[發明專利]手持式力反饋裝置以及利用該裝置實現力覺再現的方法

有效

• 申請號: 201610284950.0
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105904456B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 劉衛東;張建軍;高立娥;張潔
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J13/08
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種手持式力反饋裝置，其特征在于：包括機械裝置、信號調理電路、數據采集模塊、微控制器、第一信號輸出電路和第二信號輸出電路；所述機械裝置包括空心手柄(1)、空心編碼器(2)、空心圓盤(4)、壓電薄膜傳感器(5)、搖桿(6)、法蘭(7)、力矩電機(8)和旋轉軸(12)；所述機械裝置主體是一個空心圓盤(4)，空心圓盤(4)左側是力矩電機(8)，力矩電機(8)為分裝式，力矩電機(8)的定子和轉子固定好嵌入到空心圓盤(4)內部；力矩電機(8)定子的右側有連接裝置與空心圓盤(4)通過螺釘連接；力矩電機(8)左側通過法蘭(7)與空心圓盤(4)固定；力矩電機(8)轉子上伸出一個搖桿(6)；在搖桿(6)的末端平行于空心手柄(1)方向有一個橫桿與力矩電機(8)轉子固連；力矩電機(8)右側有一個旋轉軸(12)，旋轉軸(12)與空心編碼器(2)相連，旋轉軸(12)外端通過固定裝置固定在空心圓盤(4)的右側，旋轉軸(12)位于空心手柄(1)里面；空心手柄(1)固定在空心圓盤(4)右側表面；搖桿(6)的末端裝有壓電薄膜傳感器(5)，空心圓盤(4)外側有四個圓孔(3)，分別與圓心成90°角排列；水平方向上的一對圓孔(3)用于與多自由度操作臂連接，或者安裝到固定裝置上；垂直于水平面上的一對圓孔(3)連接一個連接固定裝置；所述機械裝置上壓電薄膜傳感器(5)的信號通過信號調理電路和數據采集模塊，實現50倍信號放大經A/D轉換輸入到微控制器；通過第一信號輸出電路對力矩電機(8)轉角向遠端發送信號，實現位置跟蹤；PID控制計算后獲取的調節量通過第二信號輸出電路對力矩電機(8)的電壓進行控制調節。

2.一種利用權利要求1所述手持式力反饋裝置實現力覺再現的方法，其特征在于包括以下步驟：

機械裝置上壓電薄膜傳感器(5)的信號通過信號調理電路和數據采集模塊，實現50倍信號放大經A/D轉換輸入到微控制器；通過第一信號輸出電路對力矩電機(8)轉角向遠端發送信號，實現位置跟蹤；PID控制計算后獲取的調節量通過第二信號輸出電路對力矩電機(8)的電壓進行控制調節；通過PID控制對力矩電機(8)進行調節；具體如式(1)、(2)所示；首先計算采集壓電薄膜傳感器(5)的信號f_m，并與從手力信號f_s做差值，得e_m，經過比例、積分、微分計算得到u_m，由于本設計力矩電機輸出轉矩與所加電壓之間是二次函數關系，所以輸出轉矩最終調節量如式(3)所示；

e_m＝f_s-f_m(1)

um=kpem+ki∫emdt+kde·m---(2)]]>

τm=aum2+bum+c---(3)]]>

控制量根據測量信號與遠傳至本地的標準信號計算出調節量；如果沒有接觸力信號遠傳至本地，主手控制量為0，微控制器對力矩電機(8)不做調解，此時主手力矩電機(8)為自由狀態；如果操作者對搖桿(6)作用力大于從手遠傳至本地的力信號，此時對力矩電機(8)調節量減少，力矩電機(8)輸出轉矩減小，則搖桿(6)對主手的反作用力也相應減小；在整定PID控制器參數時，根據微控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系，首先調節P參數到超調范圍內，再調節I參數以消除系統靜態誤差，最后調節D參數增加系統響應能力。