[发明专利]包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄

说明书

本发明公开了一种包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；其中手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三，手柄螺杆与手柄活动连接，手柄通过手柄螺杆与旋转架连接力矩电机一和力矩电机二，拇指指环通过传动齿轮连接力矩电机三，三台力矩电机内置旋转编码器和控制寄存器，力矩电机转轴转动会带动旋转编码器旋转，从而得出力矩电机的角位移，进而判断手柄当前的位姿并输出给电脑，通过数据转换即可对月球车或其他受控对象进行操控。本发明结构简单，加工方便，可用于载人月球车驾驶训练等需前后、左右、上下三个自由度的控制操作，实现虚拟训练力反馈的功能。

技术领域

本发明属于力反馈控制技术领域，具体涉及一种包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄。

背景技术

随着现代工业的发展，机器如何操作仍然是一项非常重要的课题，部分行业已经能够实现机器自动化控制，例如装配、焊接等行业，但是对于一些特殊场合，例如医疗手术机器人、救灾抢险机器人、航空航天行业中的重要机械等等，仍然需要人员手动控制，也即人机交互。但是目前大部分行业所采用的按钮控制或无反馈的手柄控制，或是无法直观的对机器进行操作，或是无法直观的感知机器的当前状态，从而存在操作不当的可能性。

例如通过手柄遥控车辆在具有复杂地形的环境中前行时，车辆所允许通过的坡度存在一个范围，如果操作员缺少最直观的反馈，就可能导致操作员无法准确掌握车辆周围的环境参数，从而可能会出现轮胎打滑、地盘与地面接触、溜车等危险情况，对于航空航天行业和医疗行业，类似失误更是有可能造成无法承担的后果。因此，包含力反馈功能的操作手柄具有强大的功能和相当广阔的应用前景。操作员在使用力反馈手柄进行人机交互的过程中，手柄朝不同方向运动，所反馈的力或力矩是不同的，通过比较各个方向的力或力矩，操作员能够判断出当前所操控对象的状态，从而进行合理的操作决策。

但是，现存的力反馈手柄装置大多结构复杂，从而导致手柄的控制和使用较为困难。另外，由于激励的迟滞和不规则性，系统不能给出及时适当的力反馈。最后，受手柄硬件本身的惯量，以及软件存在的数据转换等因素影响，力反馈的精度有所欠缺。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，结构简单、理解容易，加工方便，可用于载人月球车驾驶训练等需前后、左右、上下三个自由度的控制操作，系统从虚拟环境中计算出力矩，实现虚拟训练力反馈的功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

包含两个垂直交错轴的三自由度力反馈手柄，包括底座、手柄螺杆、四个旋转架、力矩电机一、力矩电机二、手柄和控制电路板；其中，手柄包括拇指指环、传动齿轮、支架和力矩电机三。

对于三自由度力反馈手柄，底座整体为正方形，内部设有若干框架用于安装力矩电机一、力矩电机二、旋转架。底座上方设有形状相同的上盖，上盖中央留有空洞，用于手柄和手柄螺杆的安装。

力矩电机一与力矩电机二呈90°固定在底座上；四个旋转架两两组合，通过螺栓和螺母连接，两个组合的旋转架成90°交错，旋转架的圆弧分别位于上方和下方；旋转架组合体的圆弧中部留有空槽，将手柄螺杆夹在中间；手柄螺杆上部套有螺纹，手柄螺杆的杆身中部和底部各有一圈突起，能够将两组旋转架夹在中间，实现手柄螺杆的上下方向的限位。

两组旋转架分别和力矩电机一与力矩电机二通过插孔直接连接；旋转架远离力矩电机的一端通过轴承一设置在底座上；上盖和底座之间通过螺丝连接；手柄螺杆上方套有外螺纹，手柄下方攻内螺纹，二者通过螺纹连接；负责控制力矩电机的控制电路板通过安装支架固定在平台上。

所述传动齿轮包括锥齿轮一和锥齿轮二，其中，拇指指环和锥齿轮一通过螺丝连接在一起；锥齿轮一和支架通过轴承连接；力矩电机三和锥齿轮二相连，力矩电机三固定在支架上；两个锥齿轮之间成90°夹角传动。