專利名稱：用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置，尤其涉及一種人體關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)測(cè)量和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著交互式遙操作機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺反饋?zhàn)饔玫娜藱C(jī)接口裝 置。機(jī)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(jī)器人的人機(jī)接口裝置，機(jī)器人 手控器是實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的很有效的人機(jī)接口裝置，但手控器相對(duì)而言，機(jī)械結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，在固定的平臺(tái)上操作，限制了手的活動(dòng)范圍，而且長時(shí)間操作后，操作者會(huì)感到勞 累。手控器通過測(cè)量操作者手(手柄)位置控制遠(yuǎn)程機(jī)械手的執(zhí)行器(手爪)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng) 位置，該運(yùn)動(dòng)過程通過一定的程序或算法實(shí)現(xiàn)，而不能由人根據(jù)自己的意圖任意操控機(jī)械 手完成。當(dāng)機(jī)械手與環(huán)境相互作用時(shí)，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(jī)械手、臂受力信息分別作用于操作者手、臂上，另外機(jī)器 人手控器只能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制，無法實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人其它部位的控制和力反饋，因此， 機(jī)器人手控器在實(shí)現(xiàn)對(duì)遙操作機(jī)器人控制和反饋時(shí)還存在著很大的問題。力反饋數(shù)據(jù)手套 作為一種人機(jī)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(cè)量 手的位置，控制遠(yuǎn)程機(jī)械手執(zhí)行器(手爪)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，通過測(cè)量操作者手部的位置 信息作為控制指令控制機(jī)械手執(zhí)行器(手爪)或虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬機(jī)械手(手爪)跟蹤人 手的運(yùn)動(dòng)，將機(jī)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(yuǎn)地機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)或虛擬機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)的力/觸覺臨場(chǎng)感效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 機(jī)器人帶感覺的控制，或者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實(shí)的觸摸感受，它克服了手控器機(jī)械結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、手的活動(dòng)范圍小的缺點(diǎn)，但力反饋數(shù)據(jù)手套只能實(shí)現(xiàn)手的力反饋。然而，不管是力 反饋數(shù)據(jù)手套，還是機(jī)器人手控器，對(duì)于控制單個(gè)機(jī)械手或機(jī)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(duì)于控制仿人機(jī)器人或虛擬人(包括人體各種關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng))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(cè)量人體各種關(guān)節(jié)(包括 手、臂、腿等)運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)力反饋的通用型執(zhí)行機(jī)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(dòng)型和被動(dòng)型，主動(dòng)型力反饋大多用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也有通過氣動(dòng)、 液壓或電磁裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)型力反饋執(zhí)行器一般穩(wěn)定性相對(duì)較差，失控時(shí)容易對(duì)操作者產(chǎn)生傷害，而且體積較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，整個(gè)機(jī)構(gòu)的摩擦力也相對(duì)較大，利用 氣動(dòng)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(dòng)型力反饋利用被動(dòng)執(zhí) 行器驅(qū)動(dòng)，如制動(dòng)器、阻尼器等，被動(dòng)力反饋執(zhí)行器比同體積的主動(dòng)執(zhí)行器(特別是電機(jī)) 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(diǎn)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，摩 擦力小，能夠應(yīng)用于便攜式的力反饋裝置。
機(jī)械摩擦式被動(dòng)執(zhí)行器力/力矩的產(chǎn)牛完全依賴于機(jī)械接觸，所以當(dāng)使用快速丌關(guān)控制 器驅(qū)動(dòng)時(shí)容易造成系統(tǒng)的振動(dòng)。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動(dòng)摩擦系數(shù)，容易導(dǎo)致 粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成制動(dòng)力矩的不連續(xù)?；诖帕髯円旱谋粍?dòng)力反饋執(zhí)行器， 不是機(jī)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(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輕便 型實(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī) 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 所述的線圏，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(cè)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(cè)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(cè)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。
本發(fā)明人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用兩個(gè)連桿，并在兩個(gè)連桿之間設(shè) 置力反饋執(zhí)行器，通過力反饋執(zhí)行器將兩個(gè)連桿連接起來，將一根連桿固定在執(zhí)行器的殼體 上，另一個(gè)連桿固定在力反饋執(zhí)行器的力反饋軸上，并在力反饋軸上安裝測(cè)量隨力反饋軸一 起轉(zhuǎn)動(dòng)的連桿的角位移，并將這個(gè)實(shí)際測(cè)量的角位移傳遞給遠(yuǎn)程的機(jī)器人，同時(shí)采集遠(yuǎn)程的 機(jī)械人的受力情況，并將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到力反饋執(zhí)行器的線圈中，經(jīng)磁流變液將 電信號(hào)乂轉(zhuǎn)換為力反饋軸的力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程力的反饋。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明力反饋機(jī)構(gòu)解決了目前還沒有發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)人體各種部位運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反 饋的通用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的難題，能夠?qū)崿F(xiàn)身體各種部位運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋，集姿態(tài)測(cè)量與力反 饋于一身，而現(xiàn)有的力反饋裝置如數(shù)據(jù)手套、手控器只能實(shí)現(xiàn)手、臂或腿等單一部位或局 部部位(如手和臂)的力反饋功能。有的力反饋數(shù)據(jù)手套還需要配備單獨(dú)的手姿態(tài)測(cè)量裝置如數(shù)據(jù)手套，增加了成本。
2、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。
3、 重量輕、體積小、摩擦力小，能夠傳遞的力矩很大，而且具有穩(wěn)定安全的特點(diǎn)。
4、 采用新興的磁流變技術(shù)，磁流變液在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使表征磁流變 液流變特性的表觀粘發(fā)生變化，從而阻礙旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生力反作用于人體，使人體感覺 到力的作用。磁流變液設(shè)備通過電流信號(hào)直接控制機(jī)械動(dòng)作，而不需要通過控制電機(jī)、液 壓、氣動(dòng)設(shè)備控制機(jī)械動(dòng)作，因此其結(jié)構(gòu)可以做得簡(jiǎn)單、輕便。
5、 控制簡(jiǎn)單，電流信號(hào)與輸出力矩信號(hào)存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此只需給執(zhí)行器提 供電流信號(hào)便可準(zhǔn)確地控制其動(dòng)作。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明力反饋執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用示意圖，其中a為肘關(guān)節(jié)應(yīng)用示意圖，b為膝關(guān)節(jié)應(yīng)用示 意圖。
其中1、第一連桿、2、第二連桿，3 、力反饋執(zhí)行器，4 、角度傳感器，5 、第 一力傳感器，6、第二力傳感器，7 、第一彈性繃帶，8、第二彈性繃帶，31、外圈，32、 底座，33、旋轉(zhuǎn)盤，34、端蓋，35、力反饋軸，36、軸承，37、固定盤，38、線圈，39、 密封圈，310、軸套，311、絕磁環(huán)，312、磁流變液。
具體實(shí)施例方式
一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 包括兩個(gè)連桿l、 2， 一個(gè)角度傳感器4，兩個(gè)力傳感器5、 6和一個(gè)力反饋執(zhí)行器3，力反饋執(zhí) 行器由外圈31、兩個(gè)底座32、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)盤33、兩個(gè)端蓋34、力反饋軸35、兩個(gè)軸承36、 固定盤37、線圈38、兩個(gè)密封圈39、兩個(gè)軸套310、絕磁環(huán)311組成，在絕磁環(huán)311上繞 有線圈38，絕磁環(huán)311和兩個(gè)底座32圍成的空間內(nèi)充滿磁流變液312，固定盤37安裝于絕 磁環(huán)311上，固定盤37的兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤33，旋轉(zhuǎn)盤33固定于力反饋軸35上， 通過軸35帶動(dòng)可以旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)盤33的位置通過兩端軸套310、軸承36固定，使旋轉(zhuǎn)盤33 與底座32之間間隙、旋轉(zhuǎn)盤33與固定盤37之間的間隙為一固定值，端蓋34通過螺紋固定 于底座32外側(cè)，在端蓋34內(nèi)側(cè)開槽用于放置密封圈39。本發(fā)明力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過兩個(gè) 連桿固定于人體關(guān)節(jié)處，其中一根連桿1固定于力反饋軸35上，另一根連桿2固定于力反 饋執(zhí)行器殼體上，角度傳感器4安裝于力反饋執(zhí)行器的力反饋軸35上，兩個(gè)力傳感器5、 6 分別安裝于兩根連桿l、 2上。
上述磁流變液是一種液體智能材料，當(dāng)有磁場(chǎng)存在時(shí)，其流變學(xué)特性如粘度發(fā)生劇烈的 變化。能夠在幾毫秒時(shí)間內(nèi)由牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w狀態(tài)，撤去磁場(chǎng)時(shí)，又能以同樣速度恢復(fù)原來狀態(tài)。本發(fā)明人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如下執(zhí)行機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)如圖l、 2和3所示。操作者穿戴上執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人工作時(shí)，角度傳感器 通過測(cè)量人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度作為控制信息控制遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人相應(yīng)關(guān)節(jié)作相應(yīng)角度轉(zhuǎn)動(dòng)， 當(dāng)遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人與遠(yuǎn)程/虛擬環(huán)境相互作用時(shí)將會(huì)受到力作用，該力信息通過網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ?電路傳遞到操作者處，給磁流變液制動(dòng)器施加一定的磁場(chǎng)，磁流變液粘度變大，產(chǎn)生一個(gè)被 動(dòng)阻尼力作用于人體上，從而阻礙了人體關(guān)節(jié)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過力傳感器測(cè)量操作者所受 的力并與機(jī)器人所受力進(jìn)行比較得到誤差，通過誤差控制施加的磁場(chǎng)，進(jìn)而控制磁流變液粘 度變化，使人體受力與遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人受力相等，從而使人真實(shí)地感受到遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人 受到的力。
權(quán)利要求
1、一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于包括第一連桿(1)、第二連桿(2)、力反饋執(zhí)行器(3)以及角度傳感器(4)，所述的力反饋執(zhí)行器(3)包括殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的力反饋軸(35)、磁流變液(312)、旋轉(zhuǎn)盤(33)、固定盤(37)、絕磁環(huán)(311)以及線圈(38)，所述的旋轉(zhuǎn)盤(33)固定在力反饋軸(35)上，所述的固定盤(37)固定在殼體上并間隔的布置在旋轉(zhuǎn)盤(33)之間，所述的磁流變液(312)填充在旋轉(zhuǎn)盤(33)與固定盤(37)周圍，在固定盤(37)的外側(cè)設(shè)置所述的絕磁環(huán)(311)，在絕磁環(huán)(311)上繞制所述的線圈(38)，所述的第一連桿(1)固定在所述的力反饋軸(35)上，所述的角度傳感器(4)也固定在所述的力反饋軸上(35)測(cè)量所述的第一連桿(1)的角位移，所述的第二連桿(2)固定在所述的殼體上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè) 量和力反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于在所述的第一連桿(1)上設(shè)置有用于測(cè)量第一連桿 作用力的第一力傳感器(5)，在所述的第二連桿(2)上設(shè)置有用于測(cè)量第二連桿作用力的 第二力傳感器(6)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)盤(33)為兩片，所述的固定盤(37) 為一片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)對(duì)接的人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量和力反饋的執(zhí)行機(jī)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，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，旋轉(zhuǎn)盤固定在力反饋軸上，固定盤固定在殼體的旋轉(zhuǎn)盤之間，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)上繞制線圈，第一連桿固定在所述的力反饋軸上，角度傳感器也固定在所述的反饋軸上，第二連桿固定在所述的殼體上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。重量輕、體積小、摩擦力小，能夠傳遞的力矩很大，而且具有穩(wěn)定安全的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J19/00GK101637913SQ200910034108
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者宋愛國, 崔建偉, 戴金橋, 辭 文, 王愛民 申請(qǐng)人:東南大學(xué)