CN112405501B - 含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置 - Google Patents

含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置，其特征在于，包括一个五自由度的并联机构和一个单自由度的串联机构；所述并联机构包括定平台、动平台，以及布置在两者之间的第一支链、第二支链、第三支链和约束支链；所述定平台上布置有第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置；所述串联机构包括第六驱动装置及操作柄；所述操作柄由所述第六驱动装置进行驱动，可以相对第六驱动装置进行转动；所述并联机构的定平台固定在基座上，所述串联机构的第六驱动装置固定在所述并联机构的动平台上。本发明可以有效减少运动部件的惯性，提高整个混联力反馈装置的刚度，并且具有大转角转动能力。

Description

含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置
技术领域
本发明属于力反馈机构设计领域，特别是涉及一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置。
背景技术
在执行空间机器人维修、深海探索、拆解核化设施、微创手术等任务时，通常需要依靠人机交互设备实现对远端机器人的遥操作。研究表明，具有力反馈的交互设备，可以将远端执行器与周边环境发生接触的力触觉信息反馈给操作者，使得操作者能真实地感受到远端执行器的状态，能有效提高操作的准确性与可靠性。因此，力反馈交互设备是构建主从遥操作***和虚拟现实***的关键设备，而针对力反馈交互设备的研究也是人机交互领域的热点问题。
力反馈交互设备已经经过了半个世纪的发展，随着不断拓宽的应用领域，不断有新的需求涌现出来。因此，尽管Force Dimension公司、Sensable Technologies公司、Novint Technologies公司已推出多种带有力触觉反馈的商业化桌面式手控器，但仍然存在各自的局限。例如，Sensable Technologies公司生产的PHANToM Touch系列与PHANToMTouchX系列采用的是串联结构。由于串联结构的固有的性质，该系列设备的刚度低，所提供的力反馈输出小。Force Dimension公司根据Delta并联机构设计的omega.3虽然具有良好的刚度及力反馈输出，但不具有三维转动感知能力。为此，在Delta并联机构的基础之上，通过串联具有三个转动副的串联机构来实现6自由度运动，Force Dimension公司又提出了Sigma.7与Omega.6系列。由于串联部分的质量较大，Sigma.7与Omega.6系列存在较大的惯性。因此，设计具有低惯性、高刚度的6自由度力反馈装置仍然是一个具有挑战性的问题。
发明内容
本发明旨在解决以上现有的技术问题，提出了一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置。该混联六自由度力反馈装置仅串联了一个单自由度的转动机构，能在保证具有大转动能力的前提下，提高整个装置的刚度，同时还具有较低的惯性。本发明的技术方案如下：
一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置，其包括：包括一个五自由度的并联机构和一个单自由度的串联机构；所述并联机构用于产生三个移动与两个转动运动，所述串联机构用于产生另一个转动运动；通过将所述串联机构串联在所述并联机构之上，整个混联装置可以实现六自由度运动的感知能力；所述并联机构包括定平台、动平台，以及布置在定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和约束支链；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在定平台与所述动平台之间，所述定平台上布置有第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、第四驱动装置与第五驱动装置；所述串联机构包括第六驱动装置及操作柄；所述操作柄由所述第六驱动装置进行驱动，可以相对第六驱动装置进行转动；所述并联机构的定平台固定在基座上，所述串联机构的第六驱动装置固定在所述并联机构的动平台上。
进一步的，所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括驱动连杆A、虎克铰A、连杆A、连接杆A、虎克铰B；所述驱动连杆A的一端与所述定平台通过转动副连接，并分别由所述第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置进行驱动；所述虎克铰A包括虎克铰A转动轴与虎克铰A转动孔；所述驱动连杆A的另一端通过转动副与所述虎克铰A转动轴连接；所述虎克铰A转动孔与所述连杆A的一端通过转动副连接；所述连接杆A包括第一转动轴与第二转动轴；所述连杆A的另一端通过转动副与所述连接杆A的第一转动轴连接；所述虎克铰B包括虎克铰B转动轴与虎克铰B转动孔；所述连接杆A的第二转动轴与所述虎克铰B转动轴通过转动副连接；所述虎克铰B转动轴与所述动平台的一端通过转动副连接.
进一步的，所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还分别固设有第一转动支架、第二转动支架、第三转动支架与第四转动支架；所述约束支链包括十字轴、圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2、圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2、驱动连杆B、连杆B、驱动连杆C、连杆C、连接杆B；所述十字轴包括第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴与第四转动轴；所述十字轴的第一转动轴与第四转动轴的转动轴线重合，所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合；所述第一转动轴与第四转动轴的转动轴线垂直于所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线；所述第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的第一转动支架通过转动副连接；所述十字轴的第四转动轴与所述定平台的第四转动支架通过转动副连接。
进一步的，所述圆柱齿轮A1通过所述第四驱动装置进行驱动；所述第四驱动装置固设在所述第二转动支架上；所述圆柱齿轮A2与锥齿轮A1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第一转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮A1与圆柱齿轮A2通过齿轮啮合，可以将所述圆柱齿轮A1的运动传递到所述圆柱齿轮A2上；所述锥齿轮A2通过转动副与所述十字轴的第二转动轴连接；所述锥齿轮A1与锥齿轮A2组成一对配合齿轮；所述圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2组成一套差动轮系，所述锥齿轮A2的转动不仅与所述圆柱齿轮A1的转动有关，还与所述十字轴绕其第一转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆B固接在所述锥齿轮A2上，可以将锥齿轮A2的转动传递到所述驱动连杆B上；所述圆柱齿轮B1通过所述第五驱动装置进行驱动；所述第五驱动装置固设在所述第三转动支架上；所述圆柱齿轮B2与锥齿轮B1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第四转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮B1与圆柱齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述锥齿轮B2通过转动副与所述十字轴的第三转动轴连接；所述锥齿轮B1与锥齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2组成另一套差动轮系，所述锥齿轮B2的转动不仅与所述圆柱齿轮B1的转动有关，还与所述十字轴绕其第四转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆C固接在所述锥齿轮B2上，可以将锥齿轮B2的转动传递到所述驱动连杆C上.
进一步的，所述十字轴绕其第一转动轴的转速与绕其第四转动轴的转速是一致的；为保证两套差动轮系互不干涉，所述锥齿轮A1、锥齿轮A2与锥齿轮B1、锥齿轮B2的齿轮参数互不相同；
进一步的，所述驱动连杆B的一端通过转动副与所述连杆B连接；所述驱动连杆C的一端通过转动副与所述连杆C连接；所述连接杆B包括第一转动轴、第二转动轴与第三转动轴；所述连接杆B的第一转动轴与所述连杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆B的第二转动轴与所述连杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上的下部固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆B的第三转动轴连接。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明利用两套差动轮系，即分别由所述圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2，以及所述圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2组成的两套差动轮系，将两条主动约束支链中驱动连杆B与驱动连杆C的驱动装置安装到了基座上的第二转动支架与第三转动支架上，可以有效减小运动部件的惯性；(2)两套差动轮系的参数互不相同，运动也互不干涉，可以单独控制驱动连杆B与驱动连杆C的各自运动；(3)串联部分仅为单自由度的转动关节，即所述第六驱动装置与操作柄，再加上五自由度并联机构所固有的高刚度，能够有效提高整个混联力反馈装置的刚度；(4)通过使用含有两个驱动连杆的约束支链，可以减少主动支链的数量，使得并联部分的五自由度机构具有大转角转动能力，从而保证混联力反馈装置的工作空间要求。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的结构示意图；
图2为本发明的第二支链的结构示意图；
图3为本发明的虎克铰A的结构示意图；
图4为本发明的连接杆A的结构示意图；
图5为本发明的约束支链的结构示意图；
图6为本发明的十字轴的结构示意图；
图7为本发明的差动轮系的结构示意图；
图8为本发明的连接杆B的结构示意图；
图9为本发明的动平台及操作柄的结构示意图；
其中，图中，动平台-1；定平台-2；第一支链-3；第二支链-6；第三支链-7；约束支链-10；；第一驱动装置-4；、第二驱动装置-5；、第三驱动装置-11；第四驱动装置-2；第五驱动装置-16；第六驱动装置-9；操作柄-8；驱动连杆A-61；虎克铰A-62；连杆A-63；连接杆A-64；虎克铰B-65；虎克铰A转动轴-621；虎克铰A转动孔-622；第一转动轴-624；第二转动轴-623；十字轴-10-1；圆柱齿轮A1-10-2；圆柱齿轮A2-10-3；锥齿轮A1-10-4；锥齿轮A2-10-5；圆柱齿轮B1-10-6、圆柱齿轮B2-10-7；锥齿轮B1-10-8；锥齿轮B2-10-9；驱动连杆B-10-10；连杆B-10-11、驱动连杆C-10-12；连杆C-10-14；连接杆B-10-15；十字第一转动轴-10-1A；十字第二转动轴-10-1B；十字第三转动轴-10-1C；第四转动轴-10-1D.
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1-9所述，本发明提出的一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置，其包括一个五自由度的并联机构部分和一个单自由度的串联部分；所述并联机构部分包括定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和约束支链；所述定平台上布置有第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、第四驱动装置与第五驱动装置；所述串联部分包括第六驱动装置、操作柄；所述操作柄由所述第六驱动装置进行驱动，可以相对第六驱动装置进行转动；所述并联部分与所述串联部分的位置关系为：所述并联部分的定平台固定在基座上，所述串联部分的第六驱动装置固定在所述并联部分的动平台上；
所述并联部分的第一支链、第二支链和第三支链对称布置在所述定平台与所述动平台之间；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括驱动连杆A、虎克铰A、连杆A、连接杆A、虎克铰B；所述第一支链、第二支链和第三支链的驱动连杆A的一端与所述定平台通过转动副连接，并分别由所述第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置进行驱动；所述虎克铰A包括第一转动轴与第二转动孔；所述驱动连杆A的另一端通过转动副与所述虎克铰A的第一转动轴连接；所述虎克铰A的第二转动孔与所述连杆A的一端通过转动副连接；所述连接杆A包括第一转动轴与第二转动轴；所述连杆A的另一端通过转动副与所述连接杆A的第一转动轴连接；所述虎克铰B与所述虎克铰A结构类似，同样包括第一转动轴与第二转动孔；所述连接杆A的第二转动轴与所述虎克铰B的第二转动孔通过转动副连接；所述虎克铰B的第一转动轴与所述动平台的一端通过转动副连接；
进一步地，为方便安装所述并联部分的约束支链，所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还分别固设有第一转动支架、第二转动支架、第三转动支架与第四转动支架；所述约束支链包括十字轴、圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2、圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2、驱动连杆B、连杆B、驱动连杆C、连杆C、连接杆B；所述十字轴包括第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴与第四转动轴；所述十字轴的第一转动轴与第四转动轴的转动轴线重合，所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合；所述第一转动轴与第四转动轴的转动轴线垂直于所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线；所述第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的第一转动支架通过转动副连接；所述十字轴的第四转动轴与所述定平台的第四转动支架通过转动副连接；所述圆柱齿轮A1通过所述第四驱动装置进行驱动；所述第四驱动装置固设在所述第二转动支架上；所述圆柱齿轮A2与锥齿轮A1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第一转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮A1与圆柱齿轮A2通过齿轮啮合，可以将所述圆柱齿轮A1的运动传递到所述圆柱齿轮A2上；所述锥齿轮A2通过转动副与所述十字轴的第二转动轴连接；所述锥齿轮A1与锥齿轮A2组成一对配合齿轮；所述圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2组成一套差动轮系，所述锥齿轮A2的转动不仅与所述圆柱齿轮A1的转动有关，还与所述十字轴绕其第一转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆B固接在所述锥齿轮A2上，可以将锥齿轮A2的转动传递到所述驱动连杆B上；所述圆柱齿轮B1通过所述第五驱动装置进行驱动；所述第五驱动装置固设在所述第三转动支架上；所述圆柱齿轮B2与锥齿轮B1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第四转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮B1与圆柱齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述锥齿轮B2通过转动副与所述十字轴的第三转动轴连接；所述锥齿轮B1与锥齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2组成另一套差动轮系，所述锥齿轮B2的转动不仅与所述圆柱齿轮B1的转动有关，还与所述十字轴绕其第四转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆C固接在所述锥齿轮B2上，可以将锥齿轮B2的转动传递到所述驱动连杆C上；需要说明的是，所述十字轴绕其第一转动轴的转速与绕其第四转动轴的转速是一致的；为保证两套差动轮系互不干涉，所述锥齿轮A1、锥齿轮A2与锥齿轮B1、锥齿轮B2的齿轮参数互不相同；
进一步地，所述驱动连杆B的一端通过转动副与所述连杆B连接；所述驱动连杆C的一端通过转动副与所述连杆C连接；所述连接杆B包括第一转动轴、第二转动轴与第三转动轴；所述连接杆B的第一转动轴与所述连杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆B的第二转动轴与所述连杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上的下部固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆B的第三转动轴连接。
本发明的工作原理：如图1所示，本发明提出的混联机构包括一个五自由度的并联机构和一个单自由度的串联机构；所述并联机构用于产生三个移动与两个转动运动，所述串联机构用于产生另一个转动运动；通过将所述串联机构串联在所述并联机构之上，整个混联装置可以实现六自由度运动的感知能力；如图7所示，利用分别由所述圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2，以及所述圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2组成的两套差动轮系，通过第四驱动装置与第五驱动装置控制圆柱齿轮A1与圆柱齿轮B1的转动，进而控制驱动连杆B与驱动连杆C，以实现连接杆B的转动运动；在第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、第四驱动装置与第五驱动装置的共同驱动下，可以实现所述并联机构动平台的三个移动与两个转动运动；所述操作柄的转动由第六驱动装置进行驱动；再借助于动平台的运动，所述操作柄可以实现六自由度运动。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种含有差动轮系的混联六自由度力反馈装置，其特征在于，包括：包括一个五自由度的并联机构和一个单自由度的串联机构；所述并联机构用于产生三个移动与两个转动运动，所述串联机构用于产生另一个转动运动；通过将所述串联机构串联在所述并联机构之上，整个混联装置可以实现六自由度运动的感知能力；所述并联机构包括定平台、动平台，以及布置在定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和约束支链；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在定平台与所述动平台之间，所述定平台上布置有第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、第四驱动装置与第五驱动装置；所述串联机构包括第六驱动装置及操作柄；所述操作柄由所述第六驱动装置进行驱动，可以相对第六驱动装置进行转动；所述并联机构的定平台固定在基座上，所述串联机构的第六驱动装置固定在所述并联机构的动平台上；
所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还分别固设有第一转动支架、第二转动支架、第三转动支架与第四转动支架；所述约束支链包括十字轴、圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2、圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2、驱动连杆B、连杆B、驱动连杆C、连杆C、连接杆B；所述十字轴包括第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴与第四转动轴；所述十字轴的第一转动轴与第四转动轴的转动轴线重合，所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合；所述第一转动轴与第四转动轴的转动轴线垂直于所述第二转动轴与第三转动轴的转动轴线；所述第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的第一转动支架通过转动副连接；所述十字轴的第四转动轴与所述定平台的第四转动支架通过转动副连接；所述圆柱齿轮A1通过所述第四驱动装置进行驱动；所述第四驱动装置固设在所述第二转动支架上；所述圆柱齿轮A2与锥齿轮A1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第一转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮A1与圆柱齿轮A2通过齿轮啮合，可以将所述圆柱齿轮A1的运动传递到所述圆柱齿轮A2上；所述锥齿轮A2通过转动副与所述十字轴的第二转动轴连接；所述锥齿轮A1与锥齿轮A2组成一对配合齿轮；所述圆柱齿轮A1、圆柱齿轮A2、锥齿轮A1、锥齿轮A2组成一套差动轮系，所述锥齿轮A2的转动不仅与所述圆柱齿轮A1的转动有关，还与所述十字轴绕其第一转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆B固接在所述锥齿轮A2上，可以将锥齿轮A2的转动传递到所述驱动连杆B上；所述圆柱齿轮B1通过所述第五驱动装置进行驱动；所述第五驱动装置固设在所述第三转动支架上；所述圆柱齿轮B2与锥齿轮B1组成一个整体齿轮，该整体齿轮通过转动副与所述十字轴的第四转动轴连接，可以相对所述十字轴进行转动；所述圆柱齿轮B1与圆柱齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述锥齿轮B2通过转动副与所述十字轴的第三转动轴连接；所述锥齿轮B1与锥齿轮B2形成一对齿轮配合关系；所述圆柱齿轮B1、圆柱齿轮B2、锥齿轮B1、锥齿轮B2组成另一套差动轮系，所述锥齿轮B2的转动不仅与所述圆柱齿轮B1的转动有关，还与所述十字轴绕其第四转动轴的转动有关；通过将所述驱动连杆C固接在所述锥齿轮B2上，可以将锥齿轮B2的转动传递到所述驱动连杆C上；所述十字轴绕其第一转动轴的转速与绕其第四转动轴的转速是一致的；为保证两套差动轮系互不干涉，所述锥齿轮A1、锥齿轮A2与锥齿轮B1、锥齿轮B2的齿轮参数互不相同；
所述驱动连杆B的一端通过转动副与所述连杆B连接；所述驱动连杆C的一端通过转动副与所述连杆C连接；所述连接杆B包括第一转动轴、第二转动轴与第三转动轴；所述连接杆B的第一转动轴与所述连杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆B的第二转动轴与所述连杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上的下部固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆B的第三转动轴连接。
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