[发明专利]一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法

摘要

一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法，它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)组成；该驱动部分(1)安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)的转动轴线与该驱动部分(1)的转动轴线重合，以上三个部分的结构件的固定方式是用螺钉连接；其工作方法是通过四步进行。本发明使力反馈设备具有低惯量的性能，整体上提升了力反馈设备的刚度性能和交互感，结构简单，制造成本低。

主权项

1.一种单自由度力反馈手柄装置，其特征在于：它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)组成；它们三者之间的位置与连接关系是：该驱动部分(1)安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)的转动轴线与该驱动部分(1)的转动轴线重合，以上三个部分的结构件的固定方式是用螺钉连接；所述驱动部分(1)包括第一编码器(4)、电机(5)、减速器(6)和动态物理约束(8)；它们之间的位置与连接关系是：该动态物理约束(8)连接在减速器(6)输出轴上，该电机(5)连接在减速器(6)的尾部，该第一编码器(4)连接在电机(5)的尾部，该减速器(6)安装在顶板(9)上，从而使驱动部分(1)整体固定在顶板(9)上；该电机(5)带动减速器(6)转动，从而带动动态物理约束(8)转动，通过第一编码器(4)测量电机(5)转角，根据减速比大小计算出动态物理约束(8)的转角大小；所述驱动部分(1)的各个组成部分的形状构造是：该第一编码器(4)是光电编码器、电位计和旋转变压器中的一种；该电机(5)为直流电机；该减速器(6)是无回程误差的谐波减速器；该动态物理约束(8)的外观为两段圆柱，圆柱轴线方向有通孔，通孔直径与减速器(6)输出轴配合安装，较小一段圆柱径向开有细槽，侧面有螺纹孔，用螺钉(7)将动态物理约束(8)紧固在减速器(6)的输出轴上，较大一段圆柱为卡槽型，卡槽宽度比连杆(11)的宽度大预定尺寸，能使连杆(11)自由转动一角度，卡槽的对称中心线与通孔轴线垂直相交；所述连杆转动部分(2)包括第一定位销(10)、连杆(11)、垫片(12)、轴承(13)、连杆座(14)、第二定位销(15)、第二编码器(16)、法兰(17)、连杆轴(18)、力传感器(19)；它们之间的位置与连接关系是：该轴承(13)安装在连杆座(14)上，该连杆轴(18)安装在两个轴承(13)的内圈上，该连杆(11)安装在连杆轴(18)上，该力传感器(19)安装在连杆(11)的末端；该法兰(17)的一侧固定在连杆座(14)的底面，另一侧连接在第二编码器(16)的端面上，第二编码器(16)通过法兰(17)固定在连杆座(14)上，该第二编码器(16)的输出轴与连杆轴(18)连接；该第一定位销(10)安装在顶板(9)上，用于定位连杆座(14)与顶板(9)的相对位置；该第二定位销(15)安装在连杆座(14)上，分别安装在连杆(11)转角的极限位置，当连杆(11)转动到极限角度时，该第二定位销(15)作为机械限位阻止连杆(11)继续转动；该连杆座(14)通过螺钉与顶板(9)连接，使连杆转动部分(2)整体固定在顶板(9)上；人手推动连杆(11)带动连杆轴(18)转动，从而带动第二编码器(16)转动，即通过第二编码器(16)的读数测量连杆(11)的转角大小；该力传感器(19)为两个一维力传感器，测量人手作用在连杆(11)末端的作用力；所述连杆转动部分(2)的各组成部分的形状构造是：该第一定位销(10)为圆柱销；该连杆(11)外观轮廓为长方体，一端有通孔，与连杆轴(18)配合安装，通孔轴线与连杆(11)对称中心线垂直相交；该垫片(12)为圆环；该轴承(13)为深沟球轴承；该连杆座(14)为圆柱形，圆柱一端留有端面，端面上有轴承孔和销轴孔，该轴承(13)与轴承孔配合安装，该第二定位销(15)与销轴孔配合安装，另一端有止口结构，该止口的中心线与轴承孔的中心线重合，该圆柱一侧有开口，开口的大小满足连杆的转动范围；该第二定位销(15)为圆柱销；该第二编码器(16)是光电编码器、电位计和旋转变压器中的一种；该法兰(17)为U形，U形两端面有圆孔，两个圆孔周围各均布三个光孔；该连杆轴(18)为阶梯轴，直径较细的轴段端面有螺纹孔，直径较大的轴段端面有光孔；该力传感器(19)为一维力传感器，外观轮廓形状为矩形，受力部分为圆形；所述支架部分(3)包括顶板(9)和侧板(20)；它们之间的位置与连接关系是：两个侧板(20)分别布置在顶板(9)的两侧，该顶板(9)通过螺钉固定在侧板(20)的顶部，该支架部分(3)呈倒立的U字型；所述支架部分(3)的各组成部分的形状构造是：该顶板(9)的轮廓为长方形，窄边两端有止口结构和均布的光孔，长方形的中心处有通孔，该通孔与减速器端面配合安装；该侧板(20)为“L”形，顶端有螺纹孔，底端有通孔。