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一种六自由度三维力反馈机构

阅读：1207发布：2020-08-30

IPRDB可以提供一种六自由度三维力反馈机构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种六自由度三维力反馈机构，包括底座、转台、安装在转台上的平行四连杆机构以及安装在平行四连杆机构末端的末端执行器机构；转台通过转动副连接于底座，第一从动轮以及平行四连杆机构的一根长杆固定安装于转台上的支撑轴，第二从动轮以及平行四连杆机构的近端杆转动安装于转台上的支撑轴，平行四连杆机构的另一根长杆转动连接于的近端杆的另一端；远端杆安装有末端三自由度执行器机构，末端执行器机构由三个轴线依次垂直布置的转动副连接构成。本发明采集手腕的位置和姿态六自由度信息，并能够在三个移动自由度方向施加力反馈；本发明采用混联拓扑结构，实现较大的工作空间和较好的机构刚度，结构紧凑，定位精确，应用广泛。，下面是一种六自由度三维力反馈机构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种六自由度三维力反馈机构，包括底座(01)、转台(02)、安装在转台(02)的平行四连杆机构以及安装在平行四连杆机构末端的三自由度执行器机构；

所述平行四连杆机构包括：下部长杆(05)、远端杆(11)、上部长杆(12)和近端短杆(14)；

所述转台(02)通过转动副安装于所述底座(01)上，转台驱动电机(17)与所述底座(01)固定连接，所述转台驱动电机(17)通过丝传动驱动所述转台(02)转动；

所述转台(02)上固定安装有第一驱动电机(16)、第二驱动电机(03)；所述转台(02)上转动连接有支撑轴(18)；所述支撑轴(18)上固定安装有第一从动轮(04)和下部长杆(05),所述第一驱动电机(16)与所述第一从动轮(04)之间采用丝传动驱动；所述支撑轴(18)上转动安装有第二从动轮(15)；所述第二从动轮(15)与近端短杆(14)固定连接，所述第二驱动电机(03)与所述第二从动轮(15)之间采用丝传动驱动；所述近端短杆(14)一端与所述上部长杆(12)转动连接；所述上部长杆(12)和所述下部长杆(05)的另一端分别与所述远端杆(11)转动连接；

所述远端杆(11)末端固定安装有三自由度执行器机构；所述三自由度执行器机构包括自平行四连杆远端杆(11)到末端依次相连的第四转轴(08)、第五转轴(19)以及第六转轴(06)；所述第四转轴(08)与所述平行四连杆远端杆(11)转动连接；所述第五转轴(19)与所述第四转轴(08)转动连接，第五转轴(19)的轴线方向与第四转轴(08)的轴线方向垂直；所述第六转轴(06)轴线与所述第五转轴(19)转动连接，所述第六转轴(06)的轴线方向与所述第五转轴(19)的轴线方向垂直。

2.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：所述第四转轴(08)与所述平行四连杆远端杆(11)在连接处安装有第一旋转编码器(24)。

3.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：所述第五转轴(19)与所述第四转轴(08)转动连接在连接处安装有第二旋转编码器(20)。

4.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：所述第六转轴(06)轴线与所述第五转轴(19)转动连接在连接处安装有第三旋转编码器(23)。

5.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：在所述第六转轴(22)上固定安装有机械开关(07)。

6.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：所述转台(02)、第一从动轮(04)、第二从动轮(15)、第四转轴(08)、第五转轴(19)以及第六转轴(06)均设置有限位装置。

7.根据权利要求1所述的六自由度三维力反馈机构，其特征在于：所述转台电机(17)、所述第一驱动电机(16)以及所述第二驱动电机(03)后端均配有编码器，实现各驱动电机转动角度检测。

说明书全文

一种六自由度三维力反馈机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种力反馈机构，特别是涉及一种六自由度三维力反馈机构。

背景技术

[0002] 虚拟现实技术和增强现实技术是当前科研领域的前沿技术，虚拟现实过程中的力觉临场感是体现虚拟现实交互性的重要部分，较好的力觉临场感使得操作过程更真实可靠。而力觉交互设备(力反馈设备)是设计人员与虚拟环境进行力觉交互的接口，是虚拟现实系统中的重要组成部分。

[0003] 国内外有不少科研人员从事于力反馈设备的开发，经过对现有技术文献检索发现，瑞士force dimension的并联力反馈设备，其已成功申请的发明专利(US8667860)，其涉及的是一款六自由度力反馈手柄，可以实现四个自由度的力反馈，但由于采用并联结构，其运动空间较小，运动灵活性一般，且由于使用材料的特殊性导致设备价格昂贵；美国Senable公司的PHANTOM系列力反馈手柄，其已公开专利(US20080291161A1)，其是一款串联六自由度力反馈机械臂，具有较大的工作空间和较好的运动灵活性，但其机械刚度较差，且反馈力较小，价格较高。

发明内容

[0004] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种六自由度三维力反馈机构，采用混联拓扑结构，运动空间大，机械刚度较好，结构紧凑，定位精确，应用广泛。

[0005] 本发明技术解决方案：一种六自由度三维力反馈机构，包括底座、转台、安装在转台的平行四连杆机构以及安装在平行四连杆机构末端的末端三自由度执行器机构；

[0006] 所述转台通过转动副安装于所述底座上，转台驱动电机与所述底座固定连接，所述转台驱动电机通过丝传动驱动所述转台转动；所述转台固定安装有第一驱动电机、第二驱动电机，所述转台转动安装有平行四连杆机构支撑轴；

[0007] 进一步地，所述支撑轴上固定安装有第一从动轮以及平行四连杆机构下部长杆。所述第一从动轮通过顶丝与支撑轴固定连接，且安装于所述第一驱动电机输出轴一侧，所述第一驱动电机与所述第一从动轮之间采用丝传动驱动；

[0008] 进一步地，所述支撑轴转动安装有所述第二从动轮，且安装于所述第二驱动电机输出轴一侧，所述第二驱动电机与所述第二从动轮之间采用丝传动驱动。所述第二从动轮与平行四连杆机构近端短杆固定连接，所述平行四连杆机构近端短杆一端与所述支撑轴转动连接，另一端与所述平行四连杆上部长杆转动连接。所述平行四连杆机构上端长杆和所述平行四连杆机构下端长杆的另一端分别与所述平行四连杆机构远端杆转动连接；

[0009] 进一步地，所述平行四连杆机构远端杆末端固定有三自由度执行器机构。所述末端三自由度执行器机构包括自平行四连杆远端杆到末端依次相连下的第四转轴、第五转轴以及第六转轴；

[0010] 进一步地，所述第四转轴与所述平行四连杆远端杆转动连接，且在连接处安装有旋转编码器，从而实现对于所述第四转轴的角度检测；

[0011] 进一步地，所述第五转轴与所述第四转轴转动连接，且第五转轴的轴线方向与第四转轴的轴线方向垂直，且在连接处安装有旋转编码器，以此实现对于所述第五转轴的角度检测；

[0012] 进一步地，所述第六转轴轴线与所述第五转轴转动连接，且第六转轴的轴线方向与第五转轴的轴线方向垂直，且在连接处安装有旋转编码器，以实现对于所述第六转轴角度检测。在所述第六转轴上固定安装有机械开关。

[0013] 进一步地，所述转台、第一从动轮、第二从动轮、第四转轴、第五转轴以及第六转轴均设置有限位装置，以约束各个转轴的转动范围。

[0014] 进一步地，所述转台电机、所述第一驱动电机以及所述第二驱动电机后端均配有编码器，以实现各驱动电机转动角度的检测；

[0015] 本发明与现有技术相比的有益效果为：

[0016] (1)本发明为混联力反馈机构，通过三个电机编码器和三个独立编码器可以实现对于六转轴转角的检测，从而实现末端位姿的计算，通过三个电机可以实现三维力反馈的输出。采用混联结构可以优化工作空间与机构刚度，运动灵活，运动空间大，反馈力精准，反应灵敏。

[0017] (2)三个驱动电机与其各自对应的从动轮之间均采用丝传动，一方面实现较大减速比的传动，以实现较大反馈力输出，另一方面通过加装弹簧实现丝的预紧以消除传动间隙，优化传动效果。

附图说明

[0018] 图1为本发明的整体结构前轴侧图；

[0019] 图2为本发明的整体结构后轴测图；

[0020] 图3为本发明的底座以及转台部件；

[0021] 图4为本发明第四、五轴部件剖视图；

[0022] 图5为本发明第五、六轴部件剖视图；

[0023] 附图标记：01-底座，02-转台，03-第二驱动电机，04-第一从动轮05-平行四连杆机构的下部长杆，06-第六转轴，07-机械开关，08-第四转轴，11-平行四连杆机构的远端杆，12-平行四连杆机构的上部长杆，14-平行四连杆机构的近端短杆，15-第二从动轮，16-第一驱动电机，17-转台电机，18-支撑轴，19-第五转轴，20-第二旋转编码器，21-第五转轴外壳，
23-第三旋转编码器，24-第一旋转编码器。

具体实施方式

[0024] 本发明一种六自由度三维力反馈机构，其结构包括底座、转台、安装在转台上的平行四连杆机构以及安装在平行四连杆机构末端的末端执行器机构。其中转台通过转动副连接于底座，第一从动轮以及平行四连杆机构的一根长杆固定安装于转台上的支撑轴，第二从动轮以及平行四连杆机构的近端杆转动安装于转台上的支撑轴，平行四连杆机构的另一根长杆转动连接于平行四连杆机构的近端杆的另一端。平行四连杆机构的远端杆安装有末端三自由度执行器机构，末端执行器机构由三个轴线依次垂直布置的转动副连接构成。该机构可以采集手腕的位置和姿态六自由度信息，并能够在三个移动自由度方向施加力反馈；本发明采用混联拓扑结构，可实现较大的工作空间和较好的机构刚度，结构紧凑，定位精确，应用广泛。

[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

[0026] 如图1和图2所示，本发明一种六自由度三维力反馈机构，包括：底座01、转台02、安装在转台的平行四连杆机构的下部长杆05、远端杆11、上部长杆12、近端短杆14以及安装在平行四连杆机构末端的三自由度执行器机构，三自由度执行器包括：自平行四连杆远端杆11到末端依次相连下的第四转轴08、第五转轴19以及第六转轴06。

[0027] 所述转台02通过轴承转动安装于所述底座01上，从而可以实现转台的定轴转动，转台驱动电机17固定安装于所述底座01，所述转台驱动电机17通过丝传动驱动所述转台02转动。所述转台02上固定安装有第一驱动电机16、第二驱动电机03，且所述第一驱动电机16和第二驱动电机03呈中心对称形式布置。所述转台02上转动安装有平行四连杆机构支撑轴18，所述支撑轴18上固定安装有第一从动轮04和平行四连杆机构的下部长杆05，所述第一驱动电机16与所述第一从动轮04之间采用丝传动驱动。第一从动轮04通过顶丝与支撑轴18固定连接，从而实现所述第一从动轮04与所述支撑轴18同步转动。所述支撑轴18上转动安装有第二从动轮15，从而实现所述第二从动轮15绕所述支撑轴18定轴转动，所述第二驱动电机03与所述第二从动轮15之间采用丝传动驱动。所述第二从动轮15与平行四连杆机构的近端短杆14固定连接，所述平行四连杆机构的近端短杆14一端与所述支撑轴18转动连接，另一端与所述平行四连杆的上部长杆12转动连接，增加所述平行四连杆机构的近端短杆14以实现较好的运动精度和所述平行四连杆机构侧向刚度。所述平行四连杆机构的上部长杆
12和所述平行四连杆机构的下端长杆05的另一端分别与所述平行四连杆机构的远端杆11转动连接。

[0028] 如图4和图5所示，第四转轴08通过轴承与所述平行四连杆的远端杆11转动连接，且在连接处安装有旋转编码器，从而实现对于所述第四转轴08转动角度的检测。所述第五转轴19与所述第四转轴08转动连接，且第五转轴19的轴线方向与第四转轴08的轴线方向垂直，且在连接处安装有旋转编码器20，从而实现对于第五转轴19转动角度的检测。所述第六转轴06轴线与所述第五转轴19转动连接，且第六转轴06的轴线方向与第五转轴19的轴线方向垂直，且在连接处安装有旋转编码器23，从而实现对于第六转轴06转动角度的检测。在所述第六转轴06上固定安装有机械开关07，从而建立与操作者之间的按钮交互。

[0029] 如图1、图2所示，所述转台02、第一从动轮04、第二从动轮15、第四转轴08、第五转轴19以及第六转轴06均设置有限位装置，以约束各个转轴的转动范围。所述底座01上安装有限位螺钉，与所述转台02下底面设置的限位板一同实现对于所述转台02的转动限位。所述转台02的两侧分别有限位凸肩，与所述第一从动轮04和所述第二从动轮15内侧的限位槽一同实现对于所述第一从动轮04和所述第二从动轮15的转动限位。所述平行四连杆的远端杆11设有限位块，与所述第四转轴08的凸限位块一同实现对于第四转轴08的转动限位。所述第五转轴19运动范围的约束由所述第四转轴08的外壳和所述第五转轴外壳21之间的限位实现；所述第五转轴外壳21内孔侧设有限位块，与所述第六转轴06设有限位块凸肩一起实现对于所述第六转轴06的转动限位。

[0030] 如图1、图2所示，所述转台电机17、所述第一驱动电机16以及所述第二驱动电机03后端均配有编码器，所述第四转轴08、第五转轴19以及第六转轴06分别安装有第一编码器24、第二编码器20和第三编码器23。从而实现对于六个转轴转角的检测，进而实现末端位置和姿态的计算。通过所述转台电机17、所述第一驱动电机16以及所述第二驱动电机03可以实现三维反馈力的输出，建立力觉交互接口。

[0031] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

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	825
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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