一種智能化力反饋手柄及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種智能化的三自由度的力反饋設(shè)備，主要應(yīng)用于航天、深海或?qū)θ擞?害環(huán)境中機(jī)器人控制和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，能夠測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度并提供力覺臨場(chǎng)感。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著交互式遙操作機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是一些近些年來(lái)新出 現(xiàn)的實(shí)用技術(shù)如遠(yuǎn)程教學(xué)，遠(yuǎn)程醫(yī)療，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對(duì)臨場(chǎng)感機(jī)器人技術(shù)的很強(qiáng)的 依賴性，使得高性能的人機(jī)接口裝置顯得尤為重要。力反饋操縱裝置作為常見的一種人機(jī) 接口，它能采集操作者手臂的位姿信息作為控制指令，生成控制命令控制遠(yuǎn)端操作對(duì)象或 者虛擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)象傳回的力覺信息直接生成作用于人手的反饋力或力矩，是 操作者產(chǎn)生遠(yuǎn)地機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)或虛擬機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)身臨其境的力覺臨場(chǎng)感效果。近年來(lái)，力反 饋手控器已經(jīng)成為了各國(guó)科研人員的研究熱點(diǎn)，歐美國(guó)家，已經(jīng)有了像Omega和Delta這樣 的成熟的力反饋設(shè)備產(chǎn)品上市，并處于世界領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)對(duì)力反饋設(shè)備的研究也取得了 顯著的進(jìn)展。一般力反饋裝置可以分為串聯(lián)式力反饋裝置，并聯(lián)式力反饋裝置，混聯(lián)式力反 饋裝置。串聯(lián)式力反饋設(shè)備的特點(diǎn)是開鏈結(jié)構(gòu)，剛度較差易變形，不易產(chǎn)生較大的反饋力； 并聯(lián)式力反饋設(shè)備慣性低，在剛度、精度、反向驅(qū)動(dòng)能力上有很大的優(yōu)勢(shì)，但是缺點(diǎn)是體積 較大；而混聯(lián)式力反饋設(shè)備則結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)體積也比較大。目前提出 的很多力反饋操縱裝置沒有設(shè)置智能化控制效果，例如不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種智能化力反饋手柄 及其控制方法，能夠測(cè)量三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，提供反饋力，并且輸出多維操縱力信息，手 柄自身實(shí)現(xiàn)重力自平衡，通過(guò)智能控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位和阻尼控制等智能化功能。
[0004] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種智能化力反饋手柄，包括X軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分；所述X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括內(nèi)框和驅(qū)動(dòng)內(nèi)框繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的X軸驅(qū)動(dòng)裝置，所述Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括中心 筒和驅(qū)動(dòng)中心筒繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的Y軸驅(qū)動(dòng)裝置，所述Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括手柄操縱桿和驅(qū)動(dòng)手 柄操縱桿繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的Z軸驅(qū)動(dòng)裝置，所述中心筒轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在內(nèi)框內(nèi)的空心框體中，且中心 筒與內(nèi)框轉(zhuǎn)動(dòng)方向相互垂直，所述手柄操縱桿繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在中心筒內(nèi)部，且手柄操 縱桿與中心筒同軸向。
[0006] 進(jìn)一步的，所述X軸驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)X連接軸、X傘齒輪組、X減速器和X電機(jī)， 所述內(nèi)框的兩側(cè)端分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的X連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)架設(shè)在支架上，兩個(gè)X連接軸軸線處于一 直線上且與X軸重合，其中一側(cè)X連接軸穿過(guò)支架與X傘齒輪組安裝連接，所述X傘齒輪組 通過(guò)X減速器與X電機(jī)輸出端連接；X電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)框繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述Y軸驅(qū)動(dòng)裝置包括兩 個(gè)Y連接軸、Y傘齒輪組、Y減速器和Y電機(jī)，所述中心筒的兩側(cè)壁面分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的Y連接 軸轉(zhuǎn)動(dòng)架設(shè)在內(nèi)框的內(nèi)壁面，兩個(gè)Y連接軸軸線處于一直線上且與Y軸重合，其中一側(cè)Y 連接軸穿過(guò)內(nèi)框與Y傘齒輪組安裝連接，所述Y傘齒輪組通過(guò)Y減速器與Y電機(jī)輸出端連 接；Y電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心筒在內(nèi)框內(nèi)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述Z軸驅(qū)動(dòng)裝置包括Z電機(jī)、Z減速器和手 柄操縱桿，所述中心筒的內(nèi)部設(shè)置有與其同軸向、軸心的Z電機(jī)，Z電機(jī)的輸出端通過(guò)Z減 速器與手柄操縱桿底端位置連接；Z電機(jī)驅(qū)動(dòng)手柄操縱桿繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0007] 進(jìn)一步的，所述X電機(jī)尾端安裝有X光電編碼器，Y電機(jī)尾端安裝有Y光電編碼器， Z電機(jī)的尾部安裝有Z光電編碼器。
[0008] 進(jìn)一步的，所述手柄操縱桿中間位置安裝有四軸力傳感器，分別能夠測(cè)量左右擺 動(dòng)的力，前后擺動(dòng)的力，沿Z軸旋轉(zhuǎn)的力矩和上下方向的壓力，所述手柄操縱桿的頂端位置 由下至上依次連接有托盤和手柄，所述手柄上安裝有觸覺傳感器；Z電機(jī)驅(qū)動(dòng)手柄操縱桿 帶動(dòng)四軸力傳感器、托盤和手柄繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009] 進(jìn)一步的，所述X軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分形成的XOY平面，在所述Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)部 分，XOY平面上方的重力與XOY平面下方的重力相等。
[0010] 進(jìn)一步的，所述X傘齒輪組包括X傘齒輪一和X傘齒輪二，所述X傘齒輪一和X傘 齒輪二相互垂直傳動(dòng)連接；所述Y傘齒輪組包括Y傘齒輪一和Y傘齒輪二，所述Y傘齒輪一 和Y傘齒輪二相互垂直傳動(dòng)連接。
[0011] 進(jìn)一步的，在Y軸驅(qū)動(dòng)裝置上，另一側(cè)Y連接軸穿過(guò)內(nèi)框連接有配重，所述配重與 Y電機(jī)關(guān)于中心筒對(duì)稱，所述配重的重力平衡Y軸驅(qū)動(dòng)裝置帶來(lái)的重力干擾。
[0012] -種智能化力反饋手柄的控制方法，操作者將手?jǐn)[放在托盤上操作手柄，所述四 軸力傳感器測(cè)量出操作者對(duì)手柄操縱桿分別施加的繞X軸、Y軸和Z軸的實(shí)際作用力或力 矩，將實(shí)際作用力或力矩與理論所需要力或力矩做差值，并將差值輸入至PID控制器，通過(guò) PID控制器控制X電機(jī)、Y電機(jī)和Z電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力或力矩。
[0013] 進(jìn)一步的，通過(guò)X光電編碼器、Y光電編碼器和Z光電編碼器測(cè)得手柄操作桿在X 軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向上的角度，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)速度，得出與之成比例的需要的阻尼力 或力矩，將需要的阻尼力或力矩和實(shí)際測(cè)得的作用力或力矩求差，并將差值輸入至PID控 制器，通過(guò)PID控制器控制X電機(jī)、Y電機(jī)和Z電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力或力矩，即為手柄受到的阻 尼力。
[0014] 進(jìn)一步的，操作者手松開手柄，手柄上的觸覺傳感器檢測(cè)到的力為零，啟動(dòng)手柄復(fù) 位模式；當(dāng)四軸力傳感器檢測(cè)到上下方向的力不為零，即手仍擺放在托盤上，進(jìn)入慢速?gòu)?fù)位 模式，當(dāng)四軸力傳感器未檢測(cè)手仍擺放在托盤上，進(jìn)入快速?gòu)?fù)位模式；所述X光電編碼器、Y 光電編碼器和Z光電編碼器采集的實(shí)際輸出位置與原點(diǎn)位置做差值，并將差值輸入至PID 控制器，通過(guò)PID控制器控制X電機(jī)、Y電機(jī)和Z電機(jī)驅(qū)動(dòng)手柄操作桿復(fù)位。
[0015] 有益效果：本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：
[0016] 1、采用四軸力傳感器直接測(cè)量前后、左右的力和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，用PID閉環(huán)控 制的方法輸出力或力矩，減小誤差，提高輸出力或力矩的精確度。
[0017] 2、采用智能控制阻尼方式，操作者感受到的阻尼和操作手柄的速度成正比，防止 操作者操作手柄時(shí)阻尼太大使操作者產(chǎn)生疲勞感，或者阻尼太小使得操作者操作速度過(guò) 快，有利于操作者精確控制。
[0018] 3、根據(jù)觸覺傳感器判斷操作者是否手握手柄，當(dāng)操作者手握手柄時(shí)，手柄處于工 作模式，當(dāng)操作者放開手柄，手柄處于復(fù)位模式，能夠根據(jù)光電編碼器測(cè)得的位置信號(hào)進(jìn)行 輸出位置進(jìn)行PID控制，實(shí)現(xiàn)手柄在空間位置上的歸零和復(fù)位。四軸力傳感器的能夠測(cè)量 出上下方向的力，也就是操作者手部對(duì)托盤的壓力，判斷操作者是否將手部放置在托盤上， 當(dāng)操作者手部放在托盤上，而沒有握住手柄時(shí)，實(shí)現(xiàn)較慢速度的復(fù)位，當(dāng)操作者手部未放在 托盤上，并且每頁(yè)握住手柄，實(shí)現(xiàn)較快讀的復(fù)位。
[0019] 4、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，操作方便，電機(jī)位置的安排大大節(jié)約了空間，實(shí)現(xiàn)了智能 手柄實(shí)現(xiàn)小型化。
[0020] 5、手柄在每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都不會(huì)影響到其它方向的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)不 需要解耦，簡(jiǎn)化了控制算法。手柄手持位置的運(yùn)動(dòng)空間是以手柄長(zhǎng)度為半徑的球面，空間位 置與三個(gè)方向的自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的角度映射唯一確定，不存在奇異點(diǎn)的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是智能力反饋手柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體圖；
[0022] 圖2是智能力反饋手柄原理圖的主視圖；
[0023] 圖3是智能力反饋手柄原理圖的右視圖；
[0024] 圖4是智能力反饋手柄在力反饋模式下的控制原理圖；
[0025] 圖5是智能力反饋手柄在變阻尼模式下的控制原理圖；
[0026] 圖6是智能力反饋手柄在復(fù)位模式下的控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0028] 如圖1、2和3所示為一種智能化力反饋手柄，包括X軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分和 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分；所述X軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括內(nèi)框5和驅(qū)動(dòng)內(nèi)框5繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的X軸驅(qū)動(dòng)裝置，所 述Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括中心筒6和驅(qū)動(dòng)中心筒6繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的Y軸驅(qū)動(dòng)裝置，所述Z軸轉(zhuǎn)動(dòng) 部分包括手柄操縱桿24和驅(qū)動(dòng)手柄操縱桿24繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的Z軸驅(qū)動(dòng)裝置，所述中心筒6 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在內(nèi)框5內(nèi)的空心框體中，且中心筒6與內(nèi)框5轉(zhuǎn)動(dòng)方向相互垂直，所述手柄操縱 桿24繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在中心筒6內(nèi)部，且手柄操縱桿24與中心筒6同軸向。
[0029] 具體的，所述X軸驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)X連接軸28、X傘齒輪組、X減速器10和X電 機(jī)8,所述內(nèi)框5的兩側(cè)端分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的X連接軸28及法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)架設(shè)在支架4上軸孔 上，由軸承支撐實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配合，使得內(nèi)框5可以繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；其中一側(cè)X連接軸28穿過(guò)支架 4與X傘齒輪組安裝連接，所述X傘齒輪組包括X傘齒輪一 11和X傘齒輪二12,所述X傘 齒輪一 11和X傘齒輪二12相互垂直傳動(dòng)連接；所述X傘齒輪組通過(guò)X減速器10與X電機(jī) 8輸出端連接，所述X電機(jī)尾端安裝有X光電編碼器9, X電機(jī)8驅(qū)動(dòng)內(nèi)框5繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0030] 所述Y軸驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)Y連接軸34、Y傘齒輪組、Y減速器16和Y電機(jī)14,所 述中心筒6的兩側(cè)壁面分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的Y連接軸34及法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)架設(shè)在內(nèi)框5的內(nèi)壁面 的軸孔上，由軸承支撐實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配合，其中兩個(gè)Y連接軸34軸線處于一直線上且與Y軸重 合，使得中心筒6可以繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一側(cè)Y連接軸34穿過(guò)內(nèi)框5與Y傘齒輪組安裝連 接，所述Y傘齒輪組包括Y傘齒輪一 17和Y傘齒輪二18,所述Y傘齒輪一 17和Y傘齒輪二 18相互垂直傳動(dòng)連接，所述Y傘齒輪組通過(guò)Y減速器16與Y電機(jī)14輸出端連接，Y電機(jī)尾 端安裝有Y光電編碼器15, Y電機(jī)14驅(qū)動(dòng)中心筒6在內(nèi)框5內(nèi)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0031] 所述Z軸驅(qū)動(dòng)裝置包括Z電機(jī)20、Z減速器22和手柄操縱桿24,所述中心筒6的 內(nèi)部設(shè)置有與其同軸向、軸心的Z電機(jī)20，Z電機(jī)20的輸出端通過(guò)Z減速器22與手柄操縱 桿24底端位置連接，Z電機(jī)的尾部安裝有Z光電編碼器21，Z電機(jī)20驅(qū)動(dòng)手柄操縱桿24 繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0032] 所述手柄操縱桿24中間位置安裝有四軸力傳感器25,分別能夠測(cè)量左右擺動(dòng)的 力，前后擺動(dòng)的力，沿Z軸旋轉(zhuǎn)的力矩和上下方向的壓力，所述手柄操縱桿24的頂端位置由 下至上依次連接有托盤42和手柄26,所述手柄26上安裝有觸覺傳感器27,用來(lái)判斷