[发明专利]包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄

权利要求书

1.包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，其特征在于：包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；所述底座整体为正方形，内部设有若干框架用于安装力矩电机一、力矩电机二与旋转架；底座上方设有形状相同的上盖，上盖中央留有空洞，用于手柄螺杆伸出；上盖和底座之间通过螺丝连接，手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三，手柄螺杆与手柄活动连接，手柄通过手柄螺杆与旋转架连接力矩电机一和力矩电机二，拇指指环通过传动齿轮连接力矩电机三；四个旋转架两两组合，通过螺栓和螺母连接，两个组合的旋转架成90°交错，旋转架的圆弧分别位于上方和下方；旋转架组合体的圆弧中部留有空槽，将手柄螺杆夹在中间；所述手柄螺杆上方套有外螺纹，手柄下方攻内螺纹，二者通过螺纹连接；负责控制力矩电机的控制电路板通过安装支架固定在平台上；所述手柄螺杆的杆身中部和底部各有一圈突起，所述突起将两组旋转架夹在中间，实现手柄螺杆的上下方向的限位；力矩电机一与力矩电机二呈90°固定在底座上；旋转架的端部预留有与力矩电机一与力矩电机二转轴形状的插口，力矩电机转轴插入相应插口，实现力矩电机与旋转架之间的传动；旋转架远离力矩电机的一端通过轴承一设置在底座上；所述传动齿轮包括锥齿轮一和锥齿轮二，其中，拇指指环和锥齿轮一通过螺丝连接在一起；锥齿轮一和支架通过轴承连接；力矩电机三和锥齿轮二相连，力矩电机三固定在支架上；两个锥齿轮之间成90°夹角传动。

2.根据权利要求1所述的包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄的操控方法，其特征在于：力矩电机一、力矩电机二、力矩电机三内置旋转编码器和控制寄存器，三台力矩电机通过数据线与单片机进行连接，单片机通过USB串口与电脑进行连接，电脑经过相应计算后得出所需的力反馈，向单片机发送数据，单片机控制三台力矩电机提供相应力矩；单片机读取三台力矩电机的位姿，向电脑发送数据，电脑判断手柄螺杆的位姿和拇指指环的角位移通过数据转换即可对月球车或其他受控对象进行操控；

三台力矩电机内的旋转编码器反映当前力矩电机转轴旋转的角度，将相应数据传递给单片机，单片机发送给电脑，电脑判断出手柄螺杆当前的位姿、拇指指环的角位移；电脑向控制寄存器中写值，通过不同的数值使三台力矩电机以不同的方式运转；

两组垂直的旋转架对手柄螺杆进行限位，手柄螺杆在旋转架上的空槽内以两个成90°交错的方向移动，手柄螺杆与旋转架的组合拥有“前后”与“左右”方向的自由度；旋转架上的空槽有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：保证手柄螺杆顺利沿空槽走向方向运动而不推动旋转架；手柄螺杆沿垂直于空槽的方向运动时能推动旋转架旋转，进而带动力矩电机一或力矩电机二旋转；力反馈部分：力矩电机一或力矩电机二旋转时，旋转架通过空槽的侧面推动手柄螺杆，形成力反馈；

传动齿轮的组合将拇指指环的上下移动转变为力矩电机的转动，使手柄拥有“上下”方向的自由度；传动齿轮有控制和力反馈两个部分的功能：控制部分：拇指指环通过锥齿轮一、锥齿轮二带动力矩电机三旋转，改变力矩电机三内部编码器的位置；力反馈部分：力矩电机三旋转时，通过锥齿轮二、锥齿轮一带动拇指指环，形成力反馈。