[发明专利]平行四杆式结构解耦六维力反馈装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，用于准确模拟虚拟环境中物体之间相互作用所产生的接触力、接触力矩的大小和方向，实现人机力觉交互感知，属于机械工程中机器人技术领域。

背景技术

力觉交互又称触觉再现，该技术起源于机器人主从操作和遥操作，目的是给位于异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的感知，以提高操作质量和效率。近年来，力觉再现技术在虚拟现实领域得到快速发展，成为一种新的计算机人机交互方式，在对虚拟物体进行操作时，操作者通过力觉再现装置感受到虚拟物体的作用力、物体的材质和形状，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。其功能是测量操作者操作趋势，与虚拟仿真环境通信，接受虚拟环境计算的虚拟力信号，通过机械接口将反馈力施加给操作者。

现有的力反馈机构多为并联构型，由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任意方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性关系，因此导致机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和成本的下降。

如果机构在某方向的移动或转动仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元不作有效动作的运动组合，则称之为机构的解耦。解耦可以分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。

无条件解耦：如果机构在任意位置和姿态下都是解耦的，则称之为无条件解耦或完全解耦；有条件解耦：如果机构在任意位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为有条件解耦或限制解耦；瞬时解耦：如果机构仅在特定位置和特定初始姿态下是解耦的，则称之为瞬时解耦或点解耦。

机构的解耦可以大大降低控制难度，提高控制精度。所以，如何结合并串联机构的优点，实现机构解耦，以简化机构的位姿控制和标定，提高机构控制精度并降低制造成本，一直是一个困难而富于挑战性的课题。

经检索发现，公开号为CN13101010510A的中国发明专利“六自由度力觉人机交互装置”发表了由固定基座、静平台、动平台、六个支链、驱动单元和复合球副组成的一种并联力反馈机构，但此并联机构耦合度大，使得控制难度大大增加。公开号为CN14626103A的中国发明专利“六自由度并联解耦机构”，包括具有基座、动平台和在基座与动平台之间正交固连布置的六个相同的驱动单元，在其中一个或多个驱动单元执行驱动工作时，其它的驱动单元只要产生相应牵连运动或者协调运动，可以实现六自由度有条件解耦。通过文献检索分析，无论是在宏动领域还是在微动领域，目前尚未出现六维无条件解耦的力反馈装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，可实现六自由度无条件解耦，且具有结构简单，控制容易，运动精度高，工作空间不受限制，成本较低等优点。

为实现上述目的，本发明设计的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置由固定基座、三自由度并联移动单元、三自由度并串联转动单元构成。

其中三自由度并联移动单元包括三个相互正交的分支，每个分支由移动导向驱动、短连杆、长连杆构成。所述移动导向驱动的构型为平行四杆，并由一个内嵌式移动驱动电机驱动，三组移动导向驱动相互正交固结在固定基座上；所述短连杆一端由移动导向驱动导向，另一端与长连杆相连，长连杆的另一端通过连接块与转动基座相连。

三自由度并串联转动单元由转动基座、球面二自由度并联解耦转动机构、串联轴和动平台构成，所述球面二自由度并联解耦机构通过互相垂直布置的第一支撑轴和第二支撑轴铰接在转动基座上，球面二自由度并联解耦机构中的传递平台通过串联轴与动平台相连，三个转动驱动电机分别通过第一支撑轴、第二支撑轴及串联轴对球面二自由度并联解耦机构和动平台进行驱动；所述三自由度并串联转动单元的所有的运动副轴线皆汇交于动平台中心点，并且相互正交。

本发明的平行四杆式结构解耦六维力反馈装置，独特设计了在固定基座上固连且彼此正交布置的三个移动导向驱动和彼此正交布置的三个转动驱动。当进行一维或多维运动时，只需要对其中相应的一个或多个驱动进行控制，其它的驱动都不会产生耦合运动，因此可以实现机构的运动解耦，即做到三自由度移动无条件解耦和三自由度转动无条件解耦。

本发明可用于准确模拟虚拟环境中物体之间相互作用所产生的接触力、接触力矩的大小和方向，实现人机力觉交互感知。

本发明具有以下几个特点：

1、结构简单，成本低，所述的力反馈装置基本为常用的机械机构或零部件的组合；