[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

摘要

本发明公开了一种七自由度通用型六维力觉交互装置，该设备由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。本发明结构简单，操作灵活，机构运动无奇异点，机构动力学模型简单，便于控制，并且肘部U型支撑可以减少操作人员的疲劳、增加操作舒适性。

主权项

一种具有冗余自由度的穿戴式六维力觉交互装置,其特征在于：该力觉交互装置包括Z轴回转基座（JZ）、肩关节机械臂（J）、肘关节机械臂（Z）、偏置球形腕部握持机构（W）和驱动电机（D）五部分组成。Z轴回转基座（JZ）部分包括基座安装底板（23）、基座支撑部分、基座转盘（15）和基座电机部分。基座支撑部分的基座支撑柱下（21）通过基座安装底板（23）前端安装孔安装固定于底板上表面。基座支撑柱上（16）通过四周布置的螺钉固定在基座支撑柱下（21）的上方。在基座支撑柱的内部安装有基座旋转部分。基座旋转部分主要包括基座旋转轴（57）和旋转轴承部分。基座转盘（15）通过基座旋转轴（57）和推力球轴承（55）来实现与基座旋转部分的连接。基座旋转轴（57）上端通过圆周布置的安装孔固定于基座转盘（15）下方的圆形槽内，下端通过轴肩与基座滚子轴承2（59）上端内圈端面连接，基座滚子轴承2（59）下端的外圈端面通过基座支撑柱下（21）内部的台阶固定，内圈端面则通过圆螺母垫片（60）与圆螺母（61）结合方式固定。基座滚子轴承2（59）上端外圈端面则通过基座套筒（58）固定。基座套筒（58）上端通过圆周布置的螺钉固定在基座支撑柱下（21）的凹槽内，并在基座支撑柱上（16）下端也开有凹槽，保证套筒固定螺钉的安装。推力球轴承（55）上端面通过基座转盘（15）下方的圆形槽固定，下端面一方面通过基座支撑柱上（16）的上端凹槽固定，另一方面通过基座滚子轴承1（56）上端面的支撑，基座滚子轴承1（56）下端面通过基座支撑柱上（16）内台阶固定。基座电机部分主要包括基座电机（20）、传动小轮1（17）和电机固定件。法兰板T型座（22）通过基座安装底板（23）后端安装孔安装固定于底板上表面。基座法兰板（19）插入到法兰板T型座（22）的凹槽部分并实现固定。基座电机（20）固定在基座法兰板（19）上端折弯法兰部分。传动小轮1（17）通过在紧定螺钉安装在基座电机（20）的输出轴上，紧定螺钉孔布置在传动小轮1（17）表面光滑部分。基座部分的旋转是通过传动小轮1（17）和基座转盘（15）之间的绳传动方式实现的。钢丝绳一端固定在基座转盘（15）下端内腔，通过钢丝绳孔2（15G）后贴合基座转盘（15）外表壁缠绕，经过传动小轮1（17）时，缠绕在其螺旋槽部分，继续贴合转盘外表壁缠绕后通过钢丝绳孔1（15A）进入到基座转盘（15）内腔，缠绕钢丝绳绕柱（15B）后通过固定在钢丝绳调节螺钉孔（15C）上的调节件固定，通过调节螺钉与调节件之间的距离，可以对钢丝绳的缠绕张紧度进行调节，防止反向转动时的回差，影响力输出效果。肩关节机械臂（J）部分包括肩关节支撑部分、肩关节旋转部分和肩关节连杆部分。肩关节支撑部分用来实现肩关节旋转部分的支撑和电机的固定。肩关节支撑板1（8）和肩关节支撑板2（34）通过对称布置在基座转盘（15）上的支撑杆安装孔（15E）安装固定在基座转盘（15）上表面。法兰板1T型座（13）和法兰板2T型座（14）分别通过安装孔1（15F）和安装孔2（15D）前后布置安装固定在基座转盘（15）上表面。肩关节法兰板1（5）和肩关节法兰板2（12）分别固定在对应T型座的凹槽内，考虑到肩关节法兰板2的高度，法兰板2T型座（14）的凹槽部分设计为法兰板1T型座（13）凹槽部分的两部。肩关节旋转部分主要包括2个旋转电机、2个肩关节转盘和肩关节旋转轴（51）及其轴上安装辅助旋转部分。2个旋转电机为肩关节电机1（33）和肩关节电机2（35）。2个旋转电机分别固定在肩关节法兰板1（5）和肩关节法兰板2（12）上的法兰部分。安装后的2个旋转电机是上下交错的布置在法兰板的一端。传动小轮2（6）和传动小轮3（9）与对应电机输出轴的固定方式与传动小轮1（17）相同。2个肩关节转盘为肩关节转盘1（11）和肩关节转盘2（10）。两个肩关节轴承对称布置在 肩关节旋转轴（51）上，通过肩关节轴承组（48）实现转盘与旋转轴的连接。两套肩关节轴承组（48）的一端外圈端面通过肩关节转盘中心孔的台阶进行固定，内圈端面通过肩关节旋转轴（51）上的加工的阶梯进行固定。另一端外圈端面通过肩关节转盘端封盖（62）固定，内圈端面则通过对称布置在肩关节旋转轴（51）上的肩关节套筒1（49）和肩关节套筒2（63）进行固定。肩关节旋转轴（51）通过肩关节支撑板1（8）和肩关节支撑板2（34）上方安装孔进行定位安装，并通过固定螺母（50）进行锁紧固定。肩关节连杆部分主要肩关节平行四杆机构和杆件之间旋转部分。肩关节机械臂采用了平行四边形机构。平行四杆杆1（4）的一端通过杆1安装孔（11A）固定在肩关节转盘1（11）上。平行四杆2（7）通过杆2安装孔（10A）固定在肩关节转盘2（10）上。平行四杆2（7）下端U型部分与平行四杆3（3）的一端连接，两者之间的旋转通过安装在两者之间的旋转轴承来实现。平行四杆旋转轴（53）两端通过对称布置在U型部分两端的滚子轴承支撑，滚子轴承内端通过平行四杆2（7）和平行四杆旋转轴（53）的台阶进行固定，外端均通过平行四杆端封盖（54）进行固定。为保证杆与杆之间旋转的稳定性（防止旋转时在轴向的滑动）和控制精度，在平行四杆3（3）和平行四杆2（7）连接部分安装有定距环。并且平行四杆1（4）与平行四杆4（1）、平行四杆3（3）与平行四杆4（1）中间部分的连接均采用与平行四杆2（7）与平行四杆3（3）之间的连接方式。肘关节机械臂（Z）部分包括肘关节主杆（29）、肘关节旋转部分和小臂固定部分。肘关节主杆（29）的一端通过肘关节旋转部分连接到平行四杆4（1）的延长端。肘关节旋转部分主要包括肘关节旋转轴（70）、肘关节转盘（24）、端封盖和轴承等。肘关节旋转轴（70）通过两端布置的滚子轴承实现肘关节主杆（29）与平行四杆4（1）的连接。两端轴承的固定方式也采用与前面所述的杆与杆之间滚子轴承相同的固定方式。两者之间也采用固定环（52）来保证稳定转动。肘关节转盘（24）通过其圆台部分上周向布置的螺钉与平心四杆4（1）实现固接。肘关节电机（25）固定在肘关节主杆（29）下方的法兰上。传动小轮4（47）通过周向布置的4个紧定螺钉固定在肘关节电机（25）输出轴上。小臂固定部分主要包括2个U型板、1个水平固定板和2个竖直固定板。竖直固定板1（31）和竖直固定板2（27）前后固定在肘关节主杆（19）上，U型板1（30）和U形板2（26）分别固定在竖直固定板上。水平固定板（28）与前后两个竖直固定板连接，保证小臂固定部分的稳定。偏置球形腕部握持机构（W）主要包括腕部关节1部分、腕部关节2部分和握持部分。腕部关节1部分主要包括腕部关节电机1（78）、腕部关节板1（32）以及传动部分。腕部关节板1（32）和腕部关节板2（41）成F形。关节轴支撑1（46）固定在肘关节主杆（29）前端的L形端。腕部关节旋转轴（74）通过对称布置的腕部滚子轴承1（76）和腕部滚子轴承2（77）连接到关节轴支撑1（46）上。两个滚子轴承外端外圈端面分别通过腕部关节端封盖（45）和腕部关节电机法兰1（73）实现固定，内端上下圈端面通过关节轴支撑1（46）与腕部关节旋转轴（74）上的台阶固定。腕部关节板1（32）前端的通孔与腕部关节旋转轴（74）相配合，两者之间安装键来保证传动，并且为了防止腕部关节板1（32）在腕部关节旋转轴（74）上轴向的滑动，用止动螺钉（72）在腕部关节板1（32）前端的螺纹孔与腕部关节旋转轴（74）上的螺纹孔之间进行连接。腕部关节电机1（78）安装在腕部关节板1（32）中间的法兰部分，其输出轴伸入到腕部关节电机法兰1（73）的安装孔内，用圆周布置的紧定螺钉实现输出轴与法兰的固定。腕部关节2部分中，关节轴支撑2（44）固定在腕部关节板1（32）F形的背部。其他部分，包括腕部关节电机2（42）、腕部关节电机法兰2（43）等固定方式与腕部关节1部分的固定方式相同。握持部分主要包括握持固定杆、握持旋转部分和六维力传感器（36）等握持固定杆1（37）和握持固定杆2（40）固定在腕部关节板2（41）F形的背部。两个固定杆均成类Z字型。握持旋转部分固定在两固定杆之间。腕部关节电机3（64）固定在握持固定套筒1（65）上端面，电机输出轴伸入到握持固定杆1（37）下方的圆孔内，也通过紧定螺钉周向固定。握持固定套筒2（66）与握持固定套筒1（65）连接固定，形成握持杆，下端安装有阶梯圆环轴，用于与握持部分滚子轴承（67）连接，实现握持杆的旋转，轴承另一端通过握持部分端封盖（68）实现固定。并且在握持部分端封盖（68）也开有圆孔，便于腕部关节电机3（64）的电机控制线从握持杆内部引出。考虑到人手操作的舒适性，在握持固定干1（37）和握持固定杆2（40）外部分别安装有软套筒1（38）和软套筒2（39）。六维力传感器（36）安装在握持固定杆1（37）的上端面，用于检测握持杆部分操作人员输入的操作力。