[發(fā)明專利]用于實現(xiàn)遙操作機器人控制的人機對接的人體關(guān)節(jié)的運動測量和力反饋的執(zhí)行機構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910034108.1
• 申請日: 2009-09-01
• 公開（公告）號: CN101637913A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴金橋;王愛民;崔建偉;宋愛國;文辭
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;G01L5/22
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 張惠忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)遙操作機器人控制的人機接口裝置，尤其涉及一種人體關(guān)節(jié)的運動測量和力反饋執(zhí)行機構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著交互式遙操作機器人的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺反饋作用的人機接口裝置。機器人手控器和力反饋數(shù)據(jù)手套是兩種常見的遙操作機器人的人機接口裝置，機器人手控器是實現(xiàn)遙操作機器人控制的很有效的人機接口裝置，但手控器相對而言，機械結(jié)構(gòu)復雜，在固定的平臺上操作，限制了手的活動范圍，而且長時間操作后，操作者會感到勞累。手控器通過測量操作者手(手柄)位置控制遠程機械手的執(zhí)行器(手爪)運動到相應(yīng)位置，該運動過程通過一定的程序或算法實現(xiàn)，而不能由人根據(jù)自己的意圖任意操控機械手完成。當機械手與環(huán)境相互作用時，受力信息傳遞到手控器直接作用于操作者手上，再通過手傳遞至臂部，而不能將機械手、臂受力信息分別作用于操作者手、臂上，另外機器人手控器只能實現(xiàn)機械手的控制，無法實現(xiàn)仿人機器人其它部位的控制和力反饋，因此，機器人手控器在實現(xiàn)對遙操作機器人控制和反饋時還存在著很大的問題。力反饋數(shù)據(jù)手套作為一種人機接口裝置，它一般與六自由度三維跟蹤設(shè)備相結(jié)合，通過三維跟蹤設(shè)備測量手的位置，控制遠程機械手執(zhí)行器(手爪)運動到相應(yīng)位置，通過測量操作者手部的位置信息作為控制指令控制機械手執(zhí)行器(手爪)或虛擬現(xiàn)實中的虛擬機械手(手爪)跟蹤人手的運動，將機器人反饋回來的力覺和觸覺信息轉(zhuǎn)換成直接作用于人手的力或力矩，使操作者產(chǎn)生在遠地機器人工作現(xiàn)場或虛擬機器人工作現(xiàn)場的力/觸覺臨場感效果，從而實現(xiàn)對機器人帶感覺的控制，或者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實的觸摸感受，它克服了手控器機械結(jié)構(gòu)復雜、手的活動范圍小的缺點，但力反饋數(shù)據(jù)手套只能實現(xiàn)手的力反饋。然而，不管是力反饋數(shù)據(jù)手套，還是機器人手控器，對于控制單個機械手或機器臂并將其與環(huán)境相互作用力反饋到操作者處具有較好的效果，但對于控制仿人機器人或虛擬人(包括人體各種關(guān)節(jié)的運動)并反饋其與環(huán)境的作用就非常困難了。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)測量人體各種關(guān)節(jié)(包括手、臂、腿等)運動并實現(xiàn)力反饋的通用型執(zhí)行機構(gòu)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)手部、上肢的力反饋功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)人體其他部位力反饋功能，將具有廣泛的應(yīng)用前景。

力反饋可以分為主動型和被動型，主動型力反饋大多用電機進行驅(qū)動，也有通過氣動、液壓或電磁裝置進行驅(qū)動，主動型力反饋執(zhí)行器一般穩(wěn)定性相對較差，失控時容易對操作者產(chǎn)生傷害，而且體積較大，機械結(jié)構(gòu)也比較復雜，整個機構(gòu)的摩擦力也相對較大，利用氣動或液壓的執(zhí)行器，還需要配備相應(yīng)的設(shè)備，消耗大量能源。被動型力反饋利用被動執(zhí)行器驅(qū)動，如制動器、阻尼器等，被動力反饋執(zhí)行器比同體積的主動執(zhí)行器(特別是電機)產(chǎn)生的力要大得多，而且本身是能量耗散的，具有穩(wěn)定、安全等優(yōu)點，結(jié)構(gòu)相對簡單，摩擦力小，能夠應(yīng)用于便攜式的力反饋裝置。

機械摩擦式被動執(zhí)行器力/力矩的產(chǎn)生完全依賴于機械接觸，所以當使用快速開關(guān)控制器驅(qū)動時容易造成系統(tǒng)的振動。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動摩擦系數(shù)，容易導致粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成制動力矩的不連續(xù)。基于磁流變液的被動力反饋執(zhí)行器，不是機械直接接觸，而是利用流體傳遞力矩，因此更為穩(wěn)定和連續(xù)，更具有開發(fā)應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡單的輕便型實現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的運動測量和力反饋的執(zhí)行機構(gòu)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于實現(xiàn)遙操作機器人控制的人機對接的人體關(guān)節(jié)的運動測量和力反饋的執(zhí)行機構(gòu)，包括第一連桿、第二連桿、力反饋執(zhí)行器以及角度傳感器，所述的力反饋執(zhí)行器包括：殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的力反饋軸、磁流變液、旋轉(zhuǎn)盤、固定盤、絕磁環(huán)以及線圈，所述的旋轉(zhuǎn)盤固定在力反饋軸上，所述的固定盤固定在殼體上并間隔的布置在旋轉(zhuǎn)盤之間，所述的磁流變液填充在旋轉(zhuǎn)盤與固定盤周圍，在固定盤的外側(cè)設(shè)置所述的絕磁環(huán)，在絕磁環(huán)上繞制所述的線圈，所述的第一連桿固定在所述的力反饋軸上，所述的角度傳感器也固定在所述的反饋軸上測量所述的第一連桿的角位移，所述的第二連桿固定在所述的殼體。

在所述的第一連桿上設(shè)置有用于測量第一連桿作用力的第一力傳感器，在所述的第二連桿上設(shè)置有用于測量第二連桿作用力的第二力傳感器。

所述的旋轉(zhuǎn)盤為兩片，所述的固定盤為一片。