[发明专利]6+1维力反馈触感装置

说明书

技术领域

本发明涉及遥操作机器人技术与虚拟现实技术领域的人机接口装置，尤其涉及遥操作系统中的6+1维力反馈触感装置。

背景技术

20世纪末以来，随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器人技术的快速发展及广泛应用，可作为人机接口装置的力反馈触感装置的需求量逐年攀升，这使得触感装置系统的开发越来越受到重视。触感装置既可以直接通过操作者手部位置信息控制远端机器人或虚拟现实中的机器人，实现遥控操作。同时，可将从端机器人末端传感器得到的力信号直接转换成力或力矩作用于人手，使在远端的操作者拥有临场感。目前，较为成功的触感装置普遍存在刚性差、所提供的力反馈输出能力有限、力反馈维数较少等缺点。除此之外，目前力反馈型触感装置动力装置大多置于连杆机构或关节处，这样很不利于其自身的平衡，而且触感装置的主要研究技术由国外垄断，其价格昂贵，因此能够自主开发一套具有6+1维力反馈且能实现自平衡的触感装置具有极其重要的意义。

发明内容

本发明提供一种有利于提高力反馈精度及自平衡性的6+1自由度力反馈触感装置，是一种能够为交互式遥操作机器人领域或虚拟现实领域提供全维力反馈的触感装置。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

6+1维力反馈触感装置，它包含以下部分：大臂机构、小臂机构、肘关节机构、腕关节机构、控制器、动力装置。在大臂机构、肘关节机构的两端和小臂机构的一端及驱动上述机构的电机输出轴处均安装有丝轮，相邻两丝轮之间通过传动丝相连，通过逐级传递将动力传送至所需位置，且保证传动比为10∶1。在大臂机构、肘关节机构及小臂机构处分别装有用于检测转动角度的电位器，大臂机构及与其相连的肘关节机构一端的连杆转动的轴线均为竖直方向，而小臂机构连杆转动的轴线是沿水平方向的。腕关节机构包含有姿态实现部分及夹持器两部分，姿态实现部分、夹持器以及驱动上述装置的电机输出轴上均装有锥齿轮。为大臂机构、肘关节机构及小臂机构提供动力的电机置于底座内部，为腕关节机构各姿态架提供动力的电机置于小臂及姿态架内部。控制器用于采集电位器及编码器信号，并控制电机产生相应的输出力矩。本发明的6+1维力反馈触感装置具有以下有益效果：

1.本发明可用于交互式遥操作机器人的触感装置系统、虚拟现实领域的人机交互设备，还可用于康复、组织检查、纳米操作、远程触觉交流等领域。

2.本发明具6+1维力反馈，可实现3维位置、3维姿态力反馈及夹持力反馈。

3.本发明中，将实现大臂、肘关节、小臂力反馈的电机置于底座内，使电机对机构运动不产生影响，更利于控制的精确实现及运动与动力学分析。

4.本发明的机构具有结构紧凑、刚度高、反馈力大、体积小、制造成本低等优点。

5.本发明的机构尽可能使机构回转轴与地面垂直，使其重力对运动不产生影响；其它不平衡部分通过控制器补偿使其平衡。

6.本发明的机构多种传动方式综合使用。通过丝传动方式实现大臂关节、肘关节、小臂关节动力的逐级传动，实现所需传动比的同时，减小了传动系统的体积和重量，以及加工的制作的难度。在位姿部分，使用锥齿轮传动，保证传动的同时，减小了机构体积。

7.本发明采用具有力反馈的夹持机构，不仅可以控制机械手的运动，而且可以直接控制机器手的抓取运动，尤其适合于遥操作机器人系统的抓取、缝合等作业。

附图说明

图1是本发明6+1维力反馈触感装置的总体结构示意图；

图2是图1所示的本发明装置中杆件部分的结构示意图；

图3是图2所示的位置部分中传动部分的结构示意图；

图4是图1所示的本发明装置中的位姿部分结构示意图；

图5是图4所示的姿态部分的局部剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1所示为本发明的总体结构示意图，图示的R1、R2、R3、R4、R5、R6及R7描述的是本发明的6+1个关节，其中R1、R2、R3可确定触感装置的空间位置，R4、R5、R6构成三轴汇交的腕部结构，R7为开合关节，有关各关节将在后文中进行详细介绍。