专利名称：二自由度力反馈操纵装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种二自由度力反馈操纵装置，尤其是适用于高温、高压、强辐射、窒息等危险环境的遥操纵作业(遥操纵机器人)和虚拟现实系统中的人机交互和操纵用的二自由度力反馈操纵装置。
背景技术：
通过查阅资料，至目前提出的力反馈操纵装置多为电驱动，并且没有操纵力信号输出，最常见的微软公司的力反馈操纵杆(Microsoft sidewinder joystick)即是如此。由于受到力矩电机的堵转电流的限制，这种力反馈操纵杆的最大反馈力很小，一般只有25N左右。
无论是用于机器人的遥操作还是对虚拟现实中物体的操作，理论上讲，当被操作的物体被卡住不能移动时，具有力反馈的操纵装置也应该像被卡住一样不能移动，这时需要操纵装置提供有足够大的反馈力来抵抗人的操纵力，一般应大于1000N。
一般来讲，除了操纵杆的位移以外，人对操纵装置的操纵力也反映了人的意志，所以为了使人能对被操纵物件能够随心所欲地进行操纵，操纵装置上需要有操纵力的输出。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种二自由度力反馈操纵装置，尤其是能提供足够大的反馈力并能输出操纵力信息的一种液压伺服驱动的二自由度力反馈操纵装置。
为解决上述技术问题本实用新型是采取如下技术方案实现的。提供的二自由度力反馈操纵装置包括手柄，电机，箱体，其实质性特点在于直轴、中部加工有半圆环体的弯轴和操纵手柄的三轴线以空间相交于弯轴半圆环体圆心的形式安装在箱体的轴孔上；在操纵手柄上安装有二维力传感器；在直轴和弯轴的一端分别安装了摆动液压马达，在另一端分别安装了角位移传感器。
按照技术方案所提供的二自由度力反馈操纵装置，其实质性特点在于在直轴中间部位加工一个销轴孔和一个成半圆柱体的凹槽。
按照技术方案所提供的二自由度力反馈操纵装置，其实质性特点在于在弯轴中间半圆环体上沿圆环体加工一个圆环形滑槽。
按照技术方案所提供的二自由度力反馈操纵装置，其实质性特点在于在操纵手柄中间部位加工一个销轴孔和一个成半圆柱体的凹槽，再在操纵手柄的下端加工一个能放入弯轴滑槽内的细轴。
按照技术方案所提供的二自由度力反馈操纵装置，其实质性特点在于操纵手柄和直轴由销轴通过动配合连接使操纵手柄和直轴两轴线相交，操纵手柄下端细轴上安装一可以转动的滑套，然后将装有该滑套的细轴放入弯轴滑槽内，操纵手柄和直轴两轴线交点与弯轴中部半圆环体的圆心重合。
按照技术方案所提供的二自由度力反馈操纵装置，其实质性特点在于所述的在操纵手柄上安装的二维力传感器也可以用安装在两个摆动液压马达进出油道上的压力传感器代替。
与现有技术相比该二自由度力反馈操纵装置的有益作用包括三个方面首先，将远端作业装置(从动机器人)与作业对象之间的作用力信息反馈至操纵杆，为操作者提供力觉感知；其次，用操作者的操纵力乘以一定比例后再减去远端作业装置的受力所得的差值信号去驱动本操纵装置产生位移；第三，对操纵装置的位置进行检测，并实时传送给远端作业装置(从动机器人)，以形成位置闭环，使远端作业装置(从动机器人)跟随本操纵装置运动。
本操纵装置的工作空间是以操纵手柄长度为半径的球面，在工作空间内不存在奇异性问题，映射关系唯一确定。
由于采用所述的技术方案，该二自由度力反馈操纵装置两个自由度的运动互不耦合，因而不需要解耦，简化了控制算法。
由于采用了液压驱动，本操纵装置能够提供足够大的反馈力。在没有控制信号时，操纵装置不能被推动，即该装置具有足够大的机械刚度。同时操纵装置的运动副采用了低摩擦副结构，使摩擦力与驱动力相比较小，不但提高了本操纵装置位置控制精度，而且使力觉反馈的保真度得到提高。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1是二自由度力反馈操纵装置本体结构原理图的主视图和左视图；图2是二自由度力反馈操纵装置传动机构简图；图3是二自由度力反馈操纵装置系统原理图；图4是二自由度力反馈操纵装置系统原理图。
图中1.直轴，2.弯轴，3.箱体，4.操纵手柄，5.摆动液压马达，6.角位移传感器，7.摆动液压马达，8.角位移传感器，9.滑套，10.二维力传感器，11.内置电路，12.防尘罩，13.销轴，14.滑槽，15.压力传感器，16.压力传感器，17.压力传感器，18.压力传感器，19.电液伺服阀，20.计算机控制系统，21.由手柄上的力传感器测出的操纵力信号，22.位移信号，23.由摆动液压马达进、出油口油压测出的操纵力信号，24.油箱，25.液压泵，26.油压管路，27.作业对象作用于作业装置的力，28.信号放大器，29.作业装置。
具体实施方式
参阅
图1与图2，构成二自由度力反馈的电液伺服操纵装置本体的主要零件包括直轴1，弯轴2，箱体3，操纵手柄4，轴1上安装的摆动液压马达5和角位移传感器6，轴2上安装的摆动液压马达7和角位移传感器8，手柄下端的滑套9，手柄中部的二维力传感器10及其内置电路11，防尘罩12，销轴13，滑槽14，摆动液压马达进出油道的压力传感器15，16，17和18等。
防尘罩12安装在箱体3上以防杂物落入箱内保持零部件正常工作；箱体3内直轴1、弯轴2安装在箱体3的轴孔中，由轴承支撑实现动配合，其二轴线垂直相交，操纵手柄4与直轴1及弯轴2安装后三轴线成空间互相垂直相交，交点位于弯轴2半圆环体的圆心处，只有在此时即操纵手柄4不工作时三轴线成空间互相垂直相交，操纵手柄4工作后三轴线成空间相交，直轴1与弯轴2二轴线始终垂直相交；弯轴2的半圆环体上加工有圆环形滑槽，操纵手柄4摆动时，在操纵手柄下端的细轴上套装的低摩擦结构设计的滑套9可以在圆环形滑槽内滑动；摆动液压马达5和摆动液压马达7转动的角度分别由安装在同一根轴的另一端的角位移传感器6和角位移传感器8检测；操纵手柄4与直轴1之间由销轴13动配合连接，当只有直轴1转动时，弯轴2并不转动，当只有弯轴2转动时，直轴1不转动；因此，直轴1和弯轴2的转动互不干涉，运动是解耦的。当直轴1和弯轴2均转动时，手柄的位姿由两者的合成结果确定。由于每根轴的转动可以分别控制不同的自由度，因此，本操纵装置可实现两个自由度操作。
操纵手柄4上的二维力传感器10，内置电路11，放大器28，计算机控制系统20和电液伺服阀19通过电线连接；电液伺服阀19与摆动液压马达7通过管路连接；角位移传感器6和角位移传感8与作业装置29通过电线连接。
参阅图3，二自由度力反馈操纵装置的工作原理是启动与油箱24相连的油泵25，并经连接各液压元件的油压管路26向系统供油，使油压管路系统处于正常的工作状态。操作者对操纵手柄4施力，由操纵手柄4上的二维力传感器10检测并经内置电路11引出力信号21，用其减去从作业装置29来的作业对象对工作装置的作用力27后经放大器28输入计算机控制系统20。基于力差值信号，计算机控制系统20根据控制算法计算出相应的控制信号，控制电液伺服阀19动作，从而使摆动液压马达7带动操纵手柄4摆动。角位移传感器6检测操纵手柄转动的角位移信号22，并将其传向远端被操纵的作业装置形成位置闭环，使被操纵的作业装置跟随操纵装置移动。由于本二自由度力反馈操纵装置是用操纵力与作业装置的反力的差值驱动操纵手柄的，所以作业装置的反力会给操作者带来有效的反馈力感觉。
参阅图4，该图中操纵装置的操纵力不是由手柄上的二维力传感器10检测，而是用安装在摆动液压马达进出油道的压力传感器15至18检测。因操纵装置上的操纵力与作用在摆动液压马达进出口管路上的压力之差成比例，所以只要测出摆动液压马达进、出油道的压力信号，经过相减后，同样可得出能够反映操纵手柄操纵力大小的信号23，将其按一定比例放大后减去来自作业装置29的作业对象对作业装置的作用力27，经放大器28输入计算机控制系统20。基于力差值信号，计算机控制系统20根据控制算法计算出相应的控制信号，控制电液伺服阀19动作，从而使摆动液压马达7带动操纵手柄4摆动。角位移传感器6检测操纵手柄转动的角位移信号22，并将其传向被操纵的作业装置形成位置闭环，使被操纵的作业装置跟随操纵装置移动。
权利要求1.一种二自由度力反馈操纵装置，包括手柄，电机，箱体，其特征在于直轴(1)、中部加工有半圆环体的弯轴(2)和操纵手柄(4)的三轴线以空间相交于弯轴(2)半圆环体圆心的形式安装在箱体(3)的轴孔上；在操纵手柄(4)上安装有二维力传感器(10)；在直轴(1)和弯轴(2)的一端分别安装了摆动液压马达(5)与摆动液压马达(7)，在另一端分别安装了角位移传感器(6)与角位移传感器(8)。
2.按照权利要求1所述的二自由度力反馈操纵装置，其特征在于在直轴(1)中间部位加工一个销轴孔和一个成半圆柱体的凹槽。
3.按照权利要求1所述的二自由度力反馈操纵装置，其特征在于在弯轴(2)中间半圆环体上沿圆环体加工一个圆环形滑槽。
4.按照权利要求1所述的二自由度力反馈操纵装置，其特征在于在操纵手柄(4)中间部位加工一个销轴孔和一个成半圆柱体的凹槽，再在操纵手柄的下端加工一个能放入弯轴(2)滑槽内的细轴。
5.按照权利要求1所述的二自由度力反馈操纵装置，其特征在于操纵手柄(4)和直轴(1)由销轴(13)动配合连接使操纵手柄(4)和直轴(1)两轴线相交，操纵手柄(4)下端细轴上安装一可以转动的滑套(9)，然后将装有滑套的细轴放入弯轴(2)滑槽内，操纵手柄(4)和直轴(1)两轴线交点与弯轴(2)中部半圆环体的圆心重合。
6.按照权利要求1所述的二自由度力反馈操纵装置，其特征在于所述的在操纵手柄(4)上安装的二维力传感器(10)也可以用安装在摆动液压马达(5)和摆动液压马达(7)进出油道上的压力传感器(15)，(16)，(17)和(18)代替。
专利摘要本实用新型公开了一种遥操纵作业和虚拟现实系统中操纵用的二自由度力反馈操纵装置。现有的电动操纵装置的反馈力太小，并且没有操纵力信号的输出。为此我们设计了一种电液伺服二自由度力反馈操纵装置，其特征在于直轴(1)、中部加工有半圆环体的弯轴(2)和操纵手柄(4)的三轴线以空间相交于弯轴(2)半圆环体圆心的形式安装在箱体(3)的轴孔上；在操纵手柄(4)上安装有二维力传感器(10)；在直轴(1)和弯轴(2)的一端分别安装了摆动液压马达(5)与(7)，在另一端分别安装了角位移传感器(6)与(8)。这种操纵装置可以提供大范围、高保真的力觉反馈。
文档编号B25J13/02GK2920578SQ20062002895
公开日2007年7月11日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者赵丁选, 邓乐, 倪涛 申请人:吉林大学