一種可擴(kuò)展連接的6自由度力反饋機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力反饋裝置，尤其涉及一種可擴(kuò)展連接的6自由度力反饋機(jī)械臂，其能夠與數(shù)據(jù)手套、扳手、螺絲刀等工具擴(kuò)展連接并能用于捕捉手腕運(yùn)動(dòng)。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通常是指通過(guò)立體顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、機(jī)械臂等人機(jī)交互設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接而構(gòu)造出的一種與人體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸/力覺(jué)等感官類(lèi)似的虛擬環(huán)境，在其中用戶(hù)可以通過(guò)各種輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入各種命令，從而計(jì)算機(jī)能向用戶(hù)反饋在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及觸/力覺(jué)等多種感官上的信息，讓用戶(hù)獲得逼真度極高的多種感官上體驗(yàn)的人機(jī)界面技術(shù)，使用戶(hù)有身臨其境的感受。力反饋交互設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中一種重要的硬件設(shè)備，其本質(zhì)是一種全新的輸入輸出設(shè)備，將是當(dāng)今以及未來(lái)的研宄熱點(diǎn)。力反饋設(shè)備與其他感官比如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)的不同之處在于，其他感官的信息只能單向傳遞，而力/觸覺(jué)的感官信息可以在人體與虛擬環(huán)境之間雙向傳遞，力反饋設(shè)備便起著這樣一種傳遞信息的作用。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少高校和研宄所在從事力反饋設(shè)備的研宄開(kāi)發(fā)工作，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)Sensable公司的PHANTOM系列力反饋產(chǎn)品，其已公開(kāi)有發(fā)明專(zhuān)利(Pub.N0.:US2008/0291161A1)和已成功申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(PatentNumber:US0077714836B2, Patent Number: US0055625576A)，其設(shè)計(jì)的是一種六自由度力反饋機(jī)械臂，但其工作空間太小，其末端為筆式的操作桿不能再與其他力覺(jué)交互設(shè)備(比如數(shù)據(jù)手套CyberGlove)擴(kuò)展連接，且由于使用材料的特殊性導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)備價(jià)格昂貴；中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01110229208.7，名稱(chēng)為:一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備，該專(zhuān)利使用平衡機(jī)構(gòu)自主調(diào)節(jié)設(shè)備的自重平衡，但其同樣不具備與其他力覺(jué)設(shè)備以及機(jī)械領(lǐng)域的操作工具擴(kuò)展連接的設(shè)計(jì)；中國(guó)專(zhuān)利號(hào)申請(qǐng)?zhí)?01110122863.2，名稱(chēng)為:一種6自由度力反饋虛擬手術(shù)器械，該專(zhuān)利末端設(shè)計(jì)為用于虛擬手術(shù)的手術(shù)鉗，使用功能單一，且沒(méi)有進(jìn)行重力平衡設(shè)計(jì)，機(jī)械臂各連桿為單一連桿，從而導(dǎo)致設(shè)備整體剛度比較差；中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00810037094.4，名稱(chēng)為:五自由度力反饋虛擬手術(shù)器械，該專(zhuān)利具有5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及力反饋，且具有直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度，但其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及設(shè)備阻抗較大，嚴(yán)重影響了設(shè)備的精確性定位和實(shí)時(shí)性交互。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、運(yùn)動(dòng)范圍大、反饋力大、剛度較高、通過(guò)配重塊與電機(jī)配合平衡設(shè)備自重，且能與力反饋數(shù)據(jù)手套、扳手、螺絲刀等機(jī)械領(lǐng)域操作工具擴(kuò)展連接且能捕捉手腕運(yùn)動(dòng)空間姿態(tài)，實(shí)時(shí)地與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行力覺(jué)交互的6自由度力反饋機(jī)械臂。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種可擴(kuò)展連接的6自由度力反饋機(jī)械臂，包括底座機(jī)構(gòu)、設(shè)置在底座機(jī)構(gòu)上的平行四連桿機(jī)構(gòu)、設(shè)置于平行四連桿機(jī)構(gòu)末端的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，所述底座機(jī)構(gòu)包括四角設(shè)有支撐腳的底座支撐平臺(tái)、水平轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在底座支撐平臺(tái)上的減速?gòu)膭?dòng)輪，所述底座支撐平臺(tái)上通過(guò)第一支撐架設(shè)置有第一驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，所述第一驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件輸出軸前端連接有通過(guò)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)減速?gòu)膭?dòng)輪的第一主動(dòng)輪，第一主動(dòng)輪通過(guò)傳動(dòng)鋼絲繩與第一減速?gòu)膭?dòng)輪連接，該減速裝置減速比為:，后端設(shè)置有第一傳感檢測(cè)元件，所述減速?gòu)膭?dòng)輪上端面設(shè)置有通過(guò)第二支撐架固定的第二驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，以及通過(guò)第三支撐架固定的第三驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，所述第二驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的輸出軸前端連接有纏繞鋼絲繩的第二主動(dòng)輪，后端設(shè)置有第二傳感檢測(cè)元件，所述第三驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的輸出軸前端連接有纏繞鋼絲繩的第三主動(dòng)輪，后端設(shè)置有第三傳感檢測(cè)元件；
所述平行四連桿機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于減速?gòu)膭?dòng)輪上端面的肩部機(jī)構(gòu)、與所述肩部機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連接的桿件機(jī)構(gòu)，
所述肩部機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在減速?gòu)膭?dòng)輪上端面的兩個(gè)第四支撐架，水平設(shè)置在兩個(gè)第四支撐架之間的回轉(zhuǎn)軸，所述回轉(zhuǎn)軸上通過(guò)軸承依次轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置有通過(guò)鋼絲繩連接第二主動(dòng)輪的第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪、中間旋轉(zhuǎn)塊、通過(guò)鋼絲繩連接第三主動(dòng)輪的第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪，第二主動(dòng)輪和第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪、第三主動(dòng)輪和第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪的傳動(dòng)比均為:，所述中間旋轉(zhuǎn)塊與第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪之間固定連接有中間連接塊，所述第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪的輪輞內(nèi)側(cè)設(shè)置有兩個(gè)配重塊，這兩個(gè)配重塊可以平衡掉兩根第一連桿與第三連桿的大部分自重，其余的小部分通電機(jī)調(diào)節(jié)來(lái)平衡；所述第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪的輪輞內(nèi)側(cè)設(shè)置有一個(gè)配重塊，這個(gè)配重塊可以平衡掉兩根第二連桿與第三連桿的大部分自重，其余的小部分能過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)來(lái)平衡，最終通過(guò)配重塊與電機(jī)的配合，以達(dá)到平衡機(jī)械臂自重，使操作更加精確，更加真實(shí)的目的；
所述的桿件機(jī)構(gòu)包括第一桿件、第二桿件、第三桿件，所述第一桿件和第二桿件相互平行，所述第一桿件的一端連接中間旋轉(zhuǎn)塊，另一端與第三桿件活動(dòng)鉸接，所述第二桿件一端通過(guò)連接銷(xiāo)與第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪活動(dòng)鉸接，另一端與第三桿件活動(dòng)鉸接；
所述末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)包括用于連接第三桿件末端的固定塊、開(kāi)口朝下的方槽形固定件、繞空間Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接于固定件中部與固定塊之間的第四傳感檢測(cè)元件、繞空間Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于固定件兩側(cè)壁之間的中間旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述固定件一側(cè)設(shè)置有檢測(cè)中間旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的第五傳感檢測(cè)元件，所述中間旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括環(huán)狀部件、繞空間X軸轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于環(huán)狀部件內(nèi)孔的手腕支撐架，所述環(huán)狀部件上設(shè)置有連接第四主動(dòng)輪的第六傳感檢測(cè)元件，所述第四主動(dòng)輪通過(guò)鋼絲繩與手腕支撐架相連接，各個(gè)傳動(dòng)減速系統(tǒng)通過(guò)傳動(dòng)鋼絲繩連接三個(gè)主動(dòng)輪與三個(gè)減速?gòu)膭?dòng)輪，傳動(dòng)鋼絲繩在主動(dòng)輪的螺旋槽上纏繞數(shù)圈后繞到減速?gòu)膭?dòng)輪線(xiàn)槽上并在減速?gòu)膭?dòng)輪上固定，傳動(dòng)鋼絲繩為具有高強(qiáng)度和高抗疲勞性的*鋼絲繩；末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)具有三個(gè)自由度，且可與其他力反饋設(shè)備及操作工具擴(kuò)展連接，使力反饋機(jī)械臂可以與力反饋數(shù)據(jù)手套比如CyberGlove以及扳手、螺絲刀等操作工具擴(kuò)展連接，用于虛擬環(huán)境中的虛擬物體的抓取以及虛擬操作，進(jìn)一步擴(kuò)大使用范圍。
[0006]進(jìn)一步地，所述減速?gòu)膭?dòng)輪的中部通過(guò)螺釘連接有軸向定位柱，所述軸向定位柱上設(shè)置有連接減速?gòu)膭?dòng)輪和底座支撐平臺(tái)的雙向推力球軸承和深溝球軸承，以減少阻力，提高靈活性，所述減速?gòu)膭?dòng)輪邊緣對(duì)稱(chēng)設(shè)置有兩個(gè)繞線(xiàn)柱和兩個(gè)傳動(dòng)線(xiàn)固定柱，從而是傳動(dòng)鋼絲繩能夠穩(wěn)定可靠的纏繞于減速?gòu)膭?dòng)輪上。
[0007]進(jìn)一步地，所述減速?gòu)膭?dòng)輪的底面輪輻上設(shè)置有第一限位塊，所述底座支撐平臺(tái)上沿圓形軌跡以10度的夾角間隔設(shè)置有限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔，限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔內(nèi)設(shè)置有與所述第一限位塊配合的第一限位柱。
[0008]進(jìn)一步地，所述第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪與第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪輪輻上沿弧形軌跡按10度的等角度間隔加工有若干用于安裝第二限位柱的限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔，中間旋轉(zhuǎn)塊上也按10度的等角度間隔加工有若干用于安裝第二限位柱的限位柱調(diào)節(jié)螺紋孔，在第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪上安裝有與中間旋轉(zhuǎn)塊上的第二限位柱配合的限位塊，用以調(diào)節(jié)第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪和第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪相互之間的運(yùn)動(dòng)范圍，兩個(gè)第四支撐架的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有與第二限位柱配合的限位塊，所述第一扇形減速?gòu)膭?dòng)輪與第二扇形減速?gòu)膭?dòng)輪輪輻上還設(shè)置有用于安裝繞線(xiàn)柱的繞線(xiàn)柱螺紋孔和用于固定鋼絲繩的傳動(dòng)線(xiàn)固定柱螺紋孔。
[0009]進(jìn)一步地，所述第一桿件、第二桿件均由兩根平行設(shè)置的子桿件及橫穿連接于所述子桿件之間的桿固定件組成，所述連接銷(xiāo)與第二桿件之間設(shè)置有深溝軸承，所述第二桿件與第一桿件通過(guò)設(shè)置有深溝軸承的桿連接回轉(zhuǎn)軸與第三桿件活動(dòng)鉸接，第一桿件與第二桿件均是包括相同的兩個(gè)子桿件左右安裝，把第三桿件緊緊地夾在中間，使機(jī)械臂的剛度更高，穩(wěn)定性更好。
[0010]進(jìn)一步地，所述固定塊包括夾持連接第三桿件末端的第一固定塊和第二固定塊，所述固定件包括對(duì)稱(chēng)地楔合連接的L形第一固定件和L形第二固定件、通過(guò)螺釘連接于L形第一固定件和L形第二固定件的連接板，所述第五傳感檢測(cè)元件的轉(zhuǎn)軸通過(guò)銷(xiāo)釘連接第二固定塊，所述第二固定件的豎直邊設(shè)置有連接中間旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)軸承，所述第五傳感檢測(cè)元件的殼體設(shè)置于第一固定件的豎直邊，其轉(zhuǎn)軸與中間旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的相連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、穩(wěn)定耐用。
[0011]進(jìn)一步地，所述環(huán)狀部件包括通過(guò)兩平行設(shè)置的第一圓環(huán)、第二圓環(huán)以及連接與兩者之間的支撐柱，第一圓環(huán)、第二圓環(huán)之間相隔度角固定設(shè)置有用于連接滾動(dòng)軸承的連接轉(zhuǎn)軸和用于連接第五傳感檢測(cè)元件轉(zhuǎn)軸的連接軸套，所述連接轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有同步轉(zhuǎn)動(dòng)的限位銷(xiāo)，所述第二固定件的豎直邊內(nèi)側(cè)設(shè)置有與所述限位