[实用新型]一种四支链并联式六自由度力反馈装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种力反馈装置，特别是涉及一种四支链并联式六自由度力反馈装置。

背景技术

虚拟现实技术利用计算机模拟生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境。在虚拟环境中，用户通过使用各种交互装置，同虚拟物体相互作用，产生身临其境感觉的交互式仿真与信息交流。力觉临场感是虚拟现实技术的一个重要特点。力反馈装置是实现力觉临场感的交互装置。通过力反馈装置，用户可以真实感知对虚拟环境中物体的操作力，使得虚拟环境中的物体不仅“看起来是真的”，而且“摸起来是真的”，从而，有效地扩展了人们对计算机数字信息空间的感知通道。力反馈装置主要实现两个功能：一是将计算机模拟计算出的作用力通过力反馈手柄实时反馈给用户，产生力觉临场感；二是跟踪测量用户手部的位置信息并传递给计算机，用来操纵控制虚拟环境中物体的运动。传统的力反馈装置可以分为两类，一类采用串联式结构，这类力反馈装置一般都能达到六自由度以及较大的工作空间，但是存在累积误差，而且动态性较差，导致产生的反力精度低和延滞时间长。另一类采用并联式结构，这类力反馈装置一般精度较高，而且动态性能好，典型的如STEWART机构和DELTA机构，但也存在一些缺点，例如，STEWART机构由于采用6个对称的虎克铰-连杆-移动副-连杆-球铰支链，工作空间相对较小，而且移动副处采用液压缸来产生反力，结构复杂；DELTA机构存在工作空间不可调等缺点。因此有必要针对虚拟现实技术的需要，研究开发具有六自由度、工作空间大、误差小、动态性较好而且结构相对简单的力反馈装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种四支链并联式六自由度力反馈装置，它是一种具有六自由度、工作空间可调、误差小、动态性能较好、结构较简单的主动力反馈装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型由四个支链并联组成；在平板式的底座安装第一虎克铰链、第二虎克铰链、第一球铰链和第二球铰链，分别与各自的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的一端连接，四个铰链在底座上分布在一个等腰梯形的四个顶点上，按顺时针方向分别为第一虎克铰链、第二虎克铰链、第一球铰链和第二球铰链；第一虎克铰链和第二虎克铰链位于该梯形短的下底的两个端点上，而第一球铰链和第二球铰链位于该梯形长的上底的两个端点上；第一连杆的另一端经第一移动副与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端接第三虎克铰链，构成第一支链；第二连杆的另一端经第二移动副与第六连杆的一端连接，第六连杆的另一端接第四虎克铰链，构成第二支链；第三连杆的另一端经第一转动副与第七连杆的一端连接，第七连杆的另一端经第三移动副与第九连杆的一端连接，第九连杆的另一端接第五虎克铰链，构成第三支链；第四连杆的另一端经第二转动副与第八连杆的一端连接，第八连杆的另一端经第四移动副与第十连杆的一端连接，第十连杆的另一端接第六虎克铰链，构成第四支链；第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链和第六虎克铰链分别安装在手柄正方底座的四个侧面上，组成四支链并联机构。

所述各转动副的结构相同，分别将旋转电机固定在电机座上，电机座通过螺钉固定在一根连杆上，旋转电机的轴通过键和另一根连杆联结，两根连杆的夹角就由旋转电机的转角所决定。

所述各移动副的结构均相同，均为线行程可调的装有测量线位移的光电编码器的直线电机；直线电机的初级和一根连杆联结，次级和另一连杆联结，两连杆的相对位移就由线行程可调的直线电机的位移所决定。

本实用新型工作空间可调。通过调节电机的工作行程，实现对手柄工作空间的调节，以满足操作空间的需要。

本实用新型具有的有益效果是：

1、采用四支链并联连杆机构，其中两个为三杆串联支链，另外两个为两杆串联支链，比每个支链都为两杆串联的STEWART和DELTA等机构更容易获得较大的工作空间。通过对电机行程的调节，手柄的工作空间可在一定范围内变化，从而满足不同操作空间的需要。

2、所有的直线移动副处都安装直线电机以产生反力，与STWART等使用的液压系统相比，减小了误差，加快响应速度，使动态响应性能更好；力的大小可以通过电流实现精确调节；由于不用复杂的供油系统，整体结构也更为简单。

3、第一个支链和第二个支链中对应的构件和运动副的结构完全一样，第三个支链和第四个支链中对应的构件和运动副的结构完全一样，这样的结构有利于整个机构的平衡。

附图说明

图1是本实用新型执行部分整体结构图。

图2是手柄相关部件结构图。

图3是本实用新型执行部分的运动副示意图。