[發(fā)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

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

技術領域

本發(fā)明涉及一種手持式力反饋裝置，還涉及一種利用該裝置實現力覺再現的方法。

背景技術

水下機械手是水下航行器在水下探測中使用的重要設備，由于深海探測中對水下樣品的采集主要是通過水下機械手完成，水下機械手缺少力覺感知以及機械手操作對象的不確定性，造成采集的樣本損壞的問題。水下機械手的工作環(huán)境復雜，一般通過視頻輔助完成，但是由于機械手或者其載體的運動造成水質變渾，影響機械手的操作。因此帶有力覺感知的主從式遙操作系統(tǒng)是一個發(fā)展研究方向。力反饋裝置充當遙操作系統(tǒng)中的主機械手部分，可以分為串聯式、并聯式、混合式力反饋裝置。其中串聯式不易產生較大的反饋力，并聯式在剛度、精度、反向驅動力上具有很大的優(yōu)勢，但是具有較大的體積，混合式力反饋裝置結合了串聯與并聯力反饋裝置的特點，但是體積也相對較大。目前的力反饋裝置都是以伺服電機或者步進電機為動力驅動核心，在機器人抓取過程中的低速或者靜止運動過程中有造成電機燒毀的危險。

文獻“授權公告號是CN103158162B的中國發(fā)明專利”公開了一種檢測人手手指運動狀態(tài)并具有雙向主動驅動反饋從手受力的力反饋數據手套。該發(fā)明采用獨特的連接方式和巧妙的關節(jié)測量點布局，使操作者在使用該數據手套時，五個手指能保持最大程度的靈活，手指各個關節(jié)的運動狀態(tài)都能被精確檢測到，使被控制的從手的每個手指關節(jié)都能與操作者對應的手指關節(jié)協同一致動作，并能將從手在具體的工作環(huán)境中的受力情況反饋給操作者，以增強虛擬現實或遙操作的臨場感。但是力反饋系統(tǒng)一般工作在低速或者靜止狀態(tài)下，要求控制電機低速運轉或者停止狀態(tài)。而伺服電機相對堵轉功能較差，長時間堵轉狀態(tài)會造成其控制電流大很燒壞伺服電機。而主機械手由于固定在手臂上會造成操作者疲勞，力反饋裝置由于控制算法的不足造成透明性不強，主、從式機構由于機械模型的誤差，位置測量的偏差造成控制系能達不到最優(yōu)。

發(fā)明內容

為了克服現有力反饋裝置實用性差的不足，本發(fā)明提供一種手持式力反饋裝置以及利用該裝置實現力覺再現的方法。手持式力反饋裝置包括機械裝置、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。實現對機械裝置上搖桿分布的壓電薄膜傳感器的力信息進行測量，對編碼器上測量力矩電機的轉角數字量計數，對通過總線遠傳過來的力信號的解碼獲取，通過第一信號輸出電路對主機械手上力矩電機轉角向遠端從機械手上的信號發(fā)送，實現從機械手的位置跟蹤。并且通過PID控制計算后獲取的調節(jié)量以第二信號輸出對力矩電機的電壓控制調節(jié)。本裝置能夠實現遠程力信號測量后的力覺再現，操作者操作遙操作控制器，可以實現遠程的力信號在操作者有相同的力覺信息的感知。實用性強。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種手持式力反饋裝置，其特點是：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(fā)送信號，實現位置跟蹤。PID控制計算后獲取的調節(jié)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(jié)。

一種利用上述手持式力反饋裝置實現力覺再現的方法，其特點是包括以下步驟：