一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置的制作方法

本发明涉及力触感交互装置领域，特别是涉及一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置。

背景技术：

随着太空探索、远程手术、遥操作机器人的不断发展，人机交互技术得到越来越广泛的应用。传统的人机交互主要依赖于图像与声音进行信息反馈，但这种方式逐渐暴露出其局限性，比如当远地设备与环境发生交互力作用，操作者需要在本地了解其作用状况，从而更加准确有效地进行遥操作时，仅依赖图像与声音信息就显得无能为力。针对这一局限，力触感交互技术作为一种增强操作者临场感的重要手段，日益受到重视，并成为一个新的研究领域。

力触感交互技术主要包括力反馈技术和触觉再现技术。前者具有力反馈功能，使操作者能够感受到远地或虚拟物体对操作者的作用力。后者将远地物体的触觉特征再现给操作者，使操作者产生实际接触远地或虚拟物体的触觉感觉，目前多轴力/力矩传感器普遍比较昂贵，因此申请人考虑采用多个单自由度压力传感器组合测力/力矩的方法这样能够大大降低成本。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，该球形超声电机可以在单个作动器上同时实现多个自由度的驱动效果，将其应用在力触感交互技术中，从而解决了传统装置的体积冗大、控制复杂等问题，以及现有的球形超声电机往往存在不能同步在线调节定转子预压力的问题，从而保证球形转子相对定子的对心调节，为达此目的，本发明提供一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，包括球把手、上部外壳、上平台、连接柱、下平台、测力器、滑块、齿轮安装轴、压力传感器、航姿参考芯片、球形转子、定子、定子支架、扭簧、底座外壳、转台、转台轴、上端轴、联轴器和信号线，所述上部外壳内有上端轴，所述上端轴外侧的槽内安装有压力传感器，所述上端轴的压力传感器等角度绕上端轴转轴一周，所述上部外壳顶端有球把手，所述上端轴下端通过联轴器与转台上端的连接轴相连，所述联轴器为万向联轴器，所述转台下端的连接轴上套有转台轴，所述转台通过转台轴安装在上平台上，所述转台的两个旋转端各安装有一个压力传感器，所述上平台通过连接柱与下平台相连，所述连接柱等角度绕上平台中心线一周，所述上平台与下平台之间有航姿参考芯片，所述下平台安装在球形转子上，所述定子托住球形转子，所述定子等角度绕下平台中心线一周，所述定子通过测力器安装在对应定子支架的端部，所述测力器连有信号线，所述定子支架底部通过转轴安装在对应滑块上，所述定子支架底部的转轴上套有扭簧，所述滑块安装在底座外壳的卡槽上通过底座外壳内有驱动机构沿卡槽移动形成对应的卡盘结构。

本发明的进一步改进，所述底座外壳内驱动结构包括大锥齿轮和小锥齿轮，所述大锥齿轮尾端有平面螺纹，所述大锥齿轮通过平面螺纹安装在底座外壳内，每个滑块对应一个小锥齿轮，所述滑块底部的卡槽卡装在平面螺纹，所述大锥齿轮的齿部与小锥齿轮的齿部相啮合，所述小锥齿轮通过齿轮安装轴安装在底座外壳内，本发明主要通过锥形齿轮组以及平面螺纹渠道对应滑块同向移动。

本发明的进一步改进，所述定子有3个，本发明一般采用三个定子即可达到稳定运动。

本发明的进一步改进，所述上端轴的压力传感器有3个，上方的压力传感器有3个，本发明由5个“压力传感器”构成的三轴力/力矩传感器连接，用于测量人手与该装置的交互力/力矩。

本发明一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，本发明工作过程如下转动“小锥齿轮”，带动大锥齿轮及其上的平面螺纹旋转，使得与平面螺纹配合的3个“滑块”同时向心移动形成相应的卡盘结构用于球形超声电机的同步调心。调节滑块的移动距离，压缩“扭簧”使三个“定子”提供合适的预压力共同夹持“球形转子”，此预压力由“测力器”测出具体大小。“定子”底部贴有压电陶瓷，通过给每个粘贴有压电陶瓷的定子施加高频交变电压，使定子表面产生行波，在预压力的作用下“球形转子”被摩擦驱动。在“球形转子”上部固装有一个微型“航姿参考系统”，其实是一种新型的“惯性传感器”，其集成了三向加速度计、三向陀螺仪以及三向磁力计，可用于检测球形转子的空间运动姿态角。“球形转子”与“球把手”之间通过一个由5个“压力传感器”构成的三轴力/力矩传感器连接，5个“压力传感器”组合在一起实现同时测力和力矩的，用于测量人手与该装置的交互力/力矩,，上面三个压力传感器和下面的两个压力传感器通过万向联轴器相连，万向联轴器起到结构解耦的作用，能保证同时测量力矩和力时候是互不影响的，与现有的力触感交互装置相比具有小型化、结构简单紧凑、响应快等诸多优点，并且成本低廉适合于大规模生产使用。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明分解图；

图3为本发明内部结构示意图；

图4为本发明定子结构部分示意图；

图5为本发明底部驱动结构示意图；

图6为本发明端轴工作部分截面图；

图7为本发明转台轴工作部分截面图；

图8为本发明整体测控系统结构原理图；

图9为本发明三定子驱动球形转子运动的工作原理图；

标号说明：1球把手2上部外壳3上平台4连接柱5下平台6测力器7滑块8齿轮安装轴9压力传感器10航姿参考芯片11球形转子12定子13定子支架14扭簧15底座外壳16转台17转台轴18上端轴19联轴器20小锥齿轮21信号线22平面螺纹23大锥齿轮。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，该球形超声电机可以在单个作动器上同时实现多个自由度的驱动效果，将其应用在力触感交互技术中，从而解决了传统装置的体积冗大、控制复杂等问题，以及现有的球形超声电机往往存在不能同步在线调节定转子预压力的问题，从而保证球形转子相对定子的对心调节。

作为本发明一种实施例，本发明提供一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，包括球把手1、上部外壳2、上平台3、连接柱4、下平台5、测力器6、滑块7、齿轮安装轴8、压力传感器9、航姿参考芯片10、球形转子11、定子12、定子支架13、扭簧14、底座外壳15、转台16、转台轴17、上端轴18、联轴器19和信号线21，所述上部外壳2内有上端轴18，所述上端轴18外侧的槽内安装有压力传感器9，所述上端轴18的压力传感器9等角度绕上端轴18转轴一周，所述上部外壳2顶端有球把手1，所述上端轴18下端通过联轴器19与转台16上端的连接轴相连，所述联轴器19为万向联轴器，所述转台16下端的连接轴上套有转台轴17，所述转台16通过转台轴17安装在上平台3上，所述转台16的两个旋转端各安装有一个压力传感器9，所述上平台3通过连接柱4与下平台5相连，所述连接柱4等角度绕上平台3中心线一周，所述上平台3与下平台5之间有航姿参考芯片10，所述下平台5安装在球形转子11上，所述定子12托住球形转子11，所述定子12等角度绕下平台5中心线一周，所述定子12通过测力器6安装在对应定子支架13的端部，所述测力器6连有信号线21，所述定子支架13底部通过转轴安装在对应滑块7上，所述定子支架13底部的转轴上套有扭簧14，所述滑块7安装在底座外壳15的卡槽上通过底座外壳15内有驱动机构沿卡槽移动形成对应的卡盘结构。

作为本发明一种具体实施例，本发明提供如图1-5所示一种同步调心球形超声电机驱动的力触感交互装置，包括球把手1、上部外壳2、上平台3、连接柱4、下平台5、测力器6、滑块7、齿轮安装轴8、压力传感器9、航姿参考芯片10、球形转子11、定子12、定子支架13、扭簧14、底座外壳15、转台16、转台轴17、上端轴18、联轴器19和信号线21，所述上部外壳2内有上端轴18，所述上端轴18外侧的槽内安装有压力传感器9，所述上端轴的压力传感器有3个，上方的压力传感器有3个，本发明由5个“压力传感器”构成的三轴力/力矩传感器连接，用于测量人手与该装置的交互力/力矩，所述上端轴18的压力传感器9等角度绕上端轴18转轴一周，所述上部外壳2顶端有球把手1，所述上端轴18下端通过联轴器19与转台16上端的连接轴相连，所述联轴器19为万向联轴器，所述转台16下端的连接轴上套有转台轴17，所述转台16通过转台轴17安装在上平台3上，所述转台16的两个旋转端各安装有一个压力传感器9，所述上平台3通过连接柱4与下平台5相连，所述连接柱4等角度绕上平台3中心线一周，所述上平台3与下平台5之间有航姿参考芯片10，所述下平台5安装在球形转子11上，所述定子12托住球形转子11，所述定子有3个，本发明一般采用三个定子即可达到稳定运动，所述定子12等角度绕下平台5中心线一周，所述定子12通过测力器6安装在对应定子支架13的端部，所述测力器6连有信号线21，所述定子支架13底部通过转轴安装在对应滑块7上，所述定子支架13底部的转轴上套有扭簧14，所述滑块7安装在底座外壳15的卡槽上通过底座外壳15内有驱动机构沿卡槽移动形成对应的卡盘结构，所述底座外壳15内驱动结构包括大锥齿轮23和小锥齿轮24，所述大锥齿轮23尾端有平面螺纹22，所述大锥齿轮23通过平面螺纹22安装在底座外壳15内，每个滑块7对应一个小锥齿轮24，所述滑块7底部的卡槽卡装在平面螺纹22，所述大锥齿轮23的齿部与小锥齿轮24的齿部相啮合，所述小锥齿轮24通过齿轮安装轴8安装在底座外壳15内，本发明主要通过锥形齿轮组以及平面螺纹渠道对应滑块同向移动。

本发明工作原理如下如图6-9所示：

人手操作球把手时产生的oxy平面内的交互力可由压力传感器1、2、3测出的力合成，对三个压力传感器合力大小的计算：

f2x＝f2×cos30°,f2y＝f2×cos60°

f3x＝f3×cos30°,f3y＝f3×cos60°

fx＝f3x-f2x-0,fy＝f1-f3y-f2y

在公式中，f1、f2、f3分别是三个压力传感器采集到的力；

f2x、f3x分别是f2、f3在x轴上的分力；

f2y、f3y分别是f2、f3在y轴上的分力；

f是f1、f2、f3通过正交分解得到的合力。

对三个压力传感器合力方向的计算：

若fx＞0,fy＞0,那么合力角度

若fx＜0,fy＞0,那么合力角度

若fx＜0,fy＜0,那么合力角度

若fx＞0,fy＜0,那么合力角度

以x轴正方向为基准，f、fx、fy、θ分别为合力、合力在x轴上的分力、合力在y轴上的分力、合力的角度。

人手操作球把手时产生的绕z轴的交互力矩计算：

因为对转轴进行转动的话，在同一时刻只会有一个压力传感器受力并显示数值。计算公式为：

m1＝f4×l或m2＝f2×l

式中，f4、m1分别为逆时针的力、力矩，f5、m2分别为顺时针方向的力、力矩，l为力到转轴中心的距离

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。