专利名称：三自由度力觉交互装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有三个自由度的能准确模拟虚拟环境中物体之间接触力大小和方向的力觉交互装置。
背景技术：
力觉交互又称触觉再现，该技术起源于机器人主从操作和遥操作，目的是给位于异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的感知，以提高操作质量和效率。近年来，力觉再现技术在虚拟现实领域得到快速发展，成为一种新的计算机人机交互方式，在对虚拟物体进行操作时，操作者通过力觉再现装置感受到虚拟物体的作用力、物体的材质和形状，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。其功能是测量操作者操作趋势，与虚拟仿真环境通信，接受虚拟环境计算的虚拟力信号，通过机械接口将反馈力施加给操作者。
力觉交互装置的类型包括固定于操作者手臂和固定于工作台上的两大类型，适用于不同的应用场合。前者主要包括数据臂、数据手套，这类设备的特点是可以跟踪操作者手臂或手指的多自由度运动，但普遍存在尺寸庞大、重量较重、力觉感受逼真度差等缺点，适用于不要求逼真感知交互力的场合，一般用于机械臂或机器人灵巧手的主从操作中。本发明是一种固定于工作台上的桌面式力觉交互装置，具有操作方便、运动灵活，力觉感受逼真等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种三自由度力觉交互装置，所述力觉交互装置采用直流电机驱动，以钢丝绳传动减速机构作为减速传动方式，带动旋转支架转动和连杆机构相对旋转支架的平面运动，从而实现三个运动自由度，给握在手柄处的人手一个和虚拟环境中虚拟力相同的力的感觉。
本发明是一种三自由度力觉交互装置，由三套减速机构、机座、旋转支架、连杆机构、手柄、两个编码器和三个电机组成。所述三套减速机构的结构相同，由主动轮、两根钢丝绳和从动轮构成；减速机构A安装在机座的安装面上，旋转支架的轴承段穿过减速机构A的从动轮A的中心孔安装在机座立柱内的两个轴承上，电机A的输出轴穿过机座连接板上的孔并固定在连接板上，电机A输出轴与主动轮A连接；所述主动轮A上设有钢丝绳螺纹段和与电机A输出轴连接的连接段，螺纹段上设有两个套孔，连接段上设有两个用于固紧电机A输出轴的螺纹孔，主动轮A的中心是一通孔，通孔的直径与电机A输出轴的直径适配；电机B固定在旋转支架的安装面A上，且电机B输出轴安装在旋转支架的安装面A的安装孔内，编码器C安装在旋转支架的安装面A的安装孔内，电机B的旋转角度由编码器C检测；电机C固定在旋转支架的安装面B上，且电机C输出轴安装在旋转支架的安装面B的安装孔内，编码器B安装在旋转支架的安装面B的安装孔内，电机C的旋转角度由编码器B检测；减速机构B和减速机构C通过水平旋转轴安装在旋转支架的安装面A的凸柱和安装面B的凸柱上；连杆机构的第三连杆的L形连接端安装在减速机构C的从动轮C上，连杆机构的第四连杆的L形连接端安装在减速机构B的从动轮B上；手柄通过一球铰安装在连杆机构的圆形连接端内，手柄为一圆柱棒。
所述的三自由度力觉交互装置，其减速机构A的两根钢丝绳的一端分别固紧在主动轮A的套孔A和套孔B内，两根钢丝绳的另一端反向缠绕在主动轮A的轮缘的外部；所述减速机构B的两根钢丝绳的一端分别固紧在与电机B输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳的另一端反向缠绕在从动轮B的轮缘的外部；所述减速机构C的两根钢丝绳的一端分别固紧在与电机C输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳的另一端反向缠绕在从动轮C的轮缘的外部。
所述的三自由度力觉交互装置，其第一自由度是指电机A带动减速机构A驱动旋转支架绕竖直轴线的转动；第二自由度是指电机B带动减速机构B驱动第四连杆运动；第三自由度是指电机C带动减速机构C驱动第三连杆运动。
本发明三自由度力觉交互装置的优点在于(1)机械结构设计简单合理，功能可靠，运动精确高，操作灵活，加工、装配及维护简便等；(2)旋转支架上安装的两个电机的非同轴安装设计和数字编码器的独立安装方式使得机构尽可能的紧凑，从而减小了本发明装置总体相对竖直轴的转动惯量；(3)通过在机座、从动轮A、从动轮B、从动轮C和旋转支架上安装限位开关和限位柱来实现机构运动极限位置的限定。通过数字编码器对电机的工作状态进行记录以及对其转动角度进行检测；(4)能够提供较大的工作空间和较大的输出力，机构末端的手柄球铰中心处具有较高的位置分辩率；(5)设计的钢丝绳传动减速机构既实现了较小速比的减速运动，又保证了缠绕在大小传动轮上的钢丝绳不打滑和没有回差的特性，其结构设计新颖，具有创造性；(6)本发明机构结构设计体积小，操作轻巧，运动灵活，各向同性好。
图1和图2分别是本发明三自由度力觉交互装置的外部结构图。
图3是机座、电机A、主动轮A、从动轮A和旋转支架的装配图。
图4是机座的结构图。
图5(a、b、c)是从动轮A的结构图。
图6是旋转支架的结构图。
图7(a、b、c)是从动轮C的结构图。
图8是连杆机构的结构图。
图9是主动轮的结构图。
图中1.机座 101.底盘102.孔 103.凸面104.立柱 105.通孔 106.连接板 107.孔 108.深沟球轴承109.圆锥滚子轴承 110.孔 111.安装面 2.减速机构A201.中心孔202.圆孔 203.ㄩ形凸耳 204.销孔205.限位销 206.限位开关207.孔208.穿孔 209.销孔210.轮缘 211.凸缘212.穿孔 213.从动轮A214.主动轮A 215.钢丝绳 216.螺纹段217.连接段218.螺纹孔 219.通孔220.套孔B 221.套孔A222.螺旋槽3.旋转支架 301.安装面B 302.安装面A303.限位开关304.孔305.孔 306.凸柱307.限位开关 308.孔309.孔310.凸柱 311.水平安装面 312.第一段轴 313.第二段轴314.第三段轴 315.销孔 316.竖直轴线317.水平旋转轴 4.减速机构C401.支撑缘402.通孔 403.圆孔404.轮缘 405.槽口406.ㄩ形凸耳 407.销孔 408.穿孔409.穿孔 410.限位销411.从动轮C 412.钢丝绳 413.螺纹414.安装孔 5.连杆机构510.第一连杆 520.第二连杆 530.第三连杆540.第四连杆 511.U形连接端512.方形连接端513.圆形连接端 514.连接臂 515.上平板 516.下平板517.上平板518.下平板 519.圆孔521.连接臂 522.U形连接端523.轴孔 524.上平板 525.下平板 531.连接臂 532.轴孔533.L形连接端 534.端板 535.安装孔 6.手柄 7.电机A8.电机B 9.电机C10.数字编码器C 11.数字编码器B12.减速机构B 1201.从动轮B 1202.钢丝绳
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种力觉交互装置，具有三个运动自由度(手柄可水平运动、垂直运动和左右旋摆)，能够准确跟踪人手的三维运动同时在手柄球铰处输出不小于4N的力。它可以应用在许多虚拟现实系统和仿真领域，提高操作者在虚拟环境中的“沉浸感”，实现力觉的模拟，使得人机交互更加真实、自然。
在力觉模拟过程中，力觉交互装置工作在两种工作状态。一种是用户操作装置在虚拟空间自由移动，虚拟工具没有接触到虚拟物体，此时电机处于断电的自由运动状态，力觉交互装置的手柄使得这种工作状态被称为反向驱动工作状态；另外一种工作状态是电机处于通电运动状态，用户操作力觉交互装置的手柄使得虚拟工具和虚拟物体接触，虚拟现实系统通过计算得到接触力的大小和方向再通过装置反馈给用户，使用户感觉到此接触力，这种工作状态称为正向驱动工作状态。
在本发明中，力觉交互装置正向运动时，三个电机(电机A7、电机B8和电机C9)分别通过钢丝绳传动减速机构(即减速机构A、减速机构B和减速机构C)驱动旋转支架3的竖直轴线316处的轴段(第一段轴312、第二段轴313和第三段轴314)和连杆机构5运动，进而在操作手柄6球铰处输出力的信息，其手柄6与连杆机构5接合处的球铰的位置分辩率达到0.04mm，反向驱动力为0.67N～1.31N，该装置输出的触觉反馈力为4N～50N。所述电机A 7为直流伺服电机，输出功率为60W；电机B 8和电机C 9为盘式直流伺服电机，电机输出功率为50W。
在本发明中，力觉交互装置反向运动时，三个电机处于断电的自由运动状态，操作者通过手柄6实现三维运动，其余构件作为从动件在操作者的操作方式下运动。
本发明是一种三自由度力觉交互装置，由减速机构A2、减速机构B12、减速机构C4、机座1、旋转支架3、连杆机构5、手柄6、编码器10、11和电机A7、电机B8、电机C9组成(如图1和图2所示)，其中还涉及几个小器件，如限位销(结构为小型圆柱棒)、限位开关(结构为薄铜片)、以及套在水平旋转轴317上的套管(套管结构为空心圆管，该套管在使用上较为普遍，在本发明中用来解决从动轮B12和从动轮C411之间的间隔位置，起到定位的目的)。所述减速机构A2由主动轮A213、两根钢丝绳和从动轮A214构成，所述减速机构B12由主动轮、两根钢丝绳1202和从动轮B1201构成，所述减速机构C4由主动轮、两根钢丝绳412和从动轮C411构成，它们分别与三个电机(电机A7、电机B8和电机C9)输出轴连接，三个减速机构的主动轮的结构是相同的(如图9所示)。减速机构A2安装在机座1的安装面111上，旋转支架3的轴承段312、313、314穿过减速机构A2的从动轮A213的中心孔201安装在机座1立柱104内的两个轴承108、109上，电机A7的输出轴穿过机座1连接板106上的孔107并固定在连接板106上，电机A7输出轴与主动轮A214连接；所述主动轮A214上设有钢丝绳螺纹段216和与电机A7输出轴连接的连接段217，螺纹段216上设有两个套孔，连接段217上设有两个用于固紧电机A7输出轴的螺纹孔218，主动轮A214的中心是一通孔219，通孔219的直径与电机A7输出轴的直径适配；电机B8固定在旋转支架3的安装面A302上，且电机B8输出轴安装在旋转支架3的安装面A 302的安装孔309内，编码器C10安装在旋转支架3的安装面A 302的安装孔308内，电机B8的旋转角度由编码器C10检测；电机C9固定在旋转支架3的安装面B301上，且电机C9输出轴安装在旋转支架3的安装面B301的安装孔304内，编码器B11安装在旋转支架3的安装面B301的安装孔305内，电机C9的旋转角度由编码器B11检测；减速机构B12和减速机构C4通过水平旋转轴317安装在旋转支架3的安装面A302的凸柱310和安装面B301的凸柱306上；连杆机构5的第三连杆530的L形连接端533安装在减速机构C4的从动轮C411上，连杆机构5的第四连杆540的L形连接端安装在减速机构B12的从动轮C411上；手柄6通过一球铰安装在连杆机构5的圆形连接端513内，手柄6为一圆柱棒。
在本发明中，机座1的底盘101上设有供电机A7安装的孔102以及用于将机座1固定在一个基面的安装孔，在底盘101的中心设有凸面103，凸面103至连接板106之间是立柱104，连接板106上设有供电机A 7输出轴穿过的孔107，以及用于固定限位开关206的安装孔110，立柱104的中心是一通孔105，通孔105的内底部设有圆锥滚子轴承109，通孔105的上部设有深沟球轴承108(如图3和图4所示)。
在本发明中，减速机构A 2的从动轮A213的中心位置处设有凸缘211，凸缘211中心孔201的孔径与旋转支架3的第一轴承段312直径适配，凸缘211上设有销孔209，第一轴承段312上的销孔315与从动轮A213的凸缘211上的销孔209通过一销柱实现旋转支架3与从动轮A213的连接，凸缘211与轮缘210之间对称开设有三个圆孔202，每两个圆孔202之间设有“ㄩ”形凸耳203，凸耳203的两个“ㄩ”角上分别设有销孔204和螺纹孔207，螺纹孔207位置的轮缘210上设有供钢丝绳215通过的穿孔208(如图5所示)。
在本发明中，旋转支架3上设有第一轴承段312、第二轴承段313、第三轴承段314，与第一轴承段312接合处是水平安装面311，水平安装面311的两个侧边上设有安装面A302和安装面B301，安装面A302上设有供数字编码器A10和电机B8安装的孔308、309，安装面A302的凸柱310外侧安装有限位开关307，凸柱310的端部中心开设有供水平旋转轴317穿过的孔，安装面B301上设有供数字编码器B11和电机C9安装的孔304、305，安装面B301的凸柱306外侧安装有限位开关303，凸柱306的端部中心开设有供水平旋转轴317穿过的孔(如图6所示)。
在本发明中，减速机构C4的从动轮C411的中心位置处设有支撑缘401，支撑缘401通孔402的孔径与支撑轴412的直径适配，在从动轮C411的轮缘404上设有供连杆机构5的第三连杆530的连接臂531放置的槽口405，在槽口405开口垂直方向上设有安装孔414，支撑缘401与轮缘404之间开设有两个圆孔403，与圆孔403对称位置设有“ㄩ”形凸耳406，凸耳406的两个“ㄩ”角上分虽设有螺纹孔413，螺纹孔413位置的轮缘404上设有供钢丝绳通过的穿孔408，“ㄩ”形凸耳406的外侧边设有销孔407，限位销410安装在销孔407内(如图7所示)。
在本发明中，连杆机构5由第一连杆510、第二连杆520、第三连杆530和第四连杆540构成，第四连杆540的轴孔与第一连杆510的U形连接端511采用滚动轴承的相对转动连接，第三连杆530的轴孔与第二连杆520的U形连接端522采用滚动轴承的相对转动连接，第二连杆520的轴孔与第一连杆510的方形连接端512采用滚动轴承的相对转动连接，第一连杆510的圆形连接端513的圆孔519内安装有球铰，各连杆的连接形成一个四边形形状，第一连杆510上设有连接臂514，连接臂514的一端是U形连接端511，U形连接端511的上板515和下板516上分别设有安装孔，连接臂511的另一端是方形连接端512，方形连接端512的上板517和下板518上分别设有安装孔，方形连接端512的端部是用于安装所述手柄6球铰的圆形连接端513，第二连杆520上设有连接臂521，连接臂521的一端是U形连接端522，U形连接端522的上板524和下板525上分别设有安装孔，连接臂521的另一端上设有轴孔523，第三连杆530上设有连接臂531，连接臂531的一端上设有轴孔532，连接臂531的另一端设计成L形连接端533，端板上534上设有安装孔535。连杆机构5的第三连杆530与从动轮C411的连接采用将螺钉套装在安装孔535和安装孔414上实现固定连接；连杆机构5的第二连杆520与从动轮B1201的连接采用将螺钉套装在第二连杆520的L形连接端的端板的安装孔和从动轮B1201的安装孔上实现固定连接。在本发明中，第一连杆510的圆形连接端513的圆孔519内安装有球铰(球铰是一个关节轴承，关节轴承的中心孔中安装有手柄6)。
在本发明中，三套钢丝绳传动减速机构(减速机构A2、减速机构B12和减速机构C4)中钢丝绳为常规的，故未对其结构作详细的说明。钢丝绳的缠绕方式将通过下述的文字说明来表述请参见图9所示，主动轮A214的连接段217上通过在两个螺纹孔218中拧入螺钉使电机A7的输出轴固定在主动轮A214上，然后将两根钢丝绳215的一端分别穿过主动轮A214上的套孔A221和套孔B220后，打结并缠绕在螺旋槽222中(螺旋槽222中缠绕的钢丝绳是依据连杆机构5运动范围来计量其长度的，一般缠绕5～10圈即可)，然后将两根钢丝绳215的另一端反向缠绕在从动轮A2的轮缘210上后，并穿过轮缘210上开设的钢丝绳穿孔208和钢丝绳穿孔212后，且在钢丝绳末端打结，并采用将螺钉安装在螺纹孔中使钢丝绳215不脱落，实现电机A7带动减速机构A2驱动旋转支架3绕竖直轴线316的转动。所述减速机构B12的两根钢丝绳1202的一端分别固紧在与电机B8输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳1202的另一端反向缠绕在从动轮B1201的轮缘的外部；所述减速机构C4的两根钢丝绳412的一端分别固紧在与电机C9输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳412的另一端反向缠绕在从动轮C411的轮缘404的外部。作为本发明涉及到的以电机B8和电机C9的另外两个减速机构，其钢丝绳缠绕方式是相同的，故不作重复说明。因此，本发明三自由度力觉交互装置的三个自由度是指电机A7带动减速机构A2驱动旋转支架3绕竖直轴线316的转动；第二自由度是指电机B8带动减速机构B12驱动第四连杆540运动；第三自由度是指电机C9带动减速机构C4驱动第三连杆530运动。
本发明的力觉交互装置，主体机构为绕竖直轴线316(即旋转支架3的多段式轴的中心线)的一自由度定轴转动和连杆机构5相对旋转支架3的平面运动的二自由度运动。电机A7竖直安装在机座1上，通过钢丝绳215传动减速机构A2带动旋转支架3和其上的电机B8、电机C9、减速机构B12、减速机构C4、连杆机构5和手柄6等一同绕竖直线316做定轴转动；电机B8和电机C9水平安装在旋转支架3的两个安装面A301和安装面B302上，其电机B8和电机C9的安装位置是两个电机的电机轴线平行但不同轴方式固定安装，与电机B8连接的主动轮通过钢丝绳1202带动从动轮B1201运动从而使连杆机构5的第四连杆540运动，与电机C9连接的主动轮通过钢丝绳412带动从动轮C411运动从而使连杆机构5的第三连杆530运动，从而最大限度地使得水平放置的电机B8和电机C9靠近竖直轴线316，达到减小本发明装置绕竖直轴线316中心的转动惯量的目的。电机B8和电机C9通过各自钢丝绳传动减速机构驱动连杆机构5运动，实现连杆机构5相对旋转支架3的二个自由度的平面运动，最终在手柄6与连杆机构5的连接处实现三个运动自由度。为了实现较好的反向驱动性能，要求本发明的力觉交互装置能克服本身的重力、惯性力、摩擦力，并做到各向同性。为了减小绕竖直轴线316转动的连杆机构5的转动惯量，本发明采用轴向尺寸小径向尺寸大的盘式直流电机两个(即电机B8和电机C9)，并且很好地解决了数字编码器C10和数字编码器B11的安装问题。
本发明的力觉交互装置能在手柄球铰处输出不小于4N的力，机构末端的位置分辨率可以达到0.04mm，最大反向驱动力仅为1.31N，平均反向驱动力为0.67N，平均各向同性度为0.89。
本发明的三自由度力觉交互装置共采用三个直流电机，通过钢丝绳传动减速机构，带动竖直轴的定轴转动和连杆机构相对竖直轴的平面运动，从而实现三个运动自由度。本发明的三自由度力觉交互装置是一个能够固定在一个工作台面上的桌面式力觉再现机构在机构正向运动状态(电机工作状态)下，可以在较大的工作空间内给握在手柄上的人手一个较准确的模拟虚拟环境下虚拟力的大小和方向，且力值较大；在反向驱动状态(电机不工作状态)下，机构的工作空间更大，人手通过手柄带动机构运动灵敏、轻便。该力觉交互装置实现了在正向驱动时在较大的工作空间内和较高刚度下输出较大的触觉力、在反向驱动时运动灵敏的特性要求。设计中兼顾了大刚度与小质量和小转动惯量的矛盾问题，做到了机构传动中的间隙和摩擦尽可能小，自由运动空间和工作空间尽可能大的设计要点。
权利要求
1.一种三自由度力觉交互装置，其特征在于由减速机构A(2)、减速机构B(12)、减速机构C(4)、机座(1)、旋转支架(3)、连杆机构(5)、手柄(6)、编码器(10、11)和电机A(7)、电机B(8)、电机C(9)组成；所述减速机构A(2)由主动轮A(213)、两根钢丝绳和从动轮A(214)构成；所述减速机构B(12)由主动轮、两根钢丝绳(1202)和从动轮B(1201)构成；所述减速机构C(4)由主动轮、两根钢丝绳(412)和从动轮C(411)构成；减速机构A(2)安装在机座(1)的安装面(111)上，旋转支架(3)的轴承段(312、313、314)穿过减速机构A(2)的从动轮A(213)的中心孔(201)安装在机座(1)立柱(104)内的两个轴承(108、109)上；电机A(7)的输出轴穿过机座(1)连接板(106)上的孔(107)并固定在连接板(106)上，电机A(7)输出轴与主动轮A(214)连接；所述主动轮A(214)上设有钢丝绳螺纹段(216)和与电机A(7)输出轴连接的连接段(217)，螺纹段(216)上设有两个套孔，连接段(217)上设有两个用于固紧电机A(7)输出轴的螺纹孔(218)，主动轮A(214)的中心是一通孔(219)，通孔(219)的直径与电机A(7)输出轴的直径适配；电机B(8)固定在旋转支架(3)的安装面A(302)上，且电机B(8)输出轴安装在旋转支架(3)的安装面A(302)的安装孔(309)内，编码器C(10)安装在旋转支架(3)的安装面A(302)的安装孔(308)内，电机B(8)的旋转角度由编码器C(10)检测；电机C(9)固定在旋转支架(3)的安装面B(301)上，且电机C(9)输出轴安装在旋转支架(3)的安装面B(301)的安装孔(304)内，编码器B(11)安装在旋转支架(3)的安装面B(301)的安装孔(305)内，电机C(9)的旋转角度由编码器B(11)检测；减速机构B(12)和减速机构C(4)通过水平旋转轴(317)安装在旋转支架(3)的安装面A(302)的凸柱(310)和安装面B(301)的凸柱(306)上；连杆机构(5)的第三连杆(530)的L形连接端(533)安装在减速机构C(4)的从动轮C(411)上，连杆机构(5)的第四连杆(540)的L形连接端安装在减速机构B(12)的从动轮C(1201)上；手柄(6)通过一球铰安装在连杆机构(5)的圆形连接端(513)内，手柄(6)为一圆柱棒；所述机座(1)的底盘(101)上设有供电机A(7)安装的孔(102)以及用于将机座(1)固定在一个基面的安装孔，在底盘(101)的中心设有凸面(103)，凸面(103)至连接板(106)之间是立柱(104)，连接板(106)上设有供电机A(7)输出轴穿过的孔(107)，以及用于固定限位开关(206)的安装孔(110)，立柱(104)的中心是一通孔(105)，通孔(105)的内底部设有圆锥滚子轴承(109)，通孔(105)的上部设有深沟球轴承(108)；所述减速机构A(2)的从动轮A(213)的中心位置处设有凸缘(211)，凸缘(211)中心孔(201)的孔径与旋转支架(3)的第一轴承段(312)直径适配，凸缘(211)上设有销孔(209)，第一轴承段(312)上的销孔(315)与从动轮A(213)的凸缘(211)上的销孔(209)通过一销柱实现旋转支架(3)与从动轮A(213)的连接，凸缘(211)与轮缘(210)之间对称开设有三个圆孔(202)，每两个圆孔(202)之间设有“ㄩ”形凸耳(203)，凸耳(203)的两个“ㄩ”角上分别设有销孔(204)和螺纹孔(207)，螺纹孔(207)位置的轮缘(210)上设有供钢丝绳(215)通过的穿孔(208)；所述旋转支架(3)上设有第一轴承段(312)、第二轴承段(313)、第三轴承段(314)，与第一轴承段(312)接合处是水平安装面(311)，水平安装面(311)的两个侧边上设有安装面A(302)和安装面B(301)，安装面A(302)上设有供数字编码器A(10)和电机B(8)安装的孔(308、309)，安装面A(302)的凸柱(310)外侧安装有限位开关(307)，凸柱310的端部中心开设有供水平旋转轴(317)穿过的孔，安装面B(301)上设有供数字编码器B(11)和电机C(9)安装的孔(304、305)，安装面B(301)的凸柱(306)外侧安装有限位开关(303)，凸柱(306)的端部中心开设有供水平旋转轴317穿过的孔；所述减速机构C(4)的从动轮C(411)的中心位置处设有支撑缘(401)，支撑缘(401)通孔(402)的孔径与支撑轴(412)的直径适配，在从动轮C(411)的轮缘(404)上设有供连杆机构(5)的第三连杆(530)的连接臂(531)放置的槽口(405)，在槽口(405)开口垂直方向上设有安装孔(414)，支撑缘(401)与轮缘(404)之间开设有两个圆孔(403)，与圆孔(403)对称位置设有“ㄩ”形凸耳(406)，凸耳(406)的两个“ㄩ”角上分别设有螺纹孔(413)，螺纹孔(413)位置的轮缘(404)上设有供钢丝绳通过的穿孔(408)，“ㄩ”形凸耳(406)的外侧边设有销孔(407)，限位销(410)安装在销孔(407)内；所述连杆机构(5)由第一连杆(510)、第二连杆(520)、第三连杆(530)和第四连杆(540)构成，第四连杆(540)的轴孔与第一连杆(510)的U形连接端(511)采用滚动轴承的相对转动连接，第三连杆(530)的轴孔与第二连杆(520)的U形连接端(522)采用滚动轴承的相对转动连接，第二连杆(520)的轴孔与第一连杆(510)的方形连接端(512)采用滚动轴承的相对转动连接，第一连杆(510)的圆形连接端(513)的圆孔(519)内安装有球铰，各连杆的连接形成一个四边形形状，第一连杆(510)上设有连接臂(514)，连接臂(514)的一端是U形连接端(511)，U形连接端(511)的上板(515)和下板(516)上分别设有安装孔，连接臂(511)的另一端是方形连接端(512)，方形连接端(512)的上板(517)和下板(518)上分别设有安装孔，方形连接端(512)的端部是用于安装所述手柄(6)球铰的圆形连接端(513)，第二连杆(520)上设有连接臂(521)，连接臂(521)的一端是U形连接端(522)，U形连接端(522)的上板(524)和下板(525)上分别设有安装孔，连接臂(521)的另一端上设有轴孔(523)，第三连杆(530)上设有连接臂(531)，连接臂(531)的一端上设有轴孔(532)，连接臂(531)的另一端设计成L形连接端(533)，端板上(534)上设有安装孔(535)。
2.根据权利要求1所述的三自由度力觉交互装置，其特征在于所述减速机构A(2)的两根钢丝绳(215)的一端分别固紧在主动轮A(214)的套孔A(221)和套孔B(220)内，两根钢丝绳(215)的另一端反向缠绕在主动轮A(214)的轮缘(210)的外部；所述减速机构B(12)的两根钢丝绳(1202)的一端分别固紧在与电机B(8)输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳(1202)的另一端反向缠绕在从动轮B(1201)的轮缘的外部；所述减速机构C(4)的两根钢丝绳(412)的一端分别固紧在与电机C(9)输出轴连接的主动轮的两个套孔内，两根钢丝绳(412)的另一端反向缠绕在从动轮C(411)的轮缘(404)的外部。
3.根据权利要求1所述的三自由度力觉交互装置，其特征在于第一自由度是指电机A(7)带动减速机构A(2)驱动旋转支架(3)绕竖直轴线(316)的转动；第二自由度是指电机B(8)带动减速机构B(12)驱动第四连杆(540)运动；第三自由度是指电机C(9)带动减速机构C(4)驱动第三连杆(530)运动。
4.根据权利要求1所述的三自由度力觉交互装置，其特征在于所述电机A(7)为直流伺服电机，输出功率为60W；电机B(8)和电机C(9)为盘式直流伺服电机，电机输出功率为50W。
5.根据权利要求1所述的三自由度力觉交互装置，其特征在于手柄(6)与连杆机构(5)接合处的球铰的位置分辩率达到0.04mm，反向驱动力为0.67N～1.31N。
6.根据权利要求1所述的三自由度力觉交互装置，其特征在于所述三自由度力觉交互装置输出的触觉反馈力为4N～50N。
全文摘要
本发明公开了一种三自由度力觉交互装置，其由三套减速机构、机座、旋转支架、连杆机构、手柄、两个编码器和三个电机组成。减速机构A和旋转支架安装在机座的上方，旋转支架上安装有另两套减速机构、编码器和两个电机，连杆机构安装在从动轮上且绕旋转支架的竖直轴线转动，手柄安装在连杆机构的末端。本发明装置是一个能够固定在一个工作台面上的桌面式力觉交互机构，在正向运动状态下，可以在较大的工作空间内给握在手柄上的人手一个较准确的模拟虚拟环境下虚拟力的大小和方向，且力值较大；在反向驱动状态下，机构的工作空间更大，人手通过手柄带动机构灵敏运动。该力觉交互装置实现了在正向驱动时在较大的工作空间内和较高刚度下输出较大的触觉力、在反向驱动时运动灵敏的特性要求。
文档编号B25J1/00GK1792572SQ20051011590
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月11日 优先权日2005年11月11日
发明者张玉茹, 郭卫东, 张世清, 姜俊杰, 曹永刚 申请人:北京航空航天大学