基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备

本发明涉及实力反馈交互设备相关，具体为基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备。

背景技术：

1、随着智能制造、虚拟现实技术的发展，桌面级多自由度力反馈交互设备成为虚实融合交互的核心装置，可复现虚拟环境中的位移、旋转与力学反馈，广泛应用于教学、精密装配、仿真训练等场景。

2、如现有专利（申请号为cn200710062916.x，申请日为2007.01.22的中国专利）所公开的六自由度力觉人机交互装置，该装置具有三维力和三维力矩反馈功能，理论上可以模拟物理世界中任何的力觉交互任务(实际模拟效果受设备的力和力矩输出能力、操作杆运动范围等因素影响)，相比已公开的仅具有力反馈或者力矩反馈的力觉交互装置，该装置通用性强，扩展了力觉交互设备的应用领域。

3、虽然上述装置方便实现交互处理，但是目前市面主流桌面级力反馈设备多采用串联机械结构与电磁直流电机的技术方案，该类设备存在诸多缺陷：一是串联结构空间利用率低，设备本体体积偏大，但有效工作空间狭小，难以满足桌面场景大范围操作需求；二是电磁直流电机扭矩密度低、堵转力矩有限，需配套减速器等传动机构，不仅造成设备整体笨重、集成度差、便携性不足，还导致力反馈刚度偏低，模拟刚性物体交互时真实感与沉浸感弱；三是运动部件整体质量大，系统运动惯量高，动态响应延迟明显，无法适配高速力觉交互场景，并且现有桌面级力反馈设备的底座固定方式同样存在明显短板，采用单侧或双侧c型夹具夹紧，夹具与底座多为单点螺栓连接，存在装配间隙，六维交变载荷下易出现横向滑移与扭转漂移，难以匹配设备。

4、因此我们便提出了基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备能够很好的解决以上问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备，以解决上述背景技术提出的目前市场上串联结构空间利用率低，设备本体体积偏大，但有效工作空间狭小，难以满足桌面场景大范围操作需求；电磁直流电机扭矩密度低、堵转力矩有限，需配套减速器等传动机构，不仅造成设备整体笨重、集成度差、便携性不足，还导致力反馈刚度偏低，模拟刚性物体交互时真实感与沉浸感弱；以及运动部件整体质量大，系统运动惯量高，动态响应延迟明显，无法适配高速力觉交互场景的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备，包括底座以及底座一侧位置所安装的运动平台，其特征在于：所述底座固定安装于桌面，作为整体设备的固定支撑基体；所述运动平台通过三组对称布置的并联连杆组与底座活动连接，底座、三组并联连杆组与运动平台共同构成3-rps并联运动机构，实现运动平台可实现三平移、三旋转共六自由度运动；操作执行组件包括控制操作杆、球形操作端头a、球形操作端头b、第一连杆与第二连杆，第一连杆转动设置于并联连杆组的上端位置，所述控制操作杆固接于运动平台的端面，所述球形操作端头b通过第二连杆装配于并联连杆组的端部位置，驱动组件嵌入设置球形操作端头a与球形操作端头b的内侧，用于驱动并联连杆组动作，并配合六维力扭矩传感器实现力反馈交互。

3、作为本技术优选的技术方案，所述驱动组件为压电超声行波电机；所述压电超声行波电机无减速机构，直接作为并联连杆组的转动副驱动源，具备零速自锁特性。

4、作为本技术优选的技术方案，所述并联连杆组包含若干根连杆。

5、作为本技术优选的技术方案，所述球形操作端头a、球形操作端头b均为铝合金空心抽壳结构，以便于后期装配处理。

6、作为本技术优选的技术方案，所述六维力扭矩传感器内部预埋导线孔，内部预埋导线孔规整线路布局。

7、作为本技术优选的技术方案，所述运动平台可沿x、y、z轴平移，并可绕x、y、z轴旋转。

8、作为本技术优选的技术方案，还包括所述焊接固定于底座外侧的延伸体，所述延伸体呈“冖”型架设于桌台面上方，延伸体下端左右两面与桌台面表面贴合；延伸体底部等角度环形布置六个吸盘件，对称左右设置两组，吸盘件吸附于桌台面顶面并预留缓冲气层，吸盘件内部留存部分空气、未完全抽真空；两侧延伸体上分别开设内六角孔，c字形夹具件的固定上端设有嵌入六角块并嵌入内六角孔内；所述内六角孔六个内壁分别配套设置负压触发补强机构，负压触发补强机构分别通过一组负压管连通一组吸盘件。

9、当设备交互产生前后、左右滑移或扭转趋势时，嵌入六角块挤压内六角孔对应侧内壁，触发对应负压触发补强机构压缩气路，提升对应位置吸盘件内部负压效果，抵消底座偏移趋势。

10、作为本技术优选的技术方案，所述夹具件包含c字框架，c字框架下端螺纹装配有锁紧栓，锁紧栓顶端转动连接有限位块，限位块压紧贴合于桌台面下表面；c字框架上端内侧固定所述嵌入六角块，嵌入六角块整体嵌入内六角孔内部并存在间隙。

11、作为本技术优选的技术方案，所述负压触发补强机构包含滑动装配于内六角孔内壁的贴合块，贴合块伸入延伸体内部空腔的一端连接复位弹簧，复位弹簧另一端固定于空腔内壁；空腔远离复位弹簧一侧连通负压管，负压管末端对接对应位置吸盘件的气口；

12、嵌入六角块挤压贴合块时，贴合块压缩空腔内部气体，增大吸盘件负压；外力消失后，复位弹簧推动贴合块复位，吸盘负压回落至基础吸附状态；吸盘件挤压仅排出大部分空气，保留微量空气形成弹性缓冲层，既缓冲六自由度交变交互冲击，又可在贴合块挤压空腔时快速改变局部负压，实现瞬时吸附补强。

13、基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备的力反馈工作方法，应用于基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备，包括以下步骤：

14、s1、操作人员握持球形操作端头a或球形操作端头b进行空间动作操作，六维力扭矩传感器实时采集操作端所受三维作用力、三维扭矩以及设备实时位姿数据；

15、s2、六维力扭矩传感器将采集得到的力、扭矩及位姿电信号传输至主控制器，主控制器依次完成运动学逆解运算、虚拟环境交互力映射计算，生成各压电超声行波电机的驱动控制指令；

16、s3、主控制器将驱动控制指令下发至嵌入在并联连杆组转动副处的压电超声行波电机，压电超声行波电机按照指令输出对应力矩并驱动并联连杆组协同运动；

17、s4、并联连杆组带动运动平台、控制操作杆同步动作，反馈力与约束力矩经传动结构逐级传递至球形操作端头a、球形操作端头b；

18、s5、操作人员感知虚拟环境对应的力反馈效果，设备持续循环执行步骤s1至s4，实现连续闭环式六自由度力反馈交互。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果设置如下：该基于并联结构的桌面级六自由度虚拟现实力反馈交互设备，依托并联构型大幅提升空间利用效率，工作空间体积减小，适配桌面狭小使用场景；压电电机摒弃减速传动结构，凭借高扭矩密度与零速自锁特性，力反馈刚度提升，大幅增强虚拟碰撞、硬质接触面交互的真实感与沉浸感；同时连杆、操作端头采用碳纤维、空心铝合金等轻量化材质，整机重量降低，运动惯量显著减小，动态响应更加灵敏；整套结构简化了传动链路，减少运动副磨损，提升设备运行稳定性与使用寿命，既满足虚拟现实交互、精密装配、教学实验等场景的高精度使用需求，也降低了高校、中小企业的采购与应用门槛。

20、1.通过结构与驱动系统的协同优化，显著改善设备动态运行性能与操控体验；并联机构运动部件更少、质量分布更均衡，配合轻量化复合材料构件，整机运动惯量大幅下降，结合压电电机小于5m桌台面的超快响应速度，可精准复现振动、瞬时碰撞等复杂力觉信号，彻底解决传统设备动态响应滞后的问题；各铰接位置配备低摩擦一体化铝合金连接头，运动过程无卡顿、无干涉，配合±0.05mm平移精度与±0.1°旋转精度，保证六自由度动作精准可控；轻量化设计有效减轻长时间手持操作带来的疲劳感，人机工学表现更佳，可稳定适配虚拟训练、三维交互、远程操控等高频作业场景，进一步拓宽设备的适用范围。

21、2.设备摒弃传统串联臂、直流电机以及减速器的复杂传动组合，压电电机直接集成于连杆转动副，零部件数量大幅精简，整体集成度显著提升，装配、调试流程更加简便；标准化封装的六维力扭矩传感器与通用化机械构件，降低了后期检修、配件更换难度，设备维护成本有效减少；该设备可规模化应用于高校教学实验、小型精密零件装配、3d交互演示等场景；

22、3.通过六组环形均布的半真空吸盘、双侧内六角嵌入式夹具与六边对应负压触发补强机构形成协同约束体系，竖向吸盘吸附与夹具限制底座z向抬升位移，在六自由度交互产生剪切力或扭转力矩使底座出现偏移趋势时，嵌入六角块挤压对应侧内壁，同步提升对应区域吸盘的负压吸附力，定向抵消偏转载荷；相较于传统单一吸盘或单侧夹具固定方案，可显著降低底座的平移漂移与旋转漂移。