一种绳传动三自由度遥操作主手的制作方法

本发明涉及遥操作技术领域，尤其涉及一种绳传动三自由度遥操作主手。

背景技术：

力反馈是一种虚拟现实技术，利用机械结构来表现出虚拟场景中的反作用力，通过力反馈技术可以实现远程遥操作，常被应用于远程手术和反恐防爆等领域。凭借高动态响应、高刚度、高精度等优势，并联机构被广泛应用于遥操作主手。然而在一些场景下，例如远程手术，需要在较小的运动范围下，进行精确快速的力反馈控制，现有的遥操作主手采用的并联机构由于每条连杆必须采用金属材料以保证刚性，这种遥操作主手的惯性较大，影响了整个设备的相应速度、操作流畅度，而为了保证在较高的惯性的情况下也能保证控制精度，加工精度要求非常高，进而提高制造成本高，不利于推广和使用。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种绳传动三自由度遥操作主手，用以解决现有遥操作主手惯性较大、成本高昂、不适用于小场景的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明的技术方案中，一种绳传动三自由度遥操作主手，绳传动三自由度遥操作主手包括约束支链、驱动支链和基座；约束支链包括约束连杆和万向块，且约束连杆穿过万向块，并能够在万向块中滑动；万向块与基座形成万向节结构；驱动支链设有至少3组，沿圆周均布阵列在约束支链的周围；驱动支链包括驱动连杆，驱动连杆一端与基座通过绳传动机构铰接，另一端与约束连杆端部的动平台铰接。

本发明的技术方案中，约束连杆的端部与动平台固定连接；约束连杆为方杆，万向块为方块，且万向块的中央设有尺寸与约束连杆截面尺寸相同的方形通孔。

本发明的技术方案中，万向块包括内块和外块；内块和外块均为方形框；内块通过与内块侧面垂直的第一轴与外块转动连接，外块通过与外块侧面垂直的第二轴与基座铰接；第一轴与第二轴互相垂直；约束连杆穿过内块。

本发明的技术方案中，绳传动机构包括：电机、电机座、第一绳轮和第二绳轮；

电机固定安装在电机座上；电机座与基座固定连接；第一绳轮通过绳轮轴与电机座转动连接，且绳轮轴与电机输出轴平行；第一绳轮的外缘与驱动连杆铰接；

第二绳轮与电机的输出轴固定连接；第一绳轮的外缘和第二绳轮的外缘设有钢丝绳，且第二绳轮通过钢丝绳带动第一绳轮转动。

本发明的技术方案中，第一绳轮为半圆轮，绳轮轴固定在第一绳轮的圆心处；第一绳轮的圆周侧面设有内凹的绳槽，直径侧面设有2个紧固机构；

第二绳轮为圆轮，电机与第二绳轮的圆心处固定；第二绳轮的圆周侧面设有内凹的绳槽；

钢丝绳缠绕第二绳轮，并跨过第一绳轮的圆周侧面，且钢丝绳两端分别与紧固机构固定连接。

本发明的技术方案中，电机上设有第一角度传感器，用来测量电机的转角；

绳轮轴上设有第二角度传感器，用来测量绳轮轴转动的角度；

第二角度传感器通过传感器座与电机座固定连接。

本发明的技术方案中，驱动连杆为碳纤维杆，两端均固定安装有转动铰机构；

转动铰机构包括转动轴、固定套和球轴承；固定套一端设有盲孔，驱动连杆的端部插入盲孔中；

固定套另一端设有通孔，通过球轴承与转动轴连接；

第一绳轮的外缘和动平台的外缘均设有能够与转动轴固定连接的轴套。

本发明的技术方案中，第一绳轮靠近电机座的半圆面上设有一体化的限位销轴；

电机座对应限位销轴的位置设有圆弧形的通槽，限位销轴插入通槽中，形成限位结构。

本发明的技术方案中，动平台为正多边形结构，且边数与驱动支链的组数相同；

动平台的轴套设置在动平台的顶点处。

本发明的技术方案中，基座包括第一底盘和的第二底盘；

第一底盘为圆形，驱动支链与第一底盘连接；第一底盘中央设有方形孔，约束支链与方形孔连接；

第二底盘与第一底盘垂直固定连接；第二底盘为圆环或椭圆环或多边形环。

本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明通过约束支链，限制动平台的运动范围，防止动平台移动出目标区域，结合线传动机构中的限位结构，还能防止因运动幅度过大造成整个设备的损坏；

2、本发明在驱动支链的驱动连杆使用了碳纤维杆，通过转动铰机构来实现驱动连杆的转动，而且回避了碳纤维杆不易连接的问题，能够有效的减轻整个设备的质量，减轻在运动过程中的惯性，提高整个设备的响应速度，增加输出力的大小，还不会影响整个设备的刚度和精度，进而降低了生产过程中对零部件的精度要求，降低了生产成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1本发明所述的三自由度绳传动遥操作主手整体装配图；

图2本发明所述的三自由度绳传动遥操作主手驱动支链结正面构图；

图3本发明所述的三自由度绳传动遥操作主手驱动支链结背面构图；

图4本发明所述的三自由度绳传动遥操作主手约束支链结构图；

图5本发明所述的三自由度绳传动遥操作主手基座结构图。

附图标记：

1-驱动支链、101-电机、102-第一角度传感器、103-电机座、104-第二角度传感器、105-传感器座、106-绳轮轴、107-第一绳轮、108-限位销轴、109-转动轴、110-球轴承、111-驱动连杆、112-第二绳轮、113-钢丝绳、114-紧固机构、2-约束支链、201-固定座、202-第二轴、203-外块、204-第一轴、205-内块、206-约束连杆、207-动平台、208-轴套、3-基座、301-第一底盘、302-第二底盘。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

为了能够在充分利用并联结构的高动态响应、高刚度、高精度的优势，同时限制遥操作主手的虚拟运动范围，本发明实施例中，一种绳传动三自由度遥操作主手，包括：约束支链2、驱动支链1和基座3。约束支链2包括约束连杆206和万向块，且约束连杆206穿过万向块，并能够在万向块中滑动；万向块与基座3形成万向节结构；本发明实施例通过约束支链2连限制遥操作主手的运动范围。驱动支链1设有至少3组，优选为3组，过多的驱动支链1虽然能够同样实现本发明实施例的功能，但是增加了控制的难度，而且增加了整体的质量。驱动支链1沿圆周均布阵列在约束支链2的周围，驱动支链1包括驱动连杆111，驱动连杆111一端与基座3通过绳传动机构铰接，另一端与约束连杆206端部的动平台207铰接，形成闭环结构，当驱动支链1设有3组时，3组驱动支链1绕基座3的中心圆周均布，同时使用绳传动机构来带动驱动连杆111转动，进而实现动平台207的移动。

为了能够使动平台207在可移动的空间内自由移动，约束连杆206需要能够随动平台207移动，本发明实施例中，约束连杆206的端部与动平台207固定连接。在实际控制的过程中通常采用笛卡尔坐标系，因此本发明实施例中，约束连杆206为方杆，万向块为方块，且万向块的中央设有尺寸与约束连杆206截面尺寸相同的方形通孔。约束连杆206穿过万向块，形成滑块结构，能够防止万向块影响约束连杆206的运动，避免万向块限制动平台207的运动。

为了能够简化整个结构，本发明实施例中，万向块包括内块205和外块203；内块205和外块203均为方形框；内块205通过与内块205侧面垂直的第一轴204与外块203转动连接，外块203通过与外块203侧面垂直的第二轴202与基座3铰接，第二轴202通过固定座201与基座3连接；第一轴204与第二轴202互相垂直。通过正交的第一轴204和第二轴202，形成正交的万向结构，再使约束连杆206穿过内块205，即可使约束连杆206的姿态能够顺利调整。

为了减轻约束支链2的质量，第一连杆和第二连杆均采用铝合金材料制成同时，设有减重槽，通过合理的结构设计也能够增加本发明所述遥操作主手的机械刚度。

本发明实施例中，绳传动机构包括：电机101、电机座103、第一绳轮107、第二绳轮112；电机101固定安装在电机座103上，示例性的，电机101可以采用直流有刷或直流无刷电机101；电机座103与基座3固定连接；第一绳轮107通过绳轮轴106与电机座103转动连接，且绳轮轴106与电机101输出轴平行；第一绳轮107的外缘与驱动连杆111铰接；第二绳轮112与电机101的输出轴固定连接，示例性的，可以采用粘结或螺钉紧固的形式连接；第一绳轮107的外缘和第二绳轮112的外缘设有钢丝绳113，且第二绳轮112通过钢丝绳113带动第一绳轮107转动。驱动连杆111和第一绳轮107形成了连杆结构，使得绳传动机构能够有效的控制驱动连杆111的转动角度，实际使用时，电机101驱动第二绳轮112转动，第二绳轮112通过钢丝绳113带动第一绳轮107转动，进而带动驱动连杆111转动。此外采用钢丝绳113驱动的形式使得驱动的结构简单，无需过高的要求零部件的加工精度。

为了防止钢丝绳113被过度磨损，本发明实施例中，第一绳轮107为半圆轮，绳轮轴106固定在第一绳轮107的圆心处；第一绳轮107的圆周侧面设有内凹的绳槽，直径侧面设有2个紧固机构114；第二绳轮112为圆轮，电机101与第二绳轮112的圆心处固定；第二绳轮112的圆周侧面设有内凹的绳槽；钢丝绳113缠绕第二绳轮112，并跨过第一绳轮107的圆周侧面，且钢丝绳113两端分别与紧固机构114固定连接。绳槽不仅能够防止钢丝绳113过度磨损，还能防止钢丝绳113打滑，保证控制精度。紧固机构114除了能够固定钢丝绳113之外，还能调节钢丝绳113的张紧程度，防止钢丝绳113打滑或绷断，示例性的可以采用螺钉结构，将钢丝绳113与螺钉固定，通过旋转螺钉的形式来调整钢丝绳113的张紧程度。此外，为了能够降低本发明实施例的整体质量，第一绳轮107的圆周上设有若干减重通孔。

由于本发明实施例需要精确控制，因此需要时刻了解各部分的转动角度，本发明实施例中，电机101上设有第一角度传感器102，用来测量电机101的转角；绳轮轴106上设有第二角度传感器104，用来测量绳轮轴106转动的角度；第二角度传感器104通过传感器座105与电机座103固定连接。通过电机101的转角和绳轮轴106转动的角度即可计算出驱动连杆111的姿态和位置，以便于确定动平台207的姿态和位置。示例性的，第一角度传感器102可采用光电绝对编码器或光电增量编码器或电位计等具有测量角位移的传感器，第二角度传感器104均可采用电位计、磁编码器或绝对光电编码器等能够测量绝对角度的位移传感器。

为了进一步在不降低本发明实施例的结构强度的前提下，降低本发明实施例的质量，本发明实施例中，驱动连杆111为中空的碳纤维杆，两端均固定安装有转动铰机构；转动铰机构包括转动轴109、固定套和球轴承110；固定套一端设有盲孔，驱动连杆111的端部插入盲孔中，并通过粘结或通过销钉结合过盈配合来进行固定；固定套另一端设有通孔，通过球轴承110与转动轴109连接；第一绳轮107的外缘和动平台207的外缘均设有能够与转动轴109固定连接的轴套208。驱动连杆111可以直接采用炭纤维杆的标准件，而且两端的转动铰机构完全相同，可以方便安装，同时球轴承110和转动轴109也都可以采用标准件，因此只需要生产特定的固定套即可实现驱动连杆111的装配，而且装配后的驱动连杆111的两端也不用加以区分，方便了本发明实施例的整理装配。

考虑到当运动平台207的移动幅度过大时，会对整体结构造成损坏，因此需要对驱动连杆111的转动角度进行限位。本发明实施例中，第一绳轮107的靠近电机座103的半圆面上设有一体化的限位销轴108；电机座103对应限位销轴108的位置设有圆弧形的通槽，限位销轴108插入通槽中，形成限位结构。实际设计时可以根据不同的使用场景需求，来调整圆弧形通槽的圆心角角度，进而限制驱动连杆111的转动角度。

为了节省动平台207的用料，本发明实施例中，动平台207为正多边形结构，且边数与驱动支链1的组数相同；动平台207的轴套208设置在动平台207的顶点处。能够使每个驱动连杆111的作用相同，方便驱动算法的均一化，进而削减驱动算法的复杂程度。

本发明实施例在实际使用时，不一定会安装或固定在水平或竖直平面内，因此发明实施例中，基座3包括第一底盘301和的第二底盘302；第一底盘301为圆环形，驱动支链1与第一底盘301连接；约束支链2与第一底盘301的内圈铰接；第二底盘302与第一底盘301垂直固定连接；第二底盘302为圆环或椭圆环或多边形环。实际使用时，可以调整实第一底盘301和的第二底盘302之间的角度，以适应本发明实施例的安装环境。

综上所述，本发明实施例提供了一种绳传动三自由度遥操作主手，本发明通过约束支链2，限制动平台207的运动范围，防止动平台207移动处目标区域，结合线传动机构中的限位结构，还能都防止因运动幅度过大造成整个设备的损坏；本发明在驱动支链1的驱动连杆111使用了碳纤维杆，通过转动铰机构来实现驱动连杆111的转动，而且回避了碳纤维杆不易连接的问题，能够有效的减轻整个设备的质量，减轻在运动过程中的惯性，提高整个设备的响应速度，增加输出力的大小，还不会影响整个设备的刚度和精度，进而降低了生产过程中对零部件的精度要求，降低了生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。