成三自由度机构，六维力传感器安装在支撑组件的下方。在本发明中，XYZ三轴上的零部件采用相同结构设计。本发明装置通过弹簧来模拟力觉交互设备操作时的接触刚度，探查真实物体表面过程中实时的采集探头末端的三维力和图形工具位置、图形工具位姿。本发明装置代替了力交互过程中力觉设备的小刚度。
文档编号G01L1/00GK102410889SQ201110256640
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者宋涛, 王党校, 王治翔 申请人:北京航空航天大学