專利名稱：觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙操作機器人系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中所需的夾持結(jié)構(gòu)，它可以實現(xiàn)遙操作機器人系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的夾持力反饋，尤其適用于水下、醫(yī)療、航空航天及危險環(huán)境下遙操作機器人系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中所需的夾持關(guān)節(jié)及其力反饋的實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
隨著遙操作機器人技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種各樣的觸感裝置被成功開發(fā)出來，這些觸感裝置將從操作機器人末端執(zhí)行器與環(huán)境交互作用力信息反饋給操作者，使操作者產(chǎn)生“身臨其境”的感知效果，在這些觸感裝置中一般都會涉及到夾持關(guān)節(jié)，但目前商品化的觸感裝置(如PHANTOM、Omega等觸感裝置)中還未實現(xiàn)夾持關(guān)節(jié)的力反饋，且大多數(shù)夾持結(jié)構(gòu)是在特定的應(yīng)用環(huán)境下開發(fā)出來的，通用性差，因此開發(fā)一種通用性強，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的夾持力反饋系統(tǒng)對于彌補現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足具有重大意義。另外，近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療、遙操作、軍事及娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括以下三方面內(nèi)容，即視覺、力覺和聽覺，其中力覺感受對于某些特殊環(huán)境及特定操作具有重要意義，如能見度差的環(huán)境、表面跟蹤操作等，在這些場合，實時準確的力覺感受是成功完成作業(yè)的保障。因此，夾持力反饋系統(tǒng)對提高觸感裝置的臨場感以及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實性意義非凡。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于在現(xiàn)有夾持關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)出一種可實現(xiàn)夾持力反饋的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于遙操作機器人系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。為了達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，它包括夾持部分和力反饋實現(xiàn)部分。本發(fā)明夾持力反饋系統(tǒng)的夾持部分包括支撐件外殼，兩個夾持手柄分別通過連接短軸和軸承與外殼相連，兩個夾持連桿一端與夾持手柄通過連接短軸和軸承連接，另一端通過軸承與滑塊連接， 滑塊與彈簧固定相連，兩個夾持手柄分別繞兩個連接短軸轉(zhuǎn)動形成夾持的開合運動。力反饋的實現(xiàn)控制器接收到夾持力信號，并向電機發(fā)出控制信號，電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠與外殼通過軸承連接，與絲杠匹配的螺母在絲杠上作直線運動，當有力反饋時，絲杠帶動螺母向壓縮彈簧方向運動，螺母壓縮彈簧變形為ΔΧ，彈簧變形產(chǎn)生彈力F = K· ΔΧ，彈力傳遞到夾持手柄上使操作者感受到夾持力。本發(fā)明夾持力反饋系統(tǒng)有以下優(yōu)點1.本發(fā)明的機構(gòu)可以用于多種遙操作機器人系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通用性強， 符合人機工程學(xué)要求。2.本機構(gòu)所述的夾持力反饋系統(tǒng)使夾持力得到了精確控制，大大提高了人機聯(lián)合操作的臨場感以及精確度。3.本機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、力反饋精度高、剛度高、制造成本低等優(yōu)點。4.本機構(gòu)通過絲杠螺母和彈簧的組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)夾持力反饋，結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。
圖1是本發(fā)明在一種六維力反饋觸感裝置中的應(yīng)用示意圖。圖2是本發(fā)明觸感裝置的夾持力反饋系統(tǒng)的總體示意圖。圖3是圖2所示的裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖2所示的裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。圖1是本發(fā)明在主從式遙操作機器人主操作手系統(tǒng)中的應(yīng)用示例。圖1中主操作手系統(tǒng)包括底座1-1、大臂機構(gòu)1-2，肘關(guān)節(jié)機構(gòu)1-3、小臂機構(gòu)1-4、腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1-5以及本發(fā)明夾持力反饋系統(tǒng)1-6。在本示例中本發(fā)明直接與主操作手系統(tǒng)的腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1-5的姿態(tài)架相連，即姿態(tài)架替代外殼作為支撐存在，此腕關(guān)節(jié)為三軸交匯于一點的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明夾持力反饋系統(tǒng)亦可應(yīng)用于其它腕部結(jié)構(gòu)或者獨立存在于其它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。圖2是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3、圖4是本發(fā)明的詳細結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明觸感裝置的夾持力反饋系統(tǒng)包括夾持部分與力反饋部分。外殼2-1為支撐關(guān)節(jié)，外殼2-1 通過軸承3-5與絲杠3-1相連，與外殼2-1固定相連的連接短軸2-6，通過軸承與夾持手柄 2-3連接，夾持手柄2-3可繞連接短軸2-6轉(zhuǎn)動，指環(huán)2-4嵌入夾持手柄2_3的末端，夾持連桿2-2 —端通過軸承和連接短軸2-7與夾持手柄2-3相連，另一端通過軸承與滑塊3-2相連，開合角度可通過與連接短軸2-6相連的角度電位器2-5測量并經(jīng)過相關(guān)計算得到或者通過與滑塊相連的線性電位器測量計算得到，這些機構(gòu)的組合形成了夾持部分。彈簧3-3 一端與滑塊3-2固定相連(彈簧固定端)，另一端為浮動端，絲杠3-1 —端通過軸承與外殼 2-1連接，另一端通過聯(lián)軸器3-6與電機3-7的輸出軸相連，電機3-7通過螺釘固定在電機底座3-8上，電機底座3-8可以固定在應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)上?？刂破鹘邮諍A持力信號，控制電機3-7將驅(qū)動絲杠3-1轉(zhuǎn)動，與絲杠3-1相匹配的螺母3-4在兩側(cè)導(dǎo)軌的限制下作直線運動，同時螺母3-4的直線運動壓縮彈簧3-3，通過彈簧浮動端和固定端的差動獲得夾持力反饋所需的變形量，從而實現(xiàn)夾持結(jié)構(gòu)中的夾持力反饋。以上對本發(fā)明裝置進行了示意性的描述，該描述沒有限制，附圖僅是本發(fā)明的實施方式中的一種，實際的結(jié)構(gòu)并不僅僅局限于此。所以如果本領(lǐng)域的技術(shù)研究人員受其啟示，在不改變本發(fā)明的設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，采用其它的傳動形式、連接方式、驅(qū)動裝置，沒有創(chuàng)造性的設(shè)計，與該結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)方式均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。下面說明一種具有夾持力反饋的觸感裝置的夾持力反饋的實現(xiàn)過程與原理。在沒有夾持力的狀態(tài)下，即與該關(guān)節(jié)相對應(yīng)的從操作端與工作環(huán)境之間無相互作用關(guān)系時，控制器沒有接收到夾持力信號，電機不工作，螺母處于初始位置，彈簧一端與滑塊相連一端懸空，此時不受任何力的作用，彈簧保持原長不變，滑塊亦不受力，因此與滑塊相連的夾持連桿也不受力，操作者感受夾持手柄端無力作用。此時，夾持部分在其允許范圍內(nèi)可以自由開合，不受任何約束。在有夾持力的狀態(tài)下，即從操作端與工作環(huán)境(或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中操作者與其虛擬環(huán)境)之間發(fā)生夾持作用，產(chǎn)生相互作用力，從端將力信號傳回到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動電機，并帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使彈簧產(chǎn)生夾持力所需的變形量ΔΧ，從而實現(xiàn)夾持力反饋。
權(quán)利要求
1.觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，它包括夾持部分和力反饋實現(xiàn)部分，夾持部分包括支撐件外殼，此支撐件可根據(jù)本發(fā)明所應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而作相應(yīng)的改變，與所述的外殼通過連接短軸和軸承相連的夾持手柄，以及夾持連桿，夾持連桿兩端通過軸承連接滑塊和所述的夾持手柄，所述的滑塊與彈簧固定相連，所述的兩個夾持手柄分別繞兩個連接短軸轉(zhuǎn)動形成夾持的開合運動，開合量的測量可通過直線電位器或者角度電位器測量得到，直線電位器可安裝于滑塊底部，角度電位器可安裝于連接短軸上，力反饋實現(xiàn)部分包括電機，一端與所述的電機輸出軸固定相連另一端通過軸承與所述的外殼相連的絲杠，與所述的絲杠匹配且受兩側(cè)導(dǎo)軌限制只能作直線運動的螺母，與所述滑塊固定相連的彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，其特征在于所述的電機的輸出軸與絲杠一端通過聯(lián)軸器相連，所述的絲杠另一端與外殼通過軸承相連，所述的兩個夾持連桿均是一端與夾持手柄中部相連，另一端與滑塊相連，所述的滑塊在導(dǎo)軌上隨著夾持手柄的開合而滑動，彈簧與所述的滑塊固定相連，所述的彈簧也隨著夾持手柄的開合作直線運動，所述的絲杠同電機的輸出軸一起轉(zhuǎn)動，與其相對應(yīng)的螺母則在兩側(cè)導(dǎo)軌的限制下作直線滑動，所述的螺母通過壓縮彈簧使其變形而產(chǎn)生彈力，彈力傳遞到操作者的手指， 使其產(chǎn)生力覺臨場感，以實現(xiàn)夾持力反饋。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，其特征在于所述的力反饋實現(xiàn)部分是通過改變彈簧的變形量來實現(xiàn)力反饋的，使彈簧產(chǎn)生變形的機構(gòu)不僅僅局限于絲杠螺母且其驅(qū)動裝置也不僅僅局限于電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，其特征在于所述反饋實現(xiàn)部分可獨立使用于其它機械結(jié)構(gòu)中，不僅僅局限于本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種觸感裝置中的夾持力反饋系統(tǒng)，它包括夾持部分和力反饋實現(xiàn)部分。夾持部分包括外殼，兩個夾持手柄通過連接短軸和軸承與外殼相連，兩個夾持連桿一端與夾持手柄通過連接短軸和軸承連接，另一端通過軸承與滑塊連接，滑塊與彈簧固定相連，兩個夾持手柄繞兩個連接短軸轉(zhuǎn)動形成夾持的開合運動。力反饋的實現(xiàn)控制器接收到夾持力信號，并向電機發(fā)出控制信號，電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，當有力反饋時，絲杠帶動螺母向壓縮彈簧方向運動使其壓縮彈簧，彈簧變形產(chǎn)生彈力，彈力傳遞到夾持手柄上使操作者感受到夾持力。本機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、力反饋精度高、易于操作、制造成本低。
文檔編號B25J13/08GK102152314SQ20101058481
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者劉國華, 劉鋼, 李媛媛, 桑宏強, 耿冬寒, 贠今天 申請人:天津工業(yè)大學(xué)