[发明专利]三自由度力觉感知手控器

说明书

技术领域

本发明是一种三自由度的力觉感知手控器的机构，尤其是一种应用于机器人 控制的人机接口装置中的通用型异构式力觉感知手控器机构。

背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人 机接口装置。数据手套和机器人手控器是两种常见的遥操作机器人的人机接口装 置，由于数据手套无法测量人手臂关节的变化，并且缺乏有效的力觉反馈，因此， 机器人手控器是实现遥操作机器人控制的最有效的人机接口装置，它一方面通过 测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或者虚拟现实中的虚拟机 械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直 接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工 作现场的“身临其境”的力觉/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控 制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受。机器人手控器可以分为同构式和异 构式两种，现有的手控器大都是同构式，同构式手控器与远地机械手具有相同的 结构和自由度，采取关节——关节的驱动方式。机器人同构式手控器虽然控制简 单，但其只能用于特定型号的机器人控制，缺少通用性。因此，通用型的手控器 都采用和机器人结构不同的异构方式，现有的异构式手控器有笔形操作杆结构、 并联结构、串/并联混合结构、一体化的闭链式结构和基于Delta机构的异构式 手控器。前四种异构式手控器的缺点在于存在着无法克服的平动与转动之间的运 动耦合和力的耦合，后一种基于Delta机构的异构式手控器缺点在于工作空间 小，无法克服重力的影响，并且控制复杂。

技术内容

技术问题  本发明提供了一种有利于提高测量精度的三自由度力觉感知手 控器，该装置操作轻便，惯性小，重力自平衡，无重力干扰。

技术方案  一种三自由度力觉感知手控器，由菱形连杆机构组件、手部机构、 配重、支架、手柄连接件和配重连接件组成。菱形连杆机构组件包括第一组菱形 连杆机构、第二组菱形连杆机构和第三组菱形连杆机构。第二组菱形连杆机构和 第三组菱形连杆机构相互平行，第一组菱形连杆机构与上述第二、三组菱形连杆 机构垂直。并且，以第二、三组菱形连杆机构所在平面或与之平行的平面为XOZ 坐标平面，以第一组菱形连杆机构所在平面或与之平行的平面为XOY坐标平面， 以与XOZ坐标平面及XOY坐标平面相垂直的平面为YOZ平面。在第一组菱形连杆 机构和第二组菱形连杆机构上分别设有围绕Y轴旋转的1维自由度万向节、围绕 Z轴旋转的1维自由度万向节，并且第一组菱形连杆机构通过围绕Y轴旋转的1 维自由度万向节与第一力矩反馈电机的输出轴连接，第二组菱形连杆机构通过围 绕Z轴旋转的1维自由度万向节与第二力矩反馈电机的输出轴连接，第一力矩反 馈电机的基座及第二力矩反馈电机的基座分别与支架连接。在第三组菱形连杆机 构与支架之间设有围绕Y轴和Z轴旋转的2维自由度万向节，所述的围绕Y轴旋 转的1维自由度万向节、围绕Z轴旋转的1维自由度万向节及围绕Y轴和Z轴旋 转的2维自由度万向节处于同一平面内且该同一平面与YOZ平面平行。在菱形连 杆机构组件中的任一菱形连杆机构上设有第三力矩反馈电机，第三力矩反馈电机 的基座与组成菱形连杆机构的一根菱形连杆连接，第三力矩反馈电机的输出轴与 组成菱形连杆机构的另一根菱形连杆连接，且用于设置第三力矩反馈电机的菱形 连杆机构中的两根菱形连杆相邻。菱形连杆机构组件中的任一菱形连杆机构的两 端分别连接有围绕Z轴和Y轴旋转的2维自由度万向节且分别与围绕Z轴和Y 轴旋转的2维自由度万向节的一端连接。位于菱形连杆机构一端的围绕Z轴和Y 轴旋转的3个2维自由度万向节的另一端与配重连接件的一侧连接，配重连接件 的另一侧与配重连接。位于菱形连杆机构另一端的围绕Z轴和Y轴旋转的3个2 维自由度万向节的另一端与手柄连接件的一侧连接，手柄连接件的另一侧与手部 机构连接。