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6+1维力反馈触感装置

阅读：1216发布：2020-08-15

IPRDB可以提供6+1维力反馈触感装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种6+1维力反馈触感装置，它由底座、大臂机构、肘关节机构、小臂机构、腕关节机构及控制器组成。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，通过丝传动逐级传递将动力传送至所需位置，且这三个机构杆件的转轴处分别装有角位移传感器，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。本机构结构紧凑、电机惯性影响小、力反馈维数高、体积小、制造成本低。，下面是6+1维力反馈触感装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.6+1维力反馈触感装置由底座、大臂机构、肘部机构、小臂机构、腕部机构及控制器组成，其特征在于：转动输入机构安装于底座上，底座上装有主轴，杆I(2-2)、第一传递轮及第二传递轮通过轴承安装于主轴上，在大臂机构的另一端装有通过轴承与大臂机构相连、与肘部机构一端固定相连的次级第一传递轮，以及通过轴承与肘部机构一端相连的次级第二传递轮，在肘部机构内部装有通过轴承与交叉轴丝轮相连的两个导向轮，在肘部机构的另一端装有通过轴承与肘部机构相连、与小臂机构一端固定相连的末端第二传递轮，大臂机构丝传动方式：通过传动丝使与电机(1-2)的输出轴相连的驱动丝轮(2-1)与杆I(2-2)的柱面部分相配合，形成丝传动配合关系，肘部机构丝传动方式：通过传动丝使与电机(1-4)的输出轴相连的驱动丝轮(3-1)和第一传递轮(3-2)的扇形面相配合，形成丝传动配合，再将传动丝(3-3)布置于第一传递轮(3-2)柱面上的凹槽及次级第一传递轮(3-4)柱面上的凹槽内，使第一传递轮(3-2)与次级传递轮(3-4)之间形成丝传动配合，次级第一传递轮(3-4)与带有法兰盘的上连接轴(4-5)相连，上连接轴(4-5)通过轴承与杆I(2-2)相连，上连接轴(4-5)的法兰盘与杆II(4-12)相连，这样就实现了肘部机构中电机(1-4)至杆II(4-12)的力反馈的逐级传递，小臂机构丝传动的实现方式：通过传动丝使得与电机(1-3)相连的驱动丝轮(4-1)与第二传递轮(4-2)的扇形面形成丝传动配合，在第二传递轮(4-2)柱面上的凹槽内及次级第二传递轮(4-4)柱面上的凹槽内布置有传动丝(4-3)，使第二传递轮(4-2)及次级第二传递轮之间(4-4)形成丝传动配合，下连接轴(4-6)的两端分别通过螺钉与次级第二传递轮(4-4)和末级第二传递轮(4-7)相连，末级第二传递轮(4-7)柱面上的凹槽、导向轮(4-10)柱面上的凹槽及交叉轴丝轮(4-11)柱面上的凹槽中通有传动丝(4-8)，使末级传递轮(4-7)与交叉轴丝轮(4-11)之间形成丝传动配合，交叉轴丝轮(4-11)通过螺钉与杆III(4-13)相连，大臂、小臂、肘部机构的转轴处分别连接有角位移传感器，角位移传感器是电位器或编码器，大臂、肘部机构的转轴轴线沿水平方向，腕部机构与小臂机构的另一端通过锥齿轮或丝轮连接，控制器采集角位移传感器信号，并向各个电机发出控制信号。

2.按照权利要求1所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：位置力反馈机构中的电机，放置于底座内部，避免电机置于关节处所带来的影响，电机的输出轴由底座伸出与丝筒相连。

3.按照权利要求2所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：丝筒上缠绕有传动丝，传动丝的两头通过杆I(2-2)、第一传递轮、第二传递轮的弧形面固定在各传递轮上，丝筒与各传递轮弧形面能够滚动配合，杆I(2-2)、第一传递轮、第二传递轮分别通过轴承与底座上的主轴相连，第一传递轮、次级第一传递轮与第二传递轮、次级第二传递轮均有布置传动丝用的凹槽，彼此相对应的两对传递轮通过传递丝相连，使对应的传递轮能够产生一致运动，次级第一传动轮与肘部机构相连，使肘部机构能够按照转动输入产生转动，次级第二传递轮上的另一凹槽，通过轴承与交叉轴丝轮相连的导向轮凹槽，与小臂机构固定相连的末端传递轮凹槽中布置并固定有传动丝，使小臂机构能够按照转动输入产生转动。

4.按照权利要求1所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：所述的腕部机构包括与小臂机构的杆端处通过轴承连接的第三姿态架和直角折板形第一、第二姿态架，第三姿态架的一端与小臂机构末端相连，小臂机构的末端与在小臂机构内部的转动输入机构相连，第一、第二姿态架内部均放置有对应的转动输入机构，姿态架沿水平方向设置，第一、第二姿态架的轴线与第三姿态架的轴线汇交于一点，即为夹持部分的手持位置的中心，三个姿态架的轴线位置均装有角位移传感器。

5.按照权利要求4所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：三个姿态架的轴承处通过锥齿轮与电机相连，电机接收控制器的控制信号并按照信号产生相应的力矩输出，实现姿态力反馈。

6.按照权利要求4所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：电机输出轴与丝筒连接，传动丝置于丝轮上的凹槽内，三个姿态架轴线处通过连有传动丝的丝轮与丝筒连接。

7.按照权利要求1所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：所述的腕部机构为一个操作球或操作笔。

8.按照权利要求1所述的6+1维力反馈触感装置，其特征在于：所述的6+1维力反馈触感装置包括底座部分，控制器装于底座内部，控制器接收操作对象的力觉信息并提供反馈信息。

说明书全文

6+1维力反馈触感装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 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

[0003] 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。

[0004] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

[0005] 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：

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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

[0013] 图1是本发明6+1维力反馈触感装置的总体结构示意图；

[0014] 图2是图1所示的本发明装置中杆件部分的结构示意图；

[0015] 图3是图2所示的位置部分中传动部分的结构示意图；

[0016] 图4是图1所示的本发明装置中的位姿部分结构示意图；

[0017] 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

[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

[0019] 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。

[0020] 底座机构1-1是一个箱体，用于支撑整个触感装置，如图2所示其内部布置触感装置的控制器及杆件部分的电机1-2、电机1-3、电机1-4，且三个电机采取不对称的布置方式。电机1-2、电机1-3、电机1-4分别通过螺钉固定在底座机构1-1上。底座机构1-1通过螺钉与主轴1-5的法兰盘相连。杆I 2-2、第一传递轮3-2、第二传递轮4-2通过轴承与主轴1-5相连。电机1-2的电机轴分别与驱动丝轮2-1、驱动丝轮4-1、驱动丝轮3-1相连。当然底座机构可以变化，甚至可以去掉以适应特殊工况的要求。

[0021] 大臂机构力反馈传递的实现方式：通过传动丝使与电机1-2的输出轴相连的驱动丝轮2-1和杆I 2-2的柱面部分相配合，形成丝传动配合关系。该传动方式与行星齿轮传动方式及带传动方式相类似，是一种新型的更适合机器人领域的传动方式。

[0022] 肘部机构力反馈传递的实现方式：通过传动丝使与电机1-4的输出轴相连的驱动丝轮3-1和第一传递轮3-2的扇形面相配合，形成丝传动配合，再将传动丝3-3布置于第一传递轮3-2柱面上的凹槽及次级第一传递轮3-4柱面上的凹槽内，使第一传递轮3-2与次级传递轮3-4之间形成丝传动配合。次级第一传递轮3-4与带有法兰盘的上连接轴4-5相连。上连接轴4-5通过轴承与杆I 2-2相连，上连接轴4-5的法兰盘与杆II 4-12相连。这样就实现了肘部机构中电机1-4至杆II4-12的力反馈的逐级传递。

[0023] 小臂机构力反馈传递的实现方式：如图3所示，通过传动丝使得与电机1-3相连的驱动丝轮4-1与第二传递轮4-2的扇形面形成丝传动配合。在第二传递轮4-2柱面上的凹槽内及次级第二传递轮4-4柱面上的凹槽内布置有传动丝4-3，使第二传递轮4-2及次级第二传递轮之间4-4形成丝传动配合。下连接轴4-6的两端分别通过螺钉与次级第二传递轮4-4和末级第二传递轮4-7相连。末级第二传递轮4-7柱面上的凹槽、导向轮4-10柱面上的凹槽及交叉轴丝轮4-11柱面上的凹槽中通有传动丝4-8，使末级传递轮4-7与交叉轴丝轮4-11之间形成丝传动配合。交叉轴丝轮4-11通过螺钉与杆III4-13相连。这样就实现了电机1-3的输出轴至杆III4-13的力反馈的逐级传动。其中，导向轮轴4-9与杆II4-12相连。导向轮4-10通过轴承与导向轮轴4-9相连。

[0024] 图4所示为本发明装置中位姿及杆件与二者连接部分的示意图。杆III4-13、姿态架I 5-1、姿态架H 5-3与夹持力反馈装置6之间在关节处均可发生相对转动。

[0025] 图5所示为触感装置位姿部分的局部剖视结构示意图。在R4关节处，杆III4-13中固定放置有电机5-5，与电机5-5及关节姿态架5-1相连的关节轴分别相连的一对锥齿轮5-6互相啮合；在R5关节处，姿态架I外壳5-2内放置有电机5-7，与电机5-7及关节姿态架
5-3相连的关节轴分别相连的一对锥齿轮5-8互相啮合；在R6关节处，姿态架II外壳5-4内放置有电机5-9，与电机5-9及夹持力反馈装置6相连的关节轴分别相连的一对锥齿轮
5-8互相啮合。这样就实现了位姿部分的各关节处的力反馈的传动。腕部机构中关节R7，其上装有电机，电机带动螺纹杆，驱动螺母以压缩弹簧，用弹簧弹力实现夹持手柄的夹持力反馈。

[0026] 在本发明的装置中均安装有直接或间接检测角位移的传感器，传感器将其信号传入控制器中，经控制器处理后向每一电机发出控制信号。在杆I 2-2、第一传递轮3-2与底座机构1-1之间及主轴1-5与第二传递轮4-2之间均设有限制绝对位置的机构。

[0027] 6+1维力反馈触感装置中的电机均通过输出扭矩给操作者提供力感觉实现力反馈；通过控制器控制扭矩的大小，实现对操作者感觉力的控制。

[0028] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

[0029] 下面说明6+1维力反馈触感装置的动作实施过程。

[0030] 1.6+1个自由度的运动：

[0031] 本发明的触感装置系统通过各关节的相互传动，实现了触感装置杆件对应于从端位置的三个自由度及位姿部分的三个自由度，在位姿部分末端还有夹持力反馈装置的开合自由度，如图一所示R1、R2、R3、R4、R5、R6为六个转动自由度，R7为开合自由度。通过图1所示对6+1个自由度的布局使得所得的机构结构简单，使用方便。

[0032] 2.6+1维力反馈：

[0033] 本发明中的6+1个自由度包括6个转动自由度和1个开合自由度。每个自由度关节的转动部件均直接或间接地与对应的电机相连，电机输出扭矩为操作者提供力感觉，再通过控制器对其力矩进行控制，实现6+1维的力反馈。

[0034] 3.装置的平衡问题：

[0035] 本发明装置中杆件部分的电机1-2置于底座机构1-1中，尽可能地减小了电机对机构平衡带来的影响。R1与R2关节的轴线均垂直于水平面，可以不考虑其重力的影响。通过以上二种方式已经尽可能实现了本发明装置的自身平衡。在杆III4-13中加入配重块可实现杆III4-13的自平衡。这种平衡方式不需要增加复杂的重力补偿系统。

标题	发布/更新时间	阅读量
指尖力反馈装置-专利编号CN103699221A	2020-05-12	796
车力反馈装置-专利编号CN108562387A	2020-05-13	734
中指力反馈装置-专利编号CN104669232A	2020-05-12	684
力反馈触觉接口-专利编号CN100444085C	2020-05-13	404
风速力反馈-专利编号CN110537215A	2020-05-11	824
压力反馈按摩器-专利编号CN109044775A	2020-05-11	1101
食指力反馈装置-专利编号CN104635916A	2020-05-13	1040
力反馈操作台-专利编号CN109669545A	2020-05-11	1186
力反馈装置-专利编号CN201548930U	2020-05-11	1071
力反馈系统-专利编号CN205721407U	2020-05-12	506

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