專利名稱：三自由度力覺感知手控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種三自由度的力覺感知手控器的機構(gòu)，尤其是一種應(yīng)用于機器人 控制的人機接口裝置中的通用型異構(gòu)式力覺感知手控器機構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著交互式遙操作機器人的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺反饋作用的人 機接口裝置。數(shù)據(jù)手套和機器人手控器是兩種常見的遙操作機器人的人機接口裝 置，由于數(shù)據(jù)手套無法測量人手臂關(guān)節(jié)的變化，并且缺乏有效的力覺反饋，因此， 機器人手控器是實現(xiàn)遙操作機器人控制的最有效的人機接口裝置，它一方面通過 測量操作者手部的位置信息作為控制指令控制機械手或者虛擬現(xiàn)實中的虛擬機 械手跟蹤人手的運動，另一方面，將機器人反饋回來的力覺和觸覺信息轉(zhuǎn)換成直 接作用于人手的力或力矩，使操作者產(chǎn)生在遠地機器人工作現(xiàn)場或虛擬機器人工 作現(xiàn)場的"身臨其境"的力覺/觸覺臨場感效果，從而實現(xiàn)對機器人帶感覺的控 制，或者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實的觸摸感受。機器人手控器可以分為同構(gòu)式和異 構(gòu)式兩種，現(xiàn)有的手控器大都是同構(gòu)式，同構(gòu)式手控器與遠地機械手具有相同的 結(jié)構(gòu)和自由度，采取關(guān)節(jié)——關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式。機器人同構(gòu)式手控器雖然控制簡 單，但其只能用于特定型號的機器人控制，缺少通用性。因此，通用型的手控器 都采用和機器人結(jié)構(gòu)不同的異構(gòu)方式，現(xiàn)有的異構(gòu)式手控器有筆形操作桿結(jié)構(gòu)、 并聯(lián)結(jié)構(gòu)、串/并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)、 一體化的閉鏈式結(jié)構(gòu)和基于Delta機構(gòu)的異構(gòu)式
手控器。前四種異構(gòu)式手控器的缺點在于存在著無法克服的平動與轉(zhuǎn)動之間的運 動耦合和力的耦合，后一種基于Delta機構(gòu)的異構(gòu)式手控器缺點在于工作空間 小，無法克服重力的影響，并且控制復(fù)雜。
技術(shù)內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種有利于提高測量精度的三自由度力覺感知手 控器，該裝置操作輕便，慣性小，重力自平衡，無重力干擾。
技術(shù)方案 一種三自由度力覺感知手控器，由菱形連桿機構(gòu)組件、手部機構(gòu)、配重、支架、手柄連接件和配重連接件組成。菱形連桿機構(gòu)組件包括第一組菱形連桿機構(gòu)、第二組菱形連桿機構(gòu)和第三組菱形連桿機構(gòu)。第二組菱形連桿機構(gòu)和第三組菱形連桿機構(gòu)相互平行，第一組菱形連桿機構(gòu)與上述第二、三組菱形連桿機構(gòu)垂直。并且，以第二、三組菱形連桿機構(gòu)所在平面或與之平行的平面為xoz坐標平面，以第一組菱形連桿機構(gòu)所在平面或與之平行的平面為X0Y坐標平面，以與X0Z坐標平面及X0Y坐標平面相垂直的平面為Y0Z平面。在第一組菱形連桿機構(gòu)和第二組菱形連桿機構(gòu)上分別設(shè)有圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)，并且第一組菱形連桿機構(gòu)通過圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)與第一力矩反饋電機的輸出軸連接，第二組菱形連桿機構(gòu)通過圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)與第二力矩反饋電機的輸出軸連接，第一力矩反饋電機的基座及第二力矩反饋電機的基座分別與支架連接。在第三組菱形連桿機構(gòu)與支架之間設(shè)有圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)，所述的圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)及圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)處于同一平面內(nèi)且該同一平面與Y0Z平面平行。在菱形連桿機構(gòu)組件中的任一菱形連桿機構(gòu)上設(shè)有第三力矩反饋電機，第三力矩反饋電機的基座與組成菱形連桿機構(gòu)的一根菱形連桿連接，第三力矩反饋電機的輸出軸與組成菱形連桿機構(gòu)的另一根菱形連桿連接，且用于設(shè)置第三力矩反饋電機的菱形連桿機構(gòu)中的兩根菱形連桿相鄰。菱形連桿機構(gòu)組件中的任一菱形連桿機構(gòu)的兩端分別連接有圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)且分別與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)的一端連接。位于菱形連桿機構(gòu)一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與配重連接件的一側(cè)連接，配重連接件的另一側(cè)與配重連接。位于菱形連桿機構(gòu)另一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與手柄連接件的一側(cè)連接，手柄連接件的另一側(cè)與手部機構(gòu)連接。
有益效果(1)本發(fā)明通過三組菱形連桿機構(gòu)來實現(xiàn)三維平動，簡化了機構(gòu)的復(fù)雜程度。本發(fā)明所采用的三組菱形連桿機構(gòu)構(gòu)成了平行杠桿機構(gòu)，三組菱形連桿機構(gòu)的中間處通過萬向節(jié)和力矩反饋電機與支架相連，使得三組菱形連桿機構(gòu)的重心落于支架上，從而，三組菱形連桿機構(gòu)在支架和配重的共同作用下具有重力自平衡的特點，避免了重力對本發(fā)明的影響，有利于測量精度的提高。本發(fā)明的這種技術(shù)方案與力矩反饋電機技術(shù)措施的結(jié)合，使本發(fā)明成為具有力反饋功能的手控器，它能夠避免復(fù)雜的位置測量和力覺再現(xiàn)控制過程中運動之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，提高了測量精度和力覺感知的真實性。(2)本發(fā)明采用菱形連桿機構(gòu)
的技術(shù)方案，通過力矩反饋電機的作用和菱形連桿機構(gòu)中相鄰連桿之間夾角的變化來實現(xiàn)菱形連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動與伸縮，從而實現(xiàn)手部機構(gòu)的運動，同現(xiàn)有的手控
器的機構(gòu)相比具有體積小、工作空間大的優(yōu)點。(3)本發(fā)明所采用的手部機構(gòu)操作方便，輕松的實現(xiàn)了手腕的力矩反饋功能，本發(fā)明在采用了力矩反饋電機的技術(shù)措施后，使本發(fā)明成為力覺感知手控器，而上述結(jié)構(gòu)具有便于控制電機實現(xiàn)力矩反饋的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明菱形連桿機構(gòu)組件實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明第一組菱形連桿機構(gòu)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明第三力矩反饋電機的連接機構(gòu)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明第一力矩反饋電機的連接機構(gòu)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明2維自由度萬向節(jié)的連接機構(gòu)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中"A"標記表示該處固定不動，具體采用與支架相連的連接方式。
具體實施方案
一種三自由度力覺感知手控器，由菱形連桿機構(gòu)組件1、手部機構(gòu)2、配重3、支架4、手柄連接件5和配重連接件6組成。菱形連桿機構(gòu)組件1包括第一組菱形連桿機構(gòu)13、第二組菱形連桿機構(gòu)11和第三組菱形連桿機構(gòu)12。第二組菱形連桿機構(gòu)11和第三組菱形連桿機構(gòu)12相互平行，第一組菱形連桿機構(gòu)13與上述第二、三組菱形連桿機構(gòu)11、 12垂直。并且，以第二、三組菱形連桿機構(gòu)11、12所在平面或與之平行的平面為X0Z坐標平面，以第一組菱形連桿機構(gòu)13所在平面或與之平行的平面為X0Y坐標平面，以與X0Z坐標平面及X0Y坐標平面相垂直的平面為Y0Z平面。在第一組菱形連桿機構(gòu)13和第二組菱形連桿機構(gòu)11上分別設(shè)有圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112。并且第一組菱形連桿機構(gòu)13通過圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132與第一力矩反饋電機131的輸出軸連接，第二組菱形連桿機構(gòu)11通過圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112與第二力矩反饋電機111的輸出軸連接，第一力矩反饋電機131的基座及第二力矩反饋電機lll的基座分別與支架4連接。在第三組菱形連桿機構(gòu)12與支架4之間設(shè)有圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)122。所述的圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112及圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)122處于同一平面內(nèi)且該同一平面與Y0Z平面平行。在菱形連桿機構(gòu)組件1中的任一菱形連桿機構(gòu)上設(shè)有第三力矩反饋電機133，第三力矩反饋電機133的基座與組成菱形連桿機構(gòu)的一根菱形連桿連接，第三力矩反饋電機133的輸出軸與組成菱形連桿機構(gòu)的另一菱形根連桿連接，且用于設(shè)置第三力矩反饋電機133的菱形連桿機構(gòu)中的兩根菱形連桿相鄰。菱形連桿機構(gòu)組件1中的任一菱形連桿機構(gòu)的兩端分別連接有圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)且分別與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)的一端連接。位于菱形連桿機構(gòu)一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與配重連接件6的一側(cè)連接，配重連接件6的另一側(cè)與配重3連接。位于菱形連桿機構(gòu)另一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與手柄連接件5的一側(cè)連接，手柄連接件5的另一側(cè)與手部機構(gòu)2連接。此外，在第一力矩反饋電機131、第二力矩反饋電機lll和第三力矩反饋電機133上分別設(shè)有第一光電編碼盤137、第二光電編碼盤115和第三光電編碼盤138。
下面參照附圖，對本發(fā)明的具體實施方案做出更為詳細的說明-參照圖l，本實施例涉及一種三自由度力覺感知手控器，由菱形連桿機構(gòu)組件l、手部機構(gòu)2、配重3、支架4、手柄連接件5和配重連接件6組成。菱形連桿機構(gòu)組件1包括第一組菱形連桿機構(gòu)13、第二組菱形連桿機構(gòu)11和第三組菱形連桿機構(gòu)12，第二組菱形連桿機構(gòu)11和第三組菱形連桿機構(gòu)12相互平行，第一組菱形連桿機構(gòu)13與上述第二、三組菱形連桿機構(gòu)ll、 12垂直。以第二、三組菱形連桿機構(gòu)ll、 12所在平面或與之平行的平面為X0Z坐標平面，以第一組菱形連桿機構(gòu)13所在平面或與之平行的平面為X0Y坐標平面，以與X0Z坐標平面及X0Y坐標平面相垂直的平面為Y0Z平面。
參照圖2，在第一組菱形連桿機構(gòu)13和第二組菱形連桿機構(gòu)11上分別設(shè)有圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112。并且第一組菱形連桿機構(gòu)13通過圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132與第一力矩反饋電機131的輸出軸連接，第二組菱形連桿機構(gòu)11通過圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112與第二力矩反饋電機111的輸出軸連接，第一力矩反饋電機131的基座及第二力矩反饋電機lll的基座分別與支架4連接。在第三組菱形連桿機構(gòu)12與支架4之間設(shè)有圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)122。所述的圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112及圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)122處于同一平面內(nèi)且該同一平面與YOZ平面平行。在第一力矩反饋電機131、第二力矩反饋電機lll上分別設(shè)有第一光電編碼盤137、第二光電編碼盤115。
參照圖3、圖4、圖5，第一組菱形連桿機構(gòu)13的第一菱形連桿135與第三力矩反饋電機133的基座固定連接，且第一菱形連桿135與第三力矩反饋電機133的輸出軸轉(zhuǎn)動連接。第一菱形連桿135的末端與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)134的"U"形框架相連接。第一組菱形連桿機構(gòu)13的第二菱形連桿139與第三力矩反饋電機133的輸出軸固定連接。第一組菱形連桿機構(gòu)13的圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132與第一組菱形連桿機構(gòu)13的第三菱形連桿1351固定連接，與第一組菱形連桿機構(gòu)13的第四菱形連桿1391轉(zhuǎn)動連接。第一組菱形連桿機構(gòu)13的第一力矩反饋電機131的輸出軸與上述圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132的"U"形框架相連接。第二組菱形連桿機構(gòu)11上所設(shè)置的菱形連桿、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)112和第二力矩反饋電機111之間的連接方式與上述第一組菱形連桿機構(gòu)13上所設(shè)置的菱形連桿、圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)132和第一力矩反饋電機131之間的連接方式相同。
參照圖3、圖6，第一組菱形連桿機構(gòu)13的第五菱形連桿1352和第六菱形連桿1392與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)136的"U"形框架相連接。參照圖6、圖2，菱形連桿機構(gòu)組件1中的任一菱形連桿機構(gòu)的兩端分別連接有圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)且分別與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)的一端連接，且任一菱形連桿機構(gòu)的兩端與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)的連接方式與上述第一組菱形連桿機構(gòu)13的菱形連桿與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)136的連接方式相同，位于菱形連桿機構(gòu)一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與配重連接件6的一側(cè)連接，配重連接件6的另一側(cè)與配重3連接，位于菱形連桿機構(gòu)另一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與手柄連接件5的一側(cè)連接，手柄連接件5的另-一側(cè)與手部機構(gòu)2連接。配重連接件6與配重3可以構(gòu)成整體，即可采用直接在配重上設(shè)一平面并由該平面與萬向節(jié)連接，配重連接件6與配重3也可以采用分體結(jié)構(gòu)，即可采用在配重連接件6上設(shè)一螺桿并將配重3旋在其上。
權(quán)利要求
1、一種三自由度力覺感知手控器，其特征在于由菱形連桿機構(gòu)組件(1)、手部機構(gòu)(2)、配重(3)、支架(4)、手柄連接件(5)和配重連接件(6)組成，菱形連桿機構(gòu)組件(1)包括第一組菱形連桿機構(gòu)(13)、第二組菱形連桿機構(gòu)(11)和第三組菱形連桿機構(gòu)(12)，第二組菱形連桿機構(gòu)(11)和第三組菱形連桿機構(gòu)(12)相互平行，第一組菱形連桿機構(gòu)(13)與上述第二、三組菱形連桿機構(gòu)(11、12)垂直，并且，以第二、三組菱形連桿機構(gòu)(11、12)所在平面或與之平行的平面為XOZ坐標平面，以第一組菱形連桿機構(gòu)(13)所在平面或與之平行的平面為XOY坐標平面，以與XOZ坐標平面及XOY坐標平面相垂直的平面為YOZ平面，在第一組菱形連桿機構(gòu)(13)和第二組菱形連桿機構(gòu)(11)上分別設(shè)有圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(132)、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(112)，并且第一組菱形連桿機構(gòu)(13)通過圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(132)與第一力矩反饋電機(131)的輸出軸連接，第二組菱形連桿機構(gòu)(11)通過圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(112)與第二力矩反饋電機(111)的輸出軸連接，第一力矩反饋電機(131)的基座及第二力矩反饋電機(111)的基座分別與支架(4)連接，在第三組菱形連桿機構(gòu)(12)與支架(4)之間設(shè)有圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)(122)，所述的圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(132)、圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的1維自由度萬向節(jié)(112)及圍繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)(122)處于同一平面內(nèi)且該同一平面與YOZ平面平行，在菱形連桿機構(gòu)組件(1)中的任一菱形連桿機構(gòu)上設(shè)有第三力矩反饋電機(133)，第三力矩反饋電機(133)的基座與組成菱形連桿機構(gòu)的一根菱形連桿連接，第三力矩反饋電機(133)的輸出軸與組成菱形連桿機構(gòu)的另一菱形根連桿連接，且用于設(shè)置第三力矩反饋電機(133)的菱形連桿機構(gòu)中的兩根菱形連桿相鄰，菱形連桿機構(gòu)組件(1)中的任一菱形連桿機構(gòu)的兩端分別連接有圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)且分別與圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的2維自由度萬向節(jié)的一端連接，位于菱形連桿機構(gòu)一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與配重連接件(6)的一側(cè)連接，配重連接件(6)的另一側(cè)與配重(3)連接，位于菱形連桿機構(gòu)另一端的圍繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的3個2維自由度萬向節(jié)的另一端與手柄連接件(5)的一側(cè)連接，手柄連接件(5)的另一側(cè)與手部機構(gòu)(2)連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的三自由度力覺感知手控器，其特征在于在第一力 矩反饋電機(131)、第二力矩反饋電機(111)和第三力矩反饋電機(133)上分 別設(shè)有第一光電編碼盤(137)、第二光電編碼盤(115)和第三光電編碼盤(138)。
全文摘要
一種三自由度力覺感知手控器，由菱形連桿機構(gòu)組件、手部機構(gòu)、配重、支架、手柄連接件和配重連接件組成，菱形連桿機構(gòu)組件包括第一、二、三組菱形連桿機構(gòu)，第二、三組菱形連桿機構(gòu)平行，第一組菱形連桿機構(gòu)與第二、三組菱形連桿機構(gòu)垂直，在第一、二組菱形連桿機構(gòu)上分別設(shè)有萬向節(jié)并通過萬向節(jié)分別與第一、二力矩反饋電機連接，第一、二力矩反饋電機與支架連接，在任一菱形連桿機構(gòu)上設(shè)有第三力矩反饋電機，配重設(shè)在配重連接件上，手部機構(gòu)設(shè)在手柄連接件上，任一菱形連桿機構(gòu)的兩端分別連接有萬向節(jié)且分別與萬向節(jié)的一端連接，位于菱形連桿機構(gòu)一端的萬向節(jié)的另一端與配重連接件連接，位于菱形連桿機構(gòu)另一端的萬向節(jié)的另一端與手柄連接件連接。
文檔編號B25J13/02GK101633169SQ200810022840
公開日2010年1月27日 申請日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者宋愛國, 崔建偉, 李會軍, 胡曉晶, 胡相利 申請人:東南大學(xué)