一种三维平动力反馈设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维平动力反馈设备，它是基于改进型delta机构的阻抗控制模 式的力反馈设备，属于机器人技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的力觉交互设备都应用于自由空间下，设备的结构参数可根据性能参数的需 要进行设计调整，直至满足性能需求为止。目前，力反馈设备已广泛应用于太空、海底等特 殊环境下，此时力反馈设备的尺寸参数由于使用场地的限制，则受到空间、质量等结构参数 的约束。设计出适应于一定空间尺寸、质量约束并且能使各项性能参数达到最优的力反馈 设备成为需要解决的问题。
【发明内容】
[0003] 1、目的：本发明的目的在于提供一种三维平动力反馈设备，这种力反馈设备采用 改进型delta机构作为机械构型，内部结构紧凑，机构杆长参数最优，在空间尺寸和质量约 束的前提下，实现工作空间大、虚拟刚度高，位置分辨率高、反向驱动性能好、各向同性度好 等良好的设备性能。
[0004] 2、技术方案:本发明通过以下技术方案实现。
[0005] 本发明一种三维平动力反馈设备。该三维平动力反馈设备包括机械系统和控制系 统两大部分。控制系统控制机械系统各个构件的运动。
[0006] 所述的机械系统由机械本体（1)和外壳及限位装置(2)组成。该力反馈设备的机械 本体(1)安装于外壳及限位装置(2)内部，通过底座(301)上的安装孔固连，外壳及限位装置 (2)实现对机械本体(1)的保护和限位作用。
[0007] 所述力反馈设备的机械本体（1)包含以下几个功能组件:基座组件(3)、绳传动组 件(4)、连杆组件(5)和动平台操纵杆组件(6)。它们相互之间的连接关系是:基座组件(3)通 过螺纹连接安装于外壳及限位装置（2)上，绳传动组件（4)安装于基座组件（3)的支撑架 (303)上，连杆组件(5)与绳传动组件(4)通过主动杆(413)相连，三条支链的连杆组件(5)均 与动平台操纵杆组件(6)相连，形成并联机构构型。
[0008] 所述基座组件（3)包含一个底座（301)和三个支撑架（303)。它们之间的连接关系 是:三个支撑架(303)分别通过止口配合和三个定位销(302)精确定位于底座(301)上，底座 (301)与动平台操纵杆组件(6)固连。三个支撑架(303)相对于底座(301)的中心圆孔呈120° 对称分布，定位精度通过定位销（302)保证。底座（301)为一个六边形的基座平台，底座 (301)上有安装孔和定位孔，支撑架（303)用来安装直流电机(412)和绳传动组件(4 )，起到 支撑作用，是主要的承力结构，因此加工有直流电机(412)的安装孔和安装大绳轮(403)的 轴承孔以及为轴承端盖(410)的安装孔。
[0009] 所述绳传动组件(4)由小绳轮(401)、钢丝绳(402)、大绳轮(403)、主动杆(413)、预 紧螺纹轴(404)、碟簧(406)和预紧螺母(405)构成。绳传动组件(4)是机械系统中很重要的 一个部分，传递直流电机(412)输出的动力和运动的关键组件。它们之间的连接关系是:大 绳轮(403)与小绳轮（401)通过钢丝绳（402)连接，主动杆(413)、预紧螺纹轴（404)、碟簧 (406)和预紧螺母(405)均安装于大绳轮(403)上。小绳轮(401)上有两个顶丝孔(417)、两个 穿绳孔（416)和若干圈绳槽(418)，小绳轮（401)固连到直流电机(412)输出轴上。小绳轮 (401)的绳槽(418)呈半圆形，绳槽(418)呈螺旋状分布，一条钢丝绳(402)的两端从两个穿 绳孔(416)穿出并在绳槽(418)内双向缠绕后交叉，再缠绕到大绳轮(403)上，形成"8"字缠 绕的形式。大绳轮(403)与其转轴采用一体化结构，只有一个较宽的凹槽结构，可布下两根 钢丝绳(402)且互不干涉，大绳轮(403)的轴从它的中心伸出。钢丝绳(402)是购买的成品， 较为柔顺，它的两端则带着一定的初始预紧力分别被系在两个预紧螺纹轴(404)轴端上，与 两个螺纹轴(404)固连在一起。安装的初始预紧力往往达不到精密传动的要求，还需要调节 预紧螺母(405)压缩多组碟簧(406)产生所需的预紧力。
[0010] 所述绳传动组件（4)安装于支撑架（303)上，通过合理的轴系结构实现支撑和连 接。支撑架(303)轴承孔内安装两个一号深沟球轴承(407)，大绳轮(403)的轴与一号深沟球 轴承(407)的内圈配合，一号深沟球轴承(407)的内圈轴向一端采用轴肩结构定位，另一端 采用轴向间隙调节螺母(408)固定。一号深沟球轴承(407)的外圈定位一端靠支撑架(303) 上的凸台定位，另一端采用轴承端盖(410)实现定位。轴承端盖(410)安装于支撑架（303) 上，并预留有安装轴端编码器(409)的机械接口，轴端编码器(409)与大绳轮(403)的轴端相 连，可直接测得大绳轮(403)的转角信息。直流电机(412)则直接安装于支撑架(303)上，直 流电机(412)尾部安装电机端编码器(411)。直流电机(412)为24V直流有刷电机，电机端编 码器(411)采用的是旋转式角位移传感器。主动杆(413)与大绳轮(403)通过止口配合和定 位销(414)实现间距的精确定位，再通过压紧螺钉(415)将两者固连，形成刚性结构，绳传动 组件(4)通过主动杆(413)与连杆组件(5)相连，传递动力和运动。
[0011] 所述连杆组件(5)是该设备采用的delta机构的各个支链的重要部分，它由主从连 接杆(501)、弹簧(503)、弹性卡圈（504)、销轴(505)、从动杆(508)、二号深沟球轴承(502)、 三号深沟球轴承（506)和压紧螺母（507)组成。它们相互之间的连接关系是：主从连接杆 (501) 和从动杆(508)均为连杆，两根主从连接杆(501)与两根从动杆(508)分别首尾通过转 动副相连形成平行四边形的连杆组件(5)，四个转动副的结构完全相同，由销轴(505)、两个 三号深沟球轴承（506)和压紧螺母（507)连接而成，轴向定位依靠压紧螺母（507)。从动杆 (508)中间部分为方形，而主从连接杆(501)中间部分为圆形，圆形表面跟二号深沟球轴承 (502) 配合，形成转动副，这种转动副在连杆组件（5)中也有两处，一处是连接绳传动组件 (4)与连杆组件(5)，另一处是连接连杆组件(5)与动平台操纵杆组件(6)。这个转动副的轴 向定位依靠弹性卡圈（504)卡住，抵挡住弹簧（503)，另一端为轴肩结构，从而通过弹簧 (503) 的压缩产生足够的轴向压紧力，实现二号深沟球轴承(502)的轴向定位，弹簧(503)、 二号深沟球轴承（502)、三号深沟球轴承(506)、弹性卡圈（504)和压紧螺母(507)均为标准 件。
[0012] 所述动平台操纵杆组件(6)与连杆组件(5)通过转动副连接，属于运动和力传递的 末端，动平台操纵杆组件(6)是由动平台（601)、压紧片(602)和操纵杆(603)组成。它们相互 之间的连接关系是:动平台（601)是一个三瓣型对称的零件，伸出的三瓣与三条支链的连杆 组件（5)相连，其中心预留有半圆形的立槽结构，操纵杆(603)为圆形碳纤维杆，将操纵杆 (603)置于槽中，压紧片（602)是与半圆形立槽结构配合形成整圆的压紧零件，通过螺纹连 接拧紧压紧片(602)从而抱死操纵杆(603)，实现操纵杆(603)与动平台（601)的固定连接。
[0013] 外壳及限位装置⑵由外壳(201)、限位框(202)、限位杆(203)组成。它们相互之间 的关系是：外壳（201)是由六块平板用螺纹连接成为的一个长方体外壳，外壳及限位装置 (2)上预留有控制系统的接口和操作杆(603)的窗口，限位框（202)安装于外壳（201)的顶 部，限位框(202)为正方体框架，限位杆(203)与操纵杆(603)固连，限位杆(203)被限位框限 制在正方形的区域内三维移动，从而实现对该设备正方体工作空间的限制。
[0014] 所述的控制系统是由上位机(PC)、控制卡、驱动器三个部分组成。它们相互之间的 关系是:上位机与控制卡相连，控制卡再与驱动器相连，驱动器则产生驱动电流，驱动直流 电机工作(412)。
[0015] 所述控制系统中的上位机(PC)是一个主要用来读取传感器信息和完成运动和力 计算的软件，实现计算出直流电机(412)的输出力矩，各路信号的汇总，以及图形界面交互 等功能。所述控制卡是一个普通的控制板，它的作用是分别与上位机和手柄进行数据的通 讯，直接读取设备上的反馈的数据、给出直流电机(412)的驱动信号、完成与上位机的数据 交换。控制卡包括STM32嵌入式微处理器、DAC数模转换模块、I/O接口、以太网通讯模块等。 控制卡与上位机通过以太网进行通讯。所述驱动器是Copley公司的成品驱动器，它的的作 用是对直流电机(412)进行转矩控制。该力反馈设备控制系统选用直流有刷电机的伺服驱 动器，可以与设备所选用的直流电机(412)很好的匹配，通过直流电机(412)输出轴与小绳 轮(401)连接，则实现控制系统与机械本体(1)的连接，向操作端输出有规律的反馈力。
[0016] 3.相比现有技术，本发明有以下优点及功效：
[0017] 1)本发明通过合理的机械设计，充分利用空间，内部结构紧凑，外形尺寸符合空间 约束，实现约束前提下最大的灵活工作空间。