三维转动力反馈设备的制作方法

本发明涉及一种力反馈操纵装置，特别是涉及一种三维转动力反馈设备。

背景技术：

现有的商用sensablephantomomni力反馈手柄，利用串联机构实现三自由度的力反馈，由于串联机构的特点，该力反馈手柄的末端精度不高，结构刚度不够，提供的力反馈较小；针对上述串联机构力反馈手柄的不足之处，业界人士研制出了并联结构的力反馈手柄，而现有的并联结构的力反馈手柄，存在运动学正解复杂导致设备响应缓慢、力反馈延时效果严重，并且工作空间小、结构庞大等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三维转动力反馈设备，以解决上述现有技术存在的问题，其内部结构紧凑、虚拟刚度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明一种三维转动力反馈设备，包括手柄、动平台、基座及三组驱动装置，所述手柄卡固于所述动平台上可与所述动平台同步动作，所述三组驱动装置结构相同，其中一组驱动装置包括电机、减速机及连接杆，所述三组驱动装置的电机均安装于所述基座上，所述三组驱动装置的连接杆分别连接于所述动平台的不同位置上。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述手柄下方设置冗余支链，所述冗余支链包括一组u型铰链及一个转动副，所述手柄下端固定于所述u型铰链上端部，所述u型铰链下端部可转动连接于立杆上，所述立杆固定于所述基座上。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述动平台的中心开有连接孔，所述连接孔带有扇形限位槽，所述手柄上设置径向凸出的扇形限位块，所述手柄安装于所述连接孔内，所述扇形限位块置于所述扇形限位槽内。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述动平台下端面上设置三个连接柱，所述三个连接柱沿所述动平台的周向均布，所述三组驱动装置的连接杆分别连接于一个所述连接柱上。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述连接杆均包括第一连杆及第二连杆，所述第一连杆一端铰接于所述减速机输出轴上，另一端与所述第二连杆相铰接，所述第二连杆另一端铰接于所述动平台的一个连接柱上，所述动平台及三组第一连杆、三组第二连杆组成3-rrr球面并联机构，所述u型铰链的两个转轴和所述立杆的中心轴所在直线均交于一点，且与所述3-rrr球面并联机构的转动中心重合，所述第一连杆的两个转动副到所述3-rrr球面并联机构的转动中心的距离、所述第二连杆的两个转动副到所述3-rrr球面并联机构的转动中心的距离均不相同。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述减速机为钢丝绳减速机。

本发明三维转动力反馈设备，其中，所述手柄上在所述动平台上方设置防尘盖。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：由于本发明三维转动力反馈设备包括手柄、动平台、基座及三组驱动装置，三组驱动装置结构相同，包括电机、减速机及连接杆，并且三组驱动装置的电机均设置于基座上、连接杆分别连接于动平台的不同位置上，因此三组驱动装置的作用力分别同时作用于动平台上，使本发明三维转动力反馈设备虚拟刚度较高并且结构紧凑。

另外，由于手柄下方设置冗余支链，该冗余支链具有三个自由度，使手柄的工作范围限制在绕x轴、y轴、z轴三轴±45°范围内，防止意外操作。

还有，由于第一连杆的两个转动副到3-rrr球面并联机构的转动中心的距离、第二连杆的两个转动副到3-rrr球面并联机构的转动中心的距离均不相同，因此保证了连杆两端的机构在运动过程中始终处于不同半径的球面上，从而避免连杆发生干涉，并且动平台及三组第一连杆、三组第二连杆组成3-rrr球面并联机构，使本发明三维转动力反馈设备内部结构紧凑、机构杆长参数最优，在空间尺寸和质量约束的前提下，实现工作空间大、虚拟刚度高、位置分辨率高、反向驱动性好、各向同性度好等良好设备性能。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三维转动力反馈设备的结构示意图；

图2为本发明三维转动力反馈设备中一组驱动装置的连接结构示意图；

图3为本发明三维转动力反馈设备中冗余支链的结构示意图；

图4为本发明三维转动力反馈设备中动平台的结构示意图；

图5为本发明三维转动力反馈设备中第一连杆、第二连杆的转动半径结构示意图；

图6为本发明三维转动力反馈设备中控制系统的架构图。

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。

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、2所示，本发明一种三维转动力反馈设备，包括手柄11、动平台12、基座13及三组驱动装置，手柄11卡固于动平台12上并且可与动平台12同步动作，三组驱动装置结构相同，每组驱动装置均包括电机21、减速机22及连接杆，三组驱动装置的电机均安装于基座13上，三组驱动装置的连接杆分别连接于动平台12的不同位置上，三组驱动装置的电机21通过减速机22带动动平台12动作，手柄11上设置功能按钮，手柄11质量尽可能轻以保证力反馈手柄具有良好的反向驱动性能。

手柄11下方设置冗余支链，如图3所示，冗余支链包括一组u型铰链31及一个转动副，手柄11下端固定于u型铰链31上端部，u型铰链31下端部可转动连接于立杆32上，立杆32下端固定于基座13上，该冗余支链具有三个自由度，采用串联布置，绕x轴、y轴的转动通过u型铰链31实现，绕z轴的转动通过u型铰链31与立杆32的相对转动实现，u型铰链31的两个转轴和立杆32的中心轴所在直线均交于一点。手柄11的工作范围为绕x轴、y轴、z轴三轴±45°，限于杆件干涉，手柄机构中加入上述冗余支链作为限位装置，可防止意外操作。

如图4所示，动平台12的中心开有连接孔121，连接孔121带有扇形限位槽122，手柄11上设置径向凸出的扇形限位块111，手柄11安装于连接孔121内，扇形限位块111置于扇形限位槽122内，使手柄11和动平台12同步。动平台12下端面上设置三个连接柱123，三个连接柱123沿动平台12的周向均布，三组驱动装置的连接杆分别连接于一个连接柱123上。

如图2所示，每组驱动装置的连接杆均包括第一连杆41及第二连杆42，第一连杆41一端铰接于减速机输出轴上，另一端与第二连杆42相铰接，第二连杆42另一端铰接于动平台12的一个连接柱123上，动平台12及三组第一连杆、第二连杆组成3-rrr球面并联机构，u型铰链31的两个转轴和立杆32的中心轴所在直线均交于一点，且与3-rrr球面并联机构的转动中心重合，如图5所示，第一连杆41的两个转动副到3-rrr球面并联机构的转动中心o的距离、第二连杆42的两个转动副到3-rrr球面并联机构的转动中心o的距离均不相同，保证两个连杆的两端部在机构运动过程中始终处在不同半径的球面上，从而避免了连杆可能发生的干涉。

减速机22为钢丝绳减速机，钢丝绳减速机具有传动平稳、无回差的特点，为防止钢丝绳松弛，在钢丝绳减速机的大绳轮和小绳轮之间设置碟簧张紧装置。电机21采用直流无刷伺服电机，

手柄11上在动平台12上方还安装有防尘盖14，使设备保持清洁。

本发明三维转动力反馈设备的控制系统如图6所示，包括上位机、下位机、驱动器，下位机控制系统的主要功能是传感器数据采集和电机的运动、力伺服控制，控制算法实施、以及上下位机之间的通信。下位机的控制系统包括嵌入式微处理器、dac模块、以太网控制器、cpld逻辑控制模块、i/o接口等。微处理器的作用是接收上位机控指令、采集并处理传感器数据、向dac模块输出电机电流大小指令。以太网控制器用于控制网络通信，dac用于向电机驱动器输出模拟信号以控制电机电流大小。下位机的控制系统须保证数据采集和运动控制的实时性。通常为了保证力反馈系统的稳定性，伺服控制的频率应达到1khz。本设计中采样频率设定为1khz，可以保证很好的力觉交互效果。

本发明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。