两自由度力觉交互设备的制作方法

文档序号:6320743阅读:253来源:国知局

专利名称::两自由度力觉交互设备的制作方法
技术领域
:本发明涉及一种两自由度力觉交互设备,具体的说是一种方向控制器。技术背景日常生活中人们去操纵各种机械设备时,会用到许多各种各样的控制器,最常见的要数开关和按钮。除此之外驾驶汽车时要用到方向盘,驾驶轮船会用到舵盘,驾驶飞机时则要用到驾驶杆,操纵工程机械时会用到操纵杆。这些方向控制器均为一自由度或二自由度机构,然后通过机械传动或液压传动将控制信号传递给转向机构,从而改变方向。由于机械和液压传动的滞后以及控制的精确度不高,某些方向控制器在没有助力的情况下操纵困难,方向控制器的信号传递方式逐渐地被电气传动取代,但传统的电气传动只是单方向将控制信号传递给执行机构,却无法将执行机构所处状态反馈到操纵端,提供给操纵者,以便作出正确的操作。随着机械和电子技术、计算机技术的发展,各种学科交叉融合,形成了许多新兴技术。人机交互技术就是其中之一。人机交互技术主要研究如何更好地实现人与机器的交流沟通。引入人机交互技术,将机械、液压传动和电气传动的优点结合起来,不仅可以将操纵者的操作转化为电信号输出给转向机构,而且同时可以将执行机构的状态信号转化为力觉信号传递给操作者,帮助操作者更好的完成方向控制。
发明内容本发明的目的是提供一种两自由度力觉交互设备,能够模拟真实环境下操纵机械设备的感受,同时输出操作者的控制信号。本发明一种两自由度力觉交互设备,包括水平转动关节和竖直转动关节两部分;该竖直转动关节,包括—基座,包括一底板及分别固定在底板两端的卡具,该卡具均是由U形零件与大螺钉螺纹配合构成;—竖直实心轴,穿过底板上的圆孔,与底板固连;在竖直实心轴的顶端和下部各套有一个深沟球轴承;所述的深沟球轴承的内圈与竖直实心轴间采用过渡配合;该竖直实心轴的顶端面上固定有一挡片,以顶住深沟球轴承内圈端面,防止其上下窜动。—竖直空心轴,其两端的凹槽分别与所述深沟球轴承的外圈过渡配合;—直流电机,其上端的轴穿过底板的通孔,并竖直固定在底板上,该直流电机的末端通过一法兰及一弹性联轴器与一旋转编码器相连,使直流电机转轴和旋转编码器转轴可同步转动。—减速机构,包括一大传动轮及一小传动轮,该小传动轮,固定在直流电机上端的轴上,该大传动轮与竖直空心轴固连,并通过钢丝绳与小传动轮传动;另外,在大传动轮上对应于底板凹槽位置的螺纹孔中拧入一颗定位螺钉,便可与底板组成限位。3该水平转动关节,包括—支撑板,通过其上的通孔与竖直转动关节中的竖直空心轴连接。两支架,即一左支架、一右支架,分别固定于支撑板的左右两侧;两支架上的通孔内安放有一个深沟球轴承,并于两支架的外侧对应该深沟球轴承的端面处各固定一端盖。—水平空心轴,以过渡配合套入深沟球轴承的内圈,并以轴肩顶住深沟球轴承的一侧端面从而定位。—减速机构,包括一大传动轮及一小传动轮,该大传动轮与水平空心轴固连,两操作手柄,分别固定在水平空心轴两端,它们结构相同,均由手柄盒及手柄盖组成,手柄盒内有凹槽,盖上手柄盖后便形成空腔,该两操作手柄内的空腔与水平空心轴的空腔相通;其中,操作手柄上各开有两个方孔和一个圆孔分别用来安放两个按键开关和一个光电开关,开关引线便可通过空腔穿入水平空心轴内,然后从水平空心轴中部穿出,接入控制系统。—直流电机,通过电机支架水平安装在支撑板上,减速机构中的小传动轮固定在电机前轴上,电机后轴通过一法兰及一弹性联轴器与一旋转编码器相连。另外水平空心轴上对应右支架切口位置的螺纹孔中拧入一颗定位螺钉,便可与右支架组成限位。本发明一种两自由度专用力觉交互设备,其优点及功效在于该设备结构简单,不仅可以将操作者的控制信号精确检测到并传递给执行机构,同时可以将执行机构的反馈信号精确地传递给操纵者。图1是交互设备的的系统结构图,图2是交互设备另一个角度的结构图;图3是竖直转动关节的系统结构图,图4是竖直转动关节的爆炸视图;图5是水平转动关节的系统结构图,图6是水平转动关节的爆炸视图;图7是电机部分的结构图;图8是手柄部分的结构图,图9是竖直空心轴的结构图;图IO是右支架的结构图。<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明是一种两自由度力觉交互设备,它能接收操纵者发出的控制信息并转化为机器所能识别的电信号,同时输出操纵者能够感知的力觉信息。本力觉交互设备可看做一串联式两自由度机器人,但与普通机器人机构所不同的是,力觉交互设备具有反向驱动性能,即可以把操作手柄作为机器人的末端执行器,根据上层控制系统发出的指令作出相应动作。也可以把操作手柄作为控制系统的输入端,输入控制指令,从而使控制系统根据指令工作。本力觉交互设备由水平转动关节和竖直转动关节两部分组成。水平转动关节分为固定部件和活动部件。固定部件即交互设备的基座。固定部件的主体是安放在工作台上的底板A01,两个U形零件A02和A03分别与两个大螺钉A04和A05通过螺纹配合构成两个卡具,两套卡具分别用四个螺钉连接在底板AOl上。当两套卡具上的大螺钉A04和A05旋入,顶住工作台的下表面,卡具就牢牢地夹住了工作台,使固定部件稳稳地固定在工作台上。竖直实心轴A06穿过底板AOl上的圆孔AOl-l,然后用四个螺钉固定在底板AOl上,在竖直实心轴A06的顶端和下部各套有一个深沟球轴承A07和A08。深沟球轴承A07内圈的下端面顶在竖直实心轴A06的轴肩A06-l上。深沟球轴承A07和A08的内圈与竖直实心轴A06间均采用过渡配合。最后将挡片A09固定在竖直实心轴A06的上端面,顶住深沟球轴承A08的内圈端面,以防止深沟球轴承的上下窜动。而深沟球轴承A07和A08的外圈则分别采用过渡配合安放在竖直空心轴A10两端的凹槽A10-l和A10-2内。减速机构1中的大传动轮A11从竖直空心轴A10下端套入,并用两颗螺钉将二者连为一体。从而,竖直空心轴A10和减速机构1中的大传动轮All组成的活动部件便可绕竖直实心轴转动。驱动竖直转动关节的直流电机A12也通过通孔A01-2定位于底板A01上,并用六颗螺钉锁死,竖直安装在底板AOl上。直流电机A12的后端安装有旋转编码器A13,二者用法兰A14连接。法兰A14的一个端面与直流电机后端贴合,用四颗螺钉固定,另一端面通过通孔A14-l将旋转编码器A13定位于其上,并用螺钉连接。直流电机A12的后轴和旋转编码器A13的转轴分别套在弹性联轴器A15的两端。这样直流电机转轴和旋转编码器转轴便可同步转动。小传动轮A16套在直流电机前轴上,并用两颗顶丝固定在电机转轴上。小传动轮A16通过两根钢丝绳将动力传递给大传动轮。钢丝绳的一端顺着小传动轮A16上的螺旋槽A16-1缠绕于其上,然后穿过小孔A16-2,打结。另一端则缠绕在大传动轮All的光槽上,并穿过小孔All-2,通过人工张紧,然后用螺钉固定住。同理另一根钢丝绳也将大小传动轮A11和A16连接起来。这样就组成了竖直转动关节的减速机构。大传动轮All与竖直空心轴A10固连,从而直流电机A12的输出力矩经过减速机构放大,然后驱动活动部件转动,同时活动部件的转角也可根据电机后轴端的旋转编码器读数计算得出。另外在大传动轮All上螺纹孔A11-1中拧入一颗定位螺钉A17,便可与固定部分中底板的对应位置凹槽A01-3组成限位。水平转动关节同样由固定部件和活动部件两部分组成。支撑板BOl通过其上的通孔B01-l套在竖直转动关节中的竖直空心轴AIO上,并用四个螺钉连接在竖直空心轴AIO上。左支架B02的底面与支撑板B01的上表面贴合,并用螺钉固定在支撑板B01上。同理右支架B03也固定在支撑板B01上。左右支架B02和B03上的通孔B02-l和B03-l内各安放有一个深沟球轴承B04和B05。在左支架B02的外侧盖上左端盖B06,顶住轴承B04的一侧端面,用螺钉将左端盖B06和左支架B02连为一体。在右支架B03的外侧盖上右端盖B07,顶住轴承B05的一侧端面,用螺钉将右端盖B07和右支架B03连为一体。水平空心轴B08以过渡配合套入深沟球轴承B04和B05的内圈,并以轴肩B08-l和B08-2顶住轴承B04和B05—侧端面从而定位。减速机构2中的大传动轮B09套在水平空心轴B08上用螺钉固定住。左右操作手柄分别套在水平空心轴B08两端,并用两个顶丝固定在轴B08上。左操作手柄由两个零件组成,左手柄盒B10和左手柄盖B11,左手柄盒B10内有凹槽B10-1,盖上左手柄盖B11后便形成空腔。右操作手柄也由两个零件组成,右手柄盒6B12和右手柄盖B13,右手柄盒B12内有凹槽B12-1,盖上右手柄盖B13后便形成空腔。左手柄内空腔与水平空心轴B08空腔相通,手柄上开有两个方孔和一个圆孔分别用来安放两个按键开关B14、B15和一个光电开关B16,开关引线便可通过空腔穿入水平空心轴B08内,然后从水平空心轴B08中部穿出,接入控制系统。同理右手柄上也安放有两个按键开关B17、B18和一个光电开关B19。驱动水平转动关节的直流电机B20通过电机支架B21水平安装在支撑板B01上。电机支架B21通过通孔B21-l将直流电机B20定位在支架B21上,并用螺钉固定。电机支架B21底面与支撑板B01上表面贴合也用螺钉固定。同样直流电机B20前轴上装有减速机构2中的小传动轮B22,后端通过法兰B23连接有旋转编码器B24,并以弹性联轴器B25连接直流电机后轴和旋转编码器转轴。法兰B23上有开槽B23-1,以便紧固弹性连轴器B25上的螺钉。直流电机转轴上的小传动轮B22通过两根钢丝绳将转矩传递到大传动轮B09上。钢丝绳一端顺着小传动轮B22上的螺旋槽B22-l缠绕在小传动轮上,并穿过小孔B22-2,打结锁死在其上。另一端缠绕在大传动轮B09外缘,穿过小孔,经过人工张紧后,用螺钉顶住,以防松动,从而固定在大传动轮B23上。同理另一根钢丝绳也将大小传动轮B22和B09连接起来。从而组成了减速机构2。直流电机B20通过减速机构2驱动水平转轴和手柄转动,同时水平转轴的转角也可由直流电机后轴端的旋转编码器B24读数经转化得出。另外水平空心轴B08上的螺纹孔中拧入一颗定位螺钉B26可与右支架B03上的切口B03-2组成限位。至此,水平转动关节与竖直转动关节的活动部件固连,从而串联在竖直转动关节上,操作手柄绕水平轴转动,并随水平转动关节绕竖直转轴相对基座转动,实现两个自由度的运动。权利要求一种两自由度力觉交互设备,包括水平转动关节和竖直转动关节两部分;其特征在于该竖直转动关节,包括一基座,包括一底板及分别固定在底板两端的卡具;一竖直实心轴,穿过底板上的圆孔,与底板固连;在竖直实心轴的顶端和下部各套有一个深沟球轴承;该竖直实心轴的顶端面上固定有一挡片,以顶住深沟球轴承内圈端面,防止其上下窜动;一竖直空心轴,其两端的凹槽分别与所述深沟球轴承的外圈过渡配合;一直流电机,其上端的轴穿过底板的通孔,并竖直固定在底板上,该直流电机的末端通过一法兰及一弹性联轴器与一旋转编码器相连,使直流电机转轴和旋转编码器转轴可同步转动;一减速机构,包括一大传动轮及一小传动轮,该小传动轮,固定在直流电机上端的轴上,该大传动轮与竖直空心轴固连,并通过钢丝绳与小传动轮传动;该水平转动关节,包括一支撑板,通过其上的通孔与竖直转动关节中的竖直空心轴连接;两支架,即一左支架、一右支架,分别固定于支撑板的左右两侧;两支架上的通孔内各安放有一个深沟球轴承,并于两支架的外侧对应该深沟球轴承的端面处各固定一端盖;一水平空心轴,以过渡配合套入深沟球轴承的内圈,并以轴肩顶住深沟球轴承的一侧端面从而定位;一减速机构,包括一大传动轮及一小传动轮,该大传动轮与水平空心轴固连;两操作手柄,分别固定在水平空心轴两端,其中,操作手柄上各开有两个方孔和一个圆孔分别用来安放两个按键开关和一个光电开关,开关引线接入外部的控制系统;一直流电机,通过电机支架水平安装在支撑板上,减速机构中的小传动轮固定在电机前轴上,电机后轴通过一法兰及一弹性联轴器与一旋转编码器相连。2.根据权利要求1所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于该卡具均是由U形零件与大螺钉螺纹配合构成。3.根据权利要求1所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于该竖直转动关节的深沟球轴承的内圈与竖直实心轴间采用过渡配合。4.根据权利要求1所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于在该竖直转动关节的大传动轮上对应于底板凹槽位置的螺纹孔中拧入一颗定位螺钉,便可与底板组成限位。5.根据权利要求1所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于所述的两操作手柄结构相同,均由手柄盒及手柄盖组成,手柄盒内有凹槽,盖上手柄盖后便形成空腔。6.根据权利要求5所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于所述的两操作手柄内的空腔与水平空心轴的空腔相通。7.根据权利要求1所述的两自由度力觉交互设备,其特征在于该水平空心轴上对应右支架切口位置的螺纹孔中拧入一颗定位螺钉,便可与右支架组成限位。全文摘要一种两自由度力觉交互设备,主要结构是操作手柄安装在转轴上,转轴与钢丝绳减速机构相连,钢丝绳减速机构另一端与直流电机相连,直流电机的转轴与旋转编码器相连,操作手柄上还安装有按键开关和光电开关。控制系统既可以通过直流电机向操作手柄输出力,从而被人所感知,也可以通过旋转编码器检测人操作手柄转动的角度,还可以通过按键开关和光电开关接收人的控制指令。文档编号G05G9/047GK101719002SQ200910237798公开日2010年6月2日申请日期2009年11月19日优先权日2009年11月19日发明者刘冠阳,卢可可,周墨渊,张玉茹,郭卫东申请人:北京航空航天大学
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