[發明專利]一種具有機械臂的力覺操作器

有效

• 申請號: 201510024433.5
• 申請日: 2015-01-16
• 公開（公告）號: CN104669299A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 王巍;李雪鵬;葉婷;雷朝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J18/00
• 分類號: B25J18/00;B25J19/02;B25J19/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明涉及一種力學操作器，具體來說，是一種多自由度的、帶有力反饋能力的握持式機械臂通用力覺操作器。

背景技術

隨著通信技術、計算機技術以及大規模集成電子技術在上世紀的70年代后期的充分發展，使得遙操作技術的需求得到了增強，主從設備的發展也漸漸的成為熱門方向，隨著虛擬現實技術的快速的崛起，主從式遙操作也發生了一些實質性的變化。今天，遙操作技術和虛擬交互技術已經相互融合，而且迅速的發展。而本設備的發明也正是依托了主從式遙操作技術和虛擬交互技術發展的成果。

一般的力覺操作器按照結構形式的特點可劃分：①基于串聯連桿的力覺操作器；②基于并聯連桿的力覺操作器；③基于直線運動副的力覺操作器；④基于外骨骼式的力覺操作器；⑤基于線牽引式的力覺操作器。

但是，一般的遙操作設備和力覺交互操作器的控制對象多是一些較少自由度、小慣量的實物設備或者是虛擬環境中的虛擬物體，這些被控對象本身可以反饋位置、速度或者力的信息給操作器，實現精確的力覺臨場感和力反饋精度。這也導致了這些力覺交互操作器的工作空間小、力反饋能力有限，不利于握持的缺點。而如果要控制的設備都是具有大質量、大慣量、大剛度和低速低頻的機械臂或起重機。而且這些大型設備上往往也沒法安裝能夠反饋自身狀態的傳感器。因此，一般的操作器設備很難應用于該領域。本設備發明正是為了彌補傳統的力覺操作設備在這些方面的不足。由于控制對象的不同，所以此設備在設計過程中所關注的各種性能指標，也異于其他的設備。尤其是在工作空間、反饋力大小、握持方式以及通用性等方面，傳統的力覺操作器多沒法滿足要求，同時，關注指標的不同也導致了結構形式的差異。

發明內容

本發明的目的是設計一種多自由度的，帶有力反饋能力的機械臂通用力覺操作器，是一種基于串聯連桿結構的，采用手掌握持方式操作的，具有大工作空間，具有大反饋力的多自由度通用型的力覺操作器，主要運用在大型機械臂操作、大型多自由起重機操作以及虛擬環境交互仿真等領域。

本發明具有機械臂的力覺操作器，包含六個轉動關節，因此它具有六個自由度。采用類似工業機械臂的串聯連桿方式布置，第一關節在最底部，第六關節在最末端。第二、三關節處采用了平行連桿機構的布置方式，將第三關節電機放置于轉盤上，但角度傳感器任放置在關節軸線上，在保證了位置精度和結構剛度的同時，也減小了結構的轉動慣量。下面三個關節中，采用帶有張緊裝置的繩傳動機構，保證無間隙的情況下，提供了大的力反饋能力；上面的三個關節采用直接傳動驅動。從第一關節到第五關節的關節軸處都是采用的U型撥叉的連接方式，保證了結構強度和精度。

本發明中最遠端的第六關節控制著末端姿態中的偏航自由度，它由操作手柄、力矩電機以及角度傳感器構成，電機與角度傳感器在轉軸方向上順序連接，傳動方式為直接驅動；與第六關節連接的是第五關節。

第五關節的主體是一個U型撥叉，撥叉的兩端分別固定驅動電機和角度傳感器；第五關節的軸通過螺釘與第六關節的主體部分連接。第六關節相對與第五關節的位置可調節；第五關節采用直接驅動的方式，電機與角度傳感器分別布置于轉軸的兩端；第五關節控制著末端姿態的俯仰自由度。

第四關節控制著末端姿態的翻滾自由度，通過連桿與第五關節的撥叉連接，第四關節上力矩電機與角度傳感器在轉軸方向上順序連接，傳動方式為直接驅動。

第三關節與第二關節分別控制著末端的兩個位置自由度；第三關節與第二關節分布于平行連桿結構的兩個轉軸上，第三關節處于上方位置，與第四關節靠近，第二關節在下方位置；第三關節的角度傳感器固定在關節軸向上，但是，驅動電機放置于下方的轉盤上，電機的驅動力通過繩傳動機構和平行連桿結構傳遞到第三關節上；第二關節的角度傳感器也固定于此關節的軸線上，固定在轉盤上控制電機也采用繩傳動機構，將驅動力傳遞到第二關節的軸線上。

第一關節位于最下面的底板上，它控制著末端位置的一個自由度；第一關節的關節軸與安裝第二關節、第三關節電機的轉盤固定連接。此關節轉動時，將帶動整個轉盤以及轉盤上各部分一起轉動。第一關節采用繩傳動結構，電機固定在底座上，底座是整個設備的支撐。角度傳感器于關節軸的軸線上固定；第一關節與底座緊密的聯系在一起。在底座上固定有第一關節的主體部分、手柄回零結構、電氣連接件以及控制電路。

本發明的優點在于：

1、本發明力覺操作器采用六自由度的串聯結構，使得具有了全空間的位置姿態的感知能力，同時在每個關節上都安裝了電機，實現了全空間位置姿態的力覺反饋能力；