[發明專利]四支鏈并聯式六自由度力反饋裝置

無效

• 申請號: 200910153529.6
• 申請日: 2009-09-30
• 公開（公告）號: CN101673140A
• 公開（公告）日: 2010-03-17
• 發明（設計）人: 劉振宇;譚建榮;李大平
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及一種力反饋裝置，特別是涉及一種四支鏈并聯式六自由度力反饋裝置。

背景技術

虛擬現實技術利用計算機模擬生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境。在虛擬環境中，用戶通過使用各種交互裝置，同虛擬物體相互作用，產生身臨其境感覺的交互式仿真與信息交流。力覺臨場感是虛擬現實技術的一個重要特點。力反饋裝置是實現力覺臨場感的交互裝置。通過力反饋裝置，用戶可以真實感知對虛擬環境中物體的操作力，使得虛擬環境中的物體不僅“看起來是真的”，而且“摸起來是真的”，從而，有效地擴展了人們對計算機數字信息空間的感知通道。力反饋裝置主要實現兩個功能：一是將計算機模擬計算出的作用力通過力反饋手柄實時反饋給用戶，產生力覺臨場感；二是跟蹤測量用戶手部的位置信息并傳遞給計算機，用來操縱控制虛擬環境中物體的運動。傳統的力反饋裝置可以分為兩類，一類采用串聯式結構，這類力反饋裝置一般都能達到六自由度以及較大的工作空間，但是存在累積誤差，而且動態性較差，導致產生的反力精度低和延滯時間長。另一類采用并聯式結構，這類力反饋裝置一般精度較高，而且動態性能好，典型的如STEWART機構和DELTA機構，但也存在一些缺點，例如，STEWART機構由于采用6個對稱的虎克鉸-連桿-移動副-連桿-球鉸支鏈，工作空間相對較小，而且移動副處采用液壓缸來產生反力，結構復雜；DELTA機構存在工作空間不可調等缺點。因此有必要針對虛擬現實技術的需要，研究開發具有六自由度、工作空間大、誤差小、動態性較好而且結構相對簡單的力反饋裝置。

發明內容

本發明的目的在于提供一種四支鏈并聯式六自由度力反饋裝置，它是一種具有六自由度、工作空間可調、誤差小、動態性能較好、結構較簡單的主動力反饋裝置。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

本發明由四個支鏈并聯組成；在平板式的底座安裝第一虎克鉸鏈、第二虎克鉸鏈、第一球鉸鏈和第二球鉸鏈，分別與各自的第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿的一端連接，四個鉸鏈在底座上分布在一個等腰梯形的四個頂點上，按順時針方向分別為第一虎克鉸鏈、第二虎克鉸鏈、第一球鉸鏈和第二球鉸鏈；第一虎克鉸鏈和第二虎克鉸鏈位于該梯形短的下底的兩個端點上，而第一球鉸鏈和第二球鉸鏈位于該梯形長的上底的兩個端點上；第一連桿的另一端經第一移動副與第五連桿的一端連接，第五連桿的另一端接第三虎克鉸鏈，構成第一支鏈；第二連桿的另一端經第二移動副與第六連桿的一端連接，第六連桿的另一端接第四虎克鉸鏈，構成第二支鏈；第三連桿的另一端經第一轉動副與第七連桿的一端連接，第七連桿的另一端經第三移動副與第九連桿的一端連接，第九連桿的另一端接第五虎克鉸鏈，構成第三支鏈；第四連桿的另一端經第二轉動副與第八連桿的一端連接，第八連桿的另一端經第四移動副與第十連桿的一端連接，第十連桿的另一端接第六虎克鉸鏈，構成第四支鏈；第三虎克鉸鏈、第四虎克鉸鏈、第五虎克鉸鏈和第六虎克鉸鏈分別安裝在手柄正方底座的四個側面上，組成四支鏈并聯機構。

所述各轉動副的結構相同，分別將旋轉電機固定在電機座上，電機座通過螺釘固定在一根連桿上，旋轉電機的軸通過鍵和另一根連桿聯結，兩根連桿的夾角就由旋轉電機的轉角所決定。

所述各移動副的結構均相同，均為線行程可調的裝有測量線位移的光電編碼器的直線電機；直線電機的初級和一根連桿聯結，次級和另一連桿聯結，兩連桿的相對位移就由線行程可調的直線電機的位移所決定。

本發明工作空間可調。通過調節電機的工作行程，實現對手柄工作空間的調節，以滿足操作空間的需要。

本發明具有的有益效果是：

1、采用四支鏈并聯連桿機構，其中兩個為三桿串聯支鏈，另外兩個為兩桿串聯支鏈，比每個支鏈都為兩桿串聯的STEWART和DELTA等機構更容易獲得較大的工作空間。通過對電機行程的調節，手柄的工作空間可在一定范圍內變化，從而滿足不同操作空間的需要。

2、所有的直線移動副處都安裝直線電機以產生反力，與STWART等使用的液壓系統相比，減小了誤差，加快響應速度，使動態響應性能更好；力的大小可以通過電流實現精確調節；由于不用復雜的供油系統，整體結構也更為簡單。

3、第一個支鏈和第二個支鏈中對應的構件和運動副的結構完全一樣，第三個支鏈和第四個支鏈中對應的構件和運動副的結構完全一樣，這樣的結構有利于整個機構的平衡。

附圖說明

圖1是本發明執行部分整體結構圖。

圖2是手柄相關部件結構圖。

圖3是本發明執行部分的運動副示意圖。

圖4是手柄附近運動副示意圖。