本发明专利技术公开了一种力操作器平衡机构，其包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，角度传感器放置在关节轴线上，这种方式在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种力学操作器，具体来说，是一种多自由度的、带有力反馈能力的握持式一种力操作器平衡机构。
技术介绍
随着通信技术、计算机技术以及大规模集成电子技术在上世纪的70年代后期的充分发展，使得遥操作技术的需求得到了增强，主从设备的发展也渐渐的成为热门方向，随着虚拟现实技术的快速的崛起，主从式遥操作也发生了一些实质性的变化。今天，遥操作技术和虚拟交互技术已经相互融合，而且迅速的发展。而本设备的专利技术也正是依托了主从式遥操作技术和虚拟交互技术发展的成果。一般的力觉操作器按照结构形式的特点可划分：①基于串联连杆的力觉操作器；②基于并联连杆的力觉操作器；③基于直线运动副的力觉操作器；④基于外骨骼式的力觉操作器；⑤基于线牵引式的力觉操作器。但是，一般的遥操作设备和力觉交互操作器的控制对象多是一些较少自由度、小惯量的实物设备或者是虚拟环境中的虚拟物体，这些被控对象本身可以反馈位置、速度或者力的信息给操作器，实现精确的力觉临场感和力反馈精度。这也导致了这些力觉交互操作器的工作空间小、力反馈能力有限，不利于握持的缺点。而如果要控制的设备都是具有大质量、大惯量、大刚度和低速低频的机械臂或起重机。而且这些大型设备上往往也没法安装能够反馈自身状态的传感器。因此，一般的操作器设备很难应用于该领域。本设备专利技术正是为了弥补传统的力觉操作设备在这些方面的不足。由于控制对象的不同，所以此设备在设计过程中所关注的各种性能指标，也异于其他的设备。尤其是在工作空间、反馈力大小、握持方式以及通用性等方面，传统的力觉操作器多没法满足要求，同时，关注指标的不同也导致了结构形式的差异。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种多自由度的，带有力反馈能力的机械臂通用力觉操作器，是一种基于串联连杆结构的，采用手掌握持方式操作的，具有大工作空间，具有大反馈力的多自由度通用型的力觉操作器，主要运用在大型机械臂操作、大型多自由起重机操作以及虚拟环境交互仿真等领域。本专利技术力操作器平衡机构，包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，但角度传感器任放置在关节轴线上，在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度；同时设计有基于拉伸弹簧的静平衡结构实现前述第二～第六关节在工作空间内任意位置的静平衡。本专利技术中最远端的第六关节控制着末端姿态中的偏航自由度，它由操作手柄、力矩电机以及角度传感器构成，电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动；与第六关节连接的是第五关节。第五关节的主体是一个U型拨叉，拨叉的两端分别固定驱动电机和角度传感器；第五关节的轴通过螺钉与第六关节的主体部分连接。第六关节相对与第五关节的位置可调节；第五关节采用直接驱动的方式，电机与角度传感器分别布置于转轴的两端；第五关节控制着末端姿态的俯仰自由度。第四关节控制着末端姿态的翻滚自由度，通过连杆与第五关节的拨叉连接，第四关节上力矩电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动。第三关节与第二关节分别控制着末端的两个位置自由度；第三关节与第二关节分布于平行连杆结构的两个转轴上，第三关节处于上方位置，与第四关节靠近，第二关节在下方位置；第三关节的角度传感器固定在关节轴向上，但是，驱动电机放置于下方的转盘上，电机的驱动力通过绳传动机构和平行连杆结构传递到第三关节上；第二关节的角度传感器也固定于此关节的轴线上，固定在转盘上控制电机也采用绳传动机构，将驱动力传递到第二关节的轴线上。第一关节位于最下面的底板上，它控制着末端位置的一个自由度；第一关节的关节轴与安装第二关节、第三关节电机的转盘固定连接。此关节转动时，将带动整个转盘以及转盘上各部分一起转动。第一关节采用绳传动结构，电机固定在底座上，底座是整个设备的支撑。角度传感器于关节轴的轴线上固定；第一关节与底座紧密的联系在一起。在底座上固定有第一关节的主体部分、手柄回零结构、电气连接件以及控制电路。本专利技术的优点在于：1、本专利技术力操作器平衡机构采用六自由度的串联结构，使得具有了全空间的位置姿态的感知能力，同时在每个关节上都安装了电机，实现了全空间位置姿态的力觉反馈能力；2、本专利技术力操作器平衡机构中第二关节与第三关节采用采用平行连杆形式的结构方式布置，使得操作器在不减小工作空间的情况下，获得了更大的结构刚度和更灵活的驱动器布置方式；3、本专利技术力操作器平衡机构采用绳驱动的优点在于增加传递扭矩的同时也可以消除结构的间隙，实现真正的无间隙传动；且直接驱动的方式更是将传动环节的误差完全消除，更进一步的提高的设备的精度。4、本专利技术力操作器平衡机构通过静平衡机构使得设备末端的力觉感知更加真实可靠，消除了重力带来的影响，这个优点也减小了控制系统的设计的复杂度。附图说明图1为本专利技术力操作器平衡机构整体结构图示意图；图2为本专利技术力操作器平衡机构中第一关节结构示意图；图3为本专利技术力操作器平衡机构中转动盘底面所安装结构示意图；图4为第一关节张紧机构结构示意图；图5为本专利技术力操作器平衡机构中第二关节结构示意图；图6为本专利技术力操作器平衡机构中第三关节及第四关节结构示意图；图7为本专利技术力操作器平衡机构中第五关节及第六关节结构示意图；图8为定位调节机构结构示意图；图9为本专利技术力操作器平衡机构安装外壳后的结构示意图。图中：1-第一关节 2-第二关节 3-第三关节4-第四关节 5-第五关节 6-第六关节7-静平衡机构 8-套筒 9-回零定位杆10-保护壳 101-转动盘 102-第一关节转轴103-第一关节驱动机构 104-第一关节角度传感器 103a-第一关节驱动电机103b-第一关节扇形传动盘 103c-第一关节驱动传动轮 103d-第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种力操作器平衡机构，其特征在于：包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，但角度传感器任放置在关节轴线上，在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度；同时设计有基于拉伸弹簧的静平衡结构实现前述第二～第六关节在工作空间内任意位置的静平衡。
【技术特征摘要】
2014.01.16 CN 20141002209041.一种力操作器平衡机构，其特征在于：包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。
采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、
三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，但角度传感器任
放置在关节轴线上，在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面
三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能
力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型
拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度；同时设计有基于拉伸弹簧的静平衡结构实现前述
第二～第六关节在工作空间内任意位置的静平衡。
2.根据权利要求1所述的一种力操作器平衡机构，其特征在于：设备最远端的第六关
节控制着末端姿态中的偏航自由度，它由操作手柄、力矩电机以及角度传感器构成，电机与
角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动；与第六关节连接的是第五关节；
第五关节的主体是一个U型拨叉，拨叉的两端分别固定驱动电机和角度传感器；第五关
节的轴通过螺钉与第六关节的主体部分连接。第六关节相...
【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，李雪鹏，叶婷，雷朝，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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