一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面克服现有遥操纵手控器的缺陷，提高了机器人的操控效率。本发明专利技术是一种具有力/触觉引导功能的遥操纵手控器的装置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器
本专利技术涉及一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器，属于机器人人机交互领域，特别涉及一种基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器装置。
技术介绍
机器人对于高温、高压、强辐射等极限环境下作业任务的完成发挥了愈来愈重要的作用。机器人正朝着智能化的方向发展，然而由于受控制、传感及人工智能等发展水平的制约，研制出在变化环境下的全自主机器人是短期内难以达到的目标。操控终端，简称手控器，是操作者和机器人之间进行人机交互的桥梁，必须有较高的操控效率和实时性。机器人常用的双向伺服控制策略，无论是力/位置混合控制、阻抗控制、自适应力控制等，主要研究的是如何高保真地“再现与感知”机器人的作业反力；而对机器人自由运动时，即未与环境发生接触，如何通过力感来引导操作者的操纵行为未做探讨。“Marr深度重建”视觉理论框架的提出，为立体视觉的发展做了铺垫。在此基础上，各种机器人视觉控制方法纷纷涌现，并在实践中获得了诸多成功的应用。视觉伺服无疑大大增强了机器人局部自主操作的智能化程度；然而，视觉伺服作业任务成功完成的前提是目标对象图像特性已知。这在大多数情况下，尤其是深海、太空探险以及灾害现场救助等场合，与工作现场环境的不可预知性这一先决条件相悖。因此，这对变化或未知环境下的机器人作业，仍需探索适合的解决方案，以提高机器人控制的适用范围。视觉与机器人力控制结合起来的研究有效提高了机器人自主作业的安全性水平。然而无论是混合视觉/力控制策略还是视觉阻抗控制实验，都仅是力反馈控制在机器人视觉伺服上的应用延伸，其中的反馈力主要用于实现机器人对作业对象或环境的“顺从”。视觉与力觉的融合仅作用于现场机器人的闭环控制，由于二者没有参与到人的智能决策回路中，该控制策略在面对复杂多变的作业任务或未知环境是便显得无能为力。此外，反馈力的产生依旧是以机器人与作业环境的接触为前提。综合操作者的手动控制和机器人的自主控制的优点，在人、自主控制系统之间进行协调，共同对机器人进行控制，即共享控制。共享控制虽然已经被大量应用于环境不可预知、时延导致的控制信号不可靠等机器人操控场合，但是现有的共享控制方法普遍存在传感信号多、控制系统复杂等问题，而且无论是自由度分割与融合的共享控制方式（人的手动与机器人的自主分别控制机器人的不同自由度，而非共同控制某个自由度），还是基于视觉共享的任务分解控制方式（人先手动操纵机器人到指定位置，机器人再自主完成作业任务），操作者的智能与机器人的智能在控制回路依旧相对独立，融合度不高，难以适应复杂的、多变的作业环境。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器，其在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面克服现有遥操纵手控器的缺陷，提高了机器人的操控效率。本专利技术是一种具有力/触觉引导功能的遥操纵手控器的装置。本专利技术的技术方案是这样实现的：基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构由手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、X方向旋转轴、X方向齿轮组、Y方向旋转轴、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、上平台基板、X轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承、Z轴支架、铰链轴、Z轴电机、螺栓、卡簧、铜套组成；X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴、X方向齿轮组、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、X轴电机及螺栓、卡簧;Y轴方向旋转运动机构包括Y方向旋转轴、端盖、光电开关片、光电开关、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承及螺栓、卡簧等部件;Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动；X轴方向旋转运动机构的具体布置位置为：X轴电机侧支撑架、X轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，X轴电机由X轴电机支座固定；X方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与X轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配,X轴电机通过X方向齿轮组带动X方向旋转轴，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架，Z轴支架与铰链轴之间采用间隙配合安装铜套，铜套与Z轴支架过盈配合，并在Ｚ轴支架两端用卡簧固定，对Z轴支架限位；Y轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为：Y轴电机侧支撑架、Y轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，Y轴电机由Y轴电机支座固定；Y方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与Y轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配；同时Y方向旋转轴通过一个圆弧形凹槽与安装在Z轴支架上的传动杆连接，Y轴电机通过Y方向齿轮组带动Y方向旋转轴，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆将Y方向的转动传递给Z轴支架，同时X、Y旋转机构垂直布置，X旋转机构通过传动杆将沿凹槽圆周方向往返运动，Ｘ、Ｙ方向上运动独立互不干涉；Z轴方向旋转运动机构包括手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Z轴支架、Z轴电机、螺栓，Z轴支架加工为上下两部分，Z轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆固定连接在Z轴支架上，通过螺栓将Z轴支架上下两部分固定连接；手柄、六维力传感器均用螺栓固定在Z方向轴上。Z轴电机通过Z方向齿轮组带动Z方向旋转轴；下平台机构由电机、曲柄、基座、基底板、端盖、连杆、运动底板、固定座、支架组成，且下平台呈现三角对称，基底板和运动底板均呈三角形，电机通过基座分别固定连接在基底板的边沿，电机的输出端均有曲柄，曲柄分别通过平行四边形的连杆、支架、固定座与位于基底板上方的运动底板三个角连接，通过螺钉将下平台机构的运动底板与上平台基板固定，从而实现下平台机构与上平台机构的连接。本专利技术的积极效果是可解决现有遥操纵手控器在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面存在的问题，提高了机器人的工作效率，有很广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术的结构图。图2为本专利技术的上平台机构的结构图。图3为X方向旋转机构与Ｙ方向旋转机构的结构及空间布置图。图4为X方向旋转机构与Z方向旋转机构的空间布置。图5为Y方向旋转机构与Z方向旋转机构的空间布置。图6为本专利技术的下平台机构的结构图。图7为本专利技术的力引导型手控器工作原理图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明：如图1-4所示，基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构A和下平台机构B组成,上平台机构A主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构A由手柄1、Z方向旋转轴2、六维力传感器3、X方向旋转轴4、X方向齿轮组5、Y方向旋转轴6、惰轮轴7、X轴电机侧支撑架8、端盖9、光电开关片10、光电开关11、X轴电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构由手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、X方向旋转轴、X方向齿轮组、Y方向旋转轴、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、上平台基板、X轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承、Z轴支架、铰链轴、Z轴电机、螺栓、卡簧、铜套组成；X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴、X方向齿轮组、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、X轴电机及螺栓、卡簧;Y轴方向旋转运动机构包括Y方向旋转轴、端盖、光电开关片、光电开关、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承及螺栓、卡簧等部件;Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动；X轴方向旋转运动机构的具体布置位置为： X轴电机侧支撑架、X轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，X轴电机由X轴电机支座固定；X方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与X轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配,X轴电机通过X方向齿轮组带动X方向旋转轴，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架，Z轴支架与铰链轴之间采用间隙配合安装铜套，铜套与Z轴支架过盈配合，并在Ｚ轴支架两端用卡簧固定，对Z轴支架限位；Y轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为： Y轴电机侧支撑架、Y轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，Y轴电机由Y轴电机支座固定；Y方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与Y轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配；同时Y方向旋转轴通过一个圆弧形凹槽与安装在Z轴支架上的传动杆连接，Y轴电机通过Y方向齿轮组带动Y方向旋转轴，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆将Y方向的转动传递给Z轴支架，同时X、Y旋转机构垂直布置，X旋转机构通过传动杆将沿凹槽圆周方向往返运动，Ｘ、Ｙ方向上运动独立互不干涉；Z轴方向旋转运动机构包括手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Z轴支架、Z轴电机、螺栓， Z轴支架加工为上下两部分， Z轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆固定连接在Z轴支架上，通过螺栓将Z轴支架上下两部分固定连接；手柄、六维力传感器均用螺栓固定在Z方向轴上,Z轴电机通过Z方向齿轮组带动Z方向旋转轴；下平台机构由电机、曲柄、基座、基底板、端盖、连杆、运动底板、固定座、支架组成，且下平台呈现三角对称，基底板和运动底板均呈三角形，电机通过基座分别固定连接在基底板的边沿，电机的输出端均有曲柄，曲柄分别通过平行四边形的连杆、支架、固定座与位于基底板上方的运动底板三个角连接，通过螺钉将下平台机构的运动底板与上平台基板固定，从而实现下平台机构与上平台机构的连接。...

【技术特征摘要】
1.基于力/触觉引导的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构由手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、X方向旋转轴、X方向齿轮组、Y方向旋转轴、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、上平台基板、X轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承、Z轴支架、铰链轴、Z轴电机、螺栓、卡簧、铜套组成；X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴、X方向齿轮组、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、X轴电机及螺栓、卡簧;Y轴方向旋转运动机构包括Y方向旋转轴、端盖、光电开关片、光电开关、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承及螺栓、卡簧部件;Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动；X轴方向旋转运动机构的具体布置位置为：X轴电机侧支撑架、X轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，X轴电机由X轴电机支座固定；X方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与X轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配,X轴电机通过X方向齿轮组带动X方向旋转轴，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪涛，郑幻飞，陈相显，赵苗苗，王丽娜，朱厚文，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22