完全解耦的平面二自由度并联机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种实现二自由度平动机构，更确切地说，本实用新型涉及一种 完全解耦的平面二自由度并联机构。
【背景技术】
[0002] 主-从遥操作机器人系统要求操作者能够进行控制指令连续输入，并获得包括力 /触觉在内的反馈信息。作为人机接口设备，力反馈操作装置承担着操作者与遥操作机器人 系统之间运动与力信息的双向传输任务，一度成为遥操作机器人技术发展的瓶颈。在主从 机器人系统中，使用高性能的力反馈操纵装置可提高临场感、作业质量和效率。近年来，有 多种类型的力（触）觉反馈交互装置被研宄开发出来，但被广泛使用的PHANTOM力反馈操 作器的最大控制刚度仅有I. 5N/m左右，难以满足主从机器人系统的要求。
[0003] 吉林大学设计的2自由度解耦操作杆式的操作手柄，由于自身的杆式结构，需要 足够大的运动空间来满足其运动的需要，操作空间狭小将会给其以限制。同时由于自身的 惯量和结构间隙均比较大，在灵活性和精度方面尚存不足。
[0004] 很多学者将Microsoft和Logitech公司设计的用于大型飞行游戏的电控手柄 用于遥操作领域。周波等在文献《用DirectInput实现无线遥控挖掘机器人运动操纵和 力反馈》中将DirectInput技术和力反馈操纵手柄（SideWinder Force Feedback Pro Joystick)应用于无线遥控液压挖掘机器人，实现挖掘过程中机器人运动操作和挖掘阻力 反馈；刘玉芹等在文献《基于网络的力觉临场感的实现》中利用"弹簧-阻尼器"系统模型 来描述力，并将其映射到游戏杆上，变成操纵方向的约束力。通过采用微软公司的带有力反 馈的操纵杆作为力觉提示装置控制移动机器人小车在非结构化环境下顺利运行，验证了力 反馈描述方法的有效性；其他高校和科研单位也有类似研宄，他们所使用的全是有变化规 律的模拟力，而现实中无规律变化的力会出现的更多，但是这种无规律的力在力模拟系统 里尚无任何表述，也就无法在无规律变化情况下使用该类操作杆来充当遥操作的主手。
[0005] 目前，遥操作主手多是采用并联机构以保证运动精度，但是转动自由度在逆解求 解过程中，会出现多解的情况，需要我们做进一步的解耦，无形中增加了运算时间，造成了 时延问题在普通遥操作领域普遍存在的现状；同时由于操作杆自身尺寸和惯量较大，力反 馈不够准确，以及操作杆属于空间操作，对力反馈会产生不利影响等因素，需要设计一款机 构来实现操作空间狭小，自身尺寸惯量小，响应速度快的操作手柄。
【发明内容】
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术存在的运动空间需求较大，自身 惯量和结构间隙均较大，响应速度较慢的问题，提供了一种完全解耦的平面二自由度并联 机构。
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的完全解耦 的平面二自由度并联机构包括固定平台、矮滑块、高滑块、长连杆、短连杆与手柄.
[0008] 矮滑块安装在固定平台上为滑动连接，高滑块安装在固定平台上为滑动连接，手 柄位于长连杆与短连杆之间并悬于固定平台之上，短连杆的右端与矮滑块转动连接，短连 杆的左端与手柄转动连接，长连杆的左端与高滑块转动连接，长连杆的右端与手柄转动连 接。
[0009] 技术方案中所述的矮滑块安装在固定平台上为滑动连接是指：矮滑块安装在固定 平台上的竖向滑块槽内为滑动连接；高滑块安装在固定平台上为滑动连接是指：高滑块安 装在固定平台上的横向滑块槽内为滑动连接。
[0010] 技术方案中所述的短连杆的短连杆右孔与矮滑块上的矮滑块螺栓配合套装为转 动连接，短连杆的短连杆左孔与手柄上的螺杆的光杆部分配合套装为转动连接；长连杆上 的长连杆左孔与高滑块上的高滑块螺栓配合套装为转动连接，长连杆上的长连杆右孔与手 柄上的螺杆的光杆部分配合套装为转动连接，长连杆的右端与短连杆的左端为上下叠置。 [0011] 技术方案中所述的固定平台为圆盘形结构件，固定平台的顶端设置有安装矮滑块 的T形的竖向滑块槽和安装高滑块的T形的横向滑块槽，竖向滑块槽和横向滑块槽在圆盘 形的固定平台上沿直径方向贯穿布置，竖向滑块槽和横向滑块槽垂直相交，同时将竖向滑 块槽和横向滑块槽相交结合处的4个直角均做2X45°的倒角处理。
[0012] 技术方案中所述的矮滑块与高滑块横截面为"凸"字形的结构件，皆由螺栓与底座 组成，即矮滑块与高滑块的上表面的中心分别设置有一个矮滑块螺栓与高滑块螺栓，矮滑 块螺栓与高滑块螺栓顶端设置有螺纹，矮滑块螺栓与高滑块螺栓其它部分为矮滑块螺栓光 杆部分与高滑块螺栓光杆部分，矮滑块螺栓光杆部分与高滑块螺栓光杆部分的底端和矮滑 块底座与高滑块底座的上表面固定连接或连成一体。
[0013] 技术方案中所述的长连杆与短连杆为矩形横截面的等截面杆类结构件，长连杆与 短连杆的两端均设置有相同直径的螺栓通孔，两端的螺栓通孔的回转轴相互平行，长连杆 与短连杆的有效长度即两端的螺栓通孔的孔距不同；长连杆两端的螺栓通孔分别称为与高 滑块的高滑块螺栓光杆部分配装的长连杆左孔和与手柄中螺杆配装的长连杆右孔，短连杆 的两端的螺栓通孔分别称为与手柄中螺杆配装的短连杆左孔和与矮滑块的矮滑块螺栓光 杆部分配装的短连杆右孔。
[0014] 技术方案中所述的长连杆与短连杆和矮滑块、高滑块、竖向滑块槽与横向滑块槽 的结构尺寸要满足如下条件：
[0015] (0. 5^+0. 5L5)2+(0. 5^+0. 5L5+L7)2= L62
[0016] L3+L2 = L 4
[0017] 式中=L1为矮滑块和高滑块的底座上部分的宽度山2为长连杆和短连杆的厚度山 3 为矮滑块的高度；1^4为高滑块的高度；L5为矮滑块和高滑块的长度；L6为长连杆的两端孔的 中心距；L 7为短连杆两端孔的中心距。
[0018] 技术方案中所述的手柄由底盘、螺杆与球柄组成。所述的底盘为圆盘类结构件，底 盘的圆心处设置有一个螺纹孔；螺杆为两端设置有螺纹的圆柱形直杆，螺杆的中间段为光 杆；球柄由球头体与六棱柱体上下叠置固连成一体，球头回转轴线与六棱主体的纵向对称 线共线，在六棱柱体纵向对称线上由下至上设置有螺纹盲孔；螺杆的上端即上螺杆段与球 柄上的螺纹盲孔配装为固定连接，螺杆的下端即下螺杆段与底盘螺纹固定连接。
[0019] 与现有技术相比本实用新型的有益效果是：
[0020] 1.本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构中标注为6的手柄不仅 能实现平面两自由度平动形式的运动输入还能实现平面两自由度的输出，利于力反馈实现 和人工交互；
[0021] 2.本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的结构简单、机构关节 少、运动副均为低副，机构自身惯量和电机转动惯性力均较小，并且制造和安装方便，成本 较低；
[0022] 3.本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构适于运用在操作空间狭 小的遥操作控制领域，节省空间；
[0023] 4.本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构的纯平动自由度在机器 人逆解求解时，只有唯一解，解算速度快，实时性好。
[0024] 综上，本实用新型具有较高的实用价值和广阔的应用前景，为并联机器人、数控机 床、坐标测量机、遥操作等技术领域提供一种新的结构。
【附图说明】
[0025] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
[0026] 图1为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构结构组成的轴测投 影图；
[0027] 图2为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的固定平台 的轴测投影图；
[0028] 图3为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的矮滑块的 轴测投影图；
[0029] 图4为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的高滑块的 轴测投影图；
[0030] 图5为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的长连杆的 轴测投影图；
[0031] 图6为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的短连杆的 轴测投影图；
[0032] 图7为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的手柄的轴 测投影图；
[0033] 图8为本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构所采用的连杆尺寸 确定图；
[0034] 图中：1.固定平台，2.矮滑块，3.高滑块，4.长连杆，5.短连杆，6.手柄，7.竖向 滑块槽，8.横向滑块槽，9.长连杆左孔，10.长连杆右孔，11.短连杆左孔，12.短连杆右孔
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本实用新型作详细的描述：
[0036] 参阅图1，本实用新型所述的完全解耦的平面二自由度并联机构由固定平台1、矮 滑块2、高滑块3、长连杆4、短连杆5与手柄6组成。
[0037] 矮滑块2安装在固定平台1上为滑动连接，高滑块3安装在固定平台1上为滑动连 接，手柄6位于长连杆4与短连杆5之间，并悬于固定平台1之上；短