一種力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構的制作方法

技術領域：

本發明涉及一種力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，屬于技術領域。

背景技術：
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當前同類裝置多具有轉動自由度耦合、轉動角度測量精度低等缺點，不適用于精確控制的應用場景。另外，普通三維轉動機構多為純機械結構，只能進行空間三個坐標方向的轉動運動，沒有力覺感受輸出，無法應用在有力覺信息輸出的使用場景；另外，普通三維轉動機構缺少轉動的姿態測量技術，無法精確測量在三個坐標軸上的轉動角度，不能將轉動姿態同步至控制端。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，結合機械結構、力覺機構、測量機構，實現力感輸出，并通過轉動姿態測量實現控制目的。

上述的目的通過以下技術方案實現：

一種力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，包括分別位于x、y、z三維軸向上的轉軸a、轉軸c和轉軸b，所述轉軸a和所述轉軸b之間通過連接部件二連接，所述的轉軸b和所述轉軸c之間通過連接部件一連接，所述轉軸a、轉軸b、轉軸c上分別沿軸向安裝有一個磁流變阻尼器，每個所述的磁流變阻尼器上安裝有慣性測量單元。

所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的轉軸a通過支撐部件安裝在固定板上。

所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的轉軸c通過聯軸器連接手柄。

所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的連接部件二上位于所述轉軸a的一側設置有一段延伸段，所述的延伸段上連接有配重。

所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的手柄上連接有直流電機和扳機。

有益效果：

采用兩個連接部件連接的空間三軸，實現了轉動運動的機械解耦，各個軸向上的轉動相互獨立互不干涉，為轉動姿態測量提供便利。

采用磁流變阻尼器作為力反饋執行器，通過輸出力矩實現力觸覺的輸出，并且力矩的大小和方向受控制信號控制，可以擴展應用在具有力覺輸出的各種場景。

采用手柄結構，方便手部握持；手柄處采用扳機式設計，符合人體功效學，并增加手指運動的力反饋。

采用慣性測量單元，置于每個轉軸頂端，可以精確測量每個軸向的轉動角度，從而精準描述整個三維轉動機構的轉動姿態。

采用配重平衡整個轉動機構在轉軸c上的重力矩，減輕人手部操作此三維機構的力負荷，使驅動整個轉動機構變得更輕松省力。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖中：1、轉軸a；2、轉軸c；3、轉軸b；4、連接部件二；5、連接部件一；6、磁流變阻尼器；7、慣性測量單元；8、支撐部件；9、固定板；10、聯軸器；11、手柄；12、配重。

具體實施方式

下面結合具體實施方式，進一步闡明本發明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。

本實施例的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，包括分別位于x、y、z三維軸向上的轉軸a1、轉軸c2和轉軸b3，所述轉軸a和所述轉軸b之間通過連接部件二4連接，所述的轉軸b和所述轉軸c之間通過連接部件一5連接，所述轉軸a、轉軸b、轉軸c上分別沿軸向安裝有一個磁流變阻尼器6，每個所述的磁流變阻尼器上安裝有慣性測量單元7。不同軸向上的磁流變阻尼器產生不同方向的阻尼力矩，從而使得末端可獲得不同方向的力感；慣性測量單元器件測量三個轉軸方向上的轉動角度，描述三個軸的轉動狀態。

本實施例中所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的轉軸a通過支撐部件8安裝在固定板9上。

本實施例中所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的轉軸c通過聯軸器10連接手柄11。

本實施例中所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的連接部件二上位于所述轉軸a的一側設置有一段延伸段，所述的延伸段上連接有配重12，配重用于平衡整個轉動機構在轉軸c上的重力矩。

所述的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，所述的手柄上連接有，直流電機和扳機，電機輸出力矩通過扳機給手指施加力反饋。

工作過程：

當手部帶動手柄，繞轉軸c運動，實現了c軸上的轉動運動自由度；在轉動過程中，慣性測量原件實時獲取繞c軸轉動的角度，并將角度信息通過編碼，傳遞給控制端；當控制端發出輸出c軸轉動力矩的控制信號時，c軸上的磁流變阻尼器工作，將力矩通過轉軸傳遞給手部。

當手部帶動連接部件一，繞轉軸b運動，實現了b軸上的轉動運動自由度；在轉動過程中，慣性測量原件實時獲取繞b軸轉動的角度，并將角度信息通過編碼，傳遞給控制端；當控制端發出輸出b軸轉動力矩的控制信號時，b軸上的磁流變阻尼器工作，將力矩通過轉軸傳遞給手部。

手部帶動連接部件一及連接部件二，繞轉軸a運動,實現了a軸上的轉動運動自由度；在轉動過程中，慣性測量原件實時獲取繞a軸轉動的角度，并將角度信息通過編碼，傳遞給控制端；當控制端發出輸出a軸轉動力矩的控制信號時，a軸上的磁流變阻尼器工作，將力矩通過轉軸傳遞給手部。

三個轉軸頂部的磁流變阻尼器輸出力矩，獲得相應力感，控制端發出輸出某個轉軸轉動力矩的控制信號時，某個轉軸上的磁流變阻尼器工作，將力矩通過轉軸傳遞給手部

三個轉軸頂部的慣性測量單元器件測量三個轉軸的姿態角，將數據返回給處理系統。

應當指出，上述實施實例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定，這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構。本發明的力覺反饋及轉動姿態測量的三維轉動機構，其特征在于，包括分別位于X、Y、Z三維軸向上的轉軸A、轉軸C和轉軸B，所述轉軸A和所述轉軸B之間通過連接部件二連接，所述的轉軸B和所述轉軸C之間通過連接部件一連接，所述轉軸A、轉軸B、轉軸C上分別沿軸向安裝有一個磁流變阻尼器，每個所述的磁流變阻尼器上安裝有慣性測量單元。本發明結合機械結構、力覺機構、測量機構，實現力感輸出，并通過轉動姿態測量實現控制目的。

技術研發人員：李坤;邵斌澄;曾欣;胡素蕓;秦歡歡;宋愛國
受保護的技術使用者：東南大學
技術研發日：2017.05.31
技術公布日：2017.10.10