CN102717380B

CN102717380B - 一种基于不同半径的六自由度并联机构

Info

Publication number: CN102717380B
Application number: CN201210162519.0A
Authority: CN
Inventors: 刘泽威; 张玉茹
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102717380A

Abstract

一种基于不同半径的六自由度并联机构，它包括有静平台、动平台、六个支撑架、六个上球铰、六个下球铰、六个直流电机、六条支链和操作杆；六个支撑架在预定位置与静平台固连；六个直流电机分别穿过支撑架上的孔与六条支链的各下连杆连接；六条支链的各上连杆通过六个上球铰与动平台连接；六条支链的各上、下连杆通过六个下球铰相互连接，操作杆与动平台的通孔连接；本发明的每个支链都确定动平台上一个球铰的空间位置，因此六个不共线的球铰即可实现动平台的六个运动自由度，在动平台上输出三维力和三维力矩，给人们提供一个和虚拟环境中虚拟力和虚拟力矩相同的交互感觉。它是一种构型新颖、结构简单、性能良好的力觉交互设备。

Description

一种基于不同半径的六自由度并联机构

一、技术领域：

本发明涉及一种基于不同半径的六自由度并联机构，尤其涉及一种具有六个自由度的并联式力觉人机交互装置，它是一种能够准确模拟虚拟环境中物体之间相互作用所产生的接触力、接触力距的大小和方向的力觉机构。属于力觉人机交互设备技术领域。

二、背景技术：

在人类与环境的交互过程中，操作者向环境输入力或运动，环境不但以视觉或听觉信号的形式向操作者反馈作用效果，而且将其相应以运动或力的形式通过触觉反馈给操作者。广义触觉从其信号形式上可区分为力觉和狭义触觉，力觉通常是指对所接触物体的硬度、形状特征等的感觉，狭义触觉通常是指对物体的质地特征等的感觉。与之相对应，交互设备也分为狭义触觉交互设备和力觉交互设备。

力觉交互又称触觉再现，目的是给予异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的感知，以提高操作质量和效率。近年来，力觉再现技术在虚拟现实领域得到快速发展，成为一种新的计算机人机交互方式，在对虚拟物体进行操作时，操作者通过力觉在线装置感收到虚拟物体的作用力、物体的材质和形状，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。其功能是测量操作者操作趋势，与虚拟仿真环境通信，接受虚拟环境计算的虚拟力信号，通过机械接口将反馈力施加给操作者。

力觉交互装置的类型包括固定于操作者手臂和固定于工作台上的两大类型，适用于不同的应用场合。前者主要包括数据比、数据手套；这类设备的特点是可以跟踪作者手臂或手指的多自由度运动，但普遍存在尺寸庞大、重量较重、力觉感受逼真度差等缺点，适用于不要求逼真感知交互力的场合，一般用于机械臂或机器人灵巧手的主从操作。本发明是一种固定于工作台上的桌面，是力觉交互装置，具有操作方便、运动灵活、力觉感受逼真等特点。

目前已有的六自由度并联机构作为力觉交互装置普遍上还是存在着运动空间较小的问题，尤其是在转动方面的性能还比较差，本发明的六自由度并联机构在旋转方面性能的提高有了很大的进步，这大大的加强了六自由度并联机构应用在力觉交互装置的优势。

三、发明内容

1.目的：本发明的目的是为六自由度力觉人机交互装置提供一种基于不同半径的六自由度并联机构，它克服了现有技术的不足，是一种构型新颖、结构简单、性能良好的力觉交互设备。

2.技术方案：

本发明一种基于不同半径的六自由度并联机构，它包括有静平台、动平台、六个支撑架、六个上球铰、六个下球铰、六个直流电机、六条支链和操作杆，它们之间的位置连接关系是：六个支撑架在预定位置与静平台固连；六个直流电机分别穿过支撑架上的孔与六条支链的各下连杆连接；六条支链的各上连杆通过六个上球铰与动平台连接；六条支链的各上、下连杆通过六个下球铰相互连接，操作杆与动平台的通孔连接。

所述的静平台是块特殊的三角形板料，其形心设有通孔，其角顶或者角顶和边的中部都设有凸出的矩形板料；

所述的动平台是形心设有通孔的三角形板料；

所述的支撑架是一块设有通孔的矩形板料在另一矩形板料中部位置彼此相互垂直而构成的支撑件；

所述的六个上球铰、六个下球铰是普通的球铰结构，按需在市场选购；

所述的六个直流电机为可实现位置和力反馈的电机，按需在市场选购；

所述的六条支链，分别由上、下连杆和下球铰连接而组成，该上、下连杆为普通的圆杆件；

所述的操作杆是普通的圆杆件。

其中，所述第一支链电机3_a安装在支撑架A的内侧，第二支链电机3_b安装在支撑架B的外侧，第三支链电机3_c安装在支撑架C的内侧，第四支链电机3_d安装在支撑架D的外侧，第五支链电机3_e安装在支撑架E的内侧、第六支链电机3_f安装在支撑架F的外侧；

其中，所述第一支链4_a的第一下连杆4₁的一端安装在第一支链电机3_a的输出轴上，另一端安装在第一下球铰C₁上；第一上连杆5₁一端安装在与第一端连接的第一下球铰C₁上，另一端安装在动平台的第一上球铰B₁上；第二支链4_b、第三支链4_c、第四支链4_d、第五支链4_e、第六支链4_f的连接方式与第一支链4_a相同；

其中，所述第一下连杆4₁和第一支链电机3_a输出端构成第一转动副3₁，第二下连杆4₂和第二支链电机3_b输出端构成第二转动副3₂，第三下连杆4₃和第三支链电机3_c输出端构成第三转动副3₃，第四下连杆4₄和第四支链电机3_d输出端构成第四转动副3₄，第五下连杆4₅和第五支链电机3_e输出端构成第五转动副3₅，第六下连杆4₆和第六支链电机3_f输出端构成第六转动副3₆；

其中，所述静平台1上安装的六个直流电机，每个电机的转动轴都指向静平台中心点，且呈60°分布在静平台1上，其中第二支链电机3_b、第四支链电机3_d、第六支链电机3_f的输出端距静平台1中心点的距离e₂为第一支链电机3_a、第三支链电机3_c、第五支链电机的输出端3_e距静平台1中心点的距离e₁的一半；

其中，所述动平台中心点O₂到第一球铰B₁、第三球铰B₃、第五球铰B₅的距离为e₂，第一球铰B₁与第六球铰B₆在通过动平台中心点O₂的同一条直线上；第三球铰B₃与第二球铰B₂在通过动平台中心点O₂的同一条直线上；第五球铰B₅与第四球铰B₄在通过动平台中心点O₂的同一条直线上，呈120°分布在动平台2上。

其中，固定于静平台上的六个直流电机分别驱动六条支链，带动支链中的下连杆转动，下连杆与上连杆通过下球铰连接，上连杆通过上球铰与动平台连接；六条支链汇交于动平台上的球铰处，即六条支链分别确定动平台上一个球铰的空间位置，因此六个球铰即可实现动平台的六个自由度，在动平台上输出三维力和三维力矩，给人手提供一个和虚拟环境中虚拟力和虚拟力矩相同的交互感觉。

本发明一种基于不同半径的六自由度并联机构，此并联机构在除了能够保证平动和高倾转性能外，还提供超过300度以上的Z轴旋转角度，相比已公开的应用在三维力和三维力矩反馈的并联机构，具有更广泛的应用领域。

普通并联机构最大的缺点就是杆间干涉大，限制了动平台的运动空间和灵活度。本发明的并联机构采取驱动副提供切向力的排列方式，即让驱动副的轴线指向静平台的中心点，且每三个驱动副距中心点的距离不同，实现将干涉分解成半径较小（距中心点距离较小）的内三条运动链和半径较大（距中心点距离较大）的外三条运动链，即将六条运动链的干涉化解成三条运动链间的干涉，从理论上来看，这能提升机构一倍的性能。

3.优点及功效：

本发明一种基于不同半径的六自由度并联机构，相对于一般构型的优点在于：（1）拥有更大的转动角度，实体建模测试最大Z轴转角能达到310°左右；（2）电机的分布更紧凑，减小了静平台的空间；（3）干涉相对小，因为在设计上针对干涉做了调整，将6杆的干涉巧妙转变为内三条运动链和外条三运动链各自的干涉，因此大大提升了运动性能；（4）构型新颖；

四、附图说明

图1是本发明新型并联机构第一种电机分布的整体结构图；

图2是本发明新型并联机构第二种电机分布的整体结构图；

图3是静平台转动副分布图；

图4是动平台转球铰分布图；

图5是连接件与杆件装配示意图；

图6是静平台与电机的装配示意图。

图中：

五、具体实施方式

1.布局与连接方式

本发明是为六自由度力觉人机交互装置提供一种基于不同半径的六自由度并联机构，具有六个运动自由度。

如图1所示，本发明一种基于不同半径的六自由度并联机构由静平台1、动平台2、第一支链4_a、第二支链4_b、第三支链4_c、第四支链4_d、第五支链4_e、第六支链4_f、第一支链电机3_a、第二支链电机3_b、第三支链电机3_c、第四支链电机3_d、第五支链电机3_e、第六支链电机3_f、六个下球铰C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、六个上球铰B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆和六个支撑架A、B、C、D、E、F和操作杆6组成；它们之间的位置连接关系是：六个支撑架A、B、C、D、E、F在预定位置与静平台1固连；六条支链4_a、4_b、4_c、4_d、4_e、4_f上的六个直流电机3_a、3_b、3_c、3_d、3_e、3_f分别穿过支撑架A、B、C、D、E、F上的孔与六条支链4_a、4_b、4_c、4_d、4_e、4_f的各下连杆4₁、4₂、4₃、4₄、4₅、4₆连接；六条支链4_a、4_b、4_c、4_d、4_e、4_f的各上连杆5₁、5₂、5₃、5₄、5₅、5₆通过六个上球铰B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆与动平台连接；六条支链4_a、4_b、4_c、4_d、4_e、4_f的各上连杆5₁、5₂、5₃、5₄、5₅、5₆和各下连杆4₁、4₂、4₃、4₄、4₅、4₆通过六个下球铰C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆相互连接，操作杆6与动平台2的通孔连接。

所述的静平台1上安装有六个支撑架，即支撑架A、支撑架B、支撑架C、支撑架D、支撑架E、支撑架F；支撑架的分布采取不同半径分布，即以每三个支架为一组，半径大的一组支架称为外支架组，半径小的一组支架称为内支架组。同组的支架距离中心点的距离相同，内支架组连接的运动链称为内运动链，外支架组连接的运动链称为外运动链。同一组内的支架分布为每120度一个支架，即三个支架在静平台1上以静平台1中心点为圆心相同半径均匀分布，而两组支架在静平台1上的分布有两种方式：第一种为两组支架绕静平台1中心点均匀分布，即六个支架间各相隔60度，其中两个外支架与一个内支架连成一条直线，六个支架连线组成一个等边三角形；第二种为一个内支架与一个外支架组成一对，即一个外支架与一个内支架连成一条直线，与通过中心点的直线重合，总共三对支架每对相隔120度，绕中心点均匀分布，见图2。本文着重介绍第一种方式，第二种方式与第一种方式的区别可在附图说明直接看出来。如图6所示。图3是静平台1转动副分布图。

所述的第一支链电机3_a安装在支撑架A的内侧，第二支链电机3_b安装在支撑架B的外侧，第三支链电机3_c安装在支撑架C的内侧，第四支链电机3_d安装在支撑架D的外侧，第五支链电机3_e安装在支撑架E的内侧、第六支链电机3_f安装在支撑架F的外侧；如图6。其中，第一支链电机3_a、第三支链电机3_c、第五支链电机3_e为外支链电机，第二支链电机3_b、第四支链电机3_d、第六支链电机3_f为内支链电机。以图1为参考。

本发明的动平台2上的球铰分布只有一种，即与电机分布的第二种一样，每组三个球铰，根据球铰距离动平台2中心点的大小分为内外球铰两组，第一上球铰B₁、第三上球铰B₃、第五上球铰B₅为外球铰组，第二上球铰B₂、第四上球铰B₄、第六上球铰B₆为内球铰组。一个内球铰组与一个外球铰组成一对，两球铰连成一个直线，与通过动平台中心点的直线重合，三对球铰间各距离120度，绕中心点均匀分布。如图4所示。

所述的运动链连接方式如下，外运动链的下连杆与外支链电机连接，外运动链上连杆与动平台2的外球铰连接，而内运动链的下连杆与内电机连接，内运动链与动平台2内球铰连接，而一个内运动链和一个外运动链组成一组运动链与一对动平台的球铰连接。其中内下连杆与外下连杆的方向交叉。具体为第一支链4_a的第一下连杆4₁的一端安装在第一支链电机3_a的输出轴上，另一端安装在第一下球铰C₁上；第一上连杆5₁一端安装在第一下球铰C₁上，另一端安装在动平台2的第一上球铰B₁上；第二支链4_b、第三支链4_c、第四支链4_d、第五支链4_e、第六支链4_f的连接方式与第一支链4_a相同；如图5所示：

所述的操作杆6为当力觉人机交互装置处于反向驱动状态时，操作者手持安装在动平台2上的操作杆6在空间***，如图1所示。

本发明的直流电机为了空间利用和减小操作感所受惯量，将所有直流电机都放置在静平台1上，且采用均匀对称的放置，外侧直流电机的输出端背向静平台1中心点，而内侧直流电机的输出端面向静平台1的中心点，如图6所示。

2.具体实现以及性能参数表

本发明通过过实体建模得出具体的性能参数，表1为结构尺寸参数，表2为性能参数。

表1

结构尺寸参数	尺寸（mm）
		静平台e₁	100
动平台e₂	50
		第一、三、五下连杆	200
第一、三、五上连杆	200
		第二、四、六下连杆	100
第二、四、六上连杆	250
		所有连杆直径	7

表2

性能指标	具体参数
		自由度	6自由度
X方向位移	±100mm
		Y方向位移	±110mm
Z方向位移	90mm
		Z轴转角（α角）	+120°,-190°
Y轴转角（β角）	±90°
		X轴转角（γ角）	±90°

Claims

1.一种基于不同半径的六自由度并联机构，其特征在于：包括静平台、动平台、第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链、第一支链电机、第二支链电机、第三支链电机、第四支链电机、第五支链电机、第六支链电机、六个下球铰、六个上球铰和六个支撑架和操作杆；它们之间的位置连接关系是：六个支撑架在预定位置与静平台固连；六条支链上的六个直流电机分别穿过支撑架上的孔与六条支链的各下连杆连接；六条支链的各上连杆通过六个上球铰与动平台连接；六条支链的各上连杆和各下连杆通过六个下球铰相互连接，操作杆与动平台的通孔连接；

所述的静平台上安装有六个支撑架；支撑架的分布采取不同半径分布，即以每三个支架为一组，半径大的一组支架称为外支架组，半径小的一组支架称为内支架组；同组的支架距离中心点的距离相同，内支架组连接的运动链称为内运动链，外支架组连接的运动链称为外运动链；同一组内的支架分布为每120度一个支架，即三个支架在静平台上以静平台中心点为圆心相同半径均匀分布，而两组支架在静平台上的分布有两种方式：第一种为两组支架绕静平台中心点均匀分布，即六个支架间各相隔60度，其中两个外支架与一个内支架连成一条直线，六个支架连线组成一个等边三角形；第二种为一个内支架与一个外支架组成一对，即一个外支架与一个内支架连成一条直线，与通过中心点的直线重合，总共三对支架每对相隔120度，绕中心点均匀分布；

所述的第一支链电机安装在第一支撑架的内侧，第二支链电机安装在第二支撑架的外侧，第三支链电机安装在第三支撑架的内侧，第四支链电机安装在第四支撑架的外侧，第五支链电机安装在第五支撑架的内侧、第六支链电机安装在第六支撑架的外侧；其中，第一支链电机、第三支链电机、第五支链电机为外支链电机，第二支链电机、第四支链电机、第六支链电机为内支链电机；

所述动平台上的球铰分布只有一种，即与电机分布的第二种一样，每组三个球铰，根据球铰距离动平台中心点的大小分为内外球铰两组，第一上球铰、第三上球铰、第五上球铰为外球铰组，第二上球铰、第四上球铰、第六上球铰为内球铰组；一个内球铰组与一个外球铰组成一对，两球铰连成一个直线，与通过动平台中心点的直线重合，三对球铰间各距离120度，绕中心点均匀分布；

所述的运动链连接方式如下，外运动链的下连杆与外支链电机连接，外运动链上连杆与动平台的外球铰连接，而内运动链的下连杆与内电机连接，内运动链与动平台内球铰连接，而一个内运动链和一个外运动链组成一组运动链与一对动平台的球铰连接；其中内下连杆与外下连杆的方向交叉；具体为第一支链的第一下连杆的一端安装在第一支链电机的输出轴上，另一端安装在第一下球铰上；第一上连杆一端安装在第一下球铰上，另一端安装在动平台的第一上球铰上；第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链的连接方式与第一支链相同；

所述的操作杆为当力觉人机交互装置处于反向驱动状态时，操作者手持安装在动平台上的操作杆在空间***；

直流电机为了空间利用和减小操作感所受惯量，将所有直流电机都放置在静平台上，且采用均匀对称的放置，外侧直流电机的输出端背向静平台中心点，而内侧直流电机的输出端面向静平台（1）的中心点。