一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置

摘要

本发明公开了一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度生成装置，该接触刚度生成装置包括有X轴平移组件、Y轴平移组件、Z轴平移转动组件、支撑组件和六维力传感器五部分。X轴平移组件、Y轴平移组件和Z轴平移转动组件通过支撑组件连接形成三自由度机构，六维力传感器安装在支撑组件的下方。在本发明中，XYZ三轴上的零部件采用相同结构设计。本发明装置通过弹簧来模拟力觉交互设备操作时的接触刚度，探查真实物体表面过程中实时的采集探头末端的三维力和图形工具位置、图形工具位姿。本发明装置代替了力交互过程中力觉设备的小刚度。

主权项

一种用来模拟力觉交互设备操作过程的接触刚度的生成装置，其特征在于：该接触刚度生成装置包括有X轴平移组件（1）、Y轴平移组件（2）、Z轴平移转动组件（3）、支撑组件（4）和六维力传感器（5）五部分；支撑组件（4）包括有第一连接件（41）、第二连接件（42）、重心配重块（48）、五个支撑轴和十个直线轴承；第一连接件（41）的X轴支臂（411）的A通孔（411A）内安装有A支撑轴（43）的一端，A支撑轴（43）的另一端顺次套接有B直线轴承（402）、A直线轴承（401）；第一连接件（41）的Y轴支臂（412）的B通孔（412A）内安装B支撑轴（44）的一端，B支撑轴（44）的另一端顺次套接有D直线轴承（404）、C直线轴承（403）；第一连接件（41）的Z轴支臂（413）的C通孔（413A）内从下至上安装有I直线轴承（409）、J直线轴承（410）；I直线轴承（409）和J直线轴承（410）套接在E支撑轴（47）的一端上，E支撑轴（47）的另一端安装在第二连接件（42）的支撑柱（423）的通孔内；第二连接件（42）的前端柱（421）上设有D通孔（421A），该D通孔（421A）的上端用于安装重心配重块（48），该D通孔（421A）的下端用于安装有六维力传感器（5）；第二连接件（42）的后端柱（422）上设有E通孔（422A）、F通孔（422B）、E销孔（422C）、F销孔（422D）；E通孔（422A）用于安装C支撑轴（45）的一端，C支撑轴（45）的另一端顺次套接有F直线轴承（406）、E直线轴承（405）；F通孔（422B）用于安装D支撑轴（46）的一端，D支撑轴（46）的另一端顺次套接有H直线轴承（408）、G直线轴承（407）；E销孔（422C）用于安装销钉，通过该销钉与E销孔（422C）的配合实现将C支撑轴（45）的一端固定安装在第二连接件（42）的后端柱（422）上；F销孔（422D）用于安装销钉，通过该销钉与F销孔（422D）的配合实现将D支撑轴（46）的一端固定安装在第二连接件（42）的后端柱（422）上；第二连接件（42）的支撑柱（423）上设有G通孔（423A），G销孔（423B）；G通孔（423A）用于安装E支撑轴（47）的一端，E支撑轴（47）的另一端顺次套接有J直线轴承（409）、I直线轴承（410）；G销孔（423B）用于安装销钉，通过该销钉与G销孔（423B）的配合实现将E支撑轴（47）的一端固定安装在第二连接件（42）的支撑柱（423）上；X轴平移组件（1）包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根X轴弹簧（11C）、一个X轴配重块（13C）、一个X轴支架（14）、一个X轴直线轴承座（15）、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座；X轴直线轴承座（15）的XA凸块（154）上设有XA通孔（151），该XA通孔151用于放置XA直线轴承（101）、XB直线轴承（102）；X轴直线轴承座（15）的XB凸块（155）上设有XB通孔（152），该XB通孔（152）用于放置XC直线 轴承（103）、XD直线轴承（104）；X轴直线轴承座（15）的XC凸块（156）上设有XC通孔（153），该XC通孔（153）用于放置B直线轴承（402）、A直线轴承（401）；X轴直线轴承座（15）的凹槽两端设有XF钢丝绳通孔（121F）、XN钢丝绳通孔（122H）；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故X轴直线轴承座（15）上设有多个用于放置销钉的轴承顶孔（157）；X轴支架（14）为U形结构；X轴支架（14）的A侧板（141）的外侧面上安装有XA导轮座（125），XA导轮座（125）上安装有XA导轮（123）；X轴支架（14）的B侧板（142）的外侧面上安装有XB导轮座（126），XB导轮座（126）上安装有XB导轮（124）；X轴支架（14）的A侧板（141）的内侧面上安装有XA轴座（11A）、XC轴座（12A）和XE轴座（13A），且XA轴座（11A）、XC轴座（12A）和XE轴座（13A）的安装位置呈等腰直角三角形，XA轴座（11A）与XC轴座（12A）在等腰直角三角形的底边上；X轴支架（14）的B侧板（142）的内侧面上安装有XB轴座（11B）、XD轴座（12B）和XF轴座（13B），且XB轴座（11B）、XD轴座（12B）和XF轴座（13B）的安装位置呈等腰直角三角形，XB轴座（11B）与XD轴座（12B）在等腰直角三角形的底边上；X轴支架（14）的A侧板（141）上设有用于安装XA轴座（11A）、XC轴座（12A）和XE轴座（13A）的通孔和用于第一段钢丝绳（121）通过的XB钢丝绳通孔（121B）、XE钢丝绳通孔（121E）；X轴支架（14）的B侧板（142）上设有用于安装XB轴座（11B）、XD轴座（12B）和XF轴座（13B）的通孔和用于第二段钢丝绳（122）通过的XH钢丝绳通孔（122B）、XM钢丝绳通孔（122G）；XA支撑轴（11）的一端安装在XA轴座（11A）上，XA支撑轴（11）的另一端顺次穿过XA直线轴承（101）、XB直线轴承（102）、X轴弹簧（11C）后安装在XB轴座（11B）上；XB支撑轴（12）的一端安装在XC轴座（12A）上，XB支撑轴（12）的另一端顺次穿过XC直线轴承（103）、XD直线轴承（104）后安装在XD轴座（12B）上；XC支撑轴（13）的一端安装在XE轴座（13A）上，XC支撑轴（13）的另一端顺次穿过XE直线轴承（105）、XF直线轴承（106）后安装在XF轴座（13B）上；XE直线轴承（105）和XF直线轴承（106）置于X轴配重块（13C）的XD通孔（13D）内；第一段钢丝绳（121）的一端固定在X轴直线轴承座（15）上的XF钢丝绳通孔（121F）上，第一段钢丝绳（121）的另一端顺次穿过X轴支架（14）的A侧板（141）上的XE钢丝绳通孔（121E）、XA导轮座（125）上的XD钢丝绳通孔（121D）、XA导轮（123）、XA导轮座（125）上的XC钢丝绳通孔（121C）、X轴支架（14）的A侧板（141）上的XB钢丝绳通孔（121B）后固定在X轴配重块（13C）一端的XA钢丝绳通孔（121A）上；第二段钢丝绳（122）的一端固定在X轴直线轴承座（15）上的XN钢丝绳通 孔（122H）上，第二段钢丝绳（122）的另一端顺次穿过X轴支架（14）的B侧板（142）上的XM钢丝绳通孔（122G）、接合支架（36）上的XL钢丝绳通孔（122F）、XB导轮座（126）上的XK钢丝绳通孔（122E）、XB导轮（124）、XB导轮座（126）上的XJ钢丝绳通孔（122D）、接合支架（36）上的XI钢丝绳通孔（122C）、X轴支架（14）的B侧板（142）上的XH钢丝绳通孔（122B）后固定在X轴配重块（13C）另一端的钢丝绳通孔上；Y轴平移组件（2）包括有六个直线轴承、三根支撑轴、六个支撑轴轴座、一根Y轴弹簧（21C）、一个Y轴配重块（23C）、一个Y轴支架（24）、一个Y轴直线轴承座（25）、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座；Y轴直线轴承座（25）的YA凸块（254）上设有YA通孔（251），该YA通孔（251）用于放置YA直线轴承（201）、YB直线轴承（202）；Y轴直线轴承座（25）的YB凸块（255）上设有YB通孔（252），该YB通孔（252）用于放置YC直线轴承（203）、YD直线轴承（204）；Y轴直线轴承座（25）的YC凸块（256）上设有YC通孔（253），该YC通孔（253）用于放置D直线轴承（404）、C直线轴承（403）；Y轴直线轴承座（25）的凹槽两端设有YF钢丝绳通孔（221F）、YN钢丝绳通孔（222H）；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Y轴直线轴承座（25）上设有多个用于放置销钉的轴承顶孔（257）；Y轴支架（24）为U形结构；Y轴支架（24）的A侧板（241）的外侧面上安装有YA导轮座（225），YA导轮座（225）上安装有YA导轮（223）；Y轴支架（24）的B侧板（242）的外侧面上安装有YB导轮座（226），YB导轮座（226）上安装有YB导轮（224）；Y轴支架（24）的A侧板（241）的内侧面上安装有YA轴座（21A）、YC轴座（22A）和YE轴座（23A），且YA轴座（21A）、YC轴座（22A）和YE轴座（23A）的安装位置呈等腰直角三角形，YA轴座（21A）与YC轴座（22A）在等腰直角三角形的底边上；Y轴支架（24）的B侧板（242）的内侧面上安装有YB轴座（21B）、YD轴座（22B）和YF轴座（23B），且YB轴座（21B）、YD轴座（22B）和YF轴座（23B）的安装位置呈等腰直角三角形，YB轴座（21B）与YD轴座（22B）在等腰直角三角形的底边上；Y轴支架（24）的A侧板（241）上设有用于安装YA轴座（21A）、YC轴座（22A）和YE轴座（23A）的通孔和用于第三段钢丝绳（221）通过的YB钢丝绳通孔（221B）、YE钢丝绳通孔（221E）；Y轴支架（24）的B侧板（242）上设有用于安装YB轴座（21B）、YD轴座（22B）和YF轴座（23B）的通孔和用于第四段钢丝绳（222）通过的YH钢丝绳通孔（222B）、YM钢丝绳通孔（222G）；YA支撑轴（21）的一端安装在YA轴座（21A）上，YA支撑轴（21）的另一端顺次穿过YA直线轴承（201）、YB直线轴承（202）、Y轴弹簧（21C）后安装在YB轴座（21B）上；YB支撑轴（22）的一端安装在YC轴座（22A）上，YB支撑轴（22）的另一端顺次穿过YC直线轴承（203）、YD直线轴承（204）后安装在YD轴座（22B） 上；YC支撑轴（23）的一端安装在YE轴座（23A）上，YC支撑轴（23）的另一端顺次穿过YE直线轴承（205）、YF直线轴承（206）后安装在YF轴座（23B）上；YE直线轴承（205）和YF直线轴承（206）置于Y轴配重块（23C）的YD通孔（23D）内；第三段钢丝绳（221）的一端固定在Y轴直线轴承座（25）上的YF钢丝绳通孔（221F）上，第三段钢丝绳（221）的另一端顺次穿过Y轴支架（24）的A侧板（241）上的YE钢丝绳通孔（221E）、YA导轮座（225）上的YD钢丝绳通孔（221D）、YA导轮（223）、YA导轮座（225）上的YC钢丝绳通孔（221C）、Y轴支架（24）的A侧板（241）上的YB钢丝绳通孔（221B）后固定在Y轴配重块（23C）一端的YA钢丝绳通孔（221A）上；第四段钢丝绳（222）的一端固定在Y轴直线轴承座（25）上的YN钢丝绳通孔（222H）上，第四段钢丝绳（222）的另一端顺次穿过Y轴支架（24）的B侧板（242）上的YM钢丝绳通孔（222G）、接合支架（36）上的YL钢丝绳通孔（222F）、YB导轮座（226）上的YK钢丝绳通孔（222E）、YB导轮（224）、YB导轮座（226）上的YJ钢丝绳通孔（222D）、接合支架（36）上的YI钢丝绳通孔（222C）、Y轴支架（24）的B侧板（242）上的YH钢丝绳通孔（222B）后固定在Y轴配重块（23C）另一端的钢丝绳通孔上；Z轴平移组件（3）包括有四个直线轴承、两个滚珠轴承、两根支撑轴、四个支撑轴轴座、一根Z轴弹簧（31C）、一个Z轴配重块（33C）、一个Z轴支架（34）、一个Z轴直线轴承座（35）、两段钢丝绳、两个导轮和两个导轮座；Z轴直线轴承座（35）上设有ZA通孔（351）、ZB通孔（352）、ZC通孔（353）；该ZA通孔（351）用于放置F直线轴承（406）、E直线轴承（405）；该ZB通孔（352）用于放置H直线轴承（408）、G直线轴承（407）；该ZC通孔（353）用于放置ZB直线轴承（302）、ZA直线轴承（301）；直线轴承安装在通孔里且用销钉顶紧，故Z轴直线轴承座（35）上设有多个用于放置销钉的轴承顶孔（357）；ZA直线轴承（301）的外部套接有ZA滚珠轴承（303），ZB直线轴承（302）的外部套接有ZB滚珠轴承（304）；Z轴支架（34）为U形结构；Z轴支架（34）的上侧板（341）的下方安装有ZA导轮座（325），ZA导轮座（325）上安装有ZA导轮（323）；Z轴支架（34）的下侧板（342）的上方安装有ZB导轮座（326），ZB导轮座（326）上安装有ZB导轮（324）；Z轴支架（34）的上侧板（341）的下方安装有ZA轴座（31A）、ZA导轮座（325）和ZE轴座（33A）；Z轴支架（34）的下侧板（342）的上方安装有ZB轴座（31B）、ZB导轮座（326）和ZF轴座（33B）；ZA支撑轴（31）的一端安装在ZA轴座（31A）上，ZA支撑轴（31）的另一端顺次穿过Z轴弹簧（31C）、ZA直线轴承（301）、ZB直线轴承（302）后安装在ZB轴座（31B）上；ZA滚珠轴承（303）套接在ZA直线轴承（301）上，ZA滚珠轴承（303）的外部套接有上法兰（31D），上法兰（31D）上安装有上垫片（31F）； ZB滚珠轴承（304）套接在ZB直线轴承（302）上，ZB滚珠轴承（304）的外部套接有下法兰（31E），下法兰（31E）上安装有下垫片（31G）；ZC支撑轴（33）的一端安装在ZE轴座（33A）上，ZC支撑轴（33）的另一端顺次穿过ZE直线轴承（305）、ZF直线轴承（306）后安装在ZF轴座（33B）上；ZE直线轴承（305）和ZF直线轴承（306）置于Z轴配重块（33C）的ZD通孔（33D）内；第五段钢丝绳（321）的一端固定在上法兰（31D）上的ZB钢丝绳通孔（321B）上，第五段钢丝绳（321）的另一端穿过ZA导轮（323）后固定在Z轴配重块（33C）一端的ZA钢丝绳通孔（321A）上；第六段钢丝绳（322）的一端固定在下法兰（31E）上的ZD钢丝绳通孔（322B）上，第六段钢丝绳（322）的另一端穿过ZB导轮（324）后固定在Z轴配重块（33C）另一端的钢丝绳通孔上。