一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种可扩展连接的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平行四连杆机构、设置于平行四连杆机构末端的末端执行器机构，该装置能用于捕捉手腕运动，能与力反馈数据手套、扳手等工具扩展连接。本发明专利技术中用于确定扩展连接处空间位置的三个自由度均具有力觉反馈，力反馈通过直流伺服电机与线传动减速机构相配合来实现，用于确定扩展连接处空间姿态的三个自由度通过三个高精度光电编码器来检测，同时还为数据手套、扳手、螺丝刀等扩展设备与工具在虚拟操作中空间位置与姿态的获取并获得扩展连接处的反馈力提供了一个很好的硬件平台，结构紧凑、运动空间大、刚度高、定位精确，用途广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂
本专利技术涉及一种力反馈装置，尤其涉及一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其能够与数据手套、扳手、螺丝刀等工具扩展连接并能用于捕捉手腕运动。
技术介绍
虚拟现实技术，通常是指通过立体显示设备、数据手套、机械臂等人机交互设备与计算机连接而构造出的一种与人体视觉、听觉、触/力觉等感官类似的虚拟环境，在其中用户可以通过各种输入设备向计算机输入各种命令，从而计算机能向用户反馈在视觉、听觉以及触/力觉等多种感官上的信息，让用户获得逼真度极高的多种感官上体验的人机界面技术，使用户有身临其境的感受。力反馈交互设备是虚拟现实技术中一种重要的硬件设备，其本质是一种全新的输入输出设备，将是当今以及未来的研究热点。力反馈设备与其他感官比如听觉、视觉、嗅觉的不同之处在于，其他感官的信息只能单向传递，而力/触觉的感官信息可以在人体与虚拟环境之间双向传递，力反馈设备便起着这样一种传递信息的作用。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Sensable公司的PHANTOM系列力反馈产品，其已公开有专利技术专利（Pub.No.:US2008/0291161A1）和已成功申请的专利技术专利（PatentNumber:US0077714836B2,PatentNumber:US0055625576A），其设计的是一种六自由度力反馈机械臂，但其工作空间太小，其末端为笔式的操作杆不能再与其他力觉交互设备（比如数据手套CyberGlove）扩展连接，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201110229208.7，名称为：一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备，该专利使用平衡机构自主调节设备的自重平衡，但其同样不具备与其他力觉设备以及机械领域的操作工具扩展连接的设计；中国专利号申请号201110122863.2，名称为：一种6自由度力反馈虚拟手术器械，该专利末端设计为用于虚拟手术的手术钳，使用功能单一，且没有进行重力平衡设计，机械臂各连杆为单一连杆，从而导致设备整体刚度比较差；中国专利申请号200810037094.4，名称为：五自由度力反馈虚拟手术器械，该专利具有5个自由度的运动及力反馈，且具有直线运动自由度，但其转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。
技术实现思路
本专利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、成本低廉、运动范围大、反馈力大、刚度较高、通过配重块与电机配合平衡设备自重，且能与力反馈数据手套、扳手、螺丝刀等机械领域操作工具扩展连接且能捕捉手腕运动空间姿态，实时地与虚拟现实环境进行力觉交互的6自由度力反馈机械臂。本专利技术所采用的技术方案是：一种可扩展连接的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平行四连杆机构、设置于平行四连杆机构末端的末端执行器机构，所述底座机构包括四角设有支撑脚的底座支撑平台、水平转动地设置在底座支撑平台上的减速从动轮，所述底座支撑平台上通过第一支撑架设置有第一驱动执行元件，所述第一驱动执行元件输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮的第一主动轮，第一主动轮通过传动钢丝绳与第一减速从动轮连接，该减速装置减速比为：，后端设置有第一传感检测元件，所述减速从动轮上端面设置有通过第二支撑架固定的第二驱动执行元件，以及通过第三支撑架固定的第三驱动执行元件，所述第二驱动执行元件的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮，后端设置有第二传感检测元件，所述第三驱动执行元件的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮，后端设置有第三传感检测元件；所述平行四连杆机构包括设置于减速从动轮上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，所述肩部机构包括设置在减速从动轮上端面的两个第四支撑架，水平设置在两个第四支撑架之间的回转轴，所述回转轴上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮的第一扇形减速从动轮、中间旋转块、通过钢丝绳连接第三主动轮的第二扇形减速从动轮，第二主动轮和第一扇形减速从动轮、第三主动轮和第二扇形减速从动轮的传动比均为：，所述中间旋转块与第一扇形减速从动轮之间固定连接有中间连接块，所述第一扇形减速从动轮的轮辋内侧设置有两个配重块，这两个配重块可以平衡掉两根第一连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分通电机调节来平衡；所述第二扇形减速从动轮的轮辋内侧设置有一个配重块,这个配重块可以平衡掉两根第二连杆与第三连杆的大部分自重，其余的小部分能过电机调节来平衡，最终通过配重块与电机的配合，以达到平衡机械臂自重，使操作更加精确，更加真实的目的；所述的杆件机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件，所述第一杆件和第二杆件相互平行，所述第一杆件的一端连接中间旋转块，另一端与第三杆件活动铰接，所述第二杆件一端通过连接销与第二扇形减速从动轮活动铰接，另一端与第三杆件活动铰接；所述末端执行器机构包括用于连接第三杆件末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架，所述环状部件上设置有连接第四主动轮的第六传感检测元件，所述第四主动轮通过钢丝绳与手腕支撑架相连接，各个传动减速系统通过传动钢丝绳连接三个主动轮与三个减速从动轮，传动钢丝绳在主动轮的螺旋槽上缠绕数圈后绕到减速从动轮线槽上并在减速从动轮上固定，传动钢丝绳为具有高强度和高抗疲劳性的*钢丝绳；末端执行器机构具有三个自由度，且可与其他力反馈设备及操作工具扩展连接，使力反馈机械臂可以与力反馈数据手套比如CyberGlove以及扳手、螺丝刀等操作工具扩展连接，用于虚拟环境中的虚拟物体的抓取以及虚拟操作，进一步扩大使用范围。进一步地，所述减速从动轮的中部通过螺钉连接有轴向定位柱，所述轴向定位柱上设置有连接减速从动轮和底座支撑平台的双向推力球轴承和深沟球轴承，以减少阻力，提高灵活性，所述减速从动轮边缘对称设置有两个绕线柱和两个传动线固定柱，从而是传动钢丝绳能够稳定可靠的缠绕于减速从动轮上。进一步地，所述减速从动轮的底面轮辐上设置有第一限位块，所述底座支撑平台上沿圆形轨迹以10度的夹角间隔设置有限位柱调节螺纹孔，限位柱调节螺纹孔内设置有与所述第一限位块配合的第一限位柱。进一步地，所述第一扇形减速从动轮与第二扇形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱的限位柱调节螺纹孔，中间旋转块上也按10度的等角度间隔加工有若干用于安装第二限位柱的限位柱调节螺纹孔，在第二扇形减速从动轮上安装有与中间旋转块上的第二限位柱配合的限位块，用以调节第一扇形减速从动轮和第二扇形减速从动轮相互之间的运动范围，两个第四支撑架的内侧各设置有与第二限位柱配合的限位块，所述第一扇形减速从动轮与第二扇形减速从动轮轮辐上还设置有用于安装绕线柱的绕线柱螺纹孔和用于固定钢丝绳的传动线固定柱螺纹孔。进一步地，所述第一杆件、第二杆件均由两根平行设置的子杆件及横穿连接于所述子杆件之间的杆固定件组成，所述连接销与第二杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(1)、设置在底座机构上的平行四连杆机构(2)、设置于平行四连杆机构(2)末端的末端执行器机构(3)，其特在于：所述底座机构(1)包括四角设有支撑脚(111)的底座支撑平台(112)、水平转动地设置在底座支撑平台(112)上的减速从动轮(121)，所述底座支撑平台(112)上通过第一支撑架(41)设置有第一驱动执行元件(51)，所述第一驱动执行元件(51)输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮(121)的第一主动轮(61)，后端设置有第一传感检测元件(71)，所述减速从动轮(121)上端面设置有通过第二支撑架(42)固定的第二驱动执行元件(52)，以及通过第三支撑架(43)固定的第三驱动执行元件(53)，所述第二驱动执行元件(52)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮(62)，后端设置有第二传感检测元件(72)，所述第三驱动执行元件(53)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮(63)，后端设置有第三传感检测元件(73)；所述平行四连杆机构(2)包括设置于减速从动轮(121)上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，所述肩部机构包括设置在减速从动轮(121)上端面的两个第四支撑架(131)，水平设置在两个第四支撑架(131)之间的回转轴(21)，所述回转轴(21)上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮(62)的第一扇形减速从动轮(221)、中间旋转块(223)、通过钢丝绳连接第三主动轮(63)的第二扇形减速从动轮(222)，所述中间旋转块(223)与第一扇形减速从动轮(221)之间固定连接有中间连接块(224)，所述第一扇形减速从动轮(221)的轮辋内侧设置有两个配重块(226)，所述第二扇形减速从动轮(222)的轮辋内侧设置有一个配重块(226)；所述的杆件机构包括第一杆件(231)、第二杆件(232)、第三杆件(233)，所述第一杆件(231)和第二杆件(232)相互平行，所述第一杆件(231)的一端连接中间旋转块(223)，另一端与第三杆件(233)活动铰接，所述第二杆件(232)一端通过连接销(234)与第二扇形减速从动轮(222)活动铰接，另一端与第三杆件(233)活动铰接；所述末端执行器机构(3)包括用于连接第三杆件(233)末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件(74)、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件(75)，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架(323)，所述环状部件上设置有连接第四主动轮(64)的第六传感检测元件(76)，所述第四主动轮(64)通过钢丝绳与手腕支撑架(323)相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，包括底座机构(1)、设置在底座机构上的平行四连杆机构(2)、设置于平行四连杆机构(2)末端的末端执行器机构(3)，其特在于：所述底座机构(1)包括四角设有支撑脚(111)的底座支撑平台(112)、水平转动地设置在底座支撑平台(112)上的减速从动轮(121)，所述底座支撑平台(112)上通过第一支撑架(41)设置有第一驱动执行元件(51)，所述第一驱动执行元件(51)输出轴前端连接有通过钢丝绳驱动减速从动轮(121)的第一主动轮(61)，后端设置有第一传感检测元件(71)，所述减速从动轮(121)上端面设置有通过第二支撑架(42)固定的第二驱动执行元件(52)，以及通过第三支撑架(43)固定的第三驱动执行元件(53)，所述第二驱动执行元件(52)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第二主动轮(62)，后端设置有第二传感检测元件(72)，所述第三驱动执行元件(53)的输出轴前端连接有缠绕钢丝绳的第三主动轮(63)，后端设置有第三传感检测元件(73)；所述平行四连杆机构(2)包括设置于减速从动轮(121)上端面的肩部机构、与所述肩部机构驱动连接的杆件机构，所述肩部机构包括设置在减速从动轮(121)上端面的两个第四支撑架(131)，水平设置在两个第四支撑架(131)之间的回转轴(21)，所述回转轴(21)上通过轴承依次转动地设置有通过钢丝绳连接第二主动轮(62)的第一扇形减速从动轮(221)、中间旋转块(223)、通过钢丝绳连接第三主动轮(63)的第二扇形减速从动轮(222)，所述中间旋转块(223)与第一扇形减速从动轮(221)之间固定连接有中间连接块(224)，所述第一扇形减速从动轮(221)的轮辋内侧设置有两个配重块(226)，所述第二扇形减速从动轮(222)的轮辋内侧设置有一个配重块(226)；所述的杆件机构包括第一杆件(231)、第二杆件(232)、第三杆件(233)，所述第一杆件(231)和第二杆件(232)相互平行，所述第一杆件(231)的一端连接中间旋转块(223)，另一端与第三杆件(233)活动铰接，所述第二杆件(232)一端通过连接销(234)与第二扇形减速从动轮(222)活动铰接，另一端与第三杆件(233)活动铰接；所述末端执行器机构(3)包括用于连接第三杆件(233)末端的固定块、开口朝下的方槽形固定件、绕空间Z轴转动连接于固定件中部与固定块之间的第四传感检测元件(74)、绕空间Y轴转动设置于固定件两侧壁之间的中间旋转机构，所述固定件一侧设置有检测中间旋转机构转动的第五传感检测元件(75)，所述中间旋转机构包括环状部件、绕空间X轴转动设置于环状部件内孔的手腕支撑架(323)，所述环状部件上设置有连接第四主动轮(64)的第六传感检测元件(76)，所述第四主动轮(64)通过钢丝绳与手腕支撑架(323)相连接；所述减速从动轮(121)的中部通过螺钉连接有轴向定位柱(125)，所述轴向定位柱(125)上设置有连接减速从动轮(121)和底座支撑平台(112)的双向推力球轴承和深沟球轴承，所述减速从动轮(121)边缘对称设置有两个绕线柱(122)和两个传动线固定柱(123)；所述减速从动轮(121)的底面轮辐上设置有第一限位块(126)，所述底座支撑平台(112)上沿圆形轨迹以10度的夹角间隔设置有限位柱调节螺纹孔(228)，限位柱调节螺纹孔(228)内设置有与所述第一限位块(126)配合的第一限位柱(124)。2.根据权利要求1所述的可扩展连接的6自由度力反馈机械臂，其特征在于：所述第一扇形减速从动轮(221)与第二扇形减速从动轮轮辐上沿弧形轨迹按10度的等...

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