[发明专利]一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，冗余自由度的设计能够很好的实现在人体手臂操作空间中完成工作，并且是一种可以在多种力觉交互环境中使用的通用型设备。 

背景技术

遥操作技术（Teleoperation）是研究遥操作机器人的一个重要概念，遥操作技术是机器人技术中的重要技术，经过多年的发展已经取得了很大的应用。我国从80年代开始进行遥操作机器人系统的研究，并且在863高技术计划中，将临场感遥操作技术列为关键技术进行研究，取得了阶段性的进展。 

力反馈装置是真正实现人机交互的关键，力反馈装置具有力反馈功能，利用传感器测量操作人员的位置和姿态，将采集到的数据实时、准确地发送到主控计算机，通过计算将从机器人运动中产生的反馈力发送给力反馈装置，力反馈装置根据需要输出的反馈力大小和方向驱动电机的转动，将力反馈转化为机械能，使操作人员能够感受到力的作用，从而真正的实现了依照人类肢体语言的人机交互。 

现有的力觉交互设备主要为桌面式，并且没有考虑操作人员长期操作过程中由于手臂悬置而带来的疲劳，进而客观上增加操作的错误率。所以在考虑设备精度的同时也应该从人体工程学角度考虑对操作人员的影响。 

发明内容

本发明提供一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置，是一种通用型的力觉交互设备，也可应用于核聚变反应堆（ITER）项目中各类遥操作维护机器人的控制操作，并将设备检查过程中的碰撞以力觉反馈的形式通知测试人员。本发明除了满足一般力觉交互环境的使用，也同时从人体工程学进行了考虑，使操作人员在使用过程中能够减少疲劳感，同时设备可以通过对肘部自由度的限制和小臂固定机构的拆卸实现将其转换为常用的力觉交互设备，以适用于更多的工作场合。 

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

本发明设备由Z轴回转基座、肩关节机械臂、肘关节机械臂、偏置球形腕部握持机构、六维力传感器和驱动电机六部分组成。所述肩关节机械臂通过转动副安装于Z轴回转基座上，肘关节机械臂安装于肩关节机械臂末端，偏置球形腕部握持机构固定于肘关节机械臂的一端，六维力传感器固定于握持机构上，交互装置的七个自由度通过七组驱动电机分别施加反馈力。操作人员通过偏置球形腕部握持机构实现复杂交互作业。 

本发明的优点与积极效果为： 

1.一款通用型的力觉交互设备。通过小臂关节固定部分的安装与拆除，可以实现穿戴式和桌面式的力觉交互设备之间的自由转换。 

2.可实现人手臂和设备的重力补偿。考虑操作人员手臂在操作过程中长期处于悬置状态，会增加操作人员的疲劳程度，从而客观上增加了操作的失误率，考虑到较少操作人员疲劳，并且给操作人员带来舒适性，增加了手臂固定部分的设计可以大大减少人体疲劳感，通过控制算法实现重力补偿。 

3.工作空间大。在力觉交互设备的肘部关节部分增加了一个旋转自由度（冗余自由度），一方面考虑在操作人员穿戴式操作过程中能够自如的保持人体手臂的姿态，另一方面增加了主手的工作空间，可以很好的实现工作需求。 

4.小臂关节固定部分可调节设计。考虑到不同的用户的实际情况，将小臂的固定部分进行可以调节的设计，前后两个固定点的调节和固定位置的整体上下移动，使得不同的用户都能够舒适的进行操作 

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。 

图1为本发明专利的外形结构示意图 

图2为本发明专利的正视外形结构示意图 

图3为本发明专利的俯视外形结构示意图 

图4为本发明专利的左视外形结构示意图 

图5为本发明专利的基座部分和肩关节旋转部分的剖视图 

图6为本发明专利的握持部分的剖视图 

图7为本发明专利的Z轴回转基座的分解图 

图8为本发明专利的肘关节旋转部分的分解图 

图9为本发明专利的偏置球形腕部握持机构（W）的腕部关节1的分解图 

图10为本发明专利的握持杆部分分解图 

图11为本发明专利的四个转盘结构图 

其中： 

1.平行四杆4         2.杆4端封盖         3.平行四杆3         4.平行四杆杆1 

5.肩关节法兰板1     6.传动小轮2         7.平行四杆杆2       8.肩关节支撑板1 

9.传动小轮3         10.肩关节转盘2      10A.杆2安装孔       11.肩关节转盘1