[发明专利]三自由度转动力反馈手控器

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有三自由度转动的力反馈手控器，主要用于空间机器人和虚拟现实遥操作领域，能够测量旋转角度，再现虚拟环境中物体之间的接触力矩。

背景技术

力反馈手控器又称力觉交互装置，一般用于机器人遥操作、虚拟现实、自然交互界面设计等方面。在遥操作中，操作员在本地端通过了解从端信息(视觉、力觉)从而做出决策，并通过操纵手控器来控制远端的机械臂(从手)运动。

本发明针对三个方向的旋转运动，设计三自由度力反馈手控器，三个转动串联，分别由三个电机控制，每个方向有一个力矩传感器检测力矩信息。在此基础上提出了一种基于力闭环的速度控制模式，通过实时获取力矩传感器数据，判断力的方向与大小，然后通过力的分解，求解与期望力之间的误差，通过PID控制器控制电机速度，给出合适的控制量，驱动电机完成运动。

本发明操作方便简单，采用三个力矩传感器，可以进行精确力矩反馈；采用谐波减速器，减小传动中的反向误差，并提高反馈力矩的范围；采用两个角接触球轴承作支撑，外加一个双向推力轴承，可以减小由于轴承原因照成的晃动，使得运动精确，提高测量精度；三个方向旋转半径近似相等，机构的灵活性好。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种三自由度力觉交互装置，能够测量三个方向（偏转、俯仰、回转）的转动角度，并模拟虚拟环境中物体之间的接触力矩。

本发明包括三个旋转部分，三个旋转轴的初始位置轴线相互垂直；

所述的三自由度转动力反馈手控器，其第一自由度是偏转运动，指电机通过谐波减速器从而带动转轴（207）与转动架（306）绕竖直轴线Z转动；第二自由度是俯仰运动，指电机带动转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）和转轴d（312）绕水平轴Y转动；第三自由度是回转运动，指电机带动转轴（407）与操作手柄（8）一起绕X转动。

本发明的优点在于：

1、机构简单，设计合理，操作方便，便于拆装维护；

2、用谐波减速器减小传动中的反向误差，并提高反馈力矩的范围；采用两个角接触球轴承作支撑，外加一个双向推力轴承，可以减小由于轴承原因照成的晃动，使得运动精确，提高测量精度；

3、三个轴均安装力矩传感器，避免了施加反馈力矩时由于力矩分解造成的误差，同时简化了控制过程，提高反馈力矩的精度；

4、手柄位置设计合理，三个方向的旋转半径近似相等，在进行力矩反馈时各个方向感觉相似度高，操作轻巧，灵活性好；

5、手柄处安装有轻触开关，按下开关后电机才开始工作，松开开关停止工作，可以防止运动过程中的突发情况对操作者照成伤害；

6、三个方向的转动控制互不影响，每个方向由一个电机和扭矩传感器控制，可以将控制模型简化为定常系统，简化控制方法。

附图说明

图1是三自由度转动手控器的系统结构图

图2是三自由度转动手控器的旋转A的剖视图

图3是三自由度转动手控器的旋转B的结构

图4是三自由度转动手控器的旋转C的爆炸视图

图5是三自由度转动手控器的控制原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

旋转部分主要包含的组件有：

旋转A（2），其包括直流伺服电机（201）、编码器（202）、谐波减速器（203）、角接触球轴承a（204）、角接触球轴承b（205）、双向推力轴承（206）、转轴（207）、转动座（208）、套杯（209）、套筒a（210）、套筒b（211）、端盖a（212）、端盖b（213）、电机安装架（214）、电机轴连接件1（215）、电机轴连接件2（216）、锁紧螺母垫圈（217）；

旋转B（3），其包括直流伺服电机（301）、编码器（302）、谐波减速器（303）、角接触球轴承a（304）、角接触球轴承b（305）、转动架（306）、转动架支撑a（307）、转动架支撑b（308）、转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）、转轴d（312）、电机安装架（313）；

旋转C（4），其包括直流伺服电机（401）、编码器（402）、谐波减速器（403）、角接触球轴承a（404）、角接触球轴承b（405）、双向推力轴承（406）、转轴（407）、转动座（408）、套杯（409）、套筒a（410）、套筒b（411）、端盖a（412）、端盖b（413）、电机安装架（414）、电机轴连接件1（415）、电机轴连接件2（416）、锁紧螺母垫圈（417）；