CN101673140B - 四支链并联式六自由度力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四支链并联式六自由度力反馈装置。在底座安装两个虎克铰链和两个球铰链，分布在等腰梯形的四个顶点上，四个铰链分别与各自的连杆一端连接，四个铰链按顺时针方向分别为虎克铰链、虎克铰链、球铰链和球铰链。两个虎克铰链分位于该梯形短的下底的两个端点上，两个球铰链位于该梯形长的上底的两个端点上；两个虎克铰链分别经各自连杆-移动副-连杆与装在手柄上各自的虎克铰链连接；两个球铰链分别经各自连杆-转动副-连杆-移动副-连杆与装在手柄上各自的虎克铰链连接。本发明具有工作空间可调、误差小、结构较简单等特点，为实现具有虚拟现实力觉临场感的人机交互提供了硬件接口。

Description

四支链并联式六自由度力反馈装置

技术领域

本发明涉及一种力反馈装置，特别是涉及一种四支链并联式六自由度力反馈装置。

背景技术

虚拟现实技术利用计算机模拟生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境。在虚拟环境中，用户通过使用各种交互装置，同虚拟物体相互作用，产生身临其境感觉的交互式仿真与信息交流。力觉临场感是虚拟现实技术的一个重要特点。力反馈装置是实现力觉临场感的交互装置。通过力反馈装置，用户可以真实感知对虚拟环境中物体的操作力，使得虚拟环境中的物体不仅“看起来是真的”，而且“摸起来是真的”，从而，有效地扩展了人们对计算机数字信息空间的感知通道。力反馈装置主要实现两个功能：一是将计算机模拟计算出的作用力通过力反馈手柄实时反馈给用户，产生力觉临场感；二是跟踪测量用户手部的位置信息并传递给计算机，用来操纵控制虚拟环境中物体的运动。传统的力反馈装置可以分为两类，一类采用串联式结构，这类力反馈装置一般都能达到六自由度以及较大的工作空间，但是存在累积误差，而且动态性较差，导致产生的反力精度低和延滞时间长。另一类采用并联式结构，这类力反馈装置一般精度较高，而且动态性能好，典型的如STEWART机构和DELTA机构，但也存在一些缺点，例如，STEWART机构由于采用6个对称的虎克铰-连杆-移动副-连杆-球铰支链，工作空间相对较小，而且移动副处采用液压缸来产生反力，结构复杂；DELTA机构存在工作空间不可调等缺点。因此有必要针对虚拟现实技术的需要，研究开发具有六自由度、工作空间大、误差小、动态性较好而且结构相对简单的力反馈装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四支链并联式六自由度力反馈装置，它是一种具有六自由度、工作空间可调、误差小、动态性能较好、结构较简单的主动力反馈装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明由四个支链并联组成；在平板式的底座安装第一虎克铰链、第二虎克铰链、第一球铰链和第二球铰链，分别与各自的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的一端连接，四个铰链在底座上分布在一个等腰梯形的四个顶点上，按顺时针方向分别为第一虎克铰链、第二虎克铰链、第一球铰链和第二球铰链；第一虎克铰链和第二虎克铰链位于该梯形短的下底的两个端点上，而第一球铰链和第二球铰链位于该梯形长的上底的两个端点上；第一连杆的另一端经第一移动副与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端接第三虎克铰链，构成第一支链；第二连杆的另一端经第二移动副与第六连杆的一端连接，第六连杆的另一端接第四虎克铰链，构成第二支链；第三连杆的另一端经第一转动副与第七连杆的一端连接，第七连杆的另一端经第三移动副与第九连杆的一端连接，第九连杆的另一端接第五虎克铰链，构成第三支链；第四连杆的另一端经第二转动副与第八连杆的一端连接，第八连杆的另一端经第四移动副与第十连杆的一端连接，第十连杆的另一端接第六虎克铰链，构成第四支链；第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链和第六虎克铰链分别安装在手柄正方底座的四个侧面上，组成四支链并联机构。

所述各转动副的结构相同，分别将旋转电机固定在电机座上，电机座通过螺钉固定在一根连杆上，旋转电机的轴通过键和另一根连杆联结，两根连杆的夹角就由旋转电机的转角所决定。

所述各移动副的结构均相同，均为线行程可调的装有测量线位移的光电编码器的直线电机；直线电机的初级和一根连杆联结，次级和另一连杆联结，两连杆的相对位移就由线行程可调的直线电机的位移所决定。

本发明工作空间可调。通过调节电机的工作行程，实现对手柄工作空间的调节，以满足操作空间的需要。

本发明具有的有益效果是：

1、采用四支链并联连杆机构，其中两个为三杆串联支链，另外两个为两杆串联支链，比每个支链都为两杆串联的STEWART和DELTA等机构更容易获得较大的工作空间。通过对电机行程的调节，手柄的工作空间可在一定范围内变化，从而满足不同操作空间的需要。

2、所有的直线移动副处都安装直线电机以产生反力，与STWART等使用的液压系统相比，减小了误差，加快响应速度，使动态响应性能更好；力的大小可以通过电流实现精确调节；由于不用复杂的供油系统，整体结构也更为简单。

3、第一个支链和第二个支链中对应的构件和运动副的结构完全一样，第三个支链和第四个支链中对应的构件和运动副的结构完全一样，这样的结构有利于整个机构的平衡。

附图说明

图1是本发明执行部分整体结构图。

图2是手柄相关部件结构图。

图3是本发明执行部分的运动副示意图。

图4是手柄附近运动副示意图。

图5是本发明执行部分的转动副结构图(以连接连杆5和6的转动副17为例)。

图6是本发明执行部分的移动副结构图(以连接连杆3和4的移动副15为例)。

图7是本发明控制部分示意图。

图8是本发明的工作过程示意图。

图中：1、底座，2、第一连杆，3、第二连杆，4、第六连杆，5、第三连杆，6、第七连杆，7、第九连杆，8、手柄，9、第十连杆，10、第八连杆，11、第四连杆，12、第五连杆，13、第一虎克铰链，14、第二虎克铰链，15、第二移动副，16、第一球铰链，17、第一转动副，18、第三移动副，19、第四移动副，20、第二转动副，21、第二球铰链，22、第一移动副，23、第三虎克铰链，24、第四虎克铰链，25、第五虎克铰链，26、第六虎克铰链，27、轴，28、键，29、旋转电机，30、电机座，31、螺钉，32、初级，33、次级。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，由四个支链并联组成；在平板式的底座1安装第一虎克铰链13、第二虎克铰链14、第一球铰链16和第二球铰链21，分别与各自的第一连杆2、第二连杆3、第三连杆5和第四连杆11的一端连接，四个铰链在底座1上分布在一个等腰梯形的四个顶点上，按顺时针方向分别为第一虎克铰链13、第二虎克铰链14、第一球铰链16和第二球铰链21；第一虎克铰链13和第二虎克铰链14位于该梯形短的下底的两个端点上，而第一球铰链16和第二球铰链21位于该梯形长的上底的两个端点上；第一连杆2的另一端经第一移动副22与第五连杆12的一端连接，第五连杆12的另一端接第三虎克铰链23，构成第一支链；第二连杆3的另一端经第二移动副15与第六连杆4的一端连接，第六连杆4的另一端接第四虎克铰链24，构成第二支链；第三连杆5的另一端经第一转动副17与第七连杆6的一端连接，第七连杆6的另一端经第三移动副18与第九连杆7的一端连接，第九连杆7的另一端接第五虎克铰链25，构成第三支链；第四连杆11的另一端经第二转动副20与第八连杆10的一端连接，第八连杆10的另一端经第四移动副19与第十连杆9的一端连接，第十连杆9的另一端接第六虎克铰链26，构成第四支链；第三虎克铰链23、第四虎克铰链24、第五虎克铰链25和第六虎克铰链26分别安装在手柄8正方底座的四个侧面上，组成四支链并联机构。

如图5所示，所述各转动副的结构相同(以连接连杆5和6的转动副17为例)，分别将旋转电机29固定在电机座30上，电机座30通过螺钉31固定在一根连杆5上，旋转电机的轴27通过键28和另一根连杆6联结，这样，两根连杆5和6的夹角就由旋转电机29的转角所决定。

如图6所示，所述各移动副的结构均相同(以连接连杆3和4的移动副15为例)，均为线行程可调的装有测量线位移的光电编码器的直线电机；直线电机的初级32和一根连杆3联结，次级33和另一连杆4联结，两连杆的相对位移就由线行程可调的直线电机的位移所决定。

本发明由执行部分和控制部分组成。

执行部分主要是指本发明的机械结构，如图1和图3所示。本发明采用直角坐标描述，以平板式的底座1上表面为XOY平面建立直角坐标系，底座1截面为一等腰梯形，它的两条对角线相互垂直，分别为x轴和y轴方向。四个铰链——虎克铰链13、14和球铰链16、21位于底座上表面的一个等腰梯形的四个顶点上，该梯形和底座梯形相似，对应边相互平行。底座1通过上述四个铰链分别和连杆2、3、5和11相连。连杆2、3分别通过移动副22、15和连杆4、12相连；连杆5、11分别通过一个转动副17、20和连杆6、10相连。连杆6、10分别通过一个移动副18、19和连杆7、9相连。

手柄8的形状及相关的运动副如图2和图4所示，它的底座的四个面上安装有4个虎克铰链23、24、25和26，手柄8通过这四个虎克铰链23、24、25、26分别和连杆12、4、7、9相连。

转动副17、20的形式为旋转电机，且同时相应装有测量角位移的光电传感器，它们结构完全相同。转动副17的结构如图5所示：旋转电机29的主体(定子)固定在电机座30上，电机座30通过螺钉31固定在连杆5上，电机的轴27(转子)通过键28和连杆6联结，这样，连杆5和连杆6的夹角就由电机的转角所决定；

移动副15、18、19、22的形式为线行程可调的直线电机，且同时相应装有测量线位移的光电编码器，它们的结构完全相同。移动副15的结构如图6所示：直线电机的初级32和连杆3联结，次级33和连杆4联结，这样，连杆3和连杆4的相对位移就由电机的位移所决定。

控制部分如图7所示，主要是一个安装在计算机上的力反馈装置驱动程序、安装在执行部分上的位移传感器(光电编码器)和电机驱动器组成。位移传感器(光电编码器)可以检测相应电机的位移，并将位移信号传递给力反馈装置驱动程序；力反馈装置驱动程序可以根据虚拟现实应用程序的响应产生电机驱动信号传递给电机驱动器，电机驱动器根据驱动信号调节电机电流的大小和方向，从而使力反馈装置根据需要精确产生指定方向和大小的反力。

该发明工作过程分为两部分，如图8所示：

1、沿着虚线所指方向：操作者的手驱动手柄位置发生改变，手柄位置的改变引起执行部分中各运动副产生相应位移，而安装在这些运动副处的位移传感器(光电编码器)可以检测出各位移量并将其转化成位移信号，输入力反馈装置驱动程序，经过计算得到手柄的位置信息，虚拟现实应用程序根据手柄位置信息操纵虚拟环境中物体的运动。

2、沿着实线所指方向：虚拟现实应用程序将需要反馈给操作者的力的大小和方向传递给力反馈装置驱动程序，转化成各个运动副处电机的驱动信号输入电机驱动器，电机驱动器根据驱动信息调节相应电机的电流方向和大小，在执行部分的运动副处产生相应的力或力矩经过机构传递至手柄，即可产生相应反馈力作用于操作者的手。

Claims (3)

1.一种四支链并联式六自由度力反馈装置，其特征在于：该四支链并联式六自由度力反馈装置由四个支链并联组成；在平板式的底座(1)上顺时针方向安装第一虎克铰链(13)、第二虎克铰链(14)、第一球铰链(16)和第二球铰链(21)，第一虎克铰链(13)、第二虎克铰链(14)、第一球铰链(16)和第二球铰链(21)这四个铰链分别与各自的第一连杆(2)、第二连杆(3)、第三连杆(5)和第四连杆(11)的一端连接，四个铰链在底座(1)上分布在一个等腰梯形的四个顶点上；第一虎克铰链(13)和第二虎克铰链(14)位于该梯形短的下底的两个端点上，而第一球铰链(16)和第二球铰链(21)位于该梯形长的上底的两个端点上；第一连杆(2)的另一端经第一移动副(22)与第五连杆(12)的一端连接，第五连杆(12)的另一端接第三虎克铰链(23)，构成第一支链；第二连杆(3)的另一端经第二移动副(15)与第六连杆(4)的一端连接，第六连杆(4)的另一端接第四虎克铰链(24)，构成第二支链；第三连杆(5)的另一端经第一转动副(17)与第七连杆(6)的一端连接，第七连杆(6)的另一端经第三移动副(18)与第九连杆(7)的一端连接，第九连杆(7)的另一端接第五虎克铰链(25)，构成第三支链；第四连杆(11)的另一端经第二转动副(20)与第八连杆(10)的一端连接，第八连杆(10)的另一端经第四移动副(19)与第十连杆(9)的一端连接，第十连杆(9)的另一端接第六虎克铰链(26)，构成第四支链；第三虎克铰链(23)、第四虎克铰链(24)、第五虎克铰链(25)和第六虎克铰链(26)分别安装在手柄(8)正方底座的四个侧面上，组成四支链并联机构。

2.根据权利要求1所述的一种四支链并联式六自由度力反馈装置，其特征在于：所述各转动副的结构相同，分别将旋转电机固定在电机座上，电机座通过螺钉固定在一根连杆上，旋转电机的轴通过键和另一根连杆联结，两连杆的夹角就由旋转电机的转角所决定。

3.根据权利要求1所述的一种四支链并联式六自由度力反馈装置，其特征在于：所述各移动副的结构均相同，均为线行程可调的装有测量线位移的光电编码器的直线电机；直线电机的初级和一根连杆联结，次级和另一连杆联结，两连杆的相对位移就由线行程可调的直线电机的位移所决定。

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