[發明專利]基于力反饋的安全遠程力覺書寫系統及其控制方法

在審

• 申請號: 201410705411.0
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN105700783A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 趙亮;崔龍;李濤;張濤;李洪誼
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G06F3/0484
• 分類號: G06F3/0484;G06F3/0354
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及一種力反饋書寫系統及其方法，尤其涉及一種基于力反饋的安 全遠程力覺書寫系統及其控制方法。

背景技術

數字簽名是一種類似寫在紙上的普通的物理簽名，但是使用了公鑰加密領 域的技術實現，用于鑒別數字信息的方法?；诩用芫W絡通信的數字簽名已經 被廣泛應用于各種認證。但在重要的法律文書、商務函件中，親筆簽名仍然有 著不可替代的作用。目前，這一過程必須由書寫人親臨現場完成，無法通過遠 程方式實現。

力反饋是虛擬實現技術中的重要組成部分，它利用與操作者接觸的機械結 構表現出的反作用力，與虛擬環境中或執行機構末端接觸的物體形成力覺信息 的交互，提高操作的準確性。傳統力反饋設備僅作為人機交互設備的一種擴展， 是帶力覺輸出的輸入設備，其功能和結構決定了使用用途的單一性。事實上， 部分力反饋設備由于本身帶有具備一定驅動能力的電機等部件，并且可由其內 部的編碼器等部件實現精確定位。這意味著力反饋設備具備作為執行機構的能 力，單一用途的設計可能造成功能的浪費。

力反饋設備經常作為執行精密操作的輸入設備，對于用于一些關鍵性操作 的場合，其反饋力覺信息和其輸入動作信息的準確性是十分關鍵的，如果發生 錯誤可能導致災難性后果?，F有設備多數只考慮了設備與PC之間連接的可靠 性，事實上在真正的遠程操作中，尤其是以太網作為傳輸介質的遠程操作中， 信息發生被監聽、篡改的可能性非常大。因此，如何確保位置與力覺信息交互 的準確性是力反饋設備可靠性的關鍵。

發明內容

針對上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于力反饋的安全遠 程力覺書寫系統及其控制方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：基于力反饋的安全遠程力覺書寫系統， 包括三軸并聯力反饋機構以及與其連接的控制器；所述控制器包括驅動模塊以 及與其連接的通信模塊；

所述驅動模塊包括順序連接的電機驅動電路、電流傳感器；

所述通信模塊包括CPU以及與其連接的以太網口、顯示器和攝像頭；所述 CPU通過電機驅動電路與三軸并聯力反饋機構的電機連接、且與串接在三軸并 聯力反饋機構的電機與電機驅動電路之間的電流傳感器相連接。

所述三軸并聯力反饋機構，包括動平臺、底座平臺、固定平臺、書寫用筆 及三條力反饋支鏈，其中固定平臺垂直安裝在底座平臺上，所述三條力反饋支 鏈沿周向均布在固定平臺上，三條力反饋支鏈的末端均與動平臺鉸接，所述書 寫用筆安裝在動平臺上，所述三條力反饋支鏈產生的扭矩在動平臺上產生一個 空間上的合力。

所述三條力反饋支鏈的結構相同，均包括直流電機、減速盤及雙連桿機構， 其中直流電機安裝在固定平臺上、并輸出軸與減速盤連接，所述雙連桿機構的 兩端分別與減速盤的外緣和動平臺鉸接。

所述雙連桿機構的兩端分別通過虎克鉸與減速盤的外緣和動平臺鉸接，所 述雙連桿機構與其兩端的虎克鉸形成平行四邊形機構。

所述三條力反饋支鏈中的三個減速盤互成120度分布于固定平臺上、并均 與固定平臺垂直。

所述動平臺為等邊三角形，所述等邊三角形的三個頂點分別與三個雙連桿 機構鉸接。

所述書寫用筆通過緊固旋鈕安裝在末端工具固定盤上，所述末端工具固定 盤與動平臺連接。

基于力反饋的安全遠程力覺書寫控制方法，包括以下步驟：

書寫人手持三軸并聯力反饋機構中的書寫用筆，其在空間中的書寫動作帶 動動平臺的運動，進而使三個減速盤和相應的直流電機產生不同角度的轉動， 并改變電機尾部編碼器的位置值；

本地端控制器中的CPU對三個編碼器位置值實時采樣并打包后加密、并通 過以太網發送給遠程端控制器；

遠程端控制器的CPU以接收到的三組編碼器數據作為目標位置分別作為電 機驅動的控制信號，對相應的三個電機分別進行位置伺服控制，跟隨本地端書 寫人的書寫動作，在紙面形成書寫筆跡。

基于力反饋的安全遠程力覺書寫控制方法，還包括以下步驟：

當遠程端三軸并聯力反饋機構中的書寫用筆筆尖接觸紙面時，紙面對筆尖 的反作用力引起三個直流電機的反向扭矩，進而改變電機驅動的電流；

遠程端控制器的CPU對三個直流電機電流值實時采樣并打包后加密、并通 過以太網發送給本地端控制器；