一混联式6自由度力反馈机械臂制造技术

本实用新型专利技术公开了一种混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在底座机构上的并联机构、设置于并联机构末端的串联机构，并联机构包括固定在所述底座机构上的固定平台、三条一端与所述固定平台正面活动连接的支链、与各支链另一端活动连接的浮动平台，固定平台上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；串联机构包括依次设置在所述浮动平台上的三维力传感器、具有三个旋转自由度的手柄机构；驱动执行元件末端、手柄机构上设有传感器。本实用新型专利技术提供6个自由度运动输入，能灵活捕捉操作者手部空间位置与姿态，为虚拟环境中的模拟特别是造型设计模拟提供了很好的硬件平台，结构紧凑、运动空间适合、刚度高、运动灵活。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种力反馈装置，尤其涉及一混联式6自由度力反馈机械臂，其能够捕捉操作者手部的空间位置和姿态，用于虚拟造型设计中的交互。
技术介绍
虚拟造型设计，是虚拟现实技术在设计制造业的重要应用之一，造型设计人员借助虚拟现实系统与虚拟环境进行交互，可以进行造型设计、模拟仿真、性能分析、模型修改等。相比于传统的CAD软件建模设计，借助于虚拟现实系统的虚拟造型设计技术可以使造型设计更加直观、简洁，更有利于设计人员将设计思想迅速表达。其中力觉交互技术是虚拟造型设计中的关键技术，提高了原本单纯依赖视觉和听觉再现设备的人机交互性，使人与虚拟世界的交互更可靠、真实，可以使虚拟设计在视觉、听觉的基础上更加具有沉浸性、想象性与交互性。而力觉交互设备是设计人员与虚拟现实环境进行力觉交互的接口，是虚拟现实技术系统中的重要组成部分。因而力觉交互设备的设计成为了虚拟现实技术系统具有更强的真实性与交互性的关键。目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，经过对现有技术的文献检索发现，美国Force Dimension 公司的Delta系列产品，其设计的是一种三自由度并联式力反馈机械臂，具有三个运动自由度，在三个运动自由度上均具有反馈力，但该设备工作空间太小，且只具有三个运动自由度，不能满足造型设计人员在操作空间内手部的自由旋转运动，且由于使用材料的特殊性导致产品设备价格昂贵；中国专利申请号201510033110.2，名称为：一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，该专利具有七个运动自由度且在七个运动自由度上均具有力反馈，但操作末端上安装的电机导致整个设备的运动惯量及设备阻抗较大，严重影响了设备的精确性定位和实时性交互；中国专利申请号201310042090.6，名称为：一种串并联力反馈遥操作手，该专利具有6个运动自由度，在3个自由度上具有反馈力，且在末端的串联3自由度上通过配重块进行了重力平衡补偿，但末端的配重机构导致了设备末端结构的不紧凑，运动灵活性降低。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提供一种结构简单紧凑、运动灵活、成本低廉、运动范围合适、刚度较高，能与虚拟造型设计应用中对交互设备大刚度、运动范围要求较低、运动灵活等要求相匹配，能实时地与造型设计的虚拟现实环境进行力觉交互的混联式6自由度力反馈机械臂。本技术所采用的技术方案是：一混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在所述底座机构上的并联机构、设置于并联机构末端的串联机构，所述的并联机构包括固定在所述底座机构上的固定平台、三条一端与所述固定平台正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台，所述浮动平台具有三个移动自由度，所述固定平台上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；所述的串联机构包括依次设置在所述浮动平台上的三维力传感器、具有三个旋转自由度的手柄机构；所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。进一步地，每个支链均包括一平行四边形机构、通过轴承转动连接于所述平行四边形机构两相对边中部的第一延长杆和第二延长杆，所述第一延长杆另一端通过第一旋转轴与固定在上述固定平台正面的两个第一支撑架活动铰接，所述第二延长杆的另一端与所述浮动平台固定连接。进一步地，所述的平行四边形机构包括两根平行设置的第二旋转轴、两根平行设置的第一杆件，两根第二旋转轴的两端分别固定设置有角接头，所述第一杆件的两端通过轴承与第二旋转轴的两端的角接头旋转连接。进一步地，所述驱动执行元件通过第二支撑架固定在所述固定平台背面。进一步地，所述驱动执行元件为有刷空心杯直流伺服电机。进一步地，所述的传动装置包括通过钢丝绳驱动连接的主动轮和半圆形减速从动轮，所述主动轮设置在所述驱动执行元件输出轴前端，所述半圆形减速从动轮通过第一旋转轴转动设置在两个第一支撑架之间，所述半圆形减速从动轮直径方向与所述第一延长杆固定连接。进一步地，所述的手柄机构包括设有竖直边的十字支撑架、正交地转动设置在所述十字支撑架上的X轴旋转部件、Y轴旋转部件、转动设置在上述Y轴旋转部件上的Z轴旋转部件，所述的X轴旋转部件包括分别与所述十字支撑架两相对竖直边旋转连接的第一圆盘与第二圆盘，所述第一圆盘与第二圆盘之间通过支撑柱固定连接，所述Y轴旋转部件包括与所述十字支撑架的另一相对竖直边旋转连接的十字旋转块，与所述十字旋转块另两端旋转连接的U形旋转块，所述的Z轴旋转部件包括转动地设置在所述U形旋转块中部的操作手柄，所述操作手柄相切地夹设在两根支撑柱之间。进一步地，所述的传感器包括设置于所述驱动执行元件输出轴后端的第一传感检测元件、设置于所述十字支撑架一侧用于检测第一圆盘与第二圆盘转动的第四传感检测元件、设置于所述十字支撑架的另一侧用于检测十字旋转块转动的第五传感检测元件、设置在所述U形旋转块上用于检测操作手柄旋转的第六传感检测元件。进一步地，所述的第一传感检测元件为光电式旋转编码器，所述第四传感检测元件、第五传感检测元件、第六传感检测元件为角度电位器。进一步地，所述固定平台上设置有第一限位块，所述半圆形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔；所述十字支撑架连接第一圆盘或第二圆盘的竖直边内侧设置有第二限位块，所述第一圆或第二圆盘上按到一定角度间隔均匀设置有若干用于安装限位螺钉的调节螺纹孔。相比现有技术，本技术的有益效果是：1、本技术通过并联结构与串联结构的混合，使得混联式6自由度力反馈臂同时具有了并联机构刚度大，串联机构运动灵活的特点。在满足虚拟造型设计所需要的工作空间范围的前提下，使得机构具有更大的刚度和运动灵活性。2、本技术的末端机构是三个自由度的串联机构，三个运动自由度的运动轴线相交于一点，且第五个运动自由度处于第四个运动自由度的第一、第二圆盘之中，从而使得末端点距离并联机构与串联机构的交点距离更近，反馈力更加真实。3、本技术中的传动机构中主动轮与减速从动轮间的运动与力矩传递通过钢丝绳实现，钢丝绳传动克服了传统齿轮传动等有传动间隙的影响，传动钢丝绳设置适度的张紧，避免其打滑同时也使其有较长的寿命。4、操作末端不含配重机构或电机，减少整个设备的运动惯量及运动阻抗，保障设备的精确性定位、运动灵活性和实时性交互。5、结构简单、成本低，安装维护方便。附图说明图1是本技术实施例的总体结构示意图。图2是图1技术实施例总体结构的详细示意图。图3是本技术实施例的另一视角总体结构的详细示意图。图4是本技术实施例的并联机构结构示意图。图5是本技术实施例的并联机构一条支链结构示意图。图6是本技术实施例的底座机构的结构示意图。图7是本技术实施例的串联机构结构示意图。图8是本技术实施例的串联机构的十字支撑架、第一圆盘、第二圆盘、支撑柱、第四传感检测元件、第五传感检测元件的连接示意图。图9是本技术实施例的串联机构的十字支撑架、十字旋转块、U形旋转块、操作手柄、第五传感检测元件、第六传感检测元件的连接示意图。图10是本技术实施例的浮动平台的结构示意图。图中所示为：1.支撑座、2.并联机构、3.串联机构、11.第一支撑座、12.第二支撑座、13.第三支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(1)、设置在所述底座机构(1)上的并联机构（2）、设置于并联机构（2）末端的串联机构（3），其特征在于：所述的并联机构（2）包括固定在所述底座机构(1)上的固定平台（211）、三条一端与所述固定平台（211）正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台（214），所述浮动平台（214）具有三个移动自由度，所述固定平台（211）上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；所述的串联机构（3）包括依次设置在所述浮动平台（214）上的三维力传感器（41）、具有三个旋转自由度的手柄机构；所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。

【技术特征摘要】
1.一混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(1)、设置在所述底座机构(1)上的并联机构（2）、设置于并联机构（2）末端的串联机构（3），其特征在于：所述的并联机构（2）包括固定在所述底座机构(1)上的固定平台（211）、三条一端与所述固定平台（211）正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台（214），所述浮动平台（214）具有三个移动自由度，所述固定平台（211）上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；所述的串联机构（3）包括依次设置在所述浮动平台（214）上的三维力传感器（41）、具有三个旋转自由度的手柄机构；所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。2.根据权利要求1所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于：每个支链均包括一平行四边形机构、通过轴承转动连接于所述平行四边形机构两相对边中部的第一延长杆（222）和第二延长杆（215），所述第一延长杆（222）另一端通过第一旋转轴（213）与固定在上述固定平台（211）正面的两个第一支撑架（212）活动铰接，所述第二延长杆（215）的另一端与所述浮动平台（214）固定连接。3.根据权利要求2所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述的平行四边形机构包括两根平行设置的第二旋转轴（223）、两根平行设置的第一杆件（224），两根第二旋转轴（223）的两端分别固定设置有角接头（225），所述第一杆件（224）的两端通过轴承与第二旋转轴（223）的两端的角接头（225）旋转连接。4.根据权利要求2所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述驱动执行元件（232）通过第二支撑架（231）固定在所述固定平台（211）背面。5.根据权利要求4所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述驱动执行元件（232）为有刷空心杯直流伺服电机。6.根据权利要求4所述的混联式6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述的传动装置包括通过钢丝绳驱动连接的主动轮（234）和半圆形减速从动轮（221），所述主动轮（234）设置在所述驱动执行元件（232）输出轴前端，所述半圆形减速从动轮（221）通过第一旋转轴（213）转动设置在两个第一支撑架（212）之间，所述半圆形减速从动轮（221）直径方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清辉，吴书传，李静蓉，黄仲东，倪建龙，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44