[發明專利]一種具有冗余自由度的穿戴式六維力覺交互裝置

無效

• 申請號: 201310278029.1
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103331746A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 丑武勝;張旭龍;劉永
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00;B25J13/00;B25J13/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種具有冗余自由度的穿戴式六維力覺交互裝置,其特征在于：該力覺交互裝置包括Z軸回轉基座（JZ）、肩關節機械臂（J）、肘關節機械臂（Z）、偏置球形腕部握持機構（W）和驅動電機（D）五部分組成。

Z軸回轉基座（JZ）部分包括基座安裝底板（23）、基座支撐部分、基座轉盤（15）和基座電機部分。

基座支撐部分的基座支撐柱下（21）通過基座安裝底板（23）前端安裝孔安裝固定于底板上表面。基座支撐柱上（16）通過四周布置的螺釘固定在基座支撐柱下（21）的上方。在基座支撐柱的內部安裝有基座旋轉部分。

基座旋轉部分主要包括基座旋轉軸（57）和旋轉軸承部分。

基座轉盤（15）通過基座旋轉軸（57）和推力球軸承（55）來實現與基座旋轉部分的連接。基座旋轉軸（57）上端通過圓周布置的安裝孔固定于基座轉盤（15）下方的圓形槽內，下端通過軸肩與基座滾子軸承2（59）上端內圈端面連接，基座滾子軸承2（59）下端的外圈端面通過基座支撐柱下（21）內部的臺階固定，內圈端面則通過圓螺母墊片（60）與圓螺母（61）結合方式固定。基座滾子軸承2（59）上端外圈端面則通過基座套筒（58）固定。基座套筒（58）上端通過圓周布置的螺釘固定在基座支撐柱下（21）的凹槽內，并在基座支撐柱上（16）下端也開有凹槽，保證套筒固定螺釘的安裝。推力球軸承（55）上端面通過基座轉盤（15）下方的圓形槽固定，下端面一方面通過基座支撐柱上（16）的上端凹槽固定，另一方面通過基座滾子軸承1（56）上端面的支撐，基座滾子軸承1（56）下端面通過基座支撐柱上（16）內臺階固定。

基座電機部分主要包括基座電機（20）、傳動小輪1（17）和電機固定件。法蘭板T型座（22）通過基座安裝底板（23）后端安裝孔安裝固定于底板上表面。基座法蘭板（19）插入到法蘭板T型座（22）的凹槽部分并實現固定。基座電機（20）固定在基座法蘭板（19）上端折彎法蘭部分。傳動小輪1（17）通過在緊定螺釘安裝在基座電機（20）的輸出軸上，緊定螺釘孔布置在傳動小輪1（17）表面光滑部分。

基座部分的旋轉是通過傳動小輪1（17）和基座轉盤（15）之間的繩傳動方式實現的。鋼絲繩一端固定在基座轉盤（15）下端內腔，通過鋼絲繩孔2（15G）后貼合基座轉盤（15）外表壁纏繞，經過傳動小輪1（17）時，纏繞在其螺旋槽部分，繼續貼合轉盤外表壁纏繞后通過鋼絲繩孔1（15A）進入到基座轉盤（15）內腔，纏繞鋼絲繩繞柱（15B）后通過固定在鋼絲繩調節螺釘孔（15C）上的調節件固定，通過調節螺釘與調節件之間的距離，可以對鋼絲繩的纏繞張緊度進行調節，防止反向轉動時的回差，影響力輸出效果。

肩關節機械臂（J）部分包括肩關節支撐部分、肩關節旋轉部分和肩關節連桿部分。

肩關節支撐部分用來實現肩關節旋轉部分的支撐和電機的固定。肩關節支撐板1（8）和肩關節支撐板2（34）通過對稱布置在基座轉盤（15）上的支撐桿安裝孔（15E）安裝固定在基座轉盤（15）上表面。法蘭板1T型座（13）和法蘭板2T型座（14）分別通過安裝孔1（15F）和安裝孔2（15D）前后布置安裝固定在基座轉盤（15）上表面。肩關節法蘭板1（5）和肩關節法蘭板2（12）分別固定在對應T型座的凹槽內，考慮到肩關節法蘭板2的高度，法蘭板2T型座（14）的凹槽部分設計為法蘭板1T型座（13）凹槽部分的兩部。

肩關節旋轉部分主要包括2個旋轉電機、2個肩關節轉盤和肩關節旋轉軸（51）及其軸上安裝輔助旋轉部分。

2個旋轉電機為肩關節電機1（33）和肩關節電機2（35）。2個旋轉電機分別固定在肩關節法蘭板1（5）和肩關節法蘭板2（12）上的法蘭部分。安裝后的2個旋轉電機是上下交錯的布置在法蘭板的一端。傳動小輪2（6）和傳動小輪3（9）與對應電機輸出軸的固定方式與傳動小輪1（17）相同。

2個肩關節轉盤為肩關節轉盤1（11）和肩關節轉盤2（10）。兩個肩關節軸承對稱布置在肩關節旋轉軸（51）上，通過肩關節軸承組（48）實現轉盤與旋轉軸的連接。兩套肩關節軸承組（48）的一端外圈端面通過肩關節轉盤中心孔的臺階進行固定，內圈端面通過肩關節旋轉軸（51）上的加工的階梯進行固定。另一端外圈端面通過肩關節轉盤端封蓋（62）固定，內圈端面則通過對稱布置在肩關節旋轉軸（51）上的肩關節套筒1（49）和肩關節套筒2（63）進行固定。

肩關節旋轉軸（51）通過肩關節支撐板1（8）和肩關節支撐板2（34）上方安裝孔進行定位安裝，并通過固定螺母（50）進行鎖緊固定。

肩關節連桿部分主要肩關節平行四桿機構和桿件之間旋轉部分。肩關節機械臂采用了平行四邊形機構。平行四桿桿1（4）的一端通過桿1安裝孔（11A）固定在肩關節轉盤1（11）上。平行四桿2（7）通過桿2安裝孔（10A）固定在肩關節轉盤2（10）上。平行四桿2（7）下端U型部分與平行四桿3（3）的一端連接，兩者之間的旋轉通過安裝在兩者之間的旋轉軸承來實現。平行四桿旋轉軸（53）兩端通過對稱布置在U型部分兩端的滾子軸承支撐，滾子軸承內端通過平行四桿2（7）和平行四桿旋轉軸（53）的臺階進行固定，外端均通過平行四桿端封蓋（54）進行固定。為保證桿與桿之間旋轉的穩定性（防止旋轉時在軸向的滑動）和控制精度，在平行四桿3（3）和平行四桿2（7）連接部分安裝有定距環。并且平行四桿1（4）與平行四桿4（1）、平行四桿3（3）與平行四桿4（1）中間部分的連接均采用與平行四桿2（7）與平行四桿3（3）之間的連接方式。

肘關節機械臂（Z）部分包括肘關節主桿（29）、肘關節旋轉部分和小臂固定部分。

肘關節主桿（29）的一端通過肘關節旋轉部分連接到平行四桿4（1）的延長端。

肘關節旋轉部分主要包括肘關節旋轉軸（70）、肘關節轉盤（24）、端封蓋和軸承等。肘關節旋轉軸（70）通過兩端布置的滾子軸承實現肘關節主桿（29）與平行四桿4（1）的連接。兩端軸承的固定方式也采用與前面所述的桿與桿之間滾子軸承相同的固定方式。兩者之間也采用固定環（52）來保證穩定轉動。肘關節轉盤（24）通過其圓臺部分上周向布置的螺釘與平心四桿4（1）實現固接。肘關節電機（25）固定在肘關節主桿（29）下方的法蘭上。傳動小輪4（47）通過周向布置的4個緊定螺釘固定在肘關節電機（25）輸出軸上。

小臂固定部分主要包括2個U型板、1個水平固定板和2個豎直固定板。豎直固定板1（31）和豎直固定板2（27）前后固定在肘關節主桿（19）上，U型板1（30）和U形板2（26）分別固定在豎直固定板上。水平固定板（28）與前后兩個豎直固定板連接，保證小臂固定部分的穩定。

偏置球形腕部握持機構（W）主要包括腕部關節1部分、腕部關節2部分和握持部分。

腕部關節1部分主要包括腕部關節電機1（78）、腕部關節板1（32）以及傳動部分。

腕部關節板1（32）和腕部關節板2（41）成F形。關節軸支撐1（46）固定在肘關節主桿（29）前端的L形端。腕部關節旋轉軸（74）通過對稱布置的腕部滾子軸承1（76）和腕部滾子軸承2（77）連接到關節軸支撐1（46）上。兩個滾子軸承外端外圈端面分別通過腕部關節端封蓋（45）和腕部關節電機法蘭1（73）實現固定，內端上下圈端面通過關節軸支撐1（46）與腕部關節旋轉軸（74）上的臺階固定。腕部關節板1（32）前端的通孔與腕部關節旋轉軸（74）相配合，兩者之間安裝鍵來保證傳動，并且為了防止腕部關節板1（32）在腕部關節旋轉軸（74）上軸向的滑動，用止動螺釘（72）在腕部關節板1（32）前端的螺紋孔與腕部關節旋轉軸（74）上的螺紋孔之間進行連接。腕部關節電機1（78）安裝在腕部關節板1（32）中間的法蘭部分，其輸出軸伸入到腕部關節電機法蘭1（73）的安裝孔內，用圓周布置的緊定螺釘實現輸出軸與法蘭的固定。

腕部關節2部分中，關節軸支撐2（44）固定在腕部關節板1（32）F形的背部。其他部分，包括腕部關節電機2（42）、腕部關節電機法蘭2（43）等固定方式與腕部關節1部分的固定方式相同。

握持部分主要包括握持固定桿、握持旋轉部分和六維力傳感器（36）等

握持固定桿1（37）和握持固定桿2（40）固定在腕部關節板2（41）F形的背部。兩個固定桿均成類Z字型。握持旋轉部分固定在兩固定桿之間。腕部關節電機3（64）固定在握持固定套筒1（65）上端面，電機輸出軸伸入到握持固定桿1（37）下方的圓孔內，也通過緊定螺釘周向固定。握持固定套筒2（66）與握持固定套筒1（65）連接固定，形成握持桿，下端安裝有階梯圓環軸，用于與握持部分滾子軸承（67）連接，實現握持桿的旋轉，軸承另一端通過握持部分端封蓋（68）實現固定。并且在握持部分端封蓋（68）也開有圓孔，便于腕部關節電機3（64）的電機控制線從握持桿內部引出。考慮到人手操作的舒適性，在握持固定干1（37）和握持固定桿2（40）外部分別安裝有軟套筒1（38）和軟套筒2（39）。

六維力傳感器（36）安裝在握持固定桿1（37）的上端面，用于檢測握持桿部分操作人員輸入的操作力。