一种三自由度转动手控器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三自由度转动手控器及其控制方法，旨在提供一种结构简单、操作方便、成本低廉的三自由度转动手控器；三自由度手控器包括：第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、操作手柄、力传感器和十字铰支，第一驱动装置控制该装置在Z轴的转动，并提供力反馈，第二驱动装置控制该装置在X轴的转动，并提供力反馈，第三驱动装置控制该装置在Y轴的转动，并提供力反馈，使用者通过对操作手柄的操控就能对本三自由度转动手控器进行控制，让整个操作过程直观方便。

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度转动手控器及其控制方法
本专利技术涉及一种机器人，更具体地说，是一种三自由度转动手控器与其控制方法。
技术介绍
三自由度转动手控器是一种广泛应用于医疗手术机器人操作、机器人遥控操作系统、力反馈操控装置、虚拟仿真交互操作等领域的操作机构，这种手控器可以让使用者更加直观地对目标装置进行操作，极大地提高了人机交互的友好性，降低了使用者的操作门槛；但目前国内对于三自由度转动手控器领域的研究还处于起步阶段，国内生产的三自由度转动手控器相较于国外的同类型产品还存在一些劣势，国内对于三自由度转动手控器产品的使用在很大程度上仍然依赖进口；同时，三自由度转动手控器往往结构复杂，价格昂贵，不利于用户降低成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前三自由度转动手控器的缺点，研发出结构更加精巧的手控器机械结构以及与之配套的命令处理与下发算法，优点在于结构精巧简单、安装方便、操作容易、成本低廉。为达到本专利技术的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三自由度转动手控器，其特征在于，包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、操作手柄、力传感器、法兰盘和十字铰支架，法兰盘固定在操作台上，力传感器安装在法兰盘上，第一驱动装置下端通过套筒安装在力传感器上，第一驱动装置包括：Z轴电机、套筒、Z轴联轴器和Z轴轴承箱，套筒包围在Z轴电机外，Z轴电机动力输出端与Z轴联轴器的一端连接，Z轴联轴器外套装有Z轴轴承箱，Z轴轴承箱与套筒顶端连接，Z轴联轴器的另一端连接X轴节叉的节叉杆，X轴节叉的一个节叉头套在X轴第二轴承箱上，X轴第二轴承箱安装在十字铰支架的D端，X轴节叉的另一个节叉头套在X轴第一轴承箱上，X轴第一轴承箱安装在十字铰支架的B端；使能按钮安装在操作手柄上，操作手柄通过手柄杆与Y轴节叉固定连接。进一步地，十字铰支架的四端顺时针设置A、B、C、D端，A、B、C、D端均为阶梯轴，十字铰支架A端连接Y轴节叉，十字铰支架B端连接第二驱动装置和X轴节叉；十字铰支架C端连接第三驱动装置和Y轴节叉；十字铰支架D端与X轴节叉连接。进一步地，第二驱动装置包括X轴电机、X轴第一轴承箱和X轴联轴器，X轴电机的动力输出端通过X轴联轴器与十字铰支架的B端连接，X轴联轴器外套装有X轴第一轴承箱，X轴第一轴承箱外套有X轴节叉的一个叉头。进一步地，第三驱动装置包括Y轴电机、Y轴第一轴承箱和Y轴联轴器，Y轴电机的动力输出端通过Y轴联轴器与十字铰支架的C端连接，Y轴联轴器外套装有Y轴第一轴承箱，Y轴第一轴承箱外套装有Y轴节叉的一个叉头，Y轴节叉的另一个叉头套在Y轴第二轴承箱上，Y轴第二轴承箱安装在十字铰支架的A端。进一步地，所述力传感器为六位力传感器。进一步地，所述三自由度转动手控器外侧有防护罩。进一步地，所述使能按钮通过螺纹连接安装在操作手柄上，操作手柄轴向开有螺纹盲孔，操作手柄侧面开有安装使能按钮的螺纹孔，操作手柄上的螺纹盲孔和侧面的螺纹孔相连通；所述操作手柄的螺纹盲孔与手柄杆一端的外螺纹配合，操作手柄通过螺纹连接固定在手柄杆的一端，手柄杆的另一端通过螺纹连接固定在Y轴节叉的中部；手柄杆从操作手柄到Y轴节叉的方向，依次在手柄杆外侧圆周上安装有风琴防护罩轴承和防护罩轴承，防护罩轴承将手柄杆和防护罩连接在一起。进一步地，塔型风琴防护罩小口端与风琴防护罩轴承连接，塔型风琴防护罩大口端与防护罩通过螺钉连接。进一步地，所述与十字铰支架A端连接的Y轴节叉的节叉头上安装有配重装置，配重装置的重量与第二驱动装置的重量相等。本专利技术还提供一种基于上述三自由度转动手控器的控制方法，包括以下步骤：步骤一，接通电源将三自由度转动手控器打开，将当前位置作为手柄的初始位置，从而完成操作手柄的初始化；步骤二，三自由度转动手控器底部的力传感器读取到X，Y，Z三个方向上的扭力τx、τy、τz，将读取到的力数值通过滤波算法进行平滑处理，并通过力控算法计算得到电机目标位置，在X轴上的坐标tarpositionx、在Y轴上的坐标tarpositiony、在Z轴上的坐标tarpositionz，下发给对应的三个关节上的三个电机,使电机产生与使用者施加给手柄力方向相反的力，从而达到力反馈的效果，即tarpositionx＝Kpx·τxtarpositiony＝Kpy·τytarpositionz＝Kpz·τz其中比例系数Kpx、Kpy、Kpz为手柄转动到限位时期望力矩与对应电机脉冲的比值；步骤三，对目标位置进行平滑处理以防止手柄出现抖动现象，以10ms为一个周期，Δpx.py.pz表示两个周期之间可以接受的最大电机位置差，位置差数值在±Δpx.py.pz内电机运动较为顺滑，位置差数值在±Δpx.py.pz外电机运动顿挫感强抖动明显，Δpx.py.pz值需要在使用过程中通过调节此参数观测实际使用效果，从而确定的较为理想的Δpx.py.pz值，若上个计算周期的目标位置与本计算周期的目标位置的差小于最大值Δpx.py.pz，即|tarpositionx，y，z-tarposition′x，y，z|<Δpx.py.pz则本计算周期的目标位置保持不变，其中tarpositionx,y，z为当前目标位置，tarposition′x，y，z为上个计算周期目标位置；若上个计算周期的目标位置与本计算周期的目标位置的差大于最大值Δpx.py.pz，即|tarpositionx，y，z-tarposition′x，y，z|>Δpx.py.pz则令本计算周期的目标位置等于上个计算周期的目标位置加减Δpx.py.pz，即tarpositionx.y.z＝tarposition′x，y，z±Δpx.py.pz；步骤四，对手柄控制机器人下达速度指令，对机器人的笛卡尔空间姿态进行加减速规划，Δvx.vy.vz表示两个周期之间可以接受的最大速度指令差，速度指令差在±Δvx.vy.vz范围内，被控机器人运动较为平滑，速度指令差在±Δvx.vy.vz范围外，被控机器人可能在运动时会出现抖动的情况，Δvx.vy.vz值需要在使用过程中通过调节此参数观测实际使用效果，从而确定的较为理想的Δvx.vy.vz值，若本周期的速度指令与上周期的速度指令的差值小于Δvx.vy.vz，即|Vx，y，z-V′x，y，z|<Δvx.vy.vz则本周期速度指令保持不变，其中Vx,y,z为当前速度指令速度，V′x,y,z为上个计算周期速度指令速度。若本周期的速度指令与上周期的速度指令的差值大于Δvx.vy.vz，即|Vx，y，z-V′x，y，z|>Δvx.vy.vz则令本周期速度指令等于上周期速度指令加减Δvx.vy.vz,即Vx.y.z＝V′x，y，z±Δvx.vy.vz步骤五，对实际速度指令进行限速处理，当实际速度指令大于最大速度，令实际速度指令等于最大速度；步骤六，将最终计算出的实际速度指令下发给目标装置进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三自由度转动手控器，其特征在于，包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、操作手柄(1)、力传感器(2)、法兰盘(4)和十字铰支架(3)，法兰盘(4)固定在操作台上，力传感器(2)安装在法兰盘(4)上，第一驱动装置下端通过套筒(8)安装在力传感器(2)上，第一驱动装置包括：Z轴电机(7)、套筒(8)、Z轴联轴器(11)和Z轴轴承箱(9)，套筒(8)包围在Z轴电机(7)外，Z轴电机(7)动力输出端与Z轴联轴器(11)的一端连接，Z轴联轴器(11)外套装有Z轴轴承箱(9)，Z轴轴承箱(9)与套筒(8)顶端连接，Z轴联轴器(11)的另一端连接X轴节叉(10)的节叉杆，X轴节叉(10)的一个节叉头套在X轴第二轴承箱(21)上，X轴第二轴承箱(21)安装在十字铰支架(3)的D端，X轴节叉(10)的另一个节叉头套在X轴第一轴承箱(13)上，X轴第一轴承箱(13)安装在十字铰支架(3)的B端；使能按钮(6)安装在操作手柄(1)上，操作手柄(1)通过手柄杆(24)与Y轴节叉(16)固定连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种三自由度转动手控器，其特征在于，包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、操作手柄(1)、力传感器(2)、法兰盘(4)和十字铰支架(3)，法兰盘(4)固定在操作台上，力传感器(2)安装在法兰盘(4)上，第一驱动装置下端通过套筒(8)安装在力传感器(2)上，第一驱动装置包括：Z轴电机(7)、套筒(8)、Z轴联轴器(11)和Z轴轴承箱(9)，套筒(8)包围在Z轴电机(7)外，Z轴电机(7)动力输出端与Z轴联轴器(11)的一端连接，Z轴联轴器(11)外套装有Z轴轴承箱(9)，Z轴轴承箱(9)与套筒(8)顶端连接，Z轴联轴器(11)的另一端连接X轴节叉(10)的节叉杆，X轴节叉(10)的一个节叉头套在X轴第二轴承箱(21)上，X轴第二轴承箱(21)安装在十字铰支架(3)的D端，X轴节叉(10)的另一个节叉头套在X轴第一轴承箱(13)上，X轴第一轴承箱(13)安装在十字铰支架(3)的B端；使能按钮(6)安装在操作手柄(1)上，操作手柄(1)通过手柄杆(24)与Y轴节叉(16)固定连接。


2.根据权利要求1所述的三自由度转动手控器，其特征在于，所述十字铰支架(3)的四端顺时针设置A、B、C、D端，A、B、C、D端均为阶梯轴，十字铰支架(3)A端连接Y轴节叉(16)，十字铰支架(3)B端连接第二驱动装置和X轴节叉(10)；十字铰支架(3)C端连接第三驱动装置和Y轴节叉(16)；十字铰支架(3)D端与X轴节叉(10)连接。


3.根据权利要求1所述的三自由度转动手控器，其特征在于，第二驱动装置包括X轴电机(12)、X轴第一轴承箱(13)和X轴联轴器(14)，X轴电机(12)的动力输出端通过X轴联轴器(14)与十字铰支架(3)的B端连接，X轴联轴器(14)外套装有X轴第一轴承箱(13)，X轴第一轴承箱(13)外套有X轴节叉(10)的一个叉头。


4.根据权利要求1所述的三自由度转动手控器，其特征在于，第三驱动装置包括Y轴电机(15)、Y轴第一轴承箱(22)和Y轴联轴器(17)，Y轴电机(15)的动力输出端通过Y轴联轴器(17)与十字铰支架(3)的C端连接，Y轴联轴器(17)外套装有Y轴第一轴承箱(22)，Y轴第一轴承箱(22)外套装有Y轴节叉(16)的一个叉头，Y轴节叉(16)的另一个叉头套在Y轴第二轴承箱(23)上，Y轴第二轴承箱(23)安装在十字铰支架(3)的A端。


5.根据权利要求1任一权利要求所述的三自由度转动手控器，其特征在于，所述力传感器(2)为六位力传感器。


6.根据权利要求1所述的三自由度转动手控器，其特征在于，所述三自由度转动手控器外侧有防护罩(18)。


7.根据权利要求1所述的三自由度转动手控器，其特征在于，所述使能按钮(6)通过螺纹连接安装在操作手柄(1)上，操作手柄(1)轴向开有螺纹盲孔，操作手柄(1)侧面开有安装使能按钮(6)的螺纹孔，操作手柄(1)上的螺纹盲孔和侧面的螺纹孔相连通；所述操作手柄(1)的螺纹盲孔与手柄杆(24)一端的外螺纹配合，操作手柄(1)通过螺纹连接固定在手柄杆(24)的一端，手柄杆(24)的另一端通过螺纹连接固定在Y轴节叉(16)的中部；手柄杆(24)从操作手柄(1)到Y轴节叉(16)的方向，依次在手柄杆(24)外侧圆周上安装有风琴防护罩轴承(20)和防护罩轴承(25)，防护罩轴承(25)将手柄杆(24)和防护罩(18)连接在一起。


8.根据权利要求7所述的三自由度转动手控器，其特征在于，塔型风琴防护罩(19)小口端与风琴防护罩轴承(20)连接，塔型风琴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张得礼，王志国，周星雨，张宇，张文奇，韩亮亮，杨健，杨永常，谷程鹏，卓新，胡雪平，王苑，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32