手持式力反饋裝置以及利用該裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種手持式力反饋裝置以及利用該裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，用于解決現(xiàn)有力反饋裝置實(shí)用性差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是本發(fā)明手持式力反饋裝置包括機(jī)械裝置、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器、第一信號(hào)輸出電路和第二信號(hào)輸出電路。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置上搖桿分布的壓電薄膜傳感器的力信息進(jìn)行測量，對(duì)編碼器上測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)字量進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)機(jī)械裝置上力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端從機(jī)械手上的信號(hào)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手的位置跟蹤。并且通過PID控制計(jì)算后獲取的調(diào)節(jié)量以第二信號(hào)輸出對(duì)力矩電機(jī)的電壓控制調(diào)節(jié)。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程力信號(hào)的力覺再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的力信號(hào)在操作者有相同的力覺信息的感知。實(shí)用性強(qiáng)。
【專利說明】
手持式力反饋裝置從及利用該裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種手持式力反饋裝置，還設(shè)及一種利用該裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下機(jī)械手是水下航行器在水下探測中使用的重要設(shè)備，由于深海探測中對(duì)水下 樣品的采集主要是通過水下機(jī)械手完成，水下機(jī)械手缺少力覺感知W及機(jī)械手操作對(duì)象的 不確定性，造成采集的樣本損壞的問題。水下機(jī)械手的工作環(huán)境復(fù)雜，一般通過視頻輔助完 成，但是由于機(jī)械手或者其載體的運(yùn)動(dòng)造成水質(zhì)變渾，影響機(jī)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(gè)發(fā)展研究方向。力反饋裝置充當(dāng)遙操作系統(tǒng)中的主機(jī)械手部 分，可W分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混合式力反饋裝置。其中串聯(lián)式不易產(chǎn)生較大的反饋力，并聯(lián) 式在剛度、精度、反向驅(qū)動(dòng)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(jié)合了串聯(lián)與并聯(lián)力反饋裝置的特點(diǎn)，但是體積也相對(duì)較大。目前的力反饋裝置都是W伺 服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)核屯、，在機(jī)器人抓取過程中的低速或者靜止運(yùn)動(dòng)過程中有 造成電機(jī)燒毀的危險(xiǎn)。
[0003]文獻(xiàn)"授權(quán)公告號(hào)是CN103158162B的中國發(fā)明專利"公開了一種檢測人手手指運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)并具有雙向主動(dòng)驅(qū)動(dòng)反饋從手受力的力反饋數(shù)據(jù)手套。該發(fā)明采用獨(dú)特的連接方式 和巧妙的關(guān)節(jié)測量點(diǎn)布局，使操作者在使用該數(shù)據(jù)手套時(shí)，五個(gè)手指能保持最大程度的靈 活，手指各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都能被精確檢測到，使被控制的從手的每個(gè)手指關(guān)節(jié)都能與 操作者對(duì)應(yīng)的手指關(guān)節(jié)協(xié)同一致動(dòng)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，W增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)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?fàn)?態(tài)下，要求控制電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止?fàn)顟B(tài)。而伺服電機(jī)相對(duì)堵轉(zhuǎn)功能較差，長時(shí)間堵轉(zhuǎn)狀 態(tài)會(huì)造成其控制電流大很燒壞伺服電機(jī)。而主機(jī)械手由于固定在手臂上會(huì)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(qiáng)，主、從式機(jī)構(gòu)由于機(jī)械模型的誤差， 位置測量的偏差造成控制系能達(dá)不到最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有力反饋裝置實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種手持式力反饋裝置W 及利用該裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法。手持式力反饋裝置包括機(jī)械裝置、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù) 采集模塊、微控制器、第一信號(hào)輸出電路和第二信號(hào)輸出電路。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置上搖桿分布 的壓電薄膜傳感器的力信息進(jìn)行測量，對(duì)編碼器上測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)字量計(jì)數(shù)，對(duì)通 過總線遠(yuǎn)傳過來的力信號(hào)的解碼獲取，通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)主機(jī)械手上力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角 向遠(yuǎn)端從機(jī)械手上的信號(hào)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手的位置跟蹤。并且通過PID控制計(jì)算后獲取的 調(diào)節(jié)量W第二信號(hào)輸出對(duì)力矩電機(jī)的電壓控制調(diào)節(jié)。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程力信號(hào)測量后的 力覺再現(xiàn)，操作者操作遙操作控制器，可W實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的力信號(hào)在操作者有相同的力覺信息 的感知。實(shí)用性強(qiáng)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種手持式力反饋裝置，其特點(diǎn)是： 包括機(jī)械裝置、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器、第一信號(hào)輸出電路和第二信號(hào)輸 出電路。所述機(jī)械裝置包括空屯、手柄1、空屯、編碼器2、空屯、圓盤4、壓電薄膜傳感器5、搖桿6、 法蘭7、力矩電機(jī)8和旋轉(zhuǎn)軸12。所述機(jī)械裝置主體是一個(gè)空屯、圓盤4,空屯、圓盤4左側(cè)是力矩 電機(jī)8,力矩電機(jī)8為分裝式，力矩電機(jī)8的定子和轉(zhuǎn)子固定好嵌入到空屯、圓盤4內(nèi)部。力矩電 機(jī)8定子的右側(cè)有連接裝置與空屯、圓盤4通過螺釘連接。力矩電機(jī)8左側(cè)通過法蘭7與空屯、圓 盤4固定。力矩電機(jī)8轉(zhuǎn)子上伸出一個(gè)搖桿6。在搖桿6的末端平行于空屯、手柄1方向有一個(gè)橫 桿與力矩電機(jī)8轉(zhuǎn)子固連。力矩電機(jī)8右側(cè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸12,旋轉(zhuǎn)軸12與空屯、編碼器2相連， 旋轉(zhuǎn)軸12外端通過固定裝置固定在空屯、圓盤4的右側(cè)，旋轉(zhuǎn)軸12位于空屯、手柄1里面?？胀汀?手柄1固定在空屯、圓盤4右側(cè)表面。搖桿6的末端裝有壓電薄膜傳感器5,空屯、圓盤4外側(cè)有四 個(gè)圓孔3,分別與圓屯、成90°角排列。水平方向上的一對(duì)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(duì)圓孔3連接一個(gè)連接固定裝置。所述機(jī)械裝 置上壓電薄膜傳感器5的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)50倍信號(hào)放大經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸入到微控制器。通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)8轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置 跟蹤。PID控制計(jì)算后獲取的調(diào)節(jié)量通過第二信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)8的電壓進(jìn)行控制調(diào) -H- T。
[0006] 一種利用上述手持式力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，其特點(diǎn)是包括W下步驟：
[0007] 機(jī)械裝置上壓電薄膜傳感器5的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)50 倍信號(hào)放大經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微控制器。通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)8轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端發(fā) 送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。PID控制計(jì)算后獲取的調(diào)節(jié)量通過第二信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)8 的電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。通過PID控制對(duì)力矩電機(jī)8進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體如式（1)、（2)所示。首先計(jì) 算采集壓電薄膜傳感器5的信號(hào)fm，并與從手力信號(hào)fs做差值，得em，經(jīng)過比例、積分、微分計(jì) 算得到Um,由于本設(shè)計(jì)力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與所加電壓之間是二次函數(shù)關(guān)系，所W輸出轉(zhuǎn)矩 最終調(diào)節(jié)量如式(3)所示。
[000引 （1)
[0009] (2)
[0010] (3)
[0011] 控制量根據(jù)測量信號(hào)與遠(yuǎn)傳至本地的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)算出調(diào)節(jié)量。如果沒有接觸力信 號(hào)遠(yuǎn)傳至本地，主機(jī)械手控制量為0,微控制器對(duì)力矩電機(jī)8不做調(diào)解，此時(shí)主手力矩電機(jī)8 為自由狀態(tài)。如果操作者對(duì)搖桿6作用力大于從手遠(yuǎn)傳至本地的力信號(hào)，此時(shí)對(duì)力矩電機(jī)8 調(diào)節(jié)量減少，力矩電機(jī)8輸出轉(zhuǎn)矩減小，則搖桿6對(duì)主手的反作用力也相應(yīng)減小。在整定PID 控制器參數(shù)時(shí)，根據(jù)微控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，首先調(diào) 節(jié)P參數(shù)到超調(diào)范圍內(nèi)，再調(diào)節(jié)I參數(shù)W消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，最后調(diào)節(jié)D參數(shù)增加系統(tǒng)響應(yīng)能 力。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明手持式力反饋裝置包括機(jī)械裝置、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù) 據(jù)采集模塊、微控制器、第一信號(hào)輸出電路和第二信號(hào)輸出電路。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置上搖桿分 布的壓電薄膜傳感器的力信息進(jìn)行測量，對(duì)編碼器上測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)字量計(jì)數(shù)，對(duì) 通過總線遠(yuǎn)傳過來的力信號(hào)的解碼獲取，通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)主機(jī)械手上力矩電機(jī)轉(zhuǎn) 角向遠(yuǎn)端從機(jī)械手上的信號(hào)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手的位置跟蹤。并且通過PID控制計(jì)算后獲取 的調(diào)節(jié)量W第二信號(hào)輸出對(duì)力矩電機(jī)的電壓控制調(diào)節(jié)。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程力信號(hào)測量后 的力覺再現(xiàn)，操作者操作遙操作控制器，可W實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的力信號(hào)在操作者有相同的力覺信 息的感知。實(shí)用性強(qiáng)。
[0013] 本發(fā)明利用力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性W及直接控制力矩實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力信號(hào)的輸出，在低 速或者電機(jī)靜止堵轉(zhuǎn)時(shí)避免了燒壞電機(jī)的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了人手施加的力與標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)傳至主機(jī) 械手的力信號(hào)的匹配，具有便攜性安裝、靈活性佩戴的特點(diǎn)，并且避免了操作過程中使操作 者疲勞的問題。
[0014] W下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明手持式力反饋裝置的框圖。
[0016] 圖2是圖1中力反饋機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中，1-空屯、手柄，2-空屯、編碼器，3-圓孔，4-空屯、圓盤，5-壓電薄膜傳感器，6-搖 桿，7-法蘭，8-力矩電機(jī)，9-搖桿安裝孔，10-金屬銷，11-安裝孔，12-旋轉(zhuǎn)軸，13-空屯、編碼器 引出線。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 參照圖1-2。在手持式力反饋裝置的機(jī)械裝置中，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指抓取的搖桿， 搖桿上裝有力傳感器測量手指的抓取力。力矩電機(jī)同軸固定有測量角位移的編碼器。力反 饋裝置將編碼器測量的角位移和搖桿上力信號(hào)兩路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理W及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等接 口供微控制器數(shù)據(jù)采集。微控制器將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的格式通過第一信號(hào)輸出電路 輸出至遠(yuǎn)端，W供遠(yuǎn)端從機(jī)械手信息獲取。微控制器的第二信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩電機(jī)的控 制信號(hào)給定。
[0019] 在力反饋裝置的機(jī)械裝置中，主要實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手傳送本地的力信號(hào)在主機(jī)械手的 再現(xiàn)，W及測量主機(jī)械手上的位姿信號(hào)作為從機(jī)械手的位姿跟蹤信號(hào)。該力反饋裝置機(jī)械 裝置為手持式，可W任意配接在機(jī)械手的關(guān)節(jié)上，也可W用操作者手臂作為固定裝置。該力 反饋裝置機(jī)械裝置中間為一個(gè)空屯、圓盤4,圓盤左側(cè)力矩電機(jī)8嵌入到圓盤內(nèi)部，力矩電機(jī) 為分裝式，只有定子和轉(zhuǎn)子固定好嵌入到圓盤內(nèi)部。力矩電機(jī)定子右側(cè)有連接裝置與圓盤 通過螺釘連接。力矩電機(jī)左側(cè)有法蘭7將力矩電機(jī)固定在圓盤內(nèi)部。法蘭外力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子上 伸出一個(gè)搖桿6。在桿的末端平行于手柄方向有一個(gè)桿W實(shí)現(xiàn)人手的轉(zhuǎn)動(dòng)，作為接觸點(diǎn)。電 機(jī)右側(cè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，跟空屯、編碼器2相連，編碼器外端有固定裝置固定在圓盤的右側(cè)，編 碼器在空屯、手柄1的里面。空屯、圓柱也固定在圓盤的右側(cè)表面上?？胀汀A柱的直徑不受左側(cè) 力矩電機(jī)的影響。
[0020] 在力反饋裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，操作者手握著右側(cè)的空屯、手柄上，用食指或者中指 去撥動(dòng)搖桿使其旋轉(zhuǎn)，搖桿上與手指尖接觸位置裝有壓電薄膜傳感器5,測量出手指對(duì)搖桿 施加的作用力，運(yùn)個(gè)力作為操作者施加給機(jī)械手的作用力W實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手抓取物體的力相 一致。
[0021] 在力反饋裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，在圓盤外側(cè)有四個(gè)圓孔3,分別與圓屯、成90°角的排 列。水平方向上的一對(duì)圓孔可W與多自由度操作臂相連接，或者安裝到固定裝置上實(shí)現(xiàn)固 定作用。垂直于水平面上的一對(duì)圓孔可W連接一個(gè)連接裝置固定到操作者的手臂上實(shí)現(xiàn)便 攜式的固定。本裝置可W通過螺釘跟機(jī)械臂配接，或者固定在操作者手臂上，實(shí)現(xiàn)了便攜式 操作的目的。
[0022] 本發(fā)明包括力反饋機(jī)械裝置所配套的電路部分，主要包括:信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采 集、微控制器、第一信號(hào)輸出電路、第二信號(hào)輸出電路。主要實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)機(jī)械裝置上 搖桿分布的壓電薄膜傳感器的力信息測量，對(duì)力反饋裝置上的編碼器上測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn) 角數(shù)字量計(jì)數(shù)，對(duì)通過總線遠(yuǎn)傳過來的力信號(hào)的解碼獲取，通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)主機(jī) 械手上力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端從機(jī)械手上的信號(hào)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手的位置跟蹤。并且通過 PID控制計(jì)算后獲取的調(diào)節(jié)量W第二信號(hào)輸出對(duì)力矩電機(jī)的電壓控制調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)可W實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程力信號(hào)測量后的力覺再現(xiàn)，操作者操作遙操作控制器，可W實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的力信號(hào)在操 作者有相同的力覺信息的感知。
[0023] 本發(fā)明包括力反饋機(jī)械裝置所配套的電路部分，主要包括:信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采 集、微控制器、第一信號(hào)輸出電路、第二信號(hào)輸出電路。基本功能首先完成對(duì)搖桿上的壓電 薄膜傳感器信號(hào)采集，通過濾波電路、實(shí)現(xiàn)50倍信號(hào)放大經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微控制器。其次 微控制器完成對(duì)測量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的編碼器信號(hào)采集，由于編碼器輸出為RS485信號(hào)，通過 MAX485忍片連接到微控制器的串口通信模塊完成信息交互。還要實(shí)現(xiàn)與從手的信息交互， 通過網(wǎng)絡(luò)模塊完成信號(hào)的收發(fā)。通過一定的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)微控制器對(duì)從機(jī)械手的力信號(hào)的 讀取，另外將空屯、編碼器對(duì)主機(jī)械手位置信息通過網(wǎng)絡(luò)加通信協(xié)議發(fā)送給從機(jī)械手。為了 實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)力反饋裝置施加力與從手傳遞過來的力信號(hào)一致統(tǒng)一，通過PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì) 力矩電機(jī)的調(diào)節(jié)。具體如式（1)、（2)所示。首先計(jì)算采集的壓電薄膜傳感器信號(hào)fm，并與從 手力信號(hào)fs做差值，得em，經(jīng)過比例、積分、微分計(jì)算得到Um,由于本設(shè)計(jì)力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 與所加電壓之間是二次函數(shù)關(guān)系，所W輸出轉(zhuǎn)矩最終調(diào)節(jié)量如式(3)所示。
[0024] (1)
[0025] (2)
[0026] (3)
[0027] 在應(yīng)用控制板實(shí)現(xiàn)力反饋功能時(shí)，如果從機(jī)械手沒有接觸力信號(hào)遠(yuǎn)傳至本地，主 機(jī)械手控制量為0,控制電路對(duì)力矩電機(jī)不做調(diào)解，此時(shí)主手力矩電機(jī)為自由狀態(tài)。如果操 作者對(duì)搖桿作用力大于從手遠(yuǎn)傳至本地的力信號(hào)，此時(shí)對(duì)力矩電機(jī)調(diào)節(jié)量減少，力矩電機(jī) 輸出轉(zhuǎn)矩減小，則搖桿對(duì)主手的反作用力也相應(yīng)減小，反之亦然。
[0028] 本發(fā)明提供了一種利用力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，實(shí)現(xiàn)遙操作系統(tǒng)中遠(yuǎn)程 機(jī)械手抓取力信號(hào)在本地機(jī)械手操作者手指上的力覺信息的再現(xiàn)，使操作者有一種身臨其 境的感覺，屬于遙操作機(jī)器人技術(shù)及其控制領(lǐng)域。
[0029] 參照附圖1~2,在前端力反饋裝置中，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指抓取的搖桿，為搖桿提供 機(jī)械動(dòng)力，搖桿上裝有力傳感器測量手指的抓取力，力傳感器的類型為壓電薄膜傳感器，可 W將表面壓力轉(zhuǎn)化為可變的電阻值。在力矩電機(jī)同軸輸出一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與空屯、編碼 器相連接，空屯、編碼器咬合旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)角位移測量。力反饋驅(qū)動(dòng)電路板將編碼器測量的角 位移和搖桿上壓電薄膜傳感器測量力信號(hào)運(yùn)兩路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理W及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等接口 供微控制器數(shù)據(jù)采集。微控制器將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的格式通過第一信號(hào)輸出電路輸 出至遠(yuǎn)端，W供遠(yuǎn)端從機(jī)械手信息獲取。微控制器的第二信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩電機(jī)的控制 信號(hào)給定。其中第一信號(hào)輸出電路為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸，第二信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換輸出。
[0030] 本發(fā)明提供了一種利用力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，主要實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手傳送 本地的力信號(hào)在主機(jī)械手的再現(xiàn)，W及測量主機(jī)械手上的位姿信號(hào)作為從機(jī)械手的位姿跟 蹤信號(hào)。該力反饋裝置機(jī)械裝置為手持式，可W任意配接在機(jī)械手的關(guān)節(jié)上，也可W用操作 者手臂作為固定裝置。該力反饋裝置機(jī)械裝置中間為一個(gè)空屯、圓盤4,圓盤左側(cè)力矩電機(jī)8 嵌入到圓盤內(nèi)部，力矩電機(jī)為分裝式，只有定子和轉(zhuǎn)子固定好嵌入到圓盤內(nèi)部。力矩電機(jī)定 子右側(cè)有連接裝置與圓盤通過螺釘連接。力矩電機(jī)左側(cè)有法蘭7將力矩電機(jī)固定在圓盤內(nèi) 部。法蘭外力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子上伸出一個(gè)搖桿6。在桿的末端平行于手柄方向有一個(gè)桿W實(shí)現(xiàn)人 手的轉(zhuǎn)動(dòng)，作為接觸點(diǎn)。電機(jī)右側(cè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸12,跟空屯、編碼器2相連，編碼器外端有固定 裝置固定在圓盤的右側(cè)，編碼器在空屯、手柄1的里面?？胀汀A柱也固定在圓盤的右側(cè)表面 上?？胀汀A柱的直徑不受左側(cè)力矩電機(jī)的影響，只受編碼器的影響?？胀汀A柱1下端有一個(gè) 孔，空屯、編碼器的引出線13由此孔引出，引出線主要由給編碼器供電W及編碼器的信號(hào)輸 出線，還有力矩電機(jī)的供電電源線W及控制信號(hào)線等組成。
[0031] 力矩電機(jī)是整個(gè)力反饋機(jī)械裝置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的核屯、。力矩電機(jī)為多極永磁直流 電機(jī)，超薄盤式結(jié)構(gòu)，定子轉(zhuǎn)子可W分離，方便在本發(fā)明力反饋機(jī)械裝置上安裝。由于力矩 電機(jī)具有軟的機(jī)械特性，可W滿足堵轉(zhuǎn)功能。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)能自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)加大 輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為一定值時(shí)改變電機(jī)端電壓便可調(diào)速，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高，堵轉(zhuǎn)電流小，所 W能滿足一定時(shí)間內(nèi)的堵轉(zhuǎn)要求。本次應(yīng)用選擇力矩電機(jī)主要是考慮其堵轉(zhuǎn)特性與輸出轉(zhuǎn) 矩的直接可調(diào)性。
[0032] 本發(fā)明提供了一種利用力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，包括力反饋機(jī)械裝置所 配套的電路部分，主要包括:信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、微控制器、第一信號(hào)輸出電路、第二 信號(hào)輸出電路。主要實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)機(jī)械裝置上搖桿分布的壓電薄膜傳感器的力信息測 量，對(duì)力反饋裝置上的編碼器上測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移測量，對(duì)通過總線遠(yuǎn)傳過來的 力信號(hào)的解碼獲取，通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)主機(jī)械手上力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端從機(jī)械手上 的信號(hào)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手的位置跟蹤。并且微控制器通過PI的十算后獲取的調(diào)節(jié)量W第二 信號(hào)輸出對(duì)力矩電機(jī)的電壓控制調(diào)節(jié)。
[0033] 在本發(fā)明中，測量力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移用的是空屯、旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器為增量 式，是一種將旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的旋轉(zhuǎn)式傳感器。其輸出有多種形式，運(yùn)里選擇的是 RS485輸出，與微控制經(jīng)過MAX485模塊即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
[0034] 在本發(fā)明中，測量手指轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿的指尖力用壓電薄膜傳感器測量，壓電薄膜傳感 器由壓電薄膜、上下電極、保護(hù)層薄膜或屏蔽層構(gòu)成?？蒞實(shí)現(xiàn)近似線性的壓力與電阻值的 轉(zhuǎn)換，采集壓電薄膜傳感器上的電壓獲取壓力信號(hào)。對(duì)壓力信號(hào)濾波電路采用RC濾波電路， 實(shí)現(xiàn)低通濾波，實(shí)現(xiàn)高頻紋波的濾除。
[0035] 本發(fā)明中信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大功能，信號(hào)放大是用INA121F放大忍片實(shí) 現(xiàn)的。INA121是一種低功耗，高精度的差壓放大器，具有高增益、低漂移、高輸出阻抗、低輸 出阻抗的特點(diǎn)。將力信號(hào)測量的電壓W差分形式輸入INA121放大輸入端，放大倍數(shù)根據(jù)外 接電阻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)比例放大，經(jīng)放大器輸出端得到輸出信號(hào)。然后將放大后的信號(hào)經(jīng)過RC濾 波電路實(shí)現(xiàn)低通濾波，實(shí)現(xiàn)高頻紋波的濾除。
[0036] 本發(fā)明中的微控制器采用MSP430F5438，MSP430F5438上配置有A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換 模塊，可W直接實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電薄膜傳感器采集的接觸力信號(hào)的采集W及對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的電 壓輸出。MSP430F5438電源電壓采用1.8~3.6V的寬電壓范圍供電，待機(jī)電流小于化A，具有 超低功耗的功能。MSP430單片機(jī)是16位的單片機(jī)，采用了目前業(yè)內(nèi)流行的精簡指令集 (RISC),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。另外MSP430F5438具有高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外 圍模塊:LCD驅(qū)動(dòng)器，串行通訊器，看口狗定時(shí)器，溫度傳感器等，所W運(yùn)里選用MSP430巧438 單片機(jī)。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采集，通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)對(duì)主手接觸力信號(hào)采集與從手力信 號(hào)截碼并讀取，經(jīng)過PI的十算出對(duì)力矩電機(jī)調(diào)節(jié)電壓值，通過第二信號(hào)輸出電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸 出，其中第二信號(hào)輸出電路為D/A轉(zhuǎn)換輸出到力矩電機(jī)電壓控制端。
[0037] 本發(fā)明中第一信號(hào)輸出電路實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)通信的遠(yuǎn)傳功能。實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng) 絡(luò)通信的模塊單元采用W太網(wǎng)控制忍片RTL8019AS，采用TCP/IP協(xié)議，其中本地IP地址固化 在單片機(jī)RAM內(nèi)，MSP430通過RS232串口與RTL8019AS相連。MSP430單片機(jī)主要完成Internet 數(shù)據(jù)的解包和串口 RS232數(shù)據(jù)的封包。遠(yuǎn)處從機(jī)械手傳輸來的數(shù)據(jù)包經(jīng)過Internet物理媒 介到達(dá)W太網(wǎng)控制忍片RTL8019AS內(nèi)，irrL8019AS執(zhí)行地址解析協(xié)議，然后交給MSP430單片 機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行TCP/IP協(xié)議模塊，去掉TCP/IP報(bào)頭后將數(shù)據(jù)通過RS232串行口交給數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備。反之，如果是現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，那么單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照TCP/IP 協(xié)議格式封包后送入RTL8019AS，由網(wǎng)卡忍片傳輸?shù)絀nternet中。通過上述方式，MSP430單 片機(jī)完成與Internet的交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。
[0038] 本發(fā)明對(duì)電路需要電源供電，需要電源模塊轉(zhuǎn)換電路。整個(gè)系統(tǒng)的電壓輸入范圍 是3V~24V電壓，整個(gè)電路需要5V、3.3V電源供電，運(yùn)里選擇的忍片為LM317、TPS76950、 TPS76933共S種忍片。LM317作為輸出電壓可變的集成S端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用 廣泛的集成穩(wěn)壓塊。其調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)態(tài)性能好、具有輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。LM317將寬范圍 的3V~24V電壓轉(zhuǎn)換為IOV電壓，輸入電壓端用二極管起保護(hù)作用，LM317利用外接電阻實(shí)現(xiàn) 輸出電壓的線性可調(diào)，輸出電壓端用電容實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓保護(hù)作用。
[0039] 對(duì)5V電壓和3.3V電壓的需要，用忍片TPS76950和TPS76933在實(shí)現(xiàn)。忍片TPS76950 和TPS76933為變換電壓忍片，當(dāng)輸入的電壓在IOV左右時(shí)，輸出電壓可W穩(wěn)定在5V和3.3V， 相應(yīng)電容為穩(wěn)壓作用。
[0040] 在力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法中，控制量根據(jù)測量信號(hào)與遠(yuǎn)傳至本地的標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)計(jì)算出調(diào)節(jié)量。如果從機(jī)械手沒有接觸力信號(hào)遠(yuǎn)傳至本地，主機(jī)械手控制量為0,控制 電路對(duì)力矩電機(jī)不做調(diào)解，此時(shí)主手力矩電機(jī)為自由狀態(tài)。如果操作者對(duì)搖桿作用力大于 從手遠(yuǎn)傳至本地的力信號(hào)，此時(shí)對(duì)力矩電機(jī)調(diào)節(jié)量減少，力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，則搖桿對(duì) 主手的反作用力也相應(yīng)減小。PID控制是一個(gè)局部最優(yōu)過程，無法達(dá)到最優(yōu)控制目標(biāo)。所W 要經(jīng)過調(diào)整試觸找到合適的PID參數(shù)。在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，可W根據(jù)控制器的參數(shù)與 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。首先調(diào)節(jié)P 參數(shù)到合適的超調(diào)范圍內(nèi)，再調(diào)節(jié)I參數(shù)W消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，最后調(diào)節(jié)D參數(shù)增加系統(tǒng)響 應(yīng)能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種手持式力反饋裝置，其特征在于:包括機(jī)械裝置、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、 微控制器、第一信號(hào)輸出電路和第二信號(hào)輸出電路;所述機(jī)械裝置包括空屯、手柄（1)、空屯、 編碼器（2)、空屯、圓盤(4)、壓電薄膜傳感器(5)、搖桿(6)、法蘭（7)、力矩電機(jī)(8)和旋轉(zhuǎn)軸 (12);所述機(jī)械裝置主體是一個(gè)空屯、圓盤(4)，空屯、圓盤(4)左側(cè)是力矩電機(jī)(8)，力矩電機(jī) (8)為分裝式，力矩電機(jī)(8)的定子和轉(zhuǎn)子固定好嵌入到空屯、圓盤(4)內(nèi)部；力矩電機(jī)(8)定 子的右側(cè)有連接裝置與空屯、圓盤(4)通過螺釘連接；力矩電機(jī)(8)左側(cè)通過法蘭(7)與空屯、 圓盤(4)固定;力矩電機(jī)(8)轉(zhuǎn)子上伸出一個(gè)搖桿(6);在搖桿(6)的末端平行于空屯、手柄（1) 方向有一個(gè)橫桿與力矩電機(jī)(8)轉(zhuǎn)子固連；力矩電機(jī)（8)右側(cè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（12)，旋轉(zhuǎn)軸 (12)與空屯、編碼器(2)相連，旋轉(zhuǎn)軸（12)外端通過固定裝置固定在空屯、圓盤(4)的右側(cè)，旋 轉(zhuǎn)軸（12)位于空屯、手柄（1)里面;空屯、手柄（1)固定在空屯、圓盤(4)右側(cè)表面;搖桿(6)的末 端裝有壓電薄膜傳感器(5)，空屯、圓盤(4)外側(cè)有四個(gè)圓孔(3)，分別與圓屯、成90°角排列；水 平方向上的一對(duì)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(duì)圓孔(3)連接一個(gè)連接固定裝置;所述機(jī)械裝置上壓電薄膜傳感器巧）的信號(hào)通 過信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)50倍信號(hào)放大經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微控制器;通過第一 信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)(8)轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤;PID控制計(jì)算后獲取的 調(diào)節(jié)量通過第二信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)(8)的電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。2. -種利用權(quán)利要求1所述手持式力反饋裝置實(shí)現(xiàn)力覺再現(xiàn)的方法，其特征在于包括 W下步驟： 機(jī)械裝置上壓電薄膜傳感器(5)的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)50倍 信號(hào)放大經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微控制器;通過第一信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī)(8)轉(zhuǎn)角向遠(yuǎn)端發(fā) 送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤;PID控制計(jì)算后獲取的調(diào)節(jié)量通過第二信號(hào)輸出電路對(duì)力矩電機(jī) (8)的電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié);通過PID控制對(duì)力矩電機(jī)(8)進(jìn)行調(diào)節(jié);具體如式（1)、（2)所示;首 先計(jì)算采集壓電薄膜傳感器巧）的信號(hào)fm，并與從手力信號(hào)fs做差值，得em，經(jīng)過比例、積分、 微分計(jì)算得到Um,由于本設(shè)計(jì)力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與所加電壓之間是二次函數(shù)關(guān)系，所W輸 出轉(zhuǎn)矩最終調(diào)節(jié)量如式(3)所示；(2) (3) 控制量根據(jù)測量信號(hào)與遠(yuǎn)傳至本地的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)算出調(diào)節(jié)量;如果沒有接觸力信號(hào)遠(yuǎn) 傳至本地，主機(jī)械手控制量為0,微控制器對(duì)力矩電機(jī)(8)不做調(diào)解，此時(shí)主手力矩電機(jī)(8) 為自由狀態(tài);如果操作者對(duì)搖桿(6)作用力大于從手遠(yuǎn)傳至本地的力信號(hào)，此時(shí)對(duì)力矩電機(jī) (8)調(diào)節(jié)量減少，力矩電機(jī)(8)輸出轉(zhuǎn)矩減小，則搖桿(6)對(duì)主手的反作用力也相應(yīng)減小;在 整定PID控制器參數(shù)時(shí)，根據(jù)微控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系， 首先調(diào)節(jié)P參數(shù)到超調(diào)范圍內(nèi)，再調(diào)節(jié)I參數(shù)W消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，最后調(diào)節(jié)D參數(shù)增加系統(tǒng) 響應(yīng)能力。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK105904456SQ201610284950
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】劉衛(wèi)東, 張建軍, 高立娥, 張潔
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)