一种闭环控制的通用七自由度桌面型力触交互设

本发明涉及力反馈设备，尤其涉及一种闭环控制的通用七自由度桌面型力触交互设备。背景技术：1、力触交互技术作为一种新型的人机交互方式，打破了传统人机交互单纯依赖视觉和听觉交互的局限，使人与虚拟世界的交互更加真实、可靠，显著提高了人机交互的沉浸感、想象性与交互性。目前，力触交互技术已广泛应用于虚拟装配、产品设计、教育培训、娱乐游戏、康复训练、制造仿真、深海探索、航天航空、手术医疗和机器人遥操作等众多领域。而力触交互设备作为实现力触交互必不可少的硬件接口，直接影响到力触交互效果。力触交互技术应用领域的多样化、复杂化已对力触交互设备的性能提出了新的挑战。2、目前国内外高校、研究所和公司已对力触交互设备开展了广泛深入的研究，但研制的设备普遍缺少足够的力反馈自由度，无法满足力触交互技术的应用需求。3、多自由度力触交互设备成为力触交互技术发展的关键，具有重要的研究意义和应用价值。然而，现有的多自由度力触交互设备普遍存在如下问题：(1)反馈力和力矩输出精度较低；(2)被动重力补偿机构存在复杂的安装调整过程且会与主体传动机构之间发生干涉；(3)操作末端重量较大，需要消耗大量的额外转矩进行重力补偿，大大降低了设备的最大反馈输出能力；(4)力触交互设备成本高昂；(5)设备占据空间大，不方便搬运携带；(6)透明度较低、用户操作体验感和使用舒适性较差，不利于推广、使用和普及。4、多自由度力触交互设备成为力触交互技术发展的关键，具有重要的研究意义和应用价值。技术实现思路1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种闭环控制的通用七自由度桌面型力触交互设备，反馈力和反馈力矩输出精度高。2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：3、一种闭环控制的通用七自由度桌面型力触交互设备，包括底座、并联机构、串联机构和夹持机构；并联机构安装在底座上，串联机构安装在并联机构的末端，夹持机构安装在串联机构的末端，并联机构包括固定平台、浮动平台和三条绕圆周布置的支链，固定平台竖立固定在底座上，每条支链的一端均与固定平台活动连接，每条支链的另一端均与浮动平台活动连接，每条支链均包括驱动支链转动的电机和获取支链转动角度的第一编码器；三条支链驱动夹持机构在空间三个方向上移动；安装在浮动平台上的串联机构包括依次串联的z轴转动装置、x轴转动装置和y轴转动装置；z轴转动装置、x轴转动装置和y轴转动装置均包括电机和获取转动角度的第二编码器；z轴转动装置、x轴转动装置和y轴转动装置驱动夹持机构在空间三个方向上转动；夹持机构包括指捏夹组件、驱动指捏夹组件转动的指捏夹传动转置，指捏夹组件与指捏夹传动装置活动连接；指捏夹传动装置包括驱动的电机和获取指捏夹组件转动角度的第三编码器；夹持机构还包括六维传感器，六维传感器测量并联机构和串联机构作用于夹持机构的三个自由度的反馈力和三个自由度的反馈力矩。4、作为一种优选，每条支链均包括第一线传动装置；第一线传动装置、z轴转动装置、x轴转动装置、y轴转动装置、指捏夹传动转置均包括第一绕线轮和绕线方式相同的绕线盘组件；电机的驱动轴接第一绕线轮，绕线盘组件与第一绕线轮线传动连接。5、作为一种优选，绕线盘组件均包括绕线盘、固定绕线柱、调紧绕线柱、两个边缘绕线柱、两个第一拉伸弹簧、两条第一钢丝线、一条第二钢丝线；第二钢丝线缠绕在第一绕线轮上，再从两边走线紧贴绕线盘的圆弧外沿，通过绕线盘两端的边缘绕线柱进入绕线盘的内部；两条第一钢丝线的一端均固定在绕线盘内部的固定绕线柱上，两条第一钢丝线的另一端分别接一个第一拉伸弹簧的一端，两个第一拉伸弹簧的另一端分别接第二钢丝线的两端，位于绕线盘内部的调紧绕线柱顶紧第二钢丝线。6、作为一种优选，三条支链中，第一线传动装置还包括绕线盘支座、电机支座、第一转动轴；绕线盘组件为第一绕线盘组件；三个电机支座固定在固定平台的背面上，电机支座上安装电机；三个绕线盘支座固定在固定平台的正面上；固定平台开设圆周均布的三个长条口，第一绕线盘组件安装在绕线盘支座上，第一绕线盘组件穿过对应的长条口直立在固定平台上，绕线盘支座上安装与第一绕线盘组件同步转动的第一转动轴，第一编码器安装在第一转动轴上，第一编码器获取第一绕线盘组件的转动角度；每条支链还包括四边形连杆机构；四边形连杆机构包括两个短边的第一连杆和两个长边的第二连杆，一个第一连杆的两端与两个第二连杆的一端转动式连接，另一个第一连杆的两端与两个第二连杆的另一端转动式连接；第一绕线盘组件与一个第一连杆的中部转动式连接，浮动平台与另一个第一连杆的中部转动式连接。7、作为一种优选，第一连杆的两端分别固定一个短轴，一个第一连杆两端的短轴分别与两个第二连杆的一端铰接，另一个第一连杆两端的短轴分别与两个第二连杆的另一端铰接；第二连杆为弓形。8、作为一种优选，并联机构中，一条支链位于固定平台的正上部，另外两条支链左右对称设置，左右对称的电机分别安装在对应的电机支座的上侧面，左右对称的第一绕线盘组件分别安装在对应的绕线盘支座的上侧面。9、作为一种优选，力触交互设备还包括三个拉簧调整机构，一个拉簧调整机构对应调整一条支链；拉簧调整机构包括第二绕线轮、第三钢丝线、第二拉伸弹簧、螺柱，第一转动轴接第二绕线轮，第三钢丝线的一端固定在第二绕线轮上，第三钢丝线缠绕在第二绕线轮上，第三钢丝线的另一端、第二拉伸弹簧、螺柱依次连接；固定平台上对应开设三个螺纹孔，螺柱旋入对应的螺纹孔中，通过调整螺柱的旋入深度实现拉簧调整机构辅助支撑支链、串联机构和夹持机构，抵消力触交互设备的部分重力。10、作为一种优选，绕线盘的圆弧形的绕线外沿均设有挡边，防止钢丝线滑落；第一绕线轮和第二绕线轮均设置螺旋线槽。11、作为一种优选，z轴转动装置还包括直角形支撑杆、z向转动轴；绕线盘组件为z轴绕线盘组件，直角形支撑杆包括竖杆和横杆，竖杆与浮动平台固定连接，z向转动轴固定在z轴绕线盘组件上侧，z向转动轴与横杆转动式连接，横杆通过z向转动轴与水平摆放的z轴绕线盘组件转动式连接，z向转动轴接第二编码器，安装在横杆上的电机线传动驱动z轴绕线盘组件以z向转动轴为支点转动；x轴转动装置还包括第一竖向支撑杆、x向转动轴；绕线盘组件为x轴绕线盘组件，第一竖向支撑杆与z轴绕线盘组件固定连接；x向转动轴固定在x轴绕线盘组件的侧面，x向转动轴与第一竖向支撑杆转动式连接，第一竖向支撑杆通过x向转动轴与竖立摆放的x轴绕线盘组件转动式连接，x向转动轴接另一第二编码器，安装在第一竖向支撑杆上的电机线传动驱动x轴绕线盘组件以x向转动轴为支点转动；y轴转动装置还包括第二竖向支撑杆、y向转动轴；绕线盘组件为y轴绕线盘组件，形成直角的x轴绕线盘组件与y轴绕线盘组件通过l形板固定连接；y向转动轴与第二竖向支撑杆固定连接，y向转动轴与y轴绕线盘组件转动式连接，第二竖向支撑杆通过y向转动轴与竖立摆放的y轴绕线盘组件转动式连接，y向转动轴接另一第二编码器，安装在第二竖向支撑杆上部的电机线传动驱动y轴绕线盘组件以y向转动轴为支点转动。12、作为一种优选，指捏夹传动装置还包括支撑座、指捏夹转动轴；绕线盘组件为指捏夹绕线盘组件，指捏夹组件安装在指捏夹绕线盘组件的端部，支撑座与串联机构的末端固定连接，指捏夹转动轴与指捏夹绕线盘组件固定连接，指捏夹转动轴与支撑座转动式连接，支撑座通过指捏夹转动轴与指捏夹绕线盘组件转动式连接，指捏夹转动轴接第三编码器，安装在支撑座上的电机线传动驱动指捏夹绕线盘组件以指捏夹转动轴为支点转动；六维传感器安装在支撑座的底部。13、本发明的工作原理：操作者在使用过程中，手指穿过指套，通过手指的开合模拟虚拟环境中的抓取物件或按下按钮，控制系统通过指捏夹传动装置获得手指的开合转动角度(1个自由度)并对应反馈作用力于手指端；操作者操纵握持端时，通过并联机构捕捉，经控制系统计算得到握持端在立体空间上三个方向的平移自由度(3个自由度)，通过串联机构捕捉握持端在立体空间上三个方向的转动角度(3个自由度)，控制系统根据握持端的七个自由度，通过夹持机构、并联机构和串联机构实时输出对应自由度的力反馈作用于握持端；六维传感器测量并联机构和串联机构作用于握持端的三个自由度的反馈力和三个自由度的反馈力矩，并将数据反馈给控制系统，控制系统将输出的数据和六维传感器测量的数据进行对比，如果存在偏差，控制系统再驱动电机通过并联机构和串联机构对握持端进行力和力矩的补偿，从而实现闭环控制，使设备输出更精准的反馈力和反馈力矩。本发明具备主动重力补偿功能：并联机构上的3个电机输出扭矩对并联机构、串联机构和夹持机构的部分自重进行抵消；本发明具备被动重力补偿功能：拉簧调整机构的线传动调节，辅助支撑支链、串联机构和夹持机构，降低了主动重力补偿时并联机构的电机消耗的额外转矩，使力触交互设备具有更大的力反馈输出能力。14、总的说来，本发明具有如下优点：15、(1)力触交互设备为桌面型，设备占据空间小，整体结构紧凑，可提供七个自由度的力和力矩反馈，能够应对多种应用领域的各种复杂的操作。16、(2)因加工误差、装配误差、线传动误差等原因，控制系统反馈输出的力和力矩的实际数据与理想数据存在一定偏差；六维传感器将测量到的实际输出的三个自由度的反馈力和三个自由度的反馈力矩传递给控制系统，控制系统将实际输出与理想输出的数据进行比较并做出数据补偿，使控制系统反馈输出更精准的重力补偿、力和力矩，提高了设备的透明度和力反馈精度，因此六维传感器使力触交互设备实现了闭环控制。17、(3)拉簧调整机构的结构简单，通过调整拉簧调整机构的螺柱螺纹旋入深度即可调节被动补偿重力的大小，拉簧调整机构与支链之间无运动干涉问题。18、(4)编码器都不设置在电机的驱动轴上，编码器分别设置在与绕线盘组件的转动支点端，实时检测绕线盘转动的角度，不会受到钢丝线弹性变形的干扰，能够得到更准确的转动角度数据。19、(5)并联机构、串联机构和夹持机构的依次串联连接，使得设备刚度大，在合适的操作空间内的操作更灵活。20、(6)设备桌面型的设计更符合人体工学，方便携带和操作，用户长时间操作不容易手部疲劳，提高用户的使用舒适性。21、(7)第二连杆为弓形保证了四边形连杆机构的强度和稳定性，也有效增加了第二连杆的转动范围，扩大设备的运动空间，更有利于灵活操作。22、(8)并联机构、串联机构和夹持机构通过结构简单的线传动结构实现运动，加工、安装、调整和维护更容易；第二拉伸弹簧用于钢丝线的调节和适度张紧，使钢丝线时刻保持在张紧状态，避免线传动打滑，也使线传动结构具有更长的使用寿命，长期使用也不会出现钢丝线松弛。23、(9)第一绕线轮与绕线盘的交叉绕线形式增加了包角，减少打滑，且交叉绕线形式的对称性更好，可以相互抵消部分径向力，降低第一绕线轮负载，延长第一绕线轮的寿命，使传动更平稳。24、(10)第一绕线轮和第二绕线轮上设螺旋线槽，有利于绕线安装和防止线松脱，同时也解决了交叉绕线形式中钢丝线之间的干涉问题。25、(11)绕线盘的绕线的外部轮廓均为圆弧形并设有挡边，防止钢丝线滑落，确保线传动顺滑。26、(12)圆柱形的边缘绕线柱在绕线盘的绕线拐角处，使钢丝线进入绕线盘的内部时拐角处具有较大的圆角，消除了拐角处的应力集中，使钢丝线具有更长的使用寿命，边缘绕线柱也方便绕线。27、(13)上述第(8)(9)(10)(11)(12)点的相互配合，简化了钢丝线的安装过程，具有线传动更平稳、惯量小、无传动间隙、无传动噪音、传动更顺滑、成本低、传动力放大输出、设备定位精度更高等优点。28、(14)夹持机构提供手指的开合转动角度，用于模拟虚拟环境中抓取、按钮等多种功能，使力触交互设备能应对不同应用领域中的各种复杂的操作。29、(15)两个左右对称的支链，电机均在电机支撑座的上侧，使固定平台的下方有更多的空间，有利于电路板的安装和散热；同时左右对称的第一绕线盘组件分别安装在对应的绕线盘支座的上侧面，使设备整体结构更加紧凑，左右对称的绕线盘支座的受力方式由传统的抗拉变为抗压，使设备的承载能力增加。30、(16)防滑垫增加力触交互设备的稳定性。