基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构的制作方法

本发明涉及机器人自动化技术领域，特别是涉及一种基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构。

背景技术：

飞机侧杆驾驶装置简称侧杆，它是传统中央驾驶杆的偏置和改进。目前侧杆已经被广泛应用于民用客机以及部分战斗机中。在民用飞机中，一般情况下使用的是双轴侧杆，也就是用侧杆来控制飞机的俯仰和滚转。例如空客系列飞机驾驶舱操纵系统采用了被动式侧杆机构作为横滚、俯仰系统的操纵输入,驾驶员通过控制侧杆的横向、纵向运动实现对飞机相关轴的控制。

随着机器人技术和自动驾驶技术的发展，机器人辅助飞行驾驶系统成为了当下的一个研究热点。通过利用协作机器人来辅助飞行员，可完成从起飞到降落过程中的各种重复性的飞行操作任务。机器人辅助飞行驾驶系统无需改变原飞机控制系统，可以直接应用于任何机型的飞机上，可以替代副驾驶人员，并协助完成主驾驶人员的大部分繁重的工作，实现飞行驾驶的智能化。

在机器人辅助飞行驾驶系统中，如何利用机器人完成对侧杆的操纵是一个复杂的问题。由于侧杆机构同时具有两个轴向的运动自由度,是一种典型的球面二自由度摇杆,采用传统的单一自由度的驱动机构无法实现两个轴向之间的耦合运动。同时飞机的侧杆往往是一个整体的设备，不能对其部件及整体进行拆卸、改造及改装。因此，设计一种针对球面二自由度摇杆的操作机构成为当下一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构，用以解决飞机侧杆的自动化操作问题，完成在机器人辅助飞行驾驶系统中对侧杆的操作。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构，包括基座和摇杆，所述摇杆的下端位于所述基座内，所述摇杆的上端向上伸出所述基座，还包括安装架、两个关节电机、两个力矩传感器、两个主转臂和两个从转臂，所述安装架固定于所述基座上，两个所述关节电机固定于所述安装架上，两个所述关节电机的输出轴上各安装一个所述力矩传感器，两个所述关节电机的输出轴各与一所述主转臂的第一端固定连接，两个所述主转臂的第二端各与一所述从转臂的第一端转动连接，两个所述从转臂的第二端相互转动连接，两个所述从转臂的第二端套设于所述摇杆外侧，所述关节电机的输出轴的轴线、所述主转臂与所述从转臂间的转动轴线以及两个所述从转臂间的转动轴线交汇于所述摇杆的下端转动点。

优选地，所述基座包括底座和盖板，所述盖板固定于所述底座的上部，所述盖板上设有通孔，所述摇杆穿过所述通孔并能在所述通孔内摆动。

优选地，所述安装架包括固定平台弧、两个平台支架和两个电机座，两个所述平台支架均固定于所述盖板上，所述固定平台弧固定于两个所述平台支架的上端，两个所述电机座固定于所述固定平台弧的两端，两个所述关节电机分别固定于两个所述电机座上。

优选地，所述摇杆为飞机侧杆，所述摇杆的前后运动用以改变飞机的俯仰角，所述摇杆的左右运动用以改变飞机的横滚角。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明中通过控制两个关节电机的转动，可控制摇杆在规定范围内做二自由度运动，进而控制飞机的俯仰和横滚运动。在机器人辅助飞行驾驶系统中运用本发明，可解放副驾驶员对摇杆的操作，提高飞行驾驶的自动化程度。

2.本发明中安装了力矩传感器的关节电机具备力控功能，可通过力矩传感器的测量数据间接获得摇杆的作用力，进而对摇杆上的操作力进行控制。当驾驶员的身体或其它障碍物阻挡摇杆运动时，机构可通过力信息识别出障碍的存在并通过力控功能减小输出力，防止伤害驾驶员或造成摇杆的损坏，提高了机器人辅助飞行驾驶系统的安全性。

3.本发明具备自动驾驶模式和人机协作模式。自动驾驶模式下，机构根据计算机指令自动控制摇杆的运动。人机协作模式下，机构可通过力控功能对摇杆提供助力，协助驾驶员操作摇杆，使摇杆操作过程更加轻松。驾驶员可随时切换两种模式，提高了机器人辅助飞行驾驶系统的灵活性。

4.本发明中盖板上的通孔对摇杆的运动范围起到限制，防止摇杆运动到规划范围之外出现奇异位置，提高了该机构的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构的结构示意图；

附图标记说明：1底座；2盖板；3平台支架；4固定平台弧；5电机座；6关节电机；7力矩传感器；8固定转动副；9主转臂；10中间转动副；11从转臂；12末端转动副；13摇杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构，用以解决飞机侧杆的自动化操作问题，完成在机器人辅助飞行驾驶系统中对侧杆的操作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种基于力矩传感器关节电机的球面二自由度摇杆操作机构，包括基座和摇杆13。摇杆13的下端位于基座内，摇杆13的上端向上伸出基座。由于摇杆13的安装方式为本领域的公知常识，此处不再赘述。本实施例还包括安装架、两个关节电机6、两个力矩传感器7、两个主转臂9和两个从转臂11。其中，安装架固定于基座上，两个关节电机6固定于安装架上。两个关节电机6的输出轴上各安装一个力矩传感器7，两个关节电机6的输出轴各与一主转臂9的第一端固定连接，形成固定转动副8。两个主转臂9的第二端各与一从转臂11的第一端转动连接，形成中间转动副10。两个从转臂11的第二端相互转动连接，形成末端转动副12，两个从转臂11的第二端套设于摇杆13外侧，即摇杆13被套在末端转动副12中。固定转动副8的轴线、中间转动副10的轴线以及末端转动副12的轴线交汇于摇杆13的下端转动点。

根据机构学分析，末端转动副12可在以摇杆13的下端转动点为球心，以末端转动副12至摇杆13的下端转动点的距离为半径的球面上做二自由度运动。末端转动副12的位置由两个关节电机6的输出轴的转角决定。摇杆13运动时，摇杆13上一点同样在以摇杆13的下端转动点为球心的球面上运动。

使用时，机构通过关节电机6提供运动输入，在末端转动副12形成运动输出。故通过控制两个关节电机6的输出轴的转动角度及角速度，可以控制摇杆13的运动位置及速度，由此控制摇杆13的运动。

力矩传感器7可用于测量关节电机6与主转臂9间的相互作用力矩，经过计算，可获得从转臂11与摇杆13间的相互作用力。故通过控制关节电机6的输出力矩，可以控制摇杆13上的作用力。

本实施例中基座为中空结构，包括底座1和盖板2，盖板2固定于底座1的上部。盖板2上设有圆形通孔，摇杆13穿过通孔并能在通孔内摆动。

安装架的具体形式有多种，只要能够固定关节电机6即可。本实施例中，安装架包括固定平台弧4、两个平台支架3和两个电机座5。两个平台支架3均固定于盖板2上，固定平台弧4固定于两个平台支架3的上端，两个电机座5固定于固定平台弧4的两端，两个关节电机6分别固定于两个电机座5上。

需要说明的是，本实施例中的摇杆13包括但不限于飞机侧杆。当摇杆13为飞机侧杆时，摇杆13两个自由度的运动分别对应飞机姿态俯仰轴和横滚轴的控制，摇杆13的前后运动用以改变飞机的俯仰角，摇杆13的左右运动用以改变飞机的横滚角，其具体操作过程如下。

在飞机起飞过程中，需后拉摇杆13以提升飞机高度。通过计算机计算出摇杆13所需的向后位移量，再控制关节电机6的运动带动摇杆13到指定位置，可完成飞机起飞过程的摇杆13操作。

在飞机降落过程中，需前推摇杆13以降低飞机高度。通过计算机计算出摇杆13所需的向前位移量，再控制关节电机6的运动带动摇杆13到指定位置，可完成飞机降落过程的摇杆13操作。

在飞机转向过程中，需向左或向右移动摇杆13以改变飞机横滚角，进而改变飞机飞行方向。通过计算机计算出摇杆13所需的对应位移量，再控制关节电机6带动摇杆13到指定位置，可完成飞机转向过程的摇杆13操作。

在通过本实施例的摇杆13操作机构操作飞机摇杆13的过程中，若驾驶员的身体或其他障碍物阻挡住摇杆13的运动路径，可通过力矩传感器7测量的信息识别出障碍的存在，进而限制关节电机6的输出力，防止伤害驾驶员或损坏摇杆13。

在本实施例自动操作飞机摇杆13的过程中，驾驶员可随时将自动驾驶模式切换为人机协作模式。在人机协作模式下，摇杆13的操作权在驾驶员手上。本实施例的摇杆13操作机构可检测摇杆13的运动及摇杆13的受力，进而对驾驶员提供助力，使驾驶员对摇杆13的操作更加轻松。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。