CN104690708B - 一种力操作器平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力操作器平衡机构，其包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，角度传感器放置在关节轴线上，这种方式在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度。

Description

一种力操作器平衡机构

技术领域

本发明涉及一种力学操作器，具体来说，是一种多自由度的、带有力反馈能力的握持式一种力操作器平衡机构。

背景技术

随着通信技术、计算机技术以及大规模集成电子技术在上世纪的70年代后期的充分发展，使得遥操作技术的需求得到了增强，主从设备的发展也渐渐的成为热门方向，随着虚拟现实技术的快速的崛起，主从式遥操作也发生了一些实质性的变化。今天，遥操作技术和虚拟交互技术已经相互融合，而且迅速的发展。而本设备的发明也正是依托了主从式遥操作技术和虚拟交互技术发展的成果。

一般的力觉操作器按照结构形式的特点可划分：①基于串联连杆的力觉操作器；②基于并联连杆的力觉操作器；③基于直线运动副的力觉操作器；④基于外骨骼式的力觉操作器；⑤基于线牵引式的力觉操作器。

但是，一般的遥操作设备和力觉交互操作器的控制对象多是一些较少自由度、小惯量的实物设备或者是虚拟环境中的虚拟物体，这些被控对象本身可以反馈位置、速度或者力的信息给操作器，实现精确的力觉临场感和力反馈精度。这也导致了这些力觉交互操作器的工作空间小、力反馈能力有限，不利于握持的缺点。而如果要控制的设备都是具有大质量、大惯量、大刚度和低速低频的机械臂或起重机。而且这些大型设备上往往也没法安装能够反馈自身状态的传感器。因此，一般的操作器设备很难应用于该领域。本设备发明正是为了弥补传统的力觉操作设备在这些方面的不足。由于控制对象的不同，所以此设备在设计过程中所关注的各种性能指标，也异于其他的设备。尤其是在工作空间、反馈力大小、握持方式以及通用性等方面，传统的力觉操作器多没法满足要求，同时，关注指标的不同也导致了结构形式的差异。

发明内容

本发明的目的是设计一种多自由度的，带有力反馈能力的机械臂通用力觉操作器，是一种基于串联连杆结构的，采用手掌握持方式操作的，具有大工作空间，具有大反馈力的多自由度通用型的力觉操作器，主要运用在大型机械臂操作、大型多自由起重机操作以及虚拟环境交互仿真等领域。

本发明力操作器平衡机构，包含六个转动关节，因此它具有六个自由度。采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端。第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，但角度传感器任放置在关节轴线上，在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量。下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动。从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度；同时设计有基于拉伸弹簧的静平衡结构实现前述第二～第六关节在工作空间内任意位置的静平衡。

本发明中最远端的第六关节控制着末端姿态中的偏航自由度，它由操作手柄、力矩电机以及角度传感器构成，电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动；与第六关节连接的是第五关节。

第五关节的主体是一个U型拨叉，拨叉的两端分别固定驱动电机和角度传感器；第五关节的轴通过螺钉与第六关节的主体部分连接。第六关节相对与第五关节的位置可调节；第五关节采用直接驱动的方式，电机与角度传感器分别布置于转轴的两端；第五关节控制着末端姿态的俯仰自由度。

第四关节控制着末端姿态的翻滚自由度，通过连杆与第五关节的拨叉连接，第四关节上力矩电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动。

第三关节与第二关节分别控制着末端的两个位置自由度；第三关节与第二关节分布于平行连杆结构的两个转轴上，第三关节处于上方位置，与第四关节靠近，第二关节在下方位置；第三关节的角度传感器固定在关节轴向上，但是，驱动电机放置于下方的转盘上，电机的驱动力通过绳传动机构和平行连杆结构传递到第三关节上；第二关节的角度传感器也固定于此关节的轴线上，固定在转盘上控制电机也采用绳传动机构，将驱动力传递到第二关节的轴线上。

第一关节位于最下面的底板上，它控制着末端位置的一个自由度；第一关节的关节轴与安装第二关节、第三关节电机的转盘固定连接。此关节转动时，将带动整个转盘以及转盘上各部分一起转动。第一关节采用绳传动结构，电机固定在底座上，底座是整个设备的支撑。角度传感器于关节轴的轴线上固定；第一关节与底座紧密的联系在一起。在底座上固定有第一关节的主体部分、手柄回零结构、电气连接件以及控制电路。

本发明的优点在于：

1、本发明力操作器平衡机构采用六自由度的串联结构，使得具有了全空间的位置姿态的感知能力，同时在每个关节上都安装了电机，实现了全空间位置姿态的力觉反馈能力；

2、本发明力操作器平衡机构中第二关节与第三关节采用采用平行连杆形式的结构方式布置，使得操作器在不减小工作空间的情况下，获得了更大的结构刚度和更灵活的驱动器布置方式；

3、本发明力操作器平衡机构采用绳驱动的优点在于增加传递扭矩的同时也可以消除结构的间隙，实现真正的无间隙传动；且直接驱动的方式更是将传动环节的误差完全消除，更进一步的提高的设备的精度。

4、本发明力操作器平衡机构通过静平衡机构使得设备末端的力觉感知更加真实可靠，消除了重力带来的影响，这个优点也减小了控制系统的设计的复杂度。

附图说明

图1为本发明力操作器平衡机构整体结构图示意图；

图2为本发明力操作器平衡机构中第一关节结构示意图；

图3为本发明力操作器平衡机构中转动盘底面所安装结构示意图；

图4为第一关节张紧机构结构示意图；

图5为本发明力操作器平衡机构中第二关节结构示意图；

图6为本发明力操作器平衡机构中第三关节及第四关节结构示意图；

图7为本发明力操作器平衡机构中第五关节及第六关节结构示意图；

图8为定位调节机构结构示意图；

图9为本发明力操作器平衡机构安装外壳后的结构示意图。

图中：

1-第一关节 2-第二关节 3-第三关节

4-第四关节 5-第五关节 6-第六关节

7-静平衡机构 8-套筒 9-回零定位杆

10-保护壳 101-转动盘 102-第一关节转轴

103-第一关节驱动机构 104-第一关节角度传感器 103a-第一关节驱动电机

103b-第一关节扇形传动盘 103c-第一关节驱动传动轮 103d-第一关节驱动钢丝绳

103e-第一关节张紧机构 103b1-安装座A 103b2-安装座B

103e1-连接头 103e2-张紧调节螺母 103e3-张紧调节螺栓

103e4-止动螺钉 103e5-导向柱 201-左支架

202-右支架 203-第二关节转轴 204-传动轴

205-大臂连杆 206-第二关节连接架 207-第二关节驱动机构

208-角度测量轴 209-第二关节角度传感器 207a-第二关节驱动电机

207b-第二关节扇形传动盘 207c-第二关节驱动传动轮 207d-第二关节驱动钢丝绳

207e-第二关节张紧机构 301-第三关节连接架 302-摇臂

303-第三关节转轴 304-第三关节驱动机构 305-第三关节角度传感器

304a-第三关节驱动电机 304b-第三关节扇形传动盘 304c-第三关节驱动传动轮

304d-第三关节驱动钢丝绳 304e-第三关节张紧机构 304f-曲柄

304g-小臂连杆 304h-连接块 304i-驱动连接架

304j-驱动转轴 304k-连接轴 401-第四关节驱动电机

402-第四关节转轴 403-旋转臂 404-旋转臂连接件

405-第四关节角度传感器 501-第五关节连接架； 502-第五关节驱动电机

503-第五关节电机外壳 504-连接转轴 505-第五关节角度传感器

601-第六关节驱动电机 602-第六关节电机外壳 603-操作手柄

604-第六关节角度传感器 605-连接板 701a-平衡弹簧

701b-弹簧导向槽 701c-传动钢丝绳 701d-导向滑轮

701e-换向滑轮 701f-定位调节机构 701f1-支架

701f2-滑块 701f3-平衡调节螺栓 701f4-悬挂端头

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明力操作器平衡机构具有六个关节以及静平衡机构，整体结构为带有平行连杆的串联连杆结构，每个关节控制着机械臂末端执行器的一个自由度。如图1所示，六个关节中，第一关节1、第二关节2与第三关节3为底部三关节；第一关节1用来控制被控机械臂的末端执行器水平转动，第二关节2用来控制被控机械臂的末端执行器前后摆动，第三关节3用来控制被控机械臂的末端执行器上下摆动。第四关节4、第五关节5与第六关节6为末端三关节；第四关节4用来控制被控机械臂的末端执行器翻滚；第五关节5控制被控机械臂的末端执行器俯仰姿态，第六关节6控制被控机械臂末端执行器的偏航。

所述第一关节1安装在底座11上，包括转动盘101、第一关节转轴102与第一关节驱动机构103，如图2、图3所示。其中，第一关节转轴102与转动盘101同轴固连。第一关节转轴102通过上下两个深沟球轴承安装在底座7上表面同轴设计的套筒8内，使转动盘101与底座7平行。两个深沟球轴承中，位于下方的深沟球轴承外圈通过套筒8内壁周向上设计的台肩实现定位；两个深沟球轴承内圈间通过第一关节转轴102上套接的轴圈定位；位于上方的深沟球轴承外圈通过套筒8顶部安装挡圈定位；第一关节转轴102通过周其顶端周向上设计的台肩，固定于上方深沟球轴承内圈；由此可使转动盘101相对底座7转动，通过第一关节驱动机构103实现。第一关节转轴102底端安装有第一关节角度传感器104，通过第一关节角度传感器104测量第一关节1的转动角度。第一关节转轴102上设计有一个突耳A，在套筒顶端周向上设计有两个突耳B，通过突耳A与两个突耳B在转动盘101转动过程中的干涉，实现第一关节1的转动限位。

上述第一关节驱动机103构采用绳传动的驱动方式，包括第一关节驱动电机103a、第一关节扇形传动盘103b、第一关节传动轮103c、第一关节驱动钢丝绳103d与第一关节张紧机构103e，如图3所示。其中，第一关节驱动电机103a固定安装在底座7上表面，输出轴轴线垂直于水平面，输出轴上同轴固定安装有第一关节传动轮103c。第一关节驱动钢丝绳103d为两根，均缠绕在第一关节传动轮103c外壁周向上的设计的螺旋槽内，且通过第一关节传动轮103c轴向中部设计的环形隔板相隔，使两根第一关节驱动钢丝绳103d不会在缠绕过程中发生干涉。两根第一关节驱动钢丝绳103d的固定端均固定于第一关节传动轮103c上，传动端用来连接镂空设计的第一关节扇形传动盘103b。第一关节扇形传动盘103b的扇面固定安装在转动盘101下表面，圆心角靠近转动盘101中心位置。第一关节扇形传动盘103b的两侧面(半径所在平面)上各安装有一套第一关节张紧机构103e；两根第一关节驱动钢丝绳103d的传动端分别沿第一关节扇形转动盘103b弧形面，由第一关节驱动钢丝绳103d弧形面两端固定于第一关节张紧机构103e上，且使第一关节驱动钢丝绳103d平行于水平面；由此通过第一关节驱动电机103a带动第一关节传动轮103c转动，使两根第一关节驱动钢丝绳103d中的一个在第一关节传动轮103c上缠绕，另一个释放，拉动第一关节扇形传动盘103b转动，进而实现转动盘101的转动。上述第一关节驱动钢丝绳103d位于第一关节扇形传动盘103b弧形面上沿弧向设计的凹槽内，实现第一关节驱动钢丝绳10的限位，使第一关节扇形传动盘103b转动过程中，第一关节驱动钢丝绳103d不会脱离第一关节扇形传动盘103b。

上述第一关节张紧机构103e用来固定第一关节驱动钢丝绳103d的传动端，同时实现第一关节驱动钢丝绳103d的张紧；第一关节张紧机构103e包括连接头103e1、张紧调节螺母103e2与张紧调节螺栓103e3，如图4所示。其中，张紧调节螺栓103e3沿第一关节扇形传动盘103b半径方向设置，螺纹安装在第一关节扇形传动盘103b侧面上设计的一体化安装座A103b1上，轴线与第一关节扇形传动盘103b侧面平行。张紧调节螺母103e2具有轴向上的长度，一端螺纹安装在张紧调节螺栓103e3上，另一端螺纹连接有连接头103e1，通过连接头103e1上设计的轴肩实现与张紧调节螺母103e2间的定位；通过旋拧张紧调节螺栓103e3或张紧调节螺母103e2，可实现第一关节驱动钢丝绳103d的张紧力控制。为了使第一关节扇形传动盘两端受第一关节驱动钢丝绳103d牵引力位置对称，因此将第一关节扇形传动盘103b上的两侧面上的第一关节张紧机构103e中连接头位于同一水平位置；但由于两根第一关节驱动钢丝绳103d伸出端位于不同水平面上，若直接将两根第一关节驱动钢丝绳103d与两个第一关节张紧机构103e，会使第一关节扇形传动盘103b的一侧受到第一关节驱动钢丝绳103d牵引力的同时还受到其他方向的分力。因此，本发明中在保证一根第一关节驱动钢丝绳103d与第一关节张紧机构103e连接后处于平行水平面状态时，另一根第一关节驱动钢丝绳103d由安装于第一关节扇形传动盘侧面上的导向柱103e5绕过，进行导向后，再连接第一关节张紧机构103e，进而使两根第一关节驱动钢丝绳103d连接后均与水平面平行。

本发明中在在进行装配时，第一关节驱动钢丝绳103d与连接头103e1固定前，先由钢丝绳穿孔穿过第一关节扇形传动盘103b侧面设计的一体化安装座B103b2上的钢丝绳穿孔；钢丝绳穿孔与竖直螺钉孔连通，螺钉孔用来安装止动螺钉103e4，使止动螺钉103e4轴线垂直于第一关节扇形传动盘103b侧面，且与张紧调节螺栓103e3轴线相交；由此，在进行装配时，第一关节驱动钢丝绳103d先由钢丝绳穿孔穿过，通过拧紧止动螺钉103e4将第一关节驱动钢丝绳103d压紧，锁定第一关节驱动钢丝绳103d位置，进而可方便第一关节驱动钢丝绳103d与连接头103e1间的连接。装配完毕后，即可松开止动螺钉103e4，进行第一关节驱动钢丝绳103d张紧力调节。

所述第二关节2与第三关节3分别通过第二关节驱动机构207与第三关节驱动机构304驱动运动，如图5、图6所示，采用平行连杆形式的结构方式布置。所述第二关节2包括左支架201、右支架202、第二关节转轴203、传动轴204、大臂连杆205、第二关节连接架206；第三关节3包括第三关节连接架301、摇臂302与第三关节转轴303。

第二关节中，左支架201与右支架202固定安装在转动盘101上表面两侧，左支架201上安装有第二关节转轴203，使第二关节转轴203轴线与水平面平行。第二关节转轴203通过周向上设计的台肩分隔为第二关节转轴安装端与第二关节转轴连接段；第二关节转轴连接段插入左支架201上开设的安装孔内，通过台肩实现与左支架201间的定位；第二关节转轴安装段上套接深沟球轴承，通过深沟球轴承安装在U型拨叉结构的第二关节连接架206左端上开设的安装孔内，通过台肩实现深沟球轴承内圈的定位。传动轴204通过周向上设计的台肩分隔为传动轴安装段与传动轴连接段；传动轴连接段上套有两个深沟球轴承，通过两个深沟球轴承安装在右支架202上开设的安装孔内，使传动轴204与第二关节转轴203筒同轴设置；且两个深沟球轴承中，位于外侧的深沟球轴承内圈两端分别通过传动轴204上台肩以及传动轴连接段上两个深沟球轴承间套接的轴圈定位，外圈通过右支架202上安装孔内壁周向上设计的台肩定位；位于内侧的深沟球轴承两端分别通过轴圈以及右支架202内侧壁安装孔处安装的端盖定位。传动轴安装段上套接有一个深沟球轴承；通过深沟球轴承安装在第二关节连接架206右端开设的安装孔内，通过传动轴204上的台肩实现深沟球轴承内圈的定位。大臂连杆205底端固定安装在第二关节连接架206顶部。

第三关节中，第三关节连接架301为U型拨叉结构，底端与大臂连杆205顶端固定；第三关节连接架301两端通过深沟球轴承安装有第三关节转轴303，两个第三关节转轴303分别与摇臂302两侧固连。

上述第二关节驱动机构207与第三关节驱动机构304中，均具有与第一关节驱动机构103组成部份，且各部分之间的连接方式也与第一关节驱动机构103相同，即第二关节驱动机构207包括第二关节驱动电机207a、第二关节扇形传动盘207b、传动轮207c、第二关节驱动钢丝绳207d与第二关节张紧机构207e；第三关节驱动机构304包括第三关节驱动电机304a、第三关节扇形传动盘304b、第三关节驱动传动轮304c、第三关节驱动钢丝绳304d与第三关节张紧机构304e；区别仅在于第二关节扇形连接盘207b与第三关节扇形连接盘304b的两侧面相交位置设计有一体化的连接法兰盘。同时，第三关节驱动机构304还具有曲柄304f与小臂连杆304g、连接块304h、驱动连接架304i与驱动转轴304j。

其中，第二关节驱动机构207中，第二关节扇形传动盘207b竖直设置，连接法兰盘固定安装在第二关节连接架206左端外侧，通过连接法兰盘周向上设计的台肩实现第二关节转轴安装端上深沟球轴承外圈的定位，且通过连接法兰盘与左支架201外侧面实现第二关节连接架206左端的定位。第二关节驱动电机207a通过支撑架安装在转动盘101上表面。

第三关节驱动机构304中，第三关节扇形传动盘304b竖直设置，连接盘固定安装在传动轴204外端，通过连接盘周向上设计的台肩实现传动轴安装段上的深沟球轴承外圈的定位。曲柄304f一端与传动轴204内端固定；另一端具有一体结构的连接轴304k，连接轴304k轴线与水平面平行；连接轴304k插入连接块304h，与连接块间通过深沟球轴承相连。小臂连杆304g底端与连接块304h固定，顶端与U型拨叉结构驱动连接架304i底端固定。驱动连接架304i两端通过深沟球轴承安装有驱动转轴304j，两根驱动转轴304j分别与摇臂302两侧固连；且保证小臂连杆304g与大臂连杆205轴线平行。上述摇臂302作为第四关节4的安装主体，一方面用来安装第四关节4的第四关节驱动电机与第四关节转轴，另一方面与大臂连杆205和小臂连杆304g间构成了平行四边形机构。

上述第二关节驱动机构207中第二关节驱动电机207a驱动第二关节驱动钢丝绳207d拉动第二关节扇形传动盘207b，将扭矩传递至大臂连杆205中，实现被控机械臂末端执行器的前后摆动控制，过程中小臂连杆304g与大臂连杆205相对位置不变。本发明中在第二关节转轴采用空心转轴，内部同轴设置有角度测量轴208，角度测量轴208两端设计有连接法兰，其中连接法兰与第二关节扇形传动盘207b外侧固定；另一端固定安装有角度传感器，用来实现第二关节转角测量。第三关节驱动机构304中第三关节驱动电机304a驱动第三关节驱动钢丝绳304d拉动第三关节扇形传动盘304b转动，将扭矩传递到传动轴204，经曲柄304f与小臂连杆304g最终传递到摇臂302上，实现被控机械臂末端执行器的上下摆动控制。第三关节驱动电机304a的输出轴通过联轴器连接有第三关节角度传感器305，用来实现第三关节3转角测量。上述左支架201与右支架202的外侧面上安装有限位销，分别通过与第二关节扇形传动盘207b、第三关节扇形传动盘304b侧面的干涉，实现第二关节转轴203与传动轮204的转动范围限制，进而实现第二关节2与第三关节3的摆动限制。

所述第四关节4包括第四关节驱动电机401、第四关节转轴402与旋转臂403，如图7所示。其中，第四关节驱动电机401同轴安装在摇臂302内，第四关节驱动电机401的输出轴通过联轴器与摇臂302内同轴设置的第四关节转轴402后端相连，第四关节转轴前端通过旋转臂连接件404同轴连接旋转臂403。第四关节转轴402前后两端套有深沟球轴承，前端深沟球轴承内圈通过第四关节转轴402端部设计的台肩实现定位；外圈通过摇臂302前端内壁设计的台肩定位。后端深沟球轴承内圈由旋转臂连接件404端部周向定位，外圈通过摇臂302后端内壁设计的台肩定位。由此，通过第四关节驱动电机401带动旋转臂403，进而实现被控机械臂的末端执行器翻滚姿态控制。上述第四关节驱动电机401的输出轴还通过联轴器连接有第四关节角度传感器405，用来测量第四关节4旋转角度；同时，摇臂302侧面设计有两个限位突耳A，同时在小臂连杆304g上安装也限位突耳B，由此在第四关节4转动过程中，通过两个限位突耳A分别与限位突耳B间干涉，限制第四关节4的转角范围。

所述第五关节5、第六关节6轴线与第四关节轴线相交于一点，如图7所示，其中，第六关节6包括第六关节驱动电机601、第六关节电机外壳602与操作手柄603；第六关节驱动电机601安装在第六关节电机外壳602内，输出轴由第六关节电机外壳602顶部开设的轴孔伸出，与轴孔间通过两个深沟球轴承固定，输出轴上固定安装操作手柄603；由此，通过第六关节驱动电机601向操作手柄603传递扭矩，实现被控机械臂的末端执行器偏航控制。上述第六关节驱动电机601的输出轴通过联轴器安装有第六关节角度传感器604，用来测量第六关节运动角度；同时，在第六关节电机外壳602上部轴孔处设计有两个限位块，两个限位块分别位于操作手柄底部开设的凹槽内，由此通过两个限位块分别与凹槽两端配合限制操作手柄603的运动范围。

第五关节5包括第五关节连接架501、第五关节驱动电机502、第五关节电机外壳503与连接转轴504；其中，第五关节连接架501同样为U型拨叉结构连接架，两端通过深沟球轴承安装有连接转轴504，两个连接转轴504同轴，分别与第六关节电机外壳602两端，其中一个连接转轴504与第五关节驱动电机502的输出轴同轴固定，第五关节驱动电机502安装在第五关节电机外壳503内，第五关节电机外壳503固定安装在第五关节连接架501上。由此通过第五关节驱动电机向操作手柄603传递扭矩，实现被控机械臂的末端执行器俯仰姿态控制。上述另一个连接转轴504上安装有第五关节角度传感器505，用来实现第五关节5转动角度的测量。为了限制第五关节的转角范围，在第五关节连接架501一端的内侧加装限位销，通过限位销与第六关节电机外壳602的运动干涉，实现第五关节5转角的限制作用。本发明中两个连接转轴504与第六关节电机外壳602间的连接采用可调节方式相连，具体为：在第六关节电机外壳602两侧设计有两个连接板605，两个连接板605上均设计有竖直方向的长孔。两个连接转轴504端部设计有通孔，分别对应两个连接板605上的长孔，通过螺钉穿过，由螺母固定；由此，很方便的实现第六关节6相对于第五关节旋转轴线的重心位置调节，实现第六关节6的静平衡。

由此通过上述结构力操作器平衡机构，实现对被控机械臂的末端执行器三个方向的位置和姿态，并通过各个关节处安装的角度传感器来获取末端执行器运动角度；同时通过被控机械臂反馈的力信号，控制各个关节驱动电机转动，实现力反馈。

本发明力操作器平衡机构中还具有静平衡机构7，所述静平衡机构7包括两套绳牵引组件701，如图3、图5所示；第二关节驱动机构207与第三关节驱动机构304各对应一套绳牵引组件701；绳牵引组件701包括平衡弹簧701a、弹簧导向槽701b、传动钢丝绳701c、导向滑轮701d、换向滑轮701e与定位调节机构701f。两套绳牵引组件701分别设置于第二关节扇形传动盘207b与第三关节扇形传动盘304b外侧；其中，弹簧导向槽701b安装在转动盘101底面，弹簧导向槽701b为弧形，弧心与转动盘101同心，平衡弹簧701a设置在弹簧导向槽701b内，固定端钩挂在转动盘101底面上安装的台架上，另一端与传动钢丝绳701c的连接端固定；传动钢丝绳701c与水平面平行，绕过转动盘101底面上安装的导向滑轮701d；通过弹簧导向槽701b以及导向滑轮701d的导向，使平衡弹簧701a弹力方向沿转动盘101圆周方向。传动钢丝绳701c绕过转动盘101底面安装的换向滑轮701c，将传动钢丝绳701c转换为竖直方向。其中一套绳牵引组件701中，传动钢丝绳701c的连接端挂在第二关节扇形传动盘207b上安装的定位调节机构701f上，传动钢丝绳701c的挂点作为大臂连杆205平衡力挂点，且使传动钢丝绳701c的竖直一段平行于第二关节扇形传动盘207b的扇面；另一套绳牵引组件701中，传动钢丝绳701c的连接端挂在第三关节扇形传动盘304b上安装的定位调节机构701f上，传动钢丝绳701c的挂点作为小臂连杆304g平衡力挂点，同样使传动钢丝绳701c的竖直段平行于第三关节扇形传动盘304b的扇面。上述两套定位调节机构701f安装方式相同，包括支架701f1、滑块701f2、平衡调节螺栓701f3，如图8所示；其中，支架701f1上安装平衡调节螺栓701f3，平衡调节螺栓701f3的轴线沿扇形连接盘半径设置，平衡调节螺栓701f3上螺纹连接，滑块701f2上设计有悬挂端头701f4，用来连接传动钢丝绳701c。通过旋动平衡调节螺栓701f3，带动滑块701f2拉紧传动钢丝绳701c，实现对传动钢丝绳701c张紧力调节。上述结构中还需满足：大臂连杆205的平衡力挂点位置沿着大臂连杆205的轴线方向，且位于第二关节转轴203下方；小臂连杆304g的平衡力挂点与传动轴204轴线的连线平行于曲柄304f轴线。通过上述静平衡机构7，可实现第二关节与第三关节在工作空间内任意位置的静平衡；同时末端的第四、五、六关节，可以通过合理的布置电机和传感器，实现静平衡；又因为第一关节轴向竖直向上，正常工作的操作器水平向上安装，不需要重力补偿，因此，该操作器实现了在任意位置能够完全抵消结构自身的重力。

本发明力操作器平衡机构上还设计有回零定位杆9，用来对各个初始姿态(零位)的定位。如图1所示，回零定位杆9一端固定安装在底座11边缘位置，另一端顶部具有定位突起，通过在第六关节6中第六关节电机外壳602底端面上设计定位凹槽，通过控制操作手柄603将定位凹槽与定位突起配合对接，此时力觉操作器的姿态为初始姿态。同时，可通过加装保护壳10对各个第一、二、三关节驱动机构进行保护，如图9所示。

Claims (1)

1.一种力操作器平衡机构，其特征在于：包含六个转动关节，因此它具有六个自由度；采用类似工业机械臂的串联连杆方式布置，第一关节在最底部，第六关节在最末端；第二、三关节处采用了平行连杆机构的布置方式，将第三关节电机放置于转盘上，但角度传感器任放置在关节轴线上，在保证了位置精度和结构刚度的同时，也减小了结构的转动惯量；下面三个关节中，采用带有张紧装置的绳传动机构，保证无间隙的情况下，提供了大的力反馈能力；上面的三个关节采用直接传动驱动；从第一关节到第五关节的关节轴处都是采用的U型拨叉的连接方式，保证了结构强度和精度；同时设计有基于拉伸弹簧的静平衡结构实现前述第二～第六关节在工作空间内任意位置的静平衡；

最远端的第六关节控制着末端姿态中的偏航自由度，它由操作手柄、力矩电机以及角度传感器构成，电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动；与第六关节连接的是第五关节；

第五关节的主体是一个U型拨叉，拨叉的两端分别固定驱动电机和角度传感器；第五关节的轴通过螺钉与第六关节的主体部分连接；第六关节相对与第五关节的位置可调节；第五关节采用直接驱动的方式，电机与角度传感器分别布置于转轴的两端；第五关节控制着末端姿态的俯仰自由度；

第四关节控制着末端姿态的翻滚自由度，通过连杆与第五关节的拨叉连接，第四关节上力矩电机与角度传感器在转轴方向上顺序连接，传动方式为直接驱动；

第三关节与第二关节分别控制着末端的两个位置自由度；第三关节与第二关节分布于平行连杆结构的两个转轴上，第三关节处于上方位置，与第四关节靠近，第二关节在下方位置；第三关节的角度传感器固定在关节轴向上，但是，驱动电机放置于下方的转盘上，电机的驱动力通过绳传动机构和平行连杆结构传递到第三关节上；第二关节的角度传感器也固定于此关节的轴线上，固定在转盘上控制电机也采用绳传动机构，将驱动力传递到第二关节的轴线上；

第一关节位于最下面的底板上，它控制着末端位置的一个自由度；第一关节的关节轴与安装第二关节、第三关节电机的转盘固定连接；此关节转动时，将带动整个转盘以及转盘上各部分一起转动；第一关节采用绳传动结构，电机固定在底座上，底座是整个设备的支撑；角度传感器于关节轴的轴线上固定；第一关节与底座紧密的联系在一起；在底座上固定有第一关节的主体部分、手柄回零结构、电气连接件以及控制电路。