一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备制造技术

本发明专利技术公开了一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护，本发明专利技术具有反馈力大、结构及操作简单、实时性好、成本低廉、运动灵活等优点。

A frame with 6 degrees of freedom at the end of the reusable and force feedback equipment

The invention discloses a frame with 6 degrees of freedom at the end of the reusable and force feedback devices, including the mechanical structure, drive control module, terminal attitude acquisition module and power supply module, the mechanical mechanism for the realization of the force feedback device at the end of 6 degrees of freedom motion input and 3 DOF force feedback output, and the hanging wire the weight of the counterweight; the driving motor control module is used for motion detection and control, output control force feedback haptic device; the terminal attitude acquisition module is used to complete the end on the pitch, swing and spin arm along the direction of angle measurement; the power supply module is used to provide stable and reliable power supply, and current overload protection, the invention has the advantages of feedback force, simple structure and operation, good real-time performance, low cost, flexible movement.

【技术实现步骤摘要】
一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备
本专利技术涉及一种力反馈设备，尤其涉及一种6自由度框架式并联力反馈设备，能够适配圈式和笔式等多种人手运动捕捉装置，该设备可以提供6自由度运动输入和3自由度力觉输出。
技术介绍
在虚拟现实
中，通常需要向用户提供视觉、听觉、触/力觉等信息的反馈，使用户获得沉浸式的多感官体验和强烈的临场感。当前，市面上已有多款成熟的商业虚拟现实交互设备，如数据手套、力反馈器、VR眼镜等。其中，力反馈器作为一种新型的输入输出设备，可以为用户提供逼真的力觉反馈。与提供其它感官比如听觉、视觉、嗅觉的交互装置不同，力反馈器可以将力/触觉的信息在用户和虚拟场景之间进行双向传递。目前，国内外已经有不少高校、研究所或个人在从事力反馈设备的研究和开发工作，所研制的力反馈设备主要为串联结构和Delta并联结构两种结构形式。经过对现有技术的专利文献检索发现，美国专利申请号US6088020，名称为：HAPTICDEVICE，该专利在3自由度力反馈设备基础上，设计了一个可以提供2个自由度力矩输出的笔式末端，改善了单点式力反馈设备的力觉输出缺陷。但是缺点是笔式末端增加了额外的执行机构，使得末端转动惯量较大，对设备的自平衡有较大的影响。中国专利申请号201310042090.6和201610235880.X，名称分别为：一种串并联力反馈遥操作主手和一种三维平动力反馈设备，两个专利都采用了Delta并联结构来实现力反馈器的三维平动。此外，前者设计了串联结构的操作末端。但是由于Delta并联结构本身的局限性，这种结构的力反馈器的操作空间比较小，且正向运动学计算比较困难。中国专利申请号201110122863.2和2015103427022，名称分别为：一种6自由度力反馈虚拟手术器械和一种可拓展连接的6自由度力反馈机械臂，这两个专利设计的力反馈器的三维平动均采用串联结构实现，实现了比较大的操作空间。但是减速轮和配重块导致力反馈器平动的运动惯量较大。
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，反馈力大，实时性好，易于制造维修，自平衡简单，操作灵活，并且可以适配多种操作末端的6自由度框架式并联力反馈设备。本专利技术所采用的技术方案是：一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护。进一步地，所述的机械机构包括底座组件、动平台组件、顶板组件和操作末端组件，所述底座组件和顶板组件通过四根竖直光杆导轨和光杆轴承固定座固接，组成力反馈器的外部框架结构，所述动平台组件通过四个箱式滑块分别与四根竖直光杆导轨滑动连接，实现竖直方向的平动；所述操作末端组件与动平台组件连接，用于捕捉人手运动，并实现力反馈器的6自由度运动。进一步地，所述底座组件包含一个底座支撑平台、四个底座支脚、四根实心竖直的光杆导轨、四个光杆导轨支座、四个动平台限位支架、一个导线轮垫木、一个底座横向导线轮、两个底座侧向导线轮、第三电机、一个第三电机支架，四个底座支脚与底座支撑平台底部固定，可减小底座支撑平台与水平面的接触面积，方便搬运；四根实心竖直的光杆导轨和四个光杆导轨支座用于连接顶板组件和底座支撑平台；四个动平台限位支架分别套在四根实心竖直的光杆导轨上，并与底座支撑平台连接，用于限制动平台组件竖直方向的最低位置，防止动平台组件与底座支撑平台碰撞；所述底座横向导线轮固定在所述底座支撑平台上，用于将竖直方向从顶板组件传导下来的钢丝线转换成水平方向，然后经过两个底座侧向导线轮换向后与第三电机的第三电机轴螺纹套连接；所述第三电机支架用于将第三电机固定在底座支撑平台上。进一步地，所述动平台组件包括一个移动平板、四个箱式滑块、八个移动平板固定支架、九个活接带孔螺栓、六条直线导轨、八个直线滑块、两条导轨连接支架、四个接线耳板、四个直线导轨限位支架、八个动平台横向导线轮、六个动平台侧向导线轮、两个电机支架、两个直线滑块垫木、一个十字连接支架、第一电机、第二电机，所述移动平板固定支架用于连接箱式滑块和移动平板；九个活接带孔螺栓中的四个用于通过钢丝线和底座组件的第三电机连接，实现移动平板的竖直方向的传动和力觉传输；另外四个用于通过钢丝线连接配重块，实现动平台组件的重力平衡；另一活接带孔螺栓过活接螺栓垫木设置在移动平板中心，与缠绕第三电机轴螺纹套的钢丝线连接形成一个闭环传动；所述六条直线导轨中的四条分别设置在移动平板四边形成矩形导轨框，两个直线导轨固定支架呈空间错开的十字形，两端均通过直线滑块与设置在移动平板四边的直线导轨滑动配合，实现互不干涉的平面运动，另外两条直线导轨呈十字形分别设置在两个直线导轨固定支架上，共同实现操作末端组件在移动平板上的平面运动；动平台横向导线轮和动平台侧向导线轮实现钢丝线换向，并分别与第一电机的第一电机轴螺纹套、第二电机的第二电机轴螺纹套连接；两个电机支架将第一电机、第二电机对称地固定在移动平板底部；四个接线耳板分别和位于直线导轨固定支架两端的直线滑块固接，提供钢丝线连接的位置；所述直线导轨限位支架设置在矩形导轨框两相邻直线导轨的两端，用于限制平面运动，防止直线滑块滑出直线导轨；所述十字连接支架通过另外四个直线滑块与两个空间错开的十字形直线导轨滑动连接，两个直线滑块垫木设置在所述十字连接支架与空间高度较低的直线滑块之间，用于弥补两个直线导轨固定支架的高度差，使二者整体高度一致，实现十字连接支架在移动平板上的二维平动。进一步地，所述顶板组件包括一个顶板、固定在顶板上的四个顶板横向导线轮和三个顶板侧向导向轮、八个吊丝配重横向导线轮、四个用于连接光杆导轨的光杆支座，所述四个顶板横向导线轮和三个顶板侧向导线轮实现移动平板四角钢丝线在顶板的换向和汇集，最后将汇集后的钢丝线导入到底座组件，并和底座组件上的第三电机连接，八个吊丝配重横向导线轮用于配重钢丝线的换向。进一步地，所述操作末端组件为笔式末端或圈式末端，所述笔式末端包括一个第一支架、深沟球轴承、一根主轴、一根第二支架、三个角度传感器、三个传感器轴套、一个四角按键开关和一根手柄，所述第一支架用于连接操作末端与动平台组件，所述主轴一端与固定在第一支架左臂上的深沟球轴承连接，另一端与带轴套的角度传感器连接，用于人手上下俯仰运动的捕捉，该角度传感器可以实时测量俯仰角度；所述第二支架下方与装在主轴中部的角度传感器连接，用于完成人手摆动运动的捕捉，该传感器可以实时测量摆动角度；所述手柄与固接在第二支架上端的角度传感器连接，用于捕捉人手沿手臂方向的自转运动，该角度传感器可以实时测量自转的角度；所述手柄上方的四角按键开关作为用户在虚拟环境中操作时抓取或释放虚拟物体的信号标识；例如按下按键抓取虚拟物体，松开按键释放虚拟物体；所述圈式末端包括一个传感器支座、一个第一支架、一个深沟球轴承、一个外圈、一个外圈挡板、一个内圈、三个角度传感器、一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护。

【技术特征摘要】
1.一种6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：包括机械机构、驱动控制模块、末端姿态采集模块和供电模块，所述机械机构用于实现力反馈器末端6自由度运动输入和3自由度反馈力输出，并采用吊丝配重平衡自重；所述驱动控制模块用于实现电机的运动检测和控制，控制力反馈器力觉的输出；所述末端姿态采集模块用于完成末端上下俯仰、左右摆动和沿手臂方向自旋的角度测量；所述供电模块用于提供平稳、可靠的电源，以及进行电流过载保护。2.根据权利要求1所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述的机械机构包括底座组件、动平台组件、顶板组件和操作末端组件，所述底座组件和顶板组件通过四根竖直光杆导轨和光杆轴承固定座固接，组成力反馈器的外部框架结构，所述动平台组件通过四个箱式滑块分别与四根竖直光杆导轨滑动连接，实现竖直方向的平动；所述操作末端组件与动平台组件连接，用于捕捉人手运动，并实现力反馈器的6自由度运动。3.根据权利要求1所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述底座组件包含一个底座支撑平台、四个底座支脚、四根实心竖直的光杆导轨、四个光杆导轨支座、四个动平台限位支架、一个导线轮垫木、一个底座横向导线轮、两个底座侧向导线轮、第三电机、一个第三电机支架，四个底座支脚与底座支撑平台底部固定；四根实心竖直的光杆导轨和四个光杆导轨支座用于连接顶板组件和底座支撑平台；四个动平台限位支架分别套在四根实心竖直的光杆导轨上，并与底座支撑平台连接；所述底座横向导线轮固定在所述底座支撑平台上，用于将竖直方向从顶板组件传导下来的钢丝线转换成水平方向，然后经过两个底座侧向导线轮换向后与第三电机的第三电机轴螺纹套连接；所述第三电机支架用于将第三电机固定在底座支撑平台上。4.根据权利要求3所述的6自由度可重用末端的框架式并联力反馈设备，其特征在于：所述动平台组件包括一个移动平板、四个箱式滑块、八个移动平板固定支架、九个活接带孔螺栓、六条直线导轨、八个直线滑块、两条导轨连接支架、四个接线耳板、四个直线导轨限位支架、八个动平台横向导线轮、六个动平台侧向导线轮、两个电机支架、两个直线滑块垫木、一个十字连接支架、第一电机、第二电机，所述移动平板固定支架用于连接箱式滑块和移动平板；九个活接带孔螺栓中的四个用于通过钢丝线和底座组件的第三电机连接，实现移动平板的竖直方向的传动和力觉传输；另外四个用于通过钢丝线连接配重块，实现动平台组件的重力平衡，另一活接带孔螺栓过活接螺栓垫木设置在移动平板中心，与缠绕第三电机轴螺纹套的钢丝线连接形成一个闭环传动；所述六条直线导轨中的四条分别设置在移动平板四边形成矩形导轨框，两个直线导轨固定支架呈空间错开的十字形，两端均通过直线滑块与设置在移动平板四边的直线导轨滑动配合，实现互不干涉的平面运动，另外两条直线导轨呈十字形分别设置在两个直线导轨固定支架上，共同实现操作末端组件在移动平板上的平面运动；动平台横向导线轮和动平台侧向导线轮实现钢丝线换向，并分别与第一电机的第一电机轴螺纹套、第二电机的第二电机轴螺纹套连接；两个电机支架将第一电机、第二电机对称地固定在移动平板底部；四个接线耳板分别和位于直线导轨固定支架两端的直线滑块固接，提供钢丝线连接的位置；所述直线导轨限位支架设置在矩形导轨框两相邻直线导轨的两端，用于限制平面运动，防止直线滑块滑出直线导轨；所述十字连接支架通过另外四个直线滑块与两个空间错开的十字形直线导轨滑动连接，两个直线滑块垫木设置在所述十字连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静蓉，刘家武，王清辉，谢海龙，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44