CN102320040B - 一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自主调节自重平衡的力反馈交互装置，它由底座机构、肩部机构、大臂机构、小臂机构、腕部机构、末端执行器机构、自主调节平衡机构、四个直流电机四个光电编码器、三个高精度角度电位计等构成。本发明使用直流电机与线传动减速机构相配合提供三个自由度力反馈，通过三个光电编码器和三个角度电位计检测它的六个运动自由度。自主调节平衡机构采用一个直流电机通过减速装置驱动和控制平衡滑块自动、实时的对该设备的手臂机构进行自重进行补偿，有效降低人手疲劳。本机构设计紧凑、工作空间范围大、刚度高，反馈力的范围大。
Description
技术领域
本发明设计了一种具有自主调节机构自重的力反馈交互设备，该设备提供六个运动自由度和三自由度力反馈，能够用于虚拟环境或是主从远程遥操作环境中实现力反馈交互，准确模拟交互过程中的力/触觉大小和方向。
背景技术
将决策、判断等人类的智能因素引入到机器人***当中设计出全自主智能机器是相关科研技术人员的奋斗目标。遗憾的是，由于人工智能、传感技术、计算机技术、机械设计制造以及控制理论等技术的限制，全自主智能机器人在可预见的时期内是难以实现的。为了提高机器人***的决策判断能力，人类可以通过人机交互的方式，依靠人的介入对操作环境进行智能决策，通过人操纵机器手间接完成一些人类不能直接完成的任务。基于此类技术背景，力反馈交互设备是当前乃至今后一段时期内的研究重点和热点。力反馈交互设备与其他视觉/听觉(单向信息传递通道，仅能感知外界环境信息)设备有着明显区别：力反馈交互设备具有双向通道，不但能通过力反馈交互设备感知外界环境或者虚拟环境的信息，而且可以通过人的介入改变或者操纵外界真实/虚拟环境。
力反馈交互设备按照安装固定位置分为：桌面力反馈设备；便携式力反馈设备；悬线型力反馈设备。按机构构型分为：串联机构力反馈设备；并联机构力反馈设备；混联机构力反馈设备。也可以按照传动机构分类等等。这些设备应用在不同的力反馈交互场景中，各有优缺点。
目前，世界上已经有许多的较为成功的力反馈设备，例如：美国Sensable公司的PHANToM系列力反馈设备，加拿大Quansar公司的力反馈设备，法国Haption的Virtuose系列力反馈设备，瑞士ForceDimension的Omega系列力反馈设备。其中最为成功的是美国Sensable公司的PHANToM系列力反馈设备，例如：该公司的已公开发明专利(Pub.No.:US2008/0291161A1)和已成功申请的发明专利(Patent Number:US007714836B2,PatentNumber:US005625576A)等等。然而，上述这些已公开发明或者是已申请的发明专利都存在很多缺陷：没有进行完全的重力补偿，重力补偿在力反馈设备中是必不可缺，如果力反馈设备机械手臂不进行自身重力补偿，当在虚拟环境或者远程遥操作环境进行力反馈交互时，人手不仅仅能够感受到的反馈力，而且还感受到了力反馈设备机械臂的自身重力。由于重力和反馈力共同作用在人手，人手感觉到的共同作用力必然不是真实的反馈力；本身存在***刚度差；提供的反馈力有限；使用的材料较为特殊导致设备昂贵。上述的一系列缺陷又导致了另外一些缺陷：应用场合或环境受限，设备的通用性差，设备出现故障不方便拆卸、维修和更换零件。除此之外，上述设备还存在技术垄断方面的问题。
针对上述一系列存在的缺陷和问题，提出了一种自主调节重力补偿的方法，基于该方法，设计了一种具有自主调节自重平衡的力反馈交互设备。该力反馈设备能够自动、实时的进行重力补偿能够极大提高力反馈感觉逼真性，并且进行自主调节自重平衡时是将重力尽可能地平衡在力反馈设备的基座上；避免或者减少了直流电机用于重力补偿所需的力，从而使直流电机能够输出更大的反馈力，大大提高了设备的反馈力调节性能，提高了***的刚度；相比较重力配重块的补偿技术，采用自主调节平衡机构的重力补偿，能够极大的减小***的惯量和摩擦，同时还能够减小配重块的加入对整个***工作空间和机械手臂灵活性的影响同时也使机构设计更加简洁。此外，本发明也改进了设计的材料，选择了市场上较为通用的设计材料，减少了环境的限制和扩大了力反馈设备的使用场合，增强了力反馈设备的通用性。同时，开发一种具有自主知识产权的自主调节自重平衡的力反馈交互设备对于打破国外技术垄断，对于推动和促进力反馈技术相关领域的科技发展和技术进步也具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术缺陷，提供一种能够自动、实时对机构手臂进行重力补偿，并可在虚拟现实领域或是远程遥操作领域中使用的一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备。
本发明所采用的技术方案是：
本发明与已公开的发明专利(Pub.No.:US2008/0291161A1)和已成功申请的发明专利(Patent Number:US007714836B2)相似之处是：采用最为常用的串联连杆机构；使用直流电机与线传动减速机构相配合提供三个自由度力反馈，通过三个光电编码器和三个角度电位计检测力反馈设备的六个运动自由度。
本发明与上述现有技术不同之处是：基于现有的已公开的发明专利(Pub.No.:US2008/0291161A1)和已成功申请的发明专利(Patent Number:US007714836B2)的力反馈交互设备，增加了一种自主调节平衡的机构，该自主调节平衡机构依靠一个直流电机通过减速机构实时调节和控制一个平衡滑块在平衡杆的位置，实现对力反馈交互设备的机构手臂的自重平衡调节，从而实现该设备实时的重力补偿。通过该自主调节自重平衡的机构对力反馈设备进行自动、实时的重力补偿能够极大提高力反馈感觉逼真，并且进行自主调节自重平衡时是将重力尽可能的平衡在力反馈设备的基座上，避免或者减少了直流电机用于重力补偿的所需产生的力，从而使直流电机能够输出更大的反馈力，大大提高了设备的反馈力调节性能，提高了***的刚性；相比较重力配重块的重力补偿技术，采用自主调节平衡机构进行重力补偿，能够极大的减小了***的惯量和摩擦，同时还能够减小配重块的加入对整个***工作空间和机械手臂灵活性的影响同时也使机构设计更加简洁。
本发明与上述现有技术有相似之处，但那些相似只是大体上的相似。现有技术使用的材料较为特殊导致设备昂贵，应用场合或环境受限，设备的通用性差，设备出现故障不方便拆卸、维修和更换零件。因此，为了克服所述缺陷，组成本发明所述设备的底座机构、肩部机构、大臂机构、小臂机构、腕部机构、末端执行器机构、自主调节平衡机构、四个直流电机四个光电编码器、三个高精度角度电位计等各个部分的机构设计，连接安装，都进行了改进和创新。
底座机构是由底座减速机构、底座支撑平台、底座转轴等三部分组成，光电编码器(10-1)安装在直流电机(8-1)后部形成一个整体安装在底座支撑平台上；底座减速机构主动轮嵌套在直流电机(8-1)输出轴上；钢丝绳连接底座减速主动轮和底座减速从动轮构成底座减速装置，该减速装置的减速比是10:1。肩部机构由肩部支撑架、肩部转轴、大臂减速机构、小臂减速机构、自主调节平衡减速机构、安装固定构件六个部分组成。安装固定构件(2-6)将自主调节平衡机构和大臂机构安装固定在固定构件(2-6)上。光电编码器(10-2)、光电编码器(10-3)、光电编码器(10-4)按各自相应顺序分别安装在电机(8-2)、电机(8-3)、电机(8-4)上，形成三个整体然后一起安装在肩部支撑架上，三个减速机构主动轮分别是大臂减速主动轮、小臂减速主动轮和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)分别嵌套在三个电机(8-2)、电机(8-3)和电机(8-4)的输出轴，并通过钢丝绳分别与大臂减速机构从动轮、小臂减速机构从动轮、自主调节平衡减速从动轮分别组成大臂减速机构、小臂减速机构、自主调节平衡机构减速机构。这三个减速机构的减速比也是10:1。大臂机构一端与自主调节平衡机构一端分别安装在固定构件(2-6)上，固定构件(2-6)安装在肩部转轴上。大臂机构和自主调节平衡机构分别位于肩部转轴前后位置，围绕肩部转轴旋转。大臂机构另外一端通过大臂转轴与小臂机构一端相连，小臂机构另一端与腕部机构一端通过转轴相连。末端执行器通过转轴与腕部机构另外一端相连。大臂机构、小臂机构、腕部机构以及末端执行器都有一定的质量，当人手操纵末端执行器进行力反馈交互时，所述的手臂机构四个部分所受重力作用于人手，易导致人手产生疲劳而失去力反馈交互的真实感。为了改善重力影响，引入了自主调节平衡机构。所述自主调节平衡机构依靠安装在肩部支撑架上的电机(8-4)驱动钢丝绳与平衡机构减速装置相配合控制平衡滑块在平衡杆上的位置，利用杠杆原理来改善重力对人手产生的影响。自主调节平衡机构能调节平衡滑块抵消大臂机构的重力影响，也可以改善小臂、腕部和末端执行器的重力影响。自主调节平衡机构利用杠杆原理对大臂机构进行重力平衡调节时，部分作用力通过机构之间的耦合传递给了小臂机构。同样的道理小臂机构也会把作用力传递给腕部机构，腕部机构又将作用力传递给末端执行器，末端执行器又将作用力传递给人手。当大臂机构、小臂机构、腕部机构和末端执行器相互之间所处位置和角度的不同，相互之间的作用力也将发生变化。在进行力反馈交互时，大臂机构、小臂机构、腕部机构和末端执行器之间的力和运动同时存在，相互之间产生的作用力并非是解耦的，而是相互耦合形成了较为复杂的力学关系。当大臂机构、小臂机构、腕部机构和末端执行器所处地相对位置发生变化时，自主调节平衡机构能够调节平衡滑块在平衡机构上的位置来充分抵消和补偿整个力反馈设备机械手臂所受重力。其次，通过引入自主调节平衡机构进行重力补偿，减少了直流电机用于力反馈设备的重力补偿，从而使得直流电机充分用于力反馈设备的力的产生，大大提高了力反馈设备***的连续反馈力和最大反馈力。小臂机构和腕部机构上安装有两个高精度角度电位计。末端执行器机构通过转轴与腕部机构相连接。并且末端执行器机构上也安装有一个高精度角度电位计。
本发明能够提供三自由度力反馈，六个运动自由度并能够自主调节连杆重力平衡的力反馈交互设备。所述三自由度力反馈和六个运动自由度是指：底座机构安装的电机与底座减速机构装置用来产生第一个自由度力反馈和第一个运动自由度，同时与电机相配套的光电编码用来检测第一个运动自由度；肩部机构处安装的电机(8-2)通过钢丝绳与大臂减速装置相配合产生第二个自由度力反馈和第二个运动自由度，其中与电机(8-2)相配套的光电编码器用来检测第二个运动自由度；肩部机构处安装的电机(8-3)通过钢丝绳与小臂减速装置相配合产生第三个自由度力反馈和第三个运动自由度，其中与电机相配套的光电编码器检测第三个运动自由度；小臂机构和腕部机构产生第四个和第五个运动自由度，并且小臂机构和腕部机构上安装有两个高精度角度电位计分别检测第四、五个运动自由度；末端执行器机构提供第六个运动自由度，该处也安装了一个高精度角度电位计检测第六个运动自由度。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比具有以下优点：(1)提出并设计了一种自主调节平衡机构，通过调节平衡杆上平衡滑块的位置对大臂机构、小臂机构、腕部机构和末端执行器所处不同位置时进行重力补偿，通过自主调节平衡机构进行重力补偿时，是将整个力反馈设备所受的重力尽量平衡在底座机构部位。
(2)采用自主调节平衡机构进行重力补偿与完全采用电机进行重力补偿技术相比较，极大减少了电机用于补偿的所需产生的力，从而使电机能够输出更大的反馈力，大大提高了力反馈设备的反馈力和***的刚度。
(3)采用自主调节平衡机构进行重力补偿与完全采用重力配重块的补偿技术相比较，极大的减小了***的惯量和摩擦，同时减小了配重块的加入对整个***工作空间和机械手臂灵活性的影响以及使机构设计更加简洁。
(4)一种自主调节重力平衡的力反馈设备的机械手臂的设计参照人机工程学原理仿照人的手臂进行设计，机构设计简单，操作灵活方便，各项同性好；有六个运动自由度，操作灵活、运动空间大，采用高精度角度电位计和光电编码器检测机构运动的空间位置，运动精度和重复精度高。
(5)一个直流电机和一个减速机构安装在底座；另外三个直流电机和三个减速机构都安装在肩部机构。四个减速机构都采用钢丝绳连接主从传动轮进行减速传动替代传统的齿轮减速***，各减速机构的从动轮上设计了简单且使用的钢丝绳预紧装置，防止钢丝绳打滑，从而消除了传统的齿轮传动***中存在回程间隙的缺陷。肩部的三个减速机构采用三重主轴设计，可以同时使三个减速机构一起工作而互不产生运动干涉。
(6)力反馈设备整体机构设计紧凑，设计时充分考虑了整个***质量的分布和各部分安装对称性；其次，由于引入自主调节平衡机构，使得电机充分用于力反馈的产生而不必用于重力的补偿，这样可以选择力矩更小质量更轻的电机。因此，引入自主平衡的设计也减小了力反馈设备的惯量和摩擦。
附图说明
图1是本发明一种自主调节重力平衡的力反馈交互设备的总体示意图。
图中：1.底座机构 2.肩部机构 3.大臂机构 4.小臂机构
5.腕部机构 6.末端执行器机构 7.自主调节平衡机构；
图2是本发明一种自主调节重力平衡的力反馈交互设备的各个具体组成示意图。
图中：1-1-1.支撑板A 1-1-2.支撑板B 1-1-3.支撑板C 1-1-4.支撑板D 1-2.底座转轴1-3-1减速主动轮 1-3-2.减速从动轮 2-1-1.支撑架底板
2-1-2.左支撑架 2-1-3.右支撑架 2-3-2.减速从动轮 2-4-1.减速主动轮
2-4-2.减速从动轮 2-5-1.减速主动轮 2-5-2.减速从动轮 3-1.大臂杆件
3-2.转轴 3-3.大臂钢丝绳 4-1.小臂杆件 4-2.电位计安装支架
5-1.腕部支架 5-2.腕部转轴 6-1.末端手柄 6-2.电位计固定支架
7-1.平衡杆 7-2.平衡滑块 7-3. 滑轮 7-4.钢丝绳
8-1.直流电机 8-3. 直流电机 8-4.直流电机 9-2.角度电位计
10-1.光电编码器 10-2.光电编码器 10-3.光电编码器 10-4.光电编码器;
图3是图1所示的力反馈交互设备的底座机构(1)的示意图;
图中：1-1-1.支撑板A 1-1-2.支撑板B 1-1-3.支撑板C 1-1-4.支撑板D
1-2.底座转轴 1-3-1减速主动轮 1-3-2.减速从动轮 8-1.直流电机
10-1.光电编码器;
图4是图3所示的底座机构(1)的支撑板A(1-1-1)的结构示意图；
图中：1-1-1.支撑板A A-1.转轴通孔 A-2.转轴通孔 A-3.限位孔A-4.限位孔;
图5是图3所示的底座机构(1)的减速从动轮(1-3-2)的结构示意图；
图中：1-3-2.减速从动轮 1-3-2-1.弧面1 1-3-2-2.弧面孔2 1-3-2-3.卡口螺孔1-3-2-4.卡口螺孔;
图6是图1所示的力反馈交互设备的肩部机构(2)的示意图；
图中：2-1-1.支撑架底板 2-1-2.左支撑架 2-1-3.右支撑架 2-3-1.减速主动轮
2-3-2.减速从动轮 2-4-1.减速主动轮 2-4-2.减速从动轮 2-5-1.减速主动轮
2-5-2.减速从动轮 2-5-3.限位构件 2-6.固定构件 2-7.预紧构件
2-8.限位孔 8-2.直流电机 10-2.光电编码器；
图7是图6所示的肩部机构(2)的肩部转轴(2-2)三套轴的示意图；
图中：2-2.肩部转轴2-1-2.左支撑架 2-1-3.右支撑架 2-1-1.支撑架底板 2-2.肩部转轴2-2-1.第一套轴 2-2-2.第二套轴 2-2-3第三套轴 2-9.限位块；
图8是是图1所示的力反馈交互设备的大臂机构(3)的示意图；
图中：3-1.大臂杆件 3-2.转轴 2-6.固定构件;
图9是图1所示的力反馈交互设备的小臂机构(4)的内部机构示意图；
图中：9-1.角度电位计 4-1.小臂杆件 4-2.电位计安装支架 4-3.电位计支架转轴；
图10是图1所示的力反馈交互设备的小臂机构(4)的外部机构示意图；
图中：4-1.小臂杆件 4-2.电位计安装支架 4-3.电位计支架转轴；
图11是图1所示的力反馈交互设备的小臂机构(4)的角度电位计(9-1)外部示意图；
图中：9-1.角度电位计 9-1-1.固定通孔 9-1-2 中心通孔 9-1-3. 固定通孔；
图12是图1所示的力反馈交互设备的腕部机构(5)的示意图；
图中：5-1.腕部支架 5-2.腕部转轴 5-3.中心通孔 5-4.固定孔 9-2.角度电位计；
图13是图1所示的力反馈交互设备的末端执行器机构(6)外部结构示意图；
图中：6-1.末端手柄 6-2.电位计固定支架 6-3.固定孔；
图14是图1所示的力反馈交互设备的末端执行器机构(6)内部结构示意图；
图中：6-1.末端手柄 6-2.电位计固定支架 6-4.固定孔 6-5.手柄转轴6-6.固定孔 9-3角度电位计 9-3-3固定通孔；
图15是图所示的力反馈交互设备的自主调节平衡机构(7)示意图；
图中：2-2.肩部转轴 2-5-3.限位构件 2-6.固定构件 3-1.大臂杆件 3-2.转轴 3-3.大臂钢丝绳 7-1.平衡杆 7-2.平衡滑块 7-3.滑轮 7-4.钢丝绳。
具体实施方式
结合附图1-15说明如下：本发明是一种具有三个自由度力反馈和六个空间运动自由度的人机交互力反馈设备，为了改善重力影响，引入了自主调节平衡机构(7)。自主调节平衡机构(7)包括：平衡杆(7-1)、平衡滑块(7-2)和滑轮(7-3)和钢丝绳(7-4)四个部分组成。由该力反馈设备通过调节平衡杆(7-1)上的平衡滑块(7-2)对该力反馈设备各手臂连杆重力进行补偿。所述自主调节平衡机构依靠安装在肩部支撑架上的电机(8-4)驱动通过钢丝绳与平衡机构减速装置相配合控制平衡滑块在平衡杆上的位置，利用杠杆原理来改善重力对手臂产生的影响。平衡机构不仅仅能通过调节平衡滑块改善大臂机构的重力影响，也可以改善小臂和腕部以及末端执行器的重力影响。三自由度力反馈(直流电机(8-1)产生左右方向力反馈，直流电机(8-2)产生上下方向力反馈，直流电机(8-4)产生前后方向力反馈)，六个空间运动自由度(仿照人手设计，具有左右运动，上下运动，前后运动以及另外的可以构成三个方向的独立转动)，该力反馈设备通过三个光电编码器和三个高精度电位计精确检测力反馈设备在三维空间中的位置，反馈力的大小依据所选择直流电机的不同能够产生不同大小的力。该发明设备提出了一种新颖的、原创的自主调节自重平衡的方法，利用该方法设计了一种自主调节重力平衡的力反馈交互设备。该设备通过引入自主调节平衡机构进行重力补偿，减少了电机用于补偿的所需产生的力，从而使电机能够输出更大的反馈力，大大提高了力反馈设备的反馈力效果。参照人机工程学原理仿照人的手臂进行设计，机构设计简单，操作灵活方便，各项同性好。有六个运动自由度，操作灵活、运动空间大，采用高精度角度电位计和光电编码器检测机构运动的空间位置，运动精度和重复精度高。另外，整体机构设计紧凑，设计时充分考虑了整个***质量的分布和各部分安装对称性。再次，由于引入自主调节平衡机构，使得电机充分用于力反馈的产生而不必用于重力的补偿，这样可以选择力矩更小质量更轻的电机。因此，引入自主平衡的设计也减小了力反馈设备的惯量和摩擦。该设备能够应用于力反馈触觉交互领域进行虚拟现实人机交互和远程遥操作技术领域，进行人机力反馈交互增强交互过程中的临场感。
如图1、图2、图3和图6所示，该力反馈设备组成部分：由底座机构(1)、肩部机构(2)、大臂机构(3)、小臂机构(4)、腕部机构(5)、末端执行器机构(6)、自主调节平衡机构(7)、四个直流电机（电机(8-1)、电机(8-2)、电机(8-3)和电机(8-4)）、四个光电编码器（光电编码器(10-1)、光电编码器(10-2)、光电编码器(10-3)和光电编码器(10-4)）、三个高精度角度电位计（角度电位计(9-1)、角度电位计(9-2)和角度电位计(9-3)）构成。所述底座机构(1)如图2和图3所示：由底座支撑平台、底座转轴(1-2)、底座减速机构，三个部分组成。所述支撑平台如图2和图3所示，由四块支撑板A(1-1-1)、支撑板B(1-1-2)、支撑板C(1-1-3)和支撑板D(1-1-4)通过预留的螺纹孔用螺丝紧固连接构成支撑平台。底座减速机构由减速主动轮(1-3-1)和减速从动轮(1-3-2)构成。如图3和图4所示，支撑平板A(1-1-1)中心处有一转轴通孔(A-1)，有三个螺孔环绕转轴通孔(A-1)，底座转轴(1-2)穿过转轴通孔(A-1)，通过这三个螺孔紧固在底座支撑平台的支撑平板A上(1-1-1)。如图3、图4和图5所示，底座减速机构减速从动轮(1-3-2)是圆盘状的，在支撑板A(1-1-1)上方与支撑板A(1-1-1)平行，减速从动轮(1-3-2)中心有一通孔与支撑平板(A)转轴通孔(A-1)同心，转轴(1-2)穿越支支撑板A(1-1-1)的转轴通孔(A-1)与减速从动轮(1-3-2)中心处紧固。底座减速从动轮(1-3-2)固定在转轴(1-2)上相对于支撑板A(1-1-1)进行转动。如图4和图5所示，支撑板A(1-1-1)上预留有限位小孔(1-3-2)和限位小孔(A-4)，所述两个限位小孔通过螺钉来与底座减速从动轮(1-3-2)侧面弧面限位孔(1-3-2-1)和侧面弧面限位孔(1-3-2-2)中的螺钉相互作用限制底座减速从动轮(1-3-2)的旋转角度。如图3所示，电机(8-1)的输出轴与底座减速机构(1-3)的主动轮(1-3-1)连接。所述的减速主动轮(1-3-1)是空心圆柱，所述减速主动轮(1-3-1)空心圆柱外侧壁预留螺纹孔，所述减速主动轮(1-3-1)空心圆柱内侧空心通孔直径与电机(8-1)输出轴直径正相匹配，电机(8-1)输出轴恰好能***减速主动轮(1-3-1)圆柱内侧空心通孔，并通过圆柱壁外侧预留的预紧螺纹孔将减速主动轮(1-3-1)紧固在电机转轴上。如图3和图4所示，电机(8-1)输出轴与减速主动轮(1-3-1)紧固后一起穿过底座支撑平台的支撑板A(1-1-1)的转轴通孔（A-2），转轴通孔（A-2）周围六个预留小孔，电机(8-1)依靠该六个小孔通过螺丝固定在底座支撑平台的支撑板A(1-1-1)的下部，该所述预留转轴通孔(A-2)的直径略微大于减速主动轮(1-3-1)外径，这将保证减速主动轮(1-3-1)随电机(8-1)的输出轴一起转动时不会与底座支撑平台的支撑平板A(1-1-1)发生碰撞和干涉。减速主动轮(1-3-1)使用一根钢丝绳嵌入其外侧圆柱壁的螺纹孔中进行多圈缠绕；随后将钢丝绳的两端分别缠绕在圆盘状的减速从动轮(1-3-2)的圆弧端面上，底座减速机构的减速从动轮(1-3-2)圆弧端面上两个预留好的固定钢丝绳的卡口螺孔(1-3-2-3)和卡口螺孔(1-3-2-4)中，并利用预紧螺丝对钢丝绳进行充分的预紧。减速主动轮(1-3-1)固定在电机(8-1)的输出轴上，当电机(8-1)转动时，主动轮(1-3-1)就跟随电机输出轴一起转动，这样主动轮(1-3-1)通过钢丝绳传动驱动减速机构从动轮(1-3-2)，从而实现底座减速机构的主从动轮之间的相互传动，最终带动固定在减速机构上部的肩部机构(2)随从减速动轮(1-3-2)一起旋转运动，从而产生左右方向的反馈力和第一个运动自由度。
所述肩部机构(2)如图2、图6和图7所示，所述肩部机构(2)由肩部支撑架、肩部转轴(2-2)、大臂减速机构、小臂减速机构、自主调节平衡减速机构、安装固定构件(2-6)共六个部分组成。肩部支撑架由肩部支撑架底板(2-1-1)、左肩部支撑架(2-1-2)和右肩部支撑架(2-1-3)三部分组成。肩部支撑架底板(2-1-1)固定在底座减速机构的圆盘状减速从动轮(1-3-2)的上。左肩部支撑架(2-1-2)和右肩部支撑架(2-1-3)一左一右安装在肩部支撑架底板(2-1-1)上，肩部转轴(2-2)从左至右连接左肩部支撑架(2-1-2)和右肩部支撑架(2-1-3)并紧固其上。肩部转轴2-2从左至右连接左肩部支撑架2-1-2和右肩部支撑架2-1-3并紧固其上。如图6和图7所示，大臂减速机构、小臂减速机构和自主调节平衡减速机构都是由减速主动轮和见从动轮两部分组成，分别描述为：大臂减速主动轮(2-3-1)和大臂减速从动轮(2-3-2)；小臂减速主动轮(2-4-1)和小臂减速从动轮(2-4-2)；自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)和自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)。大臂减速从动轮(2-3-2)、小臂机构从动轮(2-4-2)和自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)都是呈半圆盘型，相互平行安装在肩部转轴(2-2)。小臂减速从动轮(2-4-2)安装在靠近左肩部支撑架(2-1-2)处。自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)安装在靠近右肩部支撑架(2-1-3)。大臂减速从动轮(2-3-2)安装在小臂减速从动轮(2-4-2)和自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)之间的转轴上。如图7所示，肩部转轴(2-2)是三套转轴组成：第一套轴(2-2-1)、第二套轴(2-2-2)和第三套轴(2-2-3)。第一套转轴(2-2-1)靠近左肩部支撑架(2-1-2)，在第一套转轴(2-2-1)上固定有小臂减速从动轮(2-4-2)和预紧构建(2-7)。当小臂减速机构从动轮(2-4-2)带动肩部转轴(2-2)的第一套轴(2-2-1)转动时，仅有预紧构建(2-7)随后第一套轴(2-2-1)转动，肩部转轴(2)上(或者第二套转轴(2-2-2)和第三套转轴(2-2-3)上)的其他减速机构和构建部分都不会受到第一套转轴(2-2-1)转动的影响。同样的道理，第二转轴(2-2-2)靠近右肩部支撑架(2-1-3)，并与第一套转轴(2-2-1)同轴。在第二套转轴(2-2-1)上固定有自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)和限位构建(2-5-3)，当自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)通过旋转驱动第二套转轴(2-2-2)以及固定在第二套转轴上的限位构建(2-5-3)一起转动，肩部转轴(2)上其他减速机构和构建部分都不会受到第二套转轴(2-2-2)的影响。第三套转轴(2-2-3)以第二套转轴(2-2-2)的外轴套作为轴，安装在第二套转轴(2-2-2)之上。第三套转轴(2-2-3)上安装有大臂减速从动轮(2-3-2)和固定构建(2-6)，当大臂减速从动轮(2-3-2)转动时，第三套转轴(2-2-3)和固定构件（2-6)将随大臂减速从动轮(2-3-2)一起转动。大臂减速主动轮(2-3-1)、小臂减速主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)都呈空心圆柱形状，它们的圆柱壁外侧都事先预留缠绕钢丝绳的多圈螺纹孔，圆柱壁内侧空心通孔直径与直流电机(8-2)、直流电机(8-3)和直流电机(8-4)输出轴直径分别相匹配。直流电机(8-2)和直流电机(8-3)固定在左肩部支撑架(2-1-2)上，直流电机(8-4)固定在右肩部支撑架(2-1-3)上。直流电机(8-2)、直流电机(8-3)和直流电机(8-4)各自的输出轴分别***大臂减速主动轮(2-3-1)、小臂减速主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)圆柱内侧空心通孔，并通过它们的圆柱壁外侧预留预紧螺纹孔将大臂减速主动轮(2-3-1)、小臂减速主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)紧固在各自相应的电机转轴上。大臂减速主动轮(2-3-1)、小臂减速主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)各自使用一根钢丝绳(共三根钢丝绳)嵌入其各自外侧圆柱壁的螺纹孔中进行多圈缠绕，随后将所述大臂减速主动轮(2-3-1)、小臂减速主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)上各自多圈缠绕的钢丝绳的两端分别缠绕在各自对应的大臂减速从动轮(2-3-2)、小臂减速从动轮(2-4-2)和自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)呈半圆盘的圆弧端面上，所述三个从动轮各自呈半圆盘的圆弧端面上都预留有两个固定钢丝绳的卡口螺孔，并利用预紧螺丝对各自的钢丝绳进行充分的预紧(与底座减速机构安装相似)。减速机构主动轮(2-3-1)、主动轮(2-4-1)和主动轮(2-5-1)分别固定在直流电机(8-2)、直流电机(8-3)和直流电机(8-4)的输出轴上，当直流电机(8-2)、直流电机(8-3)和直流电机(8-4)转动时，所述减速主动轮(2-3-1)、减速主动轮(2-4-1)和减速主动轮(2-5-1)就跟随各自相应的直流电机输出轴一起转动，这样所述减速主动轮(2-3-1)、减速主动轮(2-4-1)和减速主动轮(2-5-1)通过各自的钢丝绳驱动各自对应的减速从动轮(2-3-2)、减速从动轮(2-4-2)和减速从动轮(2-5-2)，从而实现各自减速机构之间的减速主动轮和减速从动轮的相互传动，最终并带动固定在减速机构上部的大臂机构(3)、小臂机构(4)和自主调节平衡机构(7)随各自从动轮(2-3-2)、从动轮(2-4-2)和从动轮(2-5-2)一起旋转运动。如图6所示，另外在减速从动轮(2-4-2)上各自呈半圆盘面上预留有限位孔(2-8)，另外在减速机构从动轮(2-4-2)还有与限位孔(2-8)相类似的其它两个限位孔，未在图中标注，同样在减速机构从动轮(2-3-2)、从动轮(2-5-2)上也各自有三个限位孔，这六个限位孔与限位孔(2-8)相类似也未在图中标注，这些限位孔的目的都是用来配合螺钉使用限制各自从动轮的旋转角度。在左支撑架上固定直流电机(8-2)部分有一个小小的凸出限位块(2-9)是用来配合减速从动轮(2-3-2)上的限位孔和外加的螺钉对减速从动轮(2-3-2)进行限位。光电编码器10-2、光电编码器(10-3)、光电编码器(10-4)分别安装在电机(8-2)、电机(8-3)和电机(8-4)后部，用来计算各自相应的直流电机输出转轴或者是主动轮的旋转角度。肩部转轴(2-2)上装有用来固定大臂机构(3)和自主调节平衡机构(7)的安装固定构建(2-6)，该固定构建(2-6)固定在肩部转轴(2-2)上，位于小臂减速机构从动轮(2-4-2)和大臂减速机构从动轮(2-3-2)之间，距离大臂减速从动轮(2-3-2)更靠近，另外在肩部转轴(2-2)上靠近安装固定构建(2-6)旁有限位构建(2-5-3)，在该限位构建(2-5-3)上预留有限位孔，可以用来安装和预紧自主调节平衡机构(7)中的传动钢丝绳，该限位构建(2-5-3)与自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)一起转动驱动自主调节平衡机构(7)中的传动钢丝绳从而驱动平衡机构(7)中平衡滑块(7-2)。另外在轴(2-2)上装有预紧构建(2-7)，在所述预紧构建(2-7)上留有钢丝绳预紧孔对小臂机构的传动钢丝绳进行固定和预紧作用传动钢丝绳的作用。
如图8和图9所示，所述大臂机构(3)由大臂杆件(3-1)，转轴(3-2)和大臂钢丝绳(3-3)组成。大臂杆件(3-1)通过螺丝固定在固定构建(2-6)上，固定构建(2-6)固定在转轴(2-2)的第三套轴(2-2-3)上。当直流电机(8-2)输出轴上减速主动轮(2-3-1)通过缠绕在其上的钢丝绳驱动减速从动轮(2-3-2)进行转动时，带动第三套轴(2-2-3)转动从而带动固定在第三套轴(2-2-3)上的固定构建(2-6)从而带动大臂杆件(3-1)转动而产生上下方向的反馈力和第二个运动自由度。直流电机(8-2)后部安装有光电编码器，通过光电编码器能够准确的监测到电机的转动位置和角度，通过减速机构的减速比10:1能够计算出大臂杆件(3-1)转动的角度。
如图9和图10所示，所述小臂机构(4)由小臂杆件(4-1)，电位计安装支架(4-2)、电位计支架转轴(4-3)和角度电位计(9-1)构成。小臂杆件(4-1)一端有大圆孔处通过大臂机构(3)的转轴(3-2)固定在大臂杆件(3-1)的末端。钢丝绳(3-3)一端缠绕在转轴(3-2)上，通过转轴(3-2)预留的固定孔把钢丝绳固定在转轴(3-2)上，钢丝绳另外一端固定在预紧构建(2-7)上，预紧构建(2-7)安装在肩部转轴(2-2)的第一套转轴(2-2-1)上。当直流电机(8-3)输出轴上减速机构主动轮(2-4-1)通过缠绕在其上的钢丝绳驱动减速机构从动轮(2-4-2)进行转动时，带动第一套转轴(2-2-1)转动从而带动固定在第一套轴(2-2-1)上的预紧构建(2-7)，从而带动大臂机构上的钢丝绳(3-3)，该钢丝绳(3-3)带动大臂机构上转轴(3-2)转动，大臂机构上转轴(3-2)带动小臂杆件(4-1)围绕大臂机构(3)上的转轴(3-2)旋转产生前后方向的反馈力和第三个运动自由度。直流电机(8-3)后部安装有光电编码器(10-3)，通过光电编码器(10-3)能够准确的检测电机(8-3)的转动位置和角度，通过减速机构的减速比计算出小臂杆件(3-1)转动的角度。如图9和图11所示，小臂机构(4)上电位计安装支架(4-2)由上下两部分组成，高精度电位计(9-1)安装在电位计安装支架(4-2)上，并通过固定通孔(9-1-1)固定在安装支架4-2上。高精度电位计9-1呈扁平圆柱状，中间有一个中心通孔(9-1-2)，该中心通孔(9-1-2)围绕电位计9-1的扁平圆柱外侧旋转，电位计支架转轴(4-3)的轴***高精度电位计9-1中心通孔(9-1-2)并通过固定通孔(9-1-3)固定在电位计支架转轴(4-3)的轴上，当电位计支架转轴(4-3)的轴旋转时将带动高精度电位计(9-1)转动同时也形成了第四个运动自由度，高的精度电位计(9-1)能够精确的检测角度旋转的角度。
如图12所示，腕部机构(5)由腕部支架(5-1)、腕部转轴(5-2)组成。其中在腕部支架(5-1)上有中心通孔(5-3)和固定孔(5-4)。高精度电位计(9-2)安装在腕部支架(5-1)一侧，并通过固定孔(5-4)将电位计固定在腕部支架上。小臂电位计支架转轴(4-3)穿过腕部机构(5)的腕部支架(5-1)上的中心通孔(5-3)并固定在腕部支架(5-1)上。腕部支架(5-1)绕小臂电位计支架转轴(4-3)旋转同时也形成了第五个运动自由度，并利用安装在电位计安装支架(4-2)上的高精度电位计(9-1)来检测腕部机构的旋转角度。
如图13和图14所示，末端执行器机构(6)由末端手柄(6-1)、电位计固定支架(6-2)和手柄转轴(6-5)组成。在电位计固定支架(6-2)上有两个固定孔(6-3)和固定孔(6-4)。在手柄转轴上有固定孔(6-6)。末端执行器机构(6)通过其上的末端固定孔(6-3)和固定孔(6-4)与腕部机构(5)的腕部转轴(5-2)相连接。腕部支架(5-1)上安装的高精度电位计(9-2)能够精确的检测腕部转轴的旋转角度，从而能够准确的检测末端执行器机构围绕腕部转轴(5-2)的旋转角度。末端手柄(6-1)使用固定孔(6-6)与手柄转轴(6-5)固定连接，手柄转轴(6-5)***高精度电位计(9-3)的中心通孔(角度电位(9-1)、角度电位(9-1)和角度电位(9-1)计都是一样的，可以参见图11角度电位计(9-1)的示意图)，通过所述电位计上固定通孔(9-3-3)将电位计固定在手柄转轴(6-5)上。电位计(9-3)与电位计(9-1)和电位计(9-2)是同一类型电位计(具体图形参见图11)，呈扁平空心圆柱装，圆柱内侧壁能够相对于圆柱外侧壁转动，当手柄转轴旋转时带动电位计围绕手柄转轴(6-5)旋转同时形成了第六个运动自由度，从而能够精确的记录手柄转轴(6-5)旋转的角度。
如图12所示，自主调节平衡机构(7)由平衡杆(7-1)、平衡滑块(7-2)组成、滑轮(7-3)和钢丝绳(7-4)四部分组成。平衡杆(7-1)非常光滑，平衡滑块(7-2)能在平衡杆(7-1)上相对于平衡杆滑动，由于非常光滑，它们之间摩擦很微小。平衡杆(7-1)一端安装有两个滑轮(7-3)。平衡滑块(7-2)上有两个小孔，钢丝绳(7-4)环绕在限位构建(2-5-3)上，一端从环绕平衡杆(7-1)上部固定***平衡滑块(7-2)滑前部的小孔，钢丝绳(7-4)另外一端环绕平衡杆下部并环绕通过两个滑轮(7-3)后继续环绕平衡杆上部，并***平衡滑块(7-2)后部的小孔中。平衡滑块(7-2)上部有三个小孔，可以用来紧固***平衡滑块(7-2)前部和后部的钢丝绳，并将钢丝绳(7-4)预紧。平衡机构7通过平衡杆(7-1)与固定构件(2-6)通过螺丝相连接。直流电机(8-4)输出轴驱动自主调节平衡减速主动轮(2-5-1)，减速主动轮(2-5-1)通过缠绕在其上的钢丝绳带动自主调节平衡减速从动轮(2-5-2)，所述减速从动轮(2-5-2)又驱动转轴(2-2)的第二套转轴(2-2-2)，限位构建(2-5-3)固定在第二套轴(2-2-2)上。当电机(8-4)通过主动轮(2-5-1)带动减速机构从动轮(2-5-2)，所述减速机构从动轮(2-5-2)驱动第二转轴(2-2-2)，第二转轴(2-2-2)带动限位构建(2-5-3)，限位构建(2-5-3)带动固定在其上的钢丝绳(7-4)，通过钢丝绳(7-4)的牵引带动平衡滑块(7-2)在平衡杆(7-1)上滑动，达到改变平衡滑块(7-2)在平衡杆(7-1)上的位置。调节平衡滑块(7-2)位置利用的是平衡杆(7-1)的杠杆原理对大臂机构(3)产生杠杆作用时，部分作用力通过机构之间的耦合传递给了小臂机构(4)。同样的道理小臂机构(4)也会把作用力传递给腕部机构(5)，腕部机构(5)又将作用力传递给末端执行器机构(6)，末端执行器机构(6)又将作用力传递给操纵末端执行器手柄(6-1)的人手。当大臂机构(3)、小臂机构(4)、腕部机构(5)和末端执行器机构(6)由于相互所处的位置不同和角度的不同，相互之间的作用力也将发生变化。在进行实际的力反馈交互时，力和运动的同时存在，相互之间产生的作用力并非是解耦的，而是相互耦合形成了复杂力学关系。所以，通过设计自主调节平衡机构(7)，可以针对大臂机构(3)、小臂机构(4)、腕部机构(5)和末端执行器机构(6)所处位置发生变化时，调节平衡滑块(7-2)的位置来充分补偿整个手臂所受重力。
在本发明中，所采用的钢丝绳均为常规钢丝绳、所采用的电机均为直流伺服电机。调节平衡滑块(7-2)位置的电机工作在速度和位置控制模式下，而其他三个用于提供反馈力的电机工作在电流模式，通过控制电机电流大小调节反馈力的大小。
当一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备处于反向驱动状态时，操作者手持末端执行器机构(6)的末端手柄(6-1)在空间***。此时，自主调节平衡机构(7)能够自动的进行重力补偿描述为：如说明书附图(12)所示，调节平衡滑块(7-2)位置利用的是平衡杆(7-1)的杠杆原理对大臂机构(3)产生杠杆作用时，部分作用力通过机构之间的耦合传递给了小臂机构(4)。同样的道理小臂机构(4)也会把作用力传递给腕部机构(5)，腕部机构(5)又将作用力传递给末端执行器机构(6)，末端执行器机构(6)又将作用力传递给操纵末端执行器手柄(6-1)的人手。当大臂机构(3)、小臂机构(4)、腕部机构(5)和末端执行器机构(6)由于相互所处的位置不同和角度的不同，相互之间的作用力也将发生变化。在进行实际的力反馈交互时，力和运动的同时存在，相互之间产生的作用力并非是解耦的，而是力的传递。所以，通过设计自主调节平衡机构(7)，可以针对大臂机构(3)、小臂机构(4)、腕部机构(5)和末端执行器机构(6)所处位置发生变化时，调节平衡滑块(7-2)的位置来充分补偿整个手臂所受重力。
随后，当该力反馈设备处于正向驱动状态时，***能够利用通过动力学解算出操作者手持的末端手柄(6-1)所受的反馈力的大小，并通过三个电机共同作用产生三个方向反馈力，这样人手就能够感觉到外部的三个方向的反馈力。由于这三个方向的反馈力共同作用在操作者手持的末端手柄上(6-1)上，人手通过末端手柄(6-1)就能够感觉到三个方向的反馈力形成的三维空间的合力，最终这个合力才是人手真正感觉到的反馈力，同时也产生了三个运动自由度：
1、第一个反馈力产生：如附图2所示减速主动轮(1-3-1)使用一根钢丝绳嵌入其外侧圆柱壁的螺纹孔中进行多圈缠绕；随后将钢丝绳的两端分别缠绕在减速从动轮(1-3-2)圆盘的圆弧端面上，减速从动轮(1-3-2)圆弧端面上两个预留好的固定钢丝绳的卡口螺孔(1-3-2-3)和卡口螺孔(1-3-2-4)中，并利用预紧螺丝对钢丝绳进行充分的预紧。减速主动轮(1-3-1)固定在电机(8-1)的输出轴上，当电机(8-1)转动时，减速主动轮(1-3-1)就跟随电机输出轴一起转动，这样减速主动轮(1-3-1)通过钢丝绳传动驱动减速从动轮(1-3-2)，从而实现底座减速机构主动轮和从动轮之间的相互传动，最终并带动固定在减速机构上部的肩部机构(2)随从动轮(1-3-2)一起旋转运动，从而产生左右方向的反馈力和第一个运动自由度。
2、第二个反馈力产生：如附图2和附图8所示，所述大臂机构(3)由大臂杆件(3-1)，转轴(3-2)和钢丝绳(3-3)组成。大臂杆件(3-1)通过螺丝固定在固定构建(2-6)上，固定构建(2-6)固定在转轴(2-2)的第三套轴(2-2-3)上。当直流电机(8-2)输出轴上减速机构主动轮(2-3-1)通过缠绕在其上的钢丝绳驱动减速机构从动轮(2-3-2)进行转动时，带动第三套轴(2-2-3)转动从而带动固定在第三套轴(2-2-3)上的固定构建(2-6)从而带动大臂杆件(3-1)转动而产生上下方向的反馈力和第二个运动自由度。
3、第三个反馈力产生：如图2、图6和图9所示，小臂杆件(4-1)一端有大圆孔处通过大臂机构转轴(3-2)固定在大臂杆件(3-1)的末端。钢丝绳(3-3)一端缠绕在转轴(3-2)，通过转轴(3-2)预留的固定孔把钢丝绳固定在转轴(3-2)上，钢丝绳另外一端固定在预紧构建(2-7)上，预紧构建(2-7)安装在转轴(2-2)的第一套转轴(2-2-1)上。当直流电机(8-3)输出轴上减速机构主动轮(2-4-1)通过缠绕在其上的钢丝绳驱动减速机构从动轮(2-4-2)进行转动时，带动第一套转轴(2-2-1)转动从而带动固定在第一套轴(2-2-1)上的预紧构建(2-7)，从而带动大臂机构上的钢丝绳(3-3)，该钢丝绳(3-3)带动大臂机构上转轴(3-2)转动，大臂机构上转轴(3-2)带动小臂杆件围绕大臂机构上转轴旋转产生前后方向的反馈力和第三个运动自由度。另外三个运动自由度被描述如下：
4、第四个运动自由度：如图9、图10和图11所示小臂机构(4)上电位计安装支架(4-2)由上下两部分组成，高精度电位计(9-1)安装在电位计安装支架(4-2)上，并通过固定通孔(9-1-1)固定在安装支架(4-2)上。如图11所示，高精度电位计(9-1)呈扁平圆柱状，中间有一个中心通孔(9-1-2)，该中心通孔(9-1-2)围绕电位计(9-1)的扁平圆柱外侧旋转，电位计支架转轴(4-3)的轴***高精度电位计(9-1)中心通孔(9-1-2)并通过固定通孔(9-1-3)固定在电位计支架转轴(4-3)的轴上，当电位计支架转轴(4-3)的轴旋转时将带动高精度电位计(9-1)转动同时也形成了第四个运动自由度。
5、第五个运动自由度：如图12所示，腕部机构(5)由腕部支架(5-1)、腕部转轴(5-2)组成。其中在腕部支架(5-1)上有中心通孔(5-3)和固定孔(5-4)。高精度电位计(9-2)安装在腕部支架(5-1)一侧，并通过固定孔(5-4)将电位计固定在腕部支架上。小臂电位计支架转轴(4-3)穿过腕部机构(5)的腕部支架(5-1)上的中心通孔(5-3)并固定在腕部支架(5-1)上。腕部支架(5-1)绕小臂电位计支架转轴(4-3)旋转同时也形成了第五个运动自由度。
6、第六个运动自由度：如图13和图14所示，末端手柄(6-1)使用固定孔(6-6)与手柄转轴(6-5)固定连接，手柄转轴(6-5)***高精度电位计(9-3)的中心通孔(9-3-2)，通过电位计上固定通孔(9-3-3)将电位计固定在手柄转轴(6-5)上。电位计(9-3)与电位计(9-1)和电位计(9-2)是同一类型电位计(具体图形参见图11)，呈扁平空心圆柱装，圆柱内侧壁能够相对于圆柱外侧壁转动，当手柄转轴旋转时带动电位计围绕手柄转轴(6-5)旋转同时形成了第六个运动自由度。
Claims (1)
1.一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备，包括底座机构、串联连杆机构、直流电机、线传动减速机构、光电编码器、角度电位计，其特征在于：
（1）、所述设备增加了一种自主调节平衡机构，该自主调节平衡机构依靠一个直流电机通过减速机构实时调节和控制一个平衡滑块在平衡杆的位置，实现对力反馈交互设备的机构手臂的自重平衡调节，从而实现该设备实时的重力补偿；
（2）、所述设备包括底座机构、肩部机构、大臂机构、小臂机构、腕部机构、末端执行器机构、自主调节平衡机构、第一直流电机、第二直流电机、第三直流电机、第四直流电机、第一光电编码器、第二光电编码器、第三光电编码器、第四光电编码器和三个高精度角度电位计，该力反馈交互设备的结构为：
底座机构是由底座减速机构、底座支撑平台、底座转轴三部分组成，第一光电编码器(10-1)安装在第一直流电机(8-1)后部形成一个整体安装在底座支撑平台上，底座减速机构主动轮(1-3-1)嵌套在第一直流电机(8-1)输出轴上，钢丝绳连接底座减速机构主动轮(1-3-1)和底座减速机构从动轮(1-3-2)构成底座减速装置，该减速装置的减速比是10:1；
肩部机构由肩部支撑架、肩部转轴、大臂减速机构、小臂减速机构、自主调节平衡减速机构、安装固定构件六个部分组成；安装固定构件(2-6)将自主调节平衡机构和大臂机构安装固定在固定构件(2-6)上；第二光电编码器(10-2)、第三光电编码器(10-3)、第四光电编码器(10-4)按各自相应顺序分别安装在第二直流电机(8-2)、第三直流电机(8-3)、第四直流电机(8-4)上，形成三个整体然后一起安装在肩部支撑架上，大臂减速机构主动轮(2-3-1)、小臂减速机构主动轮(2-4-1)和自主调节平衡减速机构主动轮(2-5-1)分别嵌套在第二直流电机(8-2)、第三直流电机(8-3)和第四直流电机(8-4)的输出轴，并分别通过钢丝绳与大臂减速机构从动轮(2-3-2)、小臂减速机构从动轮(2-4-2)、自主调节平衡机构减速从动轮(2-5-2)组成大臂减速装置、小臂减速装置、自主调节平衡机构减速装置；这三个减速装置的减速比也是10:1；大臂机构一端与自主调节平衡机构一端分别安装在固定构件(2-6)上，固定构件(2-6)安装在肩部转轴(2-2)上；大臂机构和自主调节平衡机构分别位于肩部转轴(2-2)前后位置，围绕肩部转轴(2-2)旋转；大臂机构另外一端通过转轴与小臂机构一端相连，小臂机构另一端与腕部机构一端通过转轴相连；末端执行器通过转轴与腕部机构另外一端相连；
自主调节平衡机构依靠安装在肩部支撑架上的第四直流电机(8-4)与自主调节平衡机构减速装置相配合控制平衡滑块在平衡杆上的位置，当大臂机构、小臂机构、腕部机构和末端执行器所处位置发生变化时，自主调节平衡机构能够调节平衡滑块在平衡机构上的位置来充分抵消和补偿整个力反馈设备机械手臂所受重力；
大臂机构、小臂机构通过转轴首尾相连，小臂机构通过转轴与腕部机构相连；腕部机构上安装有两个高精度角度电位计，末端执行器机构通过转轴与腕部机构相连接，并且末端执行器机构上也安装有一个高精度角度电位计。
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