本發(fā)明涉及一種力反饋設備，尤其涉及一種6自由度框架式并聯(lián)力反饋設備，能夠適配圈式和筆式等多種人手運動捕捉裝置，該設備可以提供6自由度運動輸入和3自由度力覺輸出。

背景技術：

在虛擬現(xiàn)實技術領域中，通常需要向用戶提供視覺、聽覺、觸/力覺等信息的反饋，使用戶獲得沉浸式的多感官體驗和強烈的臨場感。當前，市面上已有多款成熟的商業(yè)虛擬現(xiàn)實交互設備，如數(shù)據(jù)手套、力反饋器、vr眼鏡等。其中，力反饋器作為一種新型的輸入輸出設備，可以為用戶提供逼真的力覺反饋。與提供其它感官比如聽覺、視覺、嗅覺的交互裝置不同，力反饋器可以將力/觸覺的信息在用戶和虛擬場景之間進行雙向傳遞。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有不少高校、研究所或個人在從事力反饋設備的研究和開發(fā)工作，所研制的力反饋設備主要為串聯(lián)結(jié)構(gòu)和delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過對現(xiàn)有技術的專利文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利申請?zhí)杣s6088020，名稱為：hapticdevice，該專利在3自由度力反饋設備基礎上，設計了一個可以提供2個自由度力矩輸出的筆式末端，改善了單點式力反饋設備的力覺輸出缺陷。但是缺點是筆式末端增加了額外的執(zhí)行機構(gòu)，使得末端轉(zhuǎn)動慣量較大，對設備的自平衡有較大的影響。中國專利申請?zhí)?01310042090.6和201610235880.x，名稱分別為：一種串并聯(lián)力反饋遙操作主手和一種三維平動力反饋設備，兩個專利都采用了delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)力反饋器的三維平動。此外，前者設計了串聯(lián)結(jié)構(gòu)的操作末端。但是由于delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)本身的局限性，這種結(jié)構(gòu)的力反饋器的操作空間比較小，且正向運動學計算比較困難。中國專利申請?zhí)?01110122863.2和2015103427022，名稱分別為：一種6自由度力反饋虛擬手術器械和一種可拓展連接的6自由度力反饋機械臂，這兩個專利設計的力反饋器的三維平動均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，實現(xiàn)了比較大的操作空間。但是減速輪和配重塊導致力反饋器平動的運動慣量較大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的缺陷與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，反饋力大，實時性好，易于制造維修，自平衡簡單，操作靈活，并且可以適配多種操作末端的6自由度框架式并聯(lián)力反饋設備。

本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種6自由度可重用末端的框架式并聯(lián)力反饋設備，包括機械機構(gòu)、驅(qū)動控制模塊、末端姿態(tài)采集模塊和供電模塊，所述機械機構(gòu)用于實現(xiàn)力反饋器末端6自由度運動輸入和3自由度反饋力輸出，并采用吊絲配重平衡自重；所述驅(qū)動控制模塊用于實現(xiàn)電機的運動檢測和控制，控制力反饋器力覺的輸出；所述末端姿態(tài)采集模塊用于完成末端上下俯仰、左右擺動和沿手臂方向自旋的角度測量；所述供電模塊用于提供平穩(wěn)、可靠的電源，以及進行電流過載保護。

進一步地，所述的機械機構(gòu)包括底座組件、動平臺組件、頂板組件和操作末端組件，所述底座組件和頂板組件通過四根豎直光桿導軌和光桿軸承固定座固接，組成力反饋器的外部框架結(jié)構(gòu)，所述動平臺組件通過四個箱式滑塊分別與四根豎直光桿導軌滑動連接，實現(xiàn)豎直方向的平動；所述操作末端組件與動平臺組件連接，用于捕捉人手運動，并實現(xiàn)力反饋器的6自由度運動。

進一步地，所述底座組件包含一個底座支撐平臺、四個底座支腳、四根實心豎直的光桿導軌、四個光桿導軌支座、四個動平臺限位支架、一個導線輪墊木、一個底座橫向?qū)Ь€輪、兩個底座側(cè)向?qū)Ь€輪、第三電機、一個第三電機支架，四個底座支腳與底座支撐平臺底部固定，可減小底座支撐平臺與水平面的接觸面積，方便搬運；四根實心豎直的光桿導軌和四個光桿導軌支座用于連接頂板組件和底座支撐平臺；四個動平臺限位支架分別套在四根實心豎直的光桿導軌上，并與底座支撐平臺連接，用于限制動平臺組件豎直方向的最低位置，防止動平臺組件與底座支撐平臺碰撞；所述底座橫向?qū)Ь€輪固定在所述底座支撐平臺上，用于將豎直方向從頂板組件傳導下來的鋼絲線轉(zhuǎn)換成水平方向，然后經(jīng)過兩個底座側(cè)向?qū)Ь€輪換向后與第三電機的第三電機軸螺紋套連接；所述第三電機支架用于將第三電機固定在底座支撐平臺上。

進一步地，所述動平臺組件包括一個移動平板、四個箱式滑塊、八個移動平板固定支架、九個活接帶孔螺栓、六條直線導軌、八個直線滑塊、兩條導軌連接支架、四個接線耳板、四個直線導軌限位支架、八個動平臺橫向?qū)Ь€輪、六個動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪、兩個電機支架、兩個直線滑塊墊木、一個十字連接支架、第一電機、第二電機，所述移動平板固定支架用于連接箱式滑塊和移動平板；九個活接帶孔螺栓中的四個用于通過鋼絲線和底座組件的第三電機連接，實現(xiàn)移動平板的豎直方向的傳動和力覺傳輸；另外四個用于通過鋼絲線連接配重塊，實現(xiàn)動平臺組件的重力平衡；另一活接帶孔螺栓過活接螺栓墊木設置在移動平板中心，與纏繞第三電機軸螺紋套的鋼絲線連接形成一個閉環(huán)傳動；所述六條直線導軌中的四條分別設置在移動平板四邊形成矩形導軌框，兩個直線導軌固定支架呈空間錯開的十字形，兩端均通過直線滑塊與設置在移動平板四邊的直線導軌滑動配合，實現(xiàn)互不干涉的平面運動，另外兩條直線導軌呈十字形分別設置在兩個直線導軌固定支架上，共同實現(xiàn)操作末端組件在移動平板上的平面運動；動平臺橫向?qū)Ь€輪和動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪實現(xiàn)鋼絲線換向，并分別與第一電機的第一電機軸螺紋套、第二電機的第二電機軸螺紋套連接；兩個電機支架將第一電機、第二電機對稱地固定在移動平板底部；四個接線耳板分別和位于直線導軌固定支架兩端的直線滑塊固接，提供鋼絲線連接的位置；所述直線導軌限位支架設置在矩形導軌框兩相鄰直線導軌的兩端，用于限制平面運動，防止直線滑塊滑出直線導軌；所述十字連接支架通過另外四個直線滑塊與兩個空間錯開的十字形直線導軌滑動連接，兩個直線滑塊墊木設置在所述十字連接支架與空間高度較低的直線滑塊之間，用于彌補兩個直線導軌固定支架的高度差，使二者整體高度一致，實現(xiàn)十字連接支架在移動平板上的二維平動。

進一步地，所述頂板組件包括一個頂板、固定在頂板上的四個頂板橫向?qū)Ь€輪和三個頂板側(cè)向?qū)蜉?、八個吊絲配重橫向?qū)Ь€輪、四個用于連接光桿導軌的光桿支座，所述四個頂板橫向?qū)Ь€輪和三個頂板側(cè)向?qū)Ь€輪實現(xiàn)移動平板四角鋼絲線在頂板的換向和匯集，最后將匯集后的鋼絲線導入到底座組件，并和底座組件上的第三電機連接，八個吊絲配重橫向?qū)Ь€輪用于配重鋼絲線的換向。

進一步地，所述操作末端組件為筆式末端或圈式末端，所述筆式末端包括一個第一支架、深溝球軸承、一根主軸、一根第二支架、三個角度傳感器、三個傳感器軸套、一個四角按鍵開關和一根手柄，所述第一支架用于連接操作末端與動平臺組件，所述主軸一端與固定在第一支架左臂上的深溝球軸承連接，另一端與帶軸套的角度傳感器連接，用于人手上下俯仰運動的捕捉，該角度傳感器可以實時測量俯仰角度；所述第二支架下方與裝在主軸中部的角度傳感器連接，用于完成人手擺動運動的捕捉，該傳感器可以實時測量擺動角度；所述手柄與固接在第二支架上端的角度傳感器連接，用于捕捉人手沿手臂方向的自轉(zhuǎn)運動，該角度傳感器可以實時測量自轉(zhuǎn)的角度；所述手柄上方的四角按鍵開關作為用戶在虛擬環(huán)境中操作時抓取或釋放虛擬物體的信號標識；例如按下按鍵抓取虛擬物體，松開按鍵釋放虛擬物體；所述圈式末端包括一個傳感器支座、一個第一支架、一個深溝球軸承、一個外圈、一個外圈擋板、一個內(nèi)圈、三個角度傳感器、一個螺紋套和一個薄壁止推軸承，所述傳感器支座連接圈式末端和動平臺組件，所述第一支架中部通過角度傳感器及緊定螺釘與傳感器支座轉(zhuǎn)動連接，實現(xiàn)捕捉人手的左右擺動運動，該角度傳感器可實時測量擺動角度；所述外圈和外圈擋板連接成整體，其一端通過深溝球軸承與第一支架左臂連接，另一端與位于第一支架右臂的角度傳感器連接，實現(xiàn)捕捉人手的上下俯仰運動，該角度傳感器可以實時測量上下俯仰角度；所述內(nèi)圈通過薄壁止推軸承與外圈轉(zhuǎn)動連接，所述外圈上固定有角度傳感器，該角度傳感器的軸上設有螺紋套，所述螺紋套上纏繞有與內(nèi)圈相連接的鋼絲，當內(nèi)圈轉(zhuǎn)動時帶動角度傳感器運動，實現(xiàn)捕捉人手沿手臂方向的自轉(zhuǎn)運動。

進一步地，所述角度傳感器均為零度測量盲區(qū)的霍爾式角度傳感器。

進一步地，所述控制模塊包括三個分別連接三個電機的500線光電編碼器和三個帶力矩控制模式和can總線通訊接口的電機驅(qū)動器，所述光電編碼器用于獲取電機當前的旋轉(zhuǎn)角度，所述電機驅(qū)動器用于根據(jù)光電編碼器采集的信息實時計算各電機的速度、角速度信息，然后根據(jù)機構(gòu)運動學分析獲得操作末端的位置、速度信息，所述電機驅(qū)動器還通過電流控制電機的輸出力矩，從而實現(xiàn)在操作末端輸出指定大小和方向的反饋力，相較于rs232或rs485通訊，采用can總線通訊減少了驅(qū)動器占用電腦端口的數(shù)量。三個空心杯永磁式直流有刷伺服電機、

進一步地，所述末端姿態(tài)采集模塊包括zigbee數(shù)據(jù)采集模塊和zigbee無線串口接收模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊的i/o口分別連接各角度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集模塊對角度傳感器進行電壓信號采集并轉(zhuǎn)換成相應的角度數(shù)據(jù)，然后按照zstack協(xié)議將角度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，此時電腦可以通過zigbee無線串口模塊接收采集到的角度數(shù)據(jù)。

進一步地，所述供電模塊由24v直流電源適配器和三路空氣開關構(gòu)成，相比于普通開關電源，該電源適配器體積更小、包裝更加可靠、使用壽命更長?？諝忾_關接在電機和驅(qū)動器之間，當電機電流過載時，空氣開關切斷驅(qū)動器與電機的電路連接，起到保護電機的作用。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明摒棄傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)和delta并聯(lián)結(jié)構(gòu)的局限性，采用框架式并聯(lián)結(jié)構(gòu)設計了六自由度力反饋設備，具有反饋力大、結(jié)構(gòu)及操作簡單、實時性好、成本低廉、操作靈活等優(yōu)點。

可適配多種末端的動平臺組件設計，使得筆式和圈式等末端可以很方便地與動平臺組件連接，極大地擴大了力反饋設備的應用場景，真正實現(xiàn)了一機多用。

對稱的框架式并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得力反饋器自平衡更加方便、可靠，采用吊絲配重法可以精確地平衡動平臺組件的自重，大大減小末端操作的疲勞感，減少電機的負載損耗，使反饋力輸出范圍擴大。

通過線傳動將動平臺組件豎直方向運動傳遞到底座支撐平臺上的第三電機，減小了動平臺組件的運動慣量。第一、二電機對稱布置在動平臺組件上，保證了四周豎直光桿導軌上的箱式滑塊受力的均衡性。

附圖說明

圖1和圖2分別是本發(fā)明適配筆式和圈式操作末端的6自由度框架式并聯(lián)力反饋設備的總體示意圖。

圖3是圖1所示力反饋設備的底座組件具體組成示意圖。

圖4和圖5分別是圖1所示力反饋設備的動平臺組件正面和反面具體組成示意圖。

圖6和圖7分別是圖1所示力反饋設備的頂板組件正面和反面的具體組成示意圖。

圖8是圖1所示力反饋設備的筆式末端具體組成示意圖。

圖9是圖2所示力反饋設備的圈式末端具體組成示意圖。

圖中：

1.底座組件；

1-1-1.底座支撐平臺；1-2-1~1-2-4.底座支腳；1-3-1~1-3-4.光桿導軌支座；1-4-1~1-4-4.動平臺限位支架；1-5-1~1-5-4.光桿導軌；1-6-1、1-6-2.空氣開關固定支架；1-7-1.空氣開關導軌；1-7-2.三路空氣開關；1-8-1~1-8-3.三個電機驅(qū)動器；1-9-1.第三電機支架；1-10-1.第三電機軸螺紋套；1-11-1.第三電機；1-12-1.第三光電編碼器；1-13-1.導線輪墊木；1-14-1.底座橫向?qū)Ь€輪；1-15-1、1-15-2.底座側(cè)向?qū)Ь€輪；

2.動平臺組件；

2-1-1.移動平板；2-2-1~2-2-4.箱式滑塊；2-3-1~2-3-8.移動平板固定支架；2-4-1~2-4-8.動平臺橫向?qū)Ь€輪；2-5-1~2-5-4.直線導軌限位支架；2-6-1~2-6-4、2-6-9.傳動帶孔活接螺栓；2-6-5~2-6-8.吊絲配重帶孔活接螺栓；2-7-1~2-7-6.直線導軌；2-8-1~2-8-8.直線滑塊；2-9-1~2-9-4.接線耳板；2-10-1~2-10-2.導軌連接支架；2-11-1~2-11-2.直線滑軌墊木；2-12-1.十字連接支架；2-13-1~2-13-6.動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪；2-14-1.第一電機支架；2-14-2.第二電機支架；2-15-1.第一電機軸螺紋套；2-15-2.第二電機軸螺紋套；2-16-1.第一電機；2-16-2.第二電機；2-17-1~2-17-2.光電編碼器；2-18-1.活接螺栓墊木；

3.頂板組件；

3-1-1.頂板；3-2-1~3-2-4.頂板橫向?qū)Ь€輪；3-2-5~3-2-12.吊絲配重橫向?qū)Ь€輪；3-3-1~3-3-3.頂板側(cè)向?qū)蜉啠?-4-1~3-4-4.光桿支座；

4.筆式末端；

4-1-1.第一支架；4-2-1.深溝球軸承；4-3-1.主軸；4-4-1.第一角度傳感器；4-4-2.第二角度傳感器；4-4-3.第三角度傳感器；4-5-1~4-5-3.傳感器軸套；4-6-1.第二支架；4-7-1.手柄；

5.圈式末端；

5-1-1.傳感器支座；5-2-1.第三支架；5-3-1.第四角度傳感器；5-3-2.第五角度傳感器；5-3-3.第六角度傳感器；5-4-1.外圈擋板；5-4-2.外圈；5-5-1.內(nèi)圈；5-6-1.薄壁止推軸承。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1、圖2所示，一種6自由度可重用末端的框架式并聯(lián)力反饋設備，包括機械機構(gòu)、驅(qū)動控制模塊、末端姿態(tài)采集模塊和供電模塊，所述機械機構(gòu)用于實現(xiàn)力反饋器末端6自由度運動輸入和3自由度反饋力輸出，并采用吊絲配重平衡自重；所述驅(qū)動控制模塊用于實現(xiàn)電機的運動檢測和控制，控制力反饋器力覺的輸出；所述末端姿態(tài)采集模塊用于完成末端上下俯仰、左右擺動和沿手臂方向自旋的角度測量；所述供電模塊用于提供平穩(wěn)、可靠的電源，以及進行電流過載保護。

具體而言，所述的機械機構(gòu)包括底座組件1、動平臺組件2、頂板組件3和操作末端組件，所述底座組件1和頂板組件3通過四根豎直光桿導軌和光桿軸承固定座固接，組成力反饋器的外部框架結(jié)構(gòu)，所述動平臺組件2通過四個箱式滑塊分別與四根豎直光桿導軌滑動連接，實現(xiàn)豎直方向的平動；所述操作末端組件與動平臺組件連接，用于捕捉人手運動，并實現(xiàn)力反饋器的6自由度運動，其中動平臺組件2實現(xiàn)3個自由度平動和反饋力輸出，操作末端組件實現(xiàn)3個自由度轉(zhuǎn)動，可以根據(jù)特定應用場景選擇合適的操作末端組件。

如圖3所示，底座組件1包括底座支撐平臺1-1-1、四個底座支腳1-2-1~1-2-4、四個光桿導軌支座1-3-1~1-3-4、四個動平臺限位支架（1-4-1~1-4-4）、四根光桿導軌（1-5-1~1-5-4）、兩個空氣開關固定支架1-6-1、1-6-2、一根空氣開關導軌1-7-1、一個三路空氣開關1-7-2、三個電機驅(qū)動器1-8-1~1-8-3、第三電機支架1-9-1、第三電機軸螺紋套1-10-1、第三電機1-11-1、第三光電編碼器1-12-1、導線輪墊木1-13-1、底座橫向傳動導線輪1-14-1、底座側(cè)向傳動導線輪1-15-1、1-15-2組成。四個底座支腳1-2-1~1-2-4通過沉頭螺紋孔與底座支撐平臺1-1-1連接，減少底座與平面接觸面積且方便設備的搬運。四根光桿導軌1-5-1~1-5-4分別通過四個光桿導軌支座1-3-1~1-3-4與底座支撐平臺1-1-1連接。四個限制動平臺組件2豎直方向運動的動平臺限位支架1-4-1~1-4-4分別套在四個光桿導軌1-5-1~1-5-4上，并通過螺栓與底座支撐平臺1-1-1固定，限制動平臺組件2最低位置，防止其與底座發(fā)生碰撞。三路空氣開關1-7-2與空氣開關導軌1-7-1連接，2個空氣開關固定支架1-6-1、1-6-2連接空氣開關導軌1-7-1與底座支撐平臺1-1-1，空氣開關作為電機電流過載保護，防止其燒毀。三個電機驅(qū)動器1-8-1~1-8-3直接通過螺栓與底座支撐平臺1-1-1連接。第三電機1-11-1與第三電機支架1-9-1連接，第三電機支架1-9-1通過螺紋孔與底座支撐平臺1-1-1固定。第三電機軸螺紋套1-10-1使用緊定螺釘與第三電機1-11-1連接。底座橫向傳動導線輪1-14-1與導線輪墊木1-13-1共同使用螺栓與底座支撐平臺1-1-1固定。底座側(cè)向傳動導線輪1-15-1、1-15-2使用沉頭螺釘與底座支撐平臺1-1-1連接，底座橫向傳動導線輪1-14-1、底座側(cè)向?qū)Ь€輪1-15-1、1-15-2負責將鋼絲線換向并與第三電機1-11-1連接，實現(xiàn)閉環(huán)傳動。

如圖4、圖5所示，所述動平臺組件包括一個移動平板2-1-1、四個箱式滑塊2-2-1~2-2-4、八個移動平板固定支架2-3-1~2-3-8、九個活接帶孔螺栓、六條直線導軌2-7-1~2-7-6、八個直線滑塊2-8-1~2-8-8、兩條導軌連接支架2-10-1、2-10-2、四個接線耳板2-9-1~2-9-4、四個直線導軌限位支架2-5-1~2-5-4、八個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-1~2-4-8、六個動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪2-13-1~2-13-6、第一電機支架2-14-1、第二電機支架2-14-2、兩個直線滑塊墊木2-11-1、2-11-2、一個十字連接支架2-12-1、第一電機2-16-1、第二電機2-16-2，所述移動平板固定支架2-3-1~2-3-8用于連接箱式滑塊2-2-1~2-2-4和移動平板2-1-1；九個活接帶孔螺栓中的四個傳動帶孔活接螺栓2-6-1~2-6-4用于通過鋼絲線和底座組件1的第三電機1-10-1連接，實現(xiàn)移動平板2-1-1的豎直方向的傳動和力覺傳輸；另外四個吊絲配重帶孔活接螺栓2-6-5~2-6-8用于通過鋼絲線連接配重塊，實現(xiàn)動平臺組件的重力平衡；另一活傳動帶孔活接螺栓2-6-9通過活接螺栓墊木2-18-1設置在移動平板2-1-1中心，與纏繞第三電機軸螺紋套1-10-1的鋼絲線連接形成一個閉環(huán)傳動；四條直線導軌2-7-1~2-7-4設置在移動平板2-1-1四邊形成矩形導軌框，兩條導軌連接支架2-10-1、2-10-2呈空間錯開的十字形，兩端均通過直線滑塊2-8-1~2-8-4與設置在移動平板2-1-四邊的直線導軌2-7-1~2-7-4滑動配合，實現(xiàn)互不干涉的平面運動，另外兩條直線導軌2-7-5~2-7-6呈十字形分別設置在兩個直線導軌固定支架2-10-1、2-10-2上，共同實現(xiàn)操作末端組件在移動平板上的平面運動；動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-1~2-4-8和動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪2-13-1~2-13-6實現(xiàn)鋼絲線換向，并分別與第一電機的第一電機軸螺紋套、第二電機的第二電機軸螺紋套連接，其中八個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-1~2-4-8兩兩上下對稱布置在移動平板2-1-1的上下面，通過螺栓與移動平板2-1-1固定，實現(xiàn)將與耳板連接的鋼絲線換向。；兩個電機支架分別將第一電機機2-16-1、第二電機機2-16-2對稱地固定在移動平板底部；四個接線耳板2-9-1~2-9-4分別和位于直線導軌固定支架2-10-1、2-10-2兩端的直線滑塊2-8-1~2-8-4固接，提供鋼絲線連接的位置；所述直線導軌限位支架2-5-1~2-5-4呈l形，緊貼地設置在矩形導軌框兩相鄰直線導軌的兩端，如直線導軌2-7-1和2-7-4兩端，底部與移動平板2-1-1固定，用于限制平面運動，防止直線滑塊2-8-1和2-8-4滑出直線導軌2-7-1和2-7-4；所述十字連接支架2-12-1通過另外四個直線滑塊2-8-5~2-8-8與兩個空間錯開的十字形分布的直線導軌2-7-5~2-7-6滑動連接，兩個直線滑塊墊木2-11-1、2-11-2設置在所述十字連接支架2-12-1與空間高度較低的直線滑塊2-8-6、2-8-8之間，用于彌補兩個直線導軌固定支架的高度差，使二者整體高度一致，實現(xiàn)十字連接支架2-12-1在移動平板2-1-1上的二維平動。

如圖6、圖7所示，所述頂板組件包括一個頂板3-1-1、固定在頂板3-1-1上的四個頂板橫向?qū)Ь€輪3-2-1~3-2-4和三個頂板側(cè)向?qū)蜉?-3-1~3-3-3、八個吊絲配重橫向?qū)Ь€輪3-2-5~3-2-12、四個用于連接光桿導軌的光桿支座3-4-1~3-4-4，所述四個頂板橫向?qū)Ь€輪3-2-1~3-2-4和三個頂板側(cè)向?qū)Ь€輪實現(xiàn)移動平板四角鋼絲線在頂板的換向和匯集，最后將匯集后的鋼絲線導入到底座組件1，并和底座組件1上的第三電機1-11-1的第三電機軸螺紋套1-10-1連接，八個吊絲配重橫向?qū)Ь€輪3-2-5~3-2-12用于配重鋼絲線的換向，八個吊絲配重橫向?qū)Ь€輪3-2-5~3-2-12通過螺栓與頂板固定，三個頂板側(cè)向?qū)蜉?-3-1~3-3-3使用沉頭螺釘與頂板連接，四個光桿導軌支座3-4-1~3-4-4將四根光桿導軌1-5-1~1-5-4與頂板3-1-1固定連接。

在一個可行的實施例中，如圖8所示，所述操作末端組件為筆式末端4，包括一個第一支架4-1-1、深溝球軸承4-2-1、一根主軸4-3-1、一根第二支架4-6-1、第一角度傳感器4-4-1、第二角度傳感器4-4-2、第三角度傳感器4-4-3、三個傳感器軸套4-5-1~4-5-3、一個四角按鍵開關和一根手柄4-7-1，所述第一支架4-1-1用于連接操作末端與動平臺組件2，所述主軸4-3-1一端與固定在第一支架4-1-1左臂上的深溝球軸承4-2-1連接，深溝球軸承4-2-1外圈與第一支架4-1-1過盈配合，主軸4-3-1左端與深溝球軸承4-2-1內(nèi)圈過盈配合；另一端與帶軸套的第一角度傳感器4-4-1連接，主軸4-3-1可以沿軸線自轉(zhuǎn)，用于人手上下俯仰運動的捕捉，第一角度傳感器4-4-1可以實時測量俯仰角度；所述第二支架4-6-1下方與裝在主軸4-3-1中部的第二角度傳感器4-4-2連接，用于完成人手擺動運動的捕捉，第二角度傳感器4-4-2可以實時測量擺動角度。所述手柄與固接在第二支架上端的角度傳感器連接，用于捕捉人手沿手臂方向的自轉(zhuǎn)運動；第三角度傳感器可以實時測量自轉(zhuǎn)的角度。所述手柄4-7-1上方的四角按鍵開關作為用戶在虛擬環(huán)境中操作時抓取或釋放虛擬物體的信號標識；例如按下按鍵抓取虛擬物體，松開按鍵釋放虛擬物體。

在另一可行的實施例中，如圖9所示，所述操作末端組件為圈式末端5，包括一個傳感器支座5-1-1、一個第三支架5-2-1、一個深溝球軸承、一個外圈5-4-1、一個外圈擋板5-4-2、一個內(nèi)圈5-5-1、第四角度傳感器5-3-1、第五角度傳感器5-3-2、第六角度傳感器5-3-3、一個螺紋套和一個薄壁止推軸承5-6-1，所述傳感器支座5-1-1連接圈式末端和動平臺組件2，所述第三支架5-2-1中部通過第四角度傳感器5-3-1及緊定螺釘與傳感器支座5-1-1轉(zhuǎn)動連接，實現(xiàn)捕捉人手的左右擺動運動，該第四角度傳感器5-3-1可實時測量擺動角度；所述外圈5-4-1和外圈擋板5-4-2使用六個螺栓連接成整體，其一端通過深溝球軸承與第三支架5-2-1左臂連接，另一端與位于第三支架5-2-1右臂的第五角度傳感器5-3-2連接，實現(xiàn)捕捉人手的上下俯仰運動，第五角度傳感器5-3-2可以實時測量上下俯仰角度；所述內(nèi)圈5-5-1通過薄壁止推軸承5-6-1與外圈5-4-1轉(zhuǎn)動連接，所述外圈5-4-1上固定有第六角度傳感器5-3-3，第六角度傳感器5-3-3的軸上設有螺紋套，所述螺紋套上纏繞有與內(nèi)圈5-5-1相連接的鋼絲，當內(nèi)圈5-5-1轉(zhuǎn)動時帶動第六角度傳感器5-3-3運動，實現(xiàn)捕捉人手沿手臂方向的自轉(zhuǎn)運動。

設備3個自由度的平動傳動比均為1:1，傳動形式為線傳動。線傳動具有無傳動間隙、動平穩(wěn)、慣量小、無傳動噪音，成本低廉等優(yōu)點。各電機采用空心杯永磁式直流有刷伺服電機。各電機驅(qū)動器采用與電機匹配，帶有力矩控制模式和can總線通訊接口的電機控制器。各角度使用零度測量盲區(qū)的霍爾式角度傳感器。

所述末端姿態(tài)采集模塊包括zigbee數(shù)據(jù)采集模塊和zigbee無線串口接收模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊的i/o口分別連接各角度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集模塊對角度傳感器進行電壓信號采集并轉(zhuǎn)換成相應的角度數(shù)據(jù)，然后按照zstack協(xié)議將角度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，此時電腦可以通過zigbee無線串口模塊接收采集到的角度數(shù)據(jù)。

所述供電模塊由24v直流電源適配器和三路空氣開關構(gòu)成，相比于普通開關電源，該電源適配器體積更小、包裝更加可靠、使用壽命更長?？諝忾_關接在電機和驅(qū)動器之間，當電機電流過載時，空氣開關切斷驅(qū)動器與電機的電路連接，起到保護電機的作用。

本發(fā)明的目的是獲取用戶操作時，人手在空間中的位姿，并提供人手三維的力覺反饋，其工作原理是：

1、人手在空間中位置信息的獲取。操作者用手握住筆式末端4的手柄4-7-1，或者把手伸入到圈式末端5的內(nèi)圈5-5-1中，并使用扎帶對手進行捆綁固定。當操作者上下移動手時，箱式滑塊2-2-1~2-2-4會帶動移動平板2-1-1沿著豎直方向上下移動，移動平板2-1-1四個角上的傳動帶孔活接螺栓2-6-1~2-6-4分別連接著四條鋼絲線，四條鋼絲線經(jīng)過頂板3-1-1的頂板橫向?qū)Ь€輪3-2-1~3-2-4和頂板側(cè)向?qū)Ь€輪3-3-1~3-3-3換向，在頂板橫向?qū)Ь€輪3-2-4匯聚成一條鋼絲線。這根鋼絲線一直延伸到底座支撐平臺1-1-1，經(jīng)過一個底座橫向?qū)Ь€輪1-14-1和兩個底座側(cè)向?qū)Ь€輪1-15-1、1-15-2換向，與固定在第三電機1-11-1上的第三電機軸螺紋套1-10-1纏繞三圈，最后鋼絲線與移動平板2-1-1中心的傳動帶孔活接螺栓2-6-9連接，形成一個閉環(huán)傳動。移動平板2-1-1上下移動通過上述鋼絲線傳遞到第三電機1-11-1，通過第三光電編碼器1-12-1可以采集第三電機1-11-1旋轉(zhuǎn)的角度，從而可以獲取人手豎直方向的位置；當操作者左右移動手時，會帶動前后直線滑軌2-7-1、2-7-3上的直線滑塊2-8-1、2-8-3左右移動。直線滑塊2-8-3上的接線耳板2-9-2左側(cè)連接有鋼絲線，鋼絲線經(jīng)過兩個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-4、2-4-8、兩個動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪2-13-1、2-13-3換向，與固定在第一電機2-16-1上的第一電機軸螺紋套2-15-1纏繞三圈，接著鋼絲線依次經(jīng)過四個動平臺側(cè)向?qū)Ь€輪2-13-4、2-13-5、2-13-6、2-13-2和兩個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-5、2-4-3換向，最后與接線耳板2-9-2右端連接，形成閉環(huán)傳動。直線滑塊2-8-1、2-8-3的左右移動沿著上述鋼絲線傳遞到第一電機2-16-1。通過第一光電編碼器2-17-1可以采集第一電機2-16-1旋轉(zhuǎn)的角度，從而可以獲取人手左右方向的位置；當操作者前后移動手時，會帶動左右直線滑軌2-7-4、2-7-2上的直線滑塊2-8-4、2-8-2前后移動。直線滑塊2-8-2上的接線耳板2-9-1前端連接有鋼絲線，鋼絲線經(jīng)過兩個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-2、2-4-6，與固定在第二電機2-16-2上的第二電機軸螺紋套2-15-2纏繞三圈，接著經(jīng)過兩個動平臺橫向?qū)Ь€輪2-4-7、2-4-1換向，最后與接線耳板2-9-1后端連接，形成閉環(huán)傳動。直線滑塊2-8-4、2-8-2的前后移動沿著上述鋼絲線傳遞到第二電機2-16-2。通過第二光電編碼器2-17-2可以采集第二電機2-16-2旋轉(zhuǎn)的角度，從而可以獲取人手前后方向的位置；

2、人手在空間中姿態(tài)信息的獲取。筆式末端4：當人手上下俯仰時，會帶動主軸4-3-1沿軸線轉(zhuǎn)動，主軸4-3-1右端與第一角度傳感器4-4-1的軸連接，因此主軸4-3-1的轉(zhuǎn)動會帶動第一角度傳感器4-4-1的軸轉(zhuǎn)動。通過采集第一角度傳感器4-4-1的電壓值就可以獲取人手俯仰的角度；當人手左右擺動時，會帶動第二支架4-6-1沿第二角度傳感器4-4-2的軸線轉(zhuǎn)動，第二角度傳感器4-4-2軸與第二支架4-6-1固接，因此第二支架4-6-1的轉(zhuǎn)動會帶動第二角度傳感器4-4-2的軸轉(zhuǎn)動。通過采集第二角度傳感器4-4-2的電壓值就可以獲取人手左右擺動的角度；當人手沿手臂方向自轉(zhuǎn)時，手柄4-7-1沿第三角度傳感器4-4-3的軸線轉(zhuǎn)動，第三角度傳感器4-4-3軸與手柄4-7-1固接，因此手柄4-7-1的轉(zhuǎn)動會帶動第三角度傳感器4-4-3的軸轉(zhuǎn)動。通過采集第三角度傳感器4-4-3的電壓值就可以獲取人手沿手臂方向自轉(zhuǎn)的角度。圈式末端5：當人手上下俯仰時，會帶動外圈5-4-1沿第三支架5-2-1左右臂上端通孔的軸線轉(zhuǎn)動，外圈5-4-1的右端與第五角度傳感器5-3-2的軸連接，因此外圈5-4-1的轉(zhuǎn)動會帶動第五角度傳感器5-3-2的軸轉(zhuǎn)動，通過采集第五角度傳感器5-3-2的電壓值就可以獲取人手俯仰的角度；當人手左右擺動時，會帶動第三支架5-2-1沿傳感器支座5-1-1的軸線轉(zhuǎn)動。第四角度傳感器5-3-1與第三支架5-2-1固接，第四角度傳感器5-3-1的軸與傳感器支座5-1-1連接，因此第三支架5-2-1的轉(zhuǎn)動會帶動第四角度傳感器5-3-1的軸轉(zhuǎn)動，通過采集第四角度傳感器5-3-1的電壓值就可以獲取人手左右擺動的角度；當人手沿手臂方向自轉(zhuǎn)時，會帶動內(nèi)圈5-5-1沿軸線自轉(zhuǎn)。內(nèi)圈5-5-1與固定在外圈5-4-1的第六角度傳感器5-3-3使用線傳動形式連接，因此內(nèi)圈5-5-1的轉(zhuǎn)動會帶動第六角度傳感器5-3-3的軸轉(zhuǎn)動，通過采集第六角度傳感器5-3-3的電壓值就可以獲取人手手臂方向自轉(zhuǎn)的角度。

3、人手三維力覺反饋的獲取。當操作者控制末端保持其位置動時，需要輸出的指定反饋力，首先將需要輸出的反饋力分解成三個方向上的分力，然后根據(jù)第一電機2-16-1、第二電機2-16-2、第三電機1-11-1的轉(zhuǎn)矩常數(shù)、各傳動線路的傳動比以及調(diào)整系數(shù)分別計算出需要提供給電機的電流值，最后通過三個驅(qū)動器1-8-1~1-8-3分別向第一電機2-16-1、第二電機2-16-2、第三電機1-11-1輸出指定大小的電流，實現(xiàn)提供人手執(zhí)行大小和方向的反饋力。

綜上可知，本發(fā)明各電機到操作末端的傳動比均為1:1，且對稱的框架式并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以徹底平衡為力反饋設備動平臺組件的自重，從而充分使用了電機的負載能力，可以提供較大的反饋力輸出，具有反饋力大、結(jié)構(gòu)及操作簡單、實時性好、成本低廉、運動靈活等優(yōu)點，所述移動平板組件2可以適配多種操作末端，如圈式末端和筆試末端等，極大地拓展了設備的應用場景，實現(xiàn)了一機多用。

本發(fā)明的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行改動而不脫離本發(fā)明的設計范圍。倘若這些改動屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術的范圍內(nèi)，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。