[发明专利]一种混联式6自由度力反馈机械臂

说明书

技术领域

本发明涉及一种力反馈装置，尤其涉及一种混联式6自由度力反馈机械臂，其能够捕捉操作者手部的空间位置和姿态，用于虚拟造型设计中的交互。

背景技术

虚拟造型设计，是虚拟现实技术在设计制造业的重要应用之一，造型设计人员借助虚拟现实系统与虚拟环境进行交互，可以进行造型设计、模拟仿真、性能分析、模型修改等。相比于传统的CAD软件建模设计，借助于虚拟现实系统的虚拟造型设计技术可以使造型设计更加直观、简洁，更有利于设计人员将设计思想迅速表达。其中力觉交互技术是虚拟造型设计中的关键技术，提高了原本单纯依赖视觉和听觉再现设备的人机交互性，使人与虚拟世界的交互更可靠、真实，可以使虚拟设计在视觉、听觉的基础上更加具有沉浸性、想象性与交互性。而力觉交互设备是设计人员与虚拟现实环境进行力觉交互的接口，是虚拟现实技术系统中的重要组成部分。因而力觉交互设备的设计成为了虚拟现实技术系统具有更强的真实性与交互性的关键。

目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，经过对现有技术的文献检索发现，美国Force Dimension公司的Delta系列产品，，其设计的是一种三自由度并联式力反馈机械臂，具有三个运动自由度，在三个运动自由度上均具有反馈力，但该设备工作空间太小，且只具有三个运动自由度，不能满足造型设计人员在操作空间内手部的自由旋转运动，且由于使用材料的特殊性导致产品设备价格昂贵；中国专利申请号201510033110.2，名称为：一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，该专利具有七个运动自由度且在七个运动自由度上均具有力反馈，但操作末端上安装的电机导致整个设备的运动惯量及设备阻抗较大，严重影响了设备的精确性定位和实时性交互；中国专利申请号201310042090.6，名称为：一种串并联力反馈遥操作手，该专利具有6个运动自由度，在3个自由度上具有反馈力，且在末端的串联3自由度上通过配重块进行了重力平衡补偿，但末端的配重机构导致了设备末端结构的不紧凑，运动灵活性降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提供一种结构简单紧凑、运动灵活、成本低廉、运动范围合适、刚度较高，能与虚拟造型设计应用中对交互设备大刚度、运动范围要求较低、运动灵活等要求相匹配，能实时地与造型设计的虚拟现实环境进行力觉交互的混联式6自由度力反馈机械臂。

本发明所采用的技术方案是：

一种混联式6自由度力反馈机械臂，包括底座机构、设置在所述底座机构上的并联机构、设置于并联机构末端的串联机构，所述的并联机构包括固定在所述底座机构上的固定平台、三条一端与所述固定平台正面活动连接的支链、与所述各支链另一端活动连接的浮动平台，所述浮动平台具有三个移动自由度，所述固定平台上还设置有通过传动装置分别与各支链驱动连接的驱动执行元件；

所述的串联机构包括依次设置在所述浮动平台上的三维力传感器、具有三个旋转自由度的手柄机构；

所述驱动执行元件、手柄机构上设置有用于获取手部空间姿态及空间位置的传感器。

进一步地，每个支链均包括一平行四边形机构、通过轴承转动连接于所述平行四边形机构两相对边中部的第一延长杆和第二延长杆，所述第一延长杆另一端通过第一旋转轴与固定在上述固定平台正面的两个第一支撑架活动铰接，所述第二延长杆的另一端与所述浮动平台固定连接。

进一步地，所述的平行四边形机构包括两根平行设置的第二旋转轴、两根平行设置的第一杆件，两根第二旋转轴的两端分别固定设置有角接头，所述第一杆件的两端通过轴承与第二旋转轴的两端的角接头旋转连接。

进一步地，所述驱动执行元件通过第二支撑架固定在所述固定平台背面。

进一步地，所述驱动执行元件为有刷空心杯直流伺服电机。

进一步地，所述的传动装置包括通过钢丝绳驱动连接的主动轮和半圆形减速从动轮，所述主动轮设置在所述驱动执行元件输出轴前端，所述半圆形减速从动轮通过第一旋转轴转动设置在两个第一支撑架之间，所述半圆形减速从动轮直径方向与所述第一延长杆固定连接。