[发明专利]基于柔性传动的六自由度双并联力觉接口设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种双并联力觉接口设备。

背景技术

利用人的多种感觉通道(视觉、听觉、触觉和嗅觉等)和动作通道，以并行和非精确方式与计算机系统进行交互，可以提高人机交互的自然性和高效性，多通道、多媒体、自然、高效和智能化是人机交互技术的发展趋势。传统的人机交互方式由于在自由度、灵活度和信息反馈等方面的欠缺逐渐不能满足使用者的要求。

目前以鼠标和键盘为代表的人机交互，其操作简单，但反馈信息大多局限于视觉信息。例如，操作鼠标的过程就是操作者根据来自显示器的视觉反馈完成与操作系统之间的交互操作。这种交互方式简单、直观、易于掌握，并且应用设备的造价相对较低，但是缺点也是明显的，操作者不能象在真实世界中那样对环境对象进行自然的三维操作，也不能得到除视觉以外的其他反馈信息，这些不足大大降低了交互操作的灵活度和真实度。

进入20世纪90年代，迅速发展的计算机硬件与不断改进的计算机软件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时再现成为可能。以沉浸、交互和构想为特征的计算机虚拟现实技术蓬勃发展，并被广泛应用于教育、娱乐、仿真与培训、工程设计、原型制造和医疗等众多领域。虚拟现实技术利用计算机生成的逼真的三维视觉、听觉、触觉和嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

除视觉和听觉以外，力觉和触觉是人类认识和感知外部世界的重要信息通道。在虚拟现实及遥操作系统中，接触觉的模拟与再现是增强系统真实感，营造沉浸效果的重要环节，与之相关的研究日益受到重视，并成为一个新的研究领域，人机之间接触觉信息的准确传递需要高性能接口设备的支持，针对这一需求，接触觉接口设备(Haptic Interface)研究逐渐成为触觉学研究领域的热点。

Force Dimension公司的6-Dof Delta(六自由度Delta型)力觉接口设备以及Tohoku(日本东北)大学研制的六自由度力觉接口设备是新力觉接口设备构型的典型代表。但前者的转动运动范围有限，只有±20°，实际使用中某些操作将受到限制，而后者由于采用非对称性的空间五杆机构实现转动，难以保证机构动力学各向同性。另外，以上两者都采用了浮动的驱动装置用以实现力觉接口设备转动运动，从而存在运动惯量大和动态品质低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的力觉接口设备存在的运动范围小、难以保证机构动力学各向同性、运动惯量大和动态品质低的问题，进而提供一种基于柔性传动的六自由度双并联力觉接口设备。

本发明的技术方案是：基于柔性传动的六自由度双并联力觉接口设备由平动子机构、转动子机构、柔性传动机构、三个转动驱动电机、三个平动驱动电机和固定支座组成，所述平动子机构由平动环形平台、三个连接叉、三个连接环、三个平行四边形连杆和三个单连杆组成，所述平动环形平台的下端面上沿平动环形平台的环向均匀设有与平动环形平台制成一体的三个连接叉和三个连接环，且所述三个连接叉和三个连接环相间隔设置，所述每个连接环与每个平行四边形连杆的一个短杆铰接，所述每个平行四边形连杆的另一个短杆与每个单连杆的一端铰接，所述每个单连杆的另一端与每个平动驱动电机的输出端连接，所述三个平动驱动电机安装在固定支座的固定平台的上端面上；所述转动子机构由操作手柄、转动平台和三个转动副运动链组成，每个转动副运动链由第一正交圆弧杆、第二正交圆弧杆和第三正交圆弧杆组成，所述转动平台安装在操作手柄的下端面上，所述每个转动副运动链的第一正交圆弧杆、第二正交圆弧杆和第三正交圆弧杆由内到外依次设置，所述三个转动副运动链的第一正交圆弧杆的一端均匀设置在转动平台的侧面上，第一正交圆弧杆的另一端与第二正交圆弧杆的一端铰接，第二正交圆弧杆的另一端与第三正交圆弧杆的一端铰接；所述柔性传动机构包括三根钢丝、三个滑轮、三个柔性输出轴和三个柔性输入轴，每根钢丝的一端缠绕在相应的滑轮上，所述每个滑轮通过每个柔性输出轴与第三正交圆弧杆的另一端连接，所述每根钢丝的另一端穿过固定支座的固定平台缠绕在每个柔性输入轴上，所述每个柔性输入轴与每个转动驱动电机的输出端连接，所述三个转动驱动电机安装在固定支座的固定平台的下端面上。