[發(fā)明專利]一種主被動結(jié)合的混聯(lián)式力反饋設(shè)備重力補償方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010013114.5
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111216129B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李靜蓉;符俊嶺;謝海龍;王清輝
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G06F17/10;G06F3/01
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發(fā)明公開一種主被動結(jié)合的混聯(lián)式力反饋設(shè)備重力補償方法，包括以下步驟：步驟1、計算基于電機轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)主動重力補償時各驅(qū)動電機消耗的轉(zhuǎn)矩τ_A；步驟2、計算被動拉伸彈簧被動補償結(jié)構(gòu)對所在支鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩τ_S；步驟3、以步驟1得到的主動重力補償轉(zhuǎn)矩τ_A和彈簧被動補償結(jié)構(gòu)在該支鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩τ_S，計算各電機在該空間姿態(tài)下實現(xiàn)力反饋設(shè)備重力補償實際需要的轉(zhuǎn)矩τ；步驟4、計算補償該姿態(tài)下力反饋設(shè)備保持平衡時各電機需要輸出的電流I,實現(xiàn)力反饋設(shè)備在該處的重力平衡。本發(fā)明提出了一種適用于混聯(lián)式力反饋設(shè)備的主被動結(jié)合的重力補償方法，提高用戶操作力反饋設(shè)備交互過程的沉浸感，在不增加電機額定轉(zhuǎn)矩的條件下，提高設(shè)備在運動空間中的輸出力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的力/觸覺交互技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種主被動結(jié)合的混聯(lián)式力反饋設(shè)備重力補償方法。

背景技術(shù)

作為一種新型人機交互途徑，力反饋/觸覺交互技術(shù)廣泛用于虛擬裝配、產(chǎn)品設(shè)計與制造仿真虛擬手術(shù)培訓(xùn)等領(lǐng)域。用戶操作力反饋設(shè)備時，設(shè)備自身機構(gòu)的重力會影響對虛擬環(huán)境反饋力真實性的感知，如果不對設(shè)備的重力進行補償，用戶感受到的是設(shè)備自身重力和虛擬環(huán)境反饋力的合力，這顯然不符合力覺交互的目的；其次，用戶長時間操作力反饋設(shè)備，肌肉會感到疲勞，降低操作沉浸感。因此，對設(shè)備連桿引起的重力進行補償是必要的。重力補償?shù)哪繕耸牵簾o需用戶施加外力作用，力反饋設(shè)備在運動空間的任意姿態(tài)下保持平衡。

近年來，大量文獻對所提出的力反饋設(shè)備進行了重力補償研究，主要分為主動、被動補償兩種方式。主動補償，通過電機輸出反向力/力矩平衡設(shè)備自身的重力，其優(yōu)點是無需添加額外的機構(gòu)，機構(gòu)復(fù)雜度和空間尺寸不會增加，但是會消耗電機的大量轉(zhuǎn)矩，尤其是設(shè)備自身重力較大時，影響力反饋設(shè)備的輸出力性能；被動補償，通過添加配重塊或彈簧平衡設(shè)備重力，該方法無需電機消耗額外的轉(zhuǎn)矩，被證明是一種平衡機構(gòu)重力的有效方法，但該方法引入配重塊、輔助連桿等結(jié)構(gòu)，會造成運動時機構(gòu)之間的干涉，不適用于復(fù)雜的并聯(lián)機構(gòu)。

專利CN 102320040B提出了一種自主調(diào)節(jié)自重平衡的力反饋交互設(shè)備，創(chuàng)新性地采用一個直流電機控制平衡滑塊自動、實時地對設(shè)備手臂機構(gòu)進行自重補償，降低人手疲勞。但是該方法需要引入電機、減速機構(gòu)、平衡塊、平衡桿等，增大設(shè)備運動時的慣性。

專利CN 102825601B提出了一種擬人式6自由度機器人重力平衡方法，腕式的三個關(guān)節(jié)采用對稱設(shè)計和配重設(shè)計，使該結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與小臂桿件交于一點，位置機構(gòu)的重力補償基于配重塊和電驅(qū)動轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)。該方法適用于串聯(lián)機構(gòu)的重力補償，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的并聯(lián)機構(gòu)不適用。

專利CN105550466A提出了一種力反饋設(shè)備最優(yōu)彈簧重力補償方法，采用兩根彈簧對串聯(lián)力反饋設(shè)備重力進行補償，并考慮了彈簧的勁度系數(shù)、安裝位置以及彈簧長度等因素的影響，但該方法無法實現(xiàn)力反饋設(shè)備的完全重力補償。

專利CN107738275A提出一種機械臂重力補償?shù)耐馆喞蓹C構(gòu)，通過添加盤型凸輪與拉簧單元，將機械臂的重力勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，實現(xiàn)機械臂在有效工作空間內(nèi)達到完全重力平衡的效果。但該方法只適合于單自由度的簡單結(jié)構(gòu)，對于多自由度、尤其是并聯(lián)的力反饋設(shè)備并不適用。

Mashayekhi等(VirSense:a novel haptic device with fixed-base motorsand a gravity compensation system[J])針對六自由度串聯(lián)式觸覺設(shè)備，采用兩根彈簧補償95％的連桿重力，另外5％的重力基于電機主動補償實現(xiàn)。但是，所提出的重力補償方法，需引入非常復(fù)雜、特殊設(shè)計的滑輪傳動系統(tǒng)，不具有通用性。