CN101480798B - 力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，由手部机构、支架、手柄连接件以及调节手柄连接件与支架间距的调节机构组成，调节机构包括齿轮机构组件和菱形连杆机构，齿轮机构组件包括第一、二组齿轮机构，每组齿轮机构由两个相互啮合的齿轮组成，第一组齿轮机构设置在支架上，第二齿轮机构设置在手柄连接件上且位于手柄连接件的一侧，第一组齿轮机构与菱形连杆机构的一端固定联接，第二组齿轮机构与菱形连杆机构的另一端固定联接，在菱形连杆机构的中部铰接处设有电机，手部机构设在手柄连接件的另一侧。本发明能够实现单自由度的力觉反馈，具有结构简单、精度高、惯性小、质量轻等优点。

Description

力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构

技术领域

本发明是一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，尤其是一种应用于机器人控制的人机接口装置中的通用型异构式力觉感知手控器机构。

背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人机接口装置。数据手套和机器人手控器是两种常见的遥操作机器人的人机接口装置，由于数据手套无法测量人手臂关节的变化，并且缺乏有效的力觉反馈，因此，机器人手控器是实现遥操作机器人控制的最有效的人机接口装置，它一方面通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或者虚拟现实中的虚拟机械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力觉/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受。机器人手控器可以分为同构式和异构式两种，现有的手控器大都是同构式，同构式手控器与远地机械手具有相同的结构和自由度，采取关节——关节的驱动方式。机器人同构式手控器虽然控制简单，但其只能用于特定型号的机器人控制，缺少通用性。因此，通用型的手控器都采用和机器人结构不同的异构方式，现有的异构式手控器有笔形操作杆结构、并联结构、串/并联混合结构、一体化的闭链式结构和基于Delta机构的异构式手控器。前四种异构式手控器的缺点在于存在着无法克服的平动与转动之间的运动耦合和力的耦合，后一种基于Delta机构的异构式手控器缺点在于工作空间小，无法克服重力的影响，并且控制复杂。

技术内容

技术问题本发明提供了一种有利于增强力觉临场感的单自由度力觉感知手控器，该装置具有操作轻便、惯性小、质量轻、位置测量和力反馈精度高的优点。

技术方案一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，包括手部机构、支架、手柄连接件以及调节手柄连接件与支架间距的调节机构，所述的调节机构包括齿轮机构组件和菱形连杆机构，所述的齿轮机构组件包括第一组齿轮机构、第二组齿轮机构，每组齿轮机构由两个相互啮合的齿轮组成，第一组齿轮机构设置在支架上，所述的第二齿轮机构设置在手柄连接件上且位于手柄连接件的一侧，所述的第一组齿轮机构与菱形连杆机构的一端固定联接，第二组齿轮机构与菱形连杆机构的另一端固定联接，在菱形连杆机构的中部铰接处，设有在铰接处产生控制菱形连杆机构张合力矩的电机，电机的基座与组成菱形连杆机构的一根菱形连杆固定连接，电机的输出轴与组成菱形连杆机构的另一根菱形连杆固定连接，手部机构设在手柄连接件的另一侧。此外，电机上设有光电编码盘。

本发明是由电机带动菱形连杆机构运动，在齿轮机构传递的作用下，将其运动和力矩传递到手部机构，实现力觉反馈。

有益效果(1)本发明通过两组齿轮机构和一组菱形连杆机构来实现单一方向的平动，简化了机构的复杂程度。本发明的这种技术方案与电机技术措施的结合，使本发明成为具有力反馈功能的手控器，它能够避免复杂的位置测量和力觉再现控制过程中运动之间复杂的耦合关系，提高了测量精度和力觉感知的真实性。(2)本发明采用菱形连杆机构与齿轮机构相结合的技术方案，通过电机的作用和菱形连杆机构中相邻连杆之间夹角的变化来实现菱形连杆机构的伸缩，从而实现手部机构在单一方向上的平动，同现有的手控器的机构相比具有体积小、精度高、惯性小、质量轻的优点。(3)本发明所采用的手部机构操作方便，轻松的实现了手腕的力觉反馈功能，本发明在采用了电机的技术措施后，使本发明成为力觉感知手控器，而上述结构具有便于控制电机实现力觉反馈的优点。(4)本发明在菱形连杆机构与手柄连接件之间设计了精密齿轮机构，利用两个齿轮的啮合来保证菱形连杆机构只能沿其中心对称轴做单一方向的平行移动，从而提高了该机构平动运动的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明菱形连杆机构组件实施例的结构示意图。

图3是本发明电机的连接机构实施例的结构示意图。

具体实施方案

一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，由手部机构1、支架2、手柄连接件3以及调节手柄连接件3与支架2间距的调节机构4组成。所述的调节机构4包括齿轮机构组件41和菱形连杆机构42。所述的齿轮机构组件41包括第一组齿轮机构411、第二组齿轮机构412，每组齿轮机构由两个相互啮合的齿轮组成。第一组齿轮机构411设置在支架2上。所述的第二齿轮机构412设置在手柄连接件3上且位于手柄连接件3的一侧。所述的第一组齿轮机构411与菱形连杆机构42的一端固定联接，第二组齿轮机构412与菱形连杆机构42的另一端固定联接。在菱形连杆机构42的中部铰接处，设有在铰接处产生控制菱形连杆机构42张合力矩的电机424。电机424的基座与组成菱形连杆机构42的一根菱形连杆423固定连接，电机424的输出轴与组成菱形连杆机构42的另一根菱形连杆421固定连接。手部机构1设在手柄连接件3的另一侧。此外，电机424上设有光电编码盘422。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

参照图1、图2，本实施例涉及一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构。由手部机构1、支架2、手柄连接件3以及调节手柄连接件3与支架2间距的调节机构4组成。所述的调节机构4包括齿轮机构组件41和菱形连杆机构42。所述的齿轮机构组件41包括第一组齿轮机构411、第二组齿轮机构412，每组齿轮机构由两个相互啮合的齿轮组成。在第一组齿轮机构411、第二组齿轮机构412上分别设有中心连接轴。第一组齿轮机构411设置在支架2上，并通过中心连接轴与支架2连接。所述的第二齿轮机构412通过中心连接轴的连接设置在手柄连接件3上且位于手柄连接件3的一侧。所述的第一组齿轮机构411与菱形连杆机构42的一端固定联接，第二组齿轮机构412与菱形连杆机构42的另一端固定联接。第一组齿轮机构411与第二组齿轮机构412通过菱形连杆机构42连为一体。

参照图2、图3，在菱形连杆机构42的中部铰接处，设有在铰接处产生控制菱形连杆机构42张合力矩的电机424。电机424的基座与组成菱形连杆机构42的一根菱形连杆423固定连接，电机424的输出轴与组成菱形连杆机构42的另一根菱形连杆421固定连接，电机424的输出轴与组成菱形连杆机构42的一根菱形连杆423转动连接，具体的转动连接方式可以采用轴承连接或者间隙配合。用于设置电机424的菱形连杆机构中的两根菱形连杆相邻。菱形连杆机构42的各个菱形连杆之间均为转动连接，具体的转动连接方式可以采用铰链连接。手部机构1设在手柄连接件3的另一侧。此外，电机424上设有光电编码盘422。通过光电编码盘422可以测量电机424的转速以及判断该电机424的正转与反转，便于对该机构的准确控制。

Claims (2)

1.一种力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，包括手部机构(1)、支架(2)、手柄连接件(3)以及调节手柄连接件(3)与支架(2)间距的调节机构(4)，其特征在于：所述的调节机构(4)包括齿轮机构组件(41)和菱形连杆机构(42)，所述的齿轮机构组件(41)包括第一组齿轮机构(411)、第二组齿轮机构(412)，每组齿轮机构由两个相互啮合的齿轮组成，在第一组齿轮机构(411)、第二组齿轮机构(412)上分别设有中心连接轴，第一组齿轮机构(411)设置在支架(2)上，并通过中心连接轴与支架(2)连接，所述的第二齿轮机构(412)通过中心连接轴的连接设置在手柄连接件(3)上且位于手柄连接件(3)的一侧，所述的第一组齿轮机构(411)与菱形连杆机构(42)的一端固定联接，第二组齿轮机构(412)与菱形连杆机构(42)的另一端固定联接，在菱形连杆机构(42)的中部铰接处，设有在铰接处产生控制菱形连杆机构(42)张合力矩的电机(424)，电机(424)的基座与组成菱形连杆机构(42)的一根菱形连杆(423)固定连接，电机(424)的输出轴与组成菱形连杆机构(42)的另一根菱形连杆(421)固定连接，手部机构(1)设在手柄连接件(3)的另一侧。

2.根据权利要求1所述的力反馈手控器的高精度低惯性直线位移机构，其特征在于在电机(424)上设有光电编码盘(422)。

Images