[發明專利]一種三維平動力反饋設備

有效

• 申請號: 201610235880.X
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105710865B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 劉冠陽;陳偉;張玉茹;陳逸農;劉沅起
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/10;B25J9/16
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種三維平動力反饋設備，其特征在于：該三維平動力反饋設備包括機械系統和控制系統兩大部分，控制系統控制機械系統各個構件的運動；

所述的機械系統由機械本體(1)和外殼及限位裝置(2)組成；該力反饋設備的機械本體(1)安裝于外殼及限位裝置(2)內部，通過底座(301)上的安裝孔固連，外殼及限位裝置(2)實現對機械本體(1)的保護和限位作用；

所述力反饋設備的機械本體(1)包含以下幾個組件：基座組件(3)、繩傳動組件(4)、連桿組件(5)和動平臺操縱桿組件(6)；它們相互之間的連接關系是：該基座組件(3)通過螺紋連接安裝于外殼及限位裝置(2)上，繩傳動組件(4)安裝于基座組件(3)的支撐架(303)上，連桿組件(5)與繩傳動組件(4)通過主動桿(413)相連，三條支鏈的連桿組件(5)均與動平臺操縱桿組件(6)相連，形成并聯機構構型；

所述基座組件(3)包含一個底座(301)和三個支撐架(303)；它們之間的連接關系是：三個支撐架(303)分別通過止口配合和三個定位銷(302)精確定位于底座(301)上，該底座(301)與動平臺操縱桿組件(6)固連；三個支撐架(303)相對于底座(301)的中心圓孔呈120°對稱分布，定位精度通過定位銷(302)保證；底座(301)為一個六邊形的基座平臺，底座(301)上有安裝孔和定位孔，支撐架(303)用來安裝直流電機(412)和繩傳動組件(4)，起到支撐作用，是主要的承力結構，因此加工有直流電機(412)的安裝孔和安裝大繩輪(403)的軸承孔以及為軸承端蓋(410)的安裝孔；

所述繩傳動組件(4)由小繩輪(401)、鋼絲繩(402)、大繩輪(403)、主動桿(413)、預緊螺紋軸(404)、碟簧(406)和預緊螺母(405)構成；該繩傳動組件(4)是機械系統中很重要的一個部分，傳遞直流電機(412)輸出的動力和運動的關鍵組件；它們之間的連接關系是：該大繩輪(403)與小繩輪(401)通過鋼絲繩(402)連接，該主動桿(413)、預緊螺紋軸(404)、碟簧(406)和預緊螺母(405)均安裝于大繩輪(403)上；該小繩輪(401)上有兩個頂絲孔(417)、兩個穿繩孔(416)和若干圈繩槽(418)，該小繩輪(401)固連到直流電機(412)輸出軸上；該小繩輪(401)的繩槽(418)呈半圓形，繩槽(418)呈螺旋狀分布，一條鋼絲繩(402)的兩端從兩個穿繩孔(416)穿出并在繩槽(418)內雙向纏繞后交叉，再纏繞到大繩輪(403)上，形成“8”字纏繞的形式；該大繩輪(403)與其轉軸采用一體化結構，只有一個較寬的凹槽結構，能布下兩根鋼絲繩(402)且互不干涉，該大繩輪(403)的軸從它的中心伸出；該鋼絲繩(402)是選購的成品，柔順，它的兩端則帶著初始預緊力分別被系在兩個預緊螺紋軸(404)軸端上，與兩個螺紋軸(404)固連在一起；安裝的初始預緊力往往達不到精密傳動的要求，還需要調節預緊螺母(405)壓縮多組碟簧(406)產生所需的預緊力；

所述繩傳動組件(4)安裝于支撐架(303)上，通過合理的軸系結構實現支撐和連接；該支撐架(303)軸承孔內安裝兩個一號深溝球軸承(407)，大繩輪(403)的軸與一號深溝球軸承(407)的內圈配合，一號深溝球軸承(407)的內圈軸向一端采用軸肩結構定位，另一端采用軸向間隙調節螺母(408)固定；一號深溝球軸承(407)的外圈定位一端靠支撐架(303)上的凸臺定位，另一端采用軸承端蓋(410)實現定位；軸承端蓋(410)安裝于支撐架(303)上，并預留有安裝軸端編碼器(409)的機械接口，軸端編碼器(409)與大繩輪(403)的軸端相連，能直接測得大繩輪(403)的轉角信息；直流電機(412)則直接安裝于支撐架(303)上，直流電機(412)尾部安裝電機端編碼器(411)；該直流電機(412)為24V直流有刷電機，電機端編碼器(411)采用的是旋轉式角位移傳感器；主動桿(413)與大繩輪(403)通過止口配合和定位銷(414)實現間距的精確定位，再通過壓緊螺釘(415)將兩者固連，形成剛性結構，繩傳動組件(4)通過主動桿(413)與連桿組件(5)相連，傳遞動力和運動；

所述連桿組件(5)是該設備采用的delta機構的各個支鏈的重要部分，它由主從連接桿(501)、彈簧(503)、彈性卡圈(504)、銷軸(505)、從動桿(508)、二號深溝球軸承(502)、三號深溝球軸承(506)和壓緊螺母(507)組成；它們相互之間的連接關系是：主從連接桿(501)和從動桿(508)均為連桿，兩根主從連接桿(501)與兩根從動桿(508)分別首尾通過轉動副相連形成平行四邊形的連桿組件(5)，四個轉動副的結構完全相同，由銷軸(505)、兩個三號深溝球軸承(506)和壓緊螺母(507)連接而成，軸向定位依靠壓緊螺母(507)；該從動桿(508)中間部分為方形，而主從連接桿(501)中間部分為圓形，圓形表面跟二號深溝球軸承(502)配合，形成轉動副，這種轉動副在連桿組件(5)中也有兩處，一處是連接繩傳動組件(4)與連桿組件(5)，另一處是連接連桿組件(5)與動平臺操縱桿組件(6)；這個轉動副的軸向定位依靠彈性卡圈(504)卡住，抵擋住彈簧(503)，另一端為軸肩結構，從而通過彈簧(503)的壓縮產生足夠的軸向壓緊力，實現二號深溝球軸承(502)的軸向定位；

所述動平臺操縱桿組件(6)與連桿組件(5)通過轉動副連接，屬于運動和力傳遞的末端，動平臺操縱桿組件(6)是由動平臺(601)、壓緊片(602)和操縱桿(603)組成；它們相互之間的連接關系是：動平臺(601)是一個三瓣型對稱的零件，伸出的三瓣與三條支鏈的連桿組件(5)相連，其中心預留有半圓形的立槽結構，該操縱桿(603)為圓形碳纖維桿，將操縱桿(603)置于槽中，壓緊片(602)是與半圓形立槽結構配合形成整圓的壓緊零件，通過螺紋連接擰緊壓緊片(602)從而抱死操縱桿(603)，實現操縱桿(603)與動平臺(601)的固定連接；

所述外殼及限位裝置(2)由外殼(201)、限位框(202)、限位桿(203)組成；它們相互之間的關系是：外殼(201)是由六塊平板用螺紋連接成為的一個長方體外殼，外殼及限位裝置(2)上預留有控制系統的接口和操縱桿(603)的窗口，限位框(202)安裝于外殼(201)的頂部，該限位框(202)為正方體框架，限位桿(203)與操縱桿(603)固連，限位桿(203)被限位框限制在正方形的區域內三維移動，從而實現對該設備正方體工作空間的限制；

所述的控制系統是由上位機(PC)、控制卡、驅動器三個部分組成；它們相互之間的關系是：該上位機與控制卡相連，控制卡再與驅動器相連，驅動器則產生驅動電流，驅動直流電機(412)工作；

所述控制系統中的上位機(PC)是一個用來讀取傳感器信息和完成運動和力計算的設備，實現計算出直流電機(412)的輸出力矩，各路信號的匯總，以及圖形界面的交互；該控制卡是一個普通的控制板，它的作用是分別與上位機和手柄進行數據的通訊，直接讀取設備上的反饋的數據、給出直流電機(412)的驅動信號、完成與上位機(PC)的數據交換；該控制卡包括STM32嵌入式微處理器、DAC數模轉換模塊、I/O接口、以太網通訊模塊；該控制卡與上位機通過以太網進行通訊；該驅動器是選用現有的成品，它的的作用是對直流電機(412)進行轉矩控制；該力反饋設備控制系統選用直流有刷電機的伺服驅動器，能與設備所選用的直流電機(412)很好的匹配；通過直流電機(412)輸出軸與小繩輪(401)連接，則實現控制系統與機械本體(1)的連接，向操作端輸出有規律的反饋力。