具有力反饋的主從式控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有力反饋的主從式控制裝置，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設備；所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機械臂模型和虛擬環境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡和計數器板卡，所述的手動觸覺設備包括直流電機、電機驅動器、旋轉手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機上，并與計數器板卡連接，所述的旋轉手柄與直流電機的電機軸連接，所述的DA板卡通過電機驅動器與直流電機連接；與現有技術相比，本實用新型具有結構簡單、實施方便、體驗感強等優點。
【專利說明】具有力反饋的主從式控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種力覺和視覺反饋【技術領域】，尤其是涉及一種具有力反饋的主從式控制裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，具有力反饋的虛擬現實技術得到了快速的發展。該技術改變了以往僅僅基于視覺、聽覺和利用鼠標鍵盤等傳統的二維人機交互技術，為用戶提供了一種更加貼近真實生活環境的人機交互界面。
[0003]在軍事領域，通過利用3D模型、力反饋、位置跟蹤以及其他視聽設備，虛擬現實技術可以幫助士兵模擬各種各樣的戰場環境，可以以非常低的成本和最小的危險來不斷的重復同一個軍事訓練項目，實現低成本、高效率的完成軍事人員的職業訓練。在醫學領域，通過建立逼真的人體器官模型和作用力反饋模型，外科醫生可以通過高度逼真的手術模擬系統進行重復的手術操作訓練，達到最佳的醫學訓練效果并有效地縮短訓練周期。
[0004]然而，當前從商業上可獲取的基于虛擬現實的力反饋設備(如美國SensAble公司的PHANTOM系列力反饋交換設備)主要都是為通用目的而設計的，且價格非常昂貴。此外，此類設備的底層控制系統已經被完全封閉，不能滿足用戶對虛擬現實力反饋系統的個性化要求。更甚者，這類力反饋交互設備具有較多的自由度、復雜的控制系統和虛擬現實函數庫，用戶需要花費大量時間學習該設備的控制方法、虛擬模型建立方法等，難以快速滿足用戶設計要求。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種結構簡單、實施方便、體驗感強的具有力反饋的主從式控制裝置。
[0006]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]—種具有力反饋的主從式控制裝置，其特征在于，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設備；
[0008]所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機械臂模型和虛擬環境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡和計數器板卡，所述的手動觸覺設備包括直流電機、電機驅動器、旋轉手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機上，并與計數器板卡連接，所述的旋轉手柄與直流電機的電機軸連接，所述的DA板卡通過電機驅動器與直流電機連接。
[0009]所述的虛擬機械臂模型為一自由度虛擬機械臂模型，可以將旋轉軸的旋轉運動轉變為機械臂的直線往復運動。
[0010]所述的一自由度虛擬機械臂模型為圓柱體，所述的虛擬環境模型為中空型圓柱體，該圓柱體表面具有彈性。
[0011]通過主控制器移動虛擬機械臂模型，使得虛擬機械臂模型與環境模型表面接觸，所述的虛擬機械臂模型末端與環境模型的表面接觸位置為虛擬機械臂模型末端起始位置，通過主控制器傳遞的反饋力判斷虛擬機械臂模型末端和虛擬環境模型是否接觸。
[0012]機械臂的往復運動可以實現機械臂的末端與圓柱體表面相接觸而產生相應作用力；通過主控制器操作虛擬機械臂模型開始與虛擬環境模型的碰撞運動，虛擬機械臂模型的末端從起始位置移動到虛擬環境模型內的機械臂末端目標位置。
[0013]控制器單元中的DA板卡和計數器板卡分別實現對直流電機發送驅動電流和對電機末端編碼器輸出位置量進行采集功能，觸覺設備的核心是一臺直流電機，該直流電機將虛擬機械臂與虛擬環境接觸力轉變成施加于操作者人手上的作用力信號。
[0014]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:
[0015]I)結構簡單:相比較于商業上可購得的虛擬現實力反饋系統，該系統具有結構簡單，力反饋系統各個部分容易獲取，力反饋裝置容易加工制造。
[0016]2)實施方便:本系統結構簡單，控制系統計算量少，不必進行復雜的多自由度機器人運動學和動力學計算即可實現對虛擬現實技術的有效體驗。
[0017]3)體驗感強:本實用新型可以方便用戶實踐，操作者通過操作力反饋設備，與顯示器中的圖像的變化連接起來，給使用者強烈的身臨其境的感覺，顯著增加操作者的體驗感。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。
[0020]實施例
[0021]如圖1所示，一種具有力反饋的主從式控制裝置，包括依次連接的視覺顯示單元
1、控制器單兀2和手動觸覺設備3 ；
[0022]所述的視覺顯示單元I包括相互連接的虛擬機械臂模型和虛擬環境模型，所述的控制器單元2包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡21和計數器板卡22，所述的手動觸覺設備3包括直流電機32、電機驅動器34、旋轉手柄31和編碼器33，所述的編碼器33安裝在直流電機32上，并與計數器板卡22連接，所述的旋轉手柄31與直流電機32的電機軸連接，所述的DA板卡21通過電機驅動器34與直流電機32連接；
[0023]本實用新型的工作原理如下:
[0024]用戶通過旋轉旋轉手柄31，帶動直流電機32的電機軸發生旋轉運動，并通過編碼器33記錄，所述主控制器通過讀取計數器板卡22上的脈沖信號，來確定用戶操作手動觸覺設備的輸入位移量，并計算出虛擬機械臂模型運動的位移量；
[0025]同時，主控制器根據虛擬機械臂模型與虛擬環境模型的接觸位移量以及設計好的剛度值，計算出接觸力大小，并通過DA板卡21將作用力信號轉變為輸送給電機驅動器34的電壓值，經過電機驅動器34變換后，最終將驅動電流值輸送給直流電機32，實現電機軸旋轉，并帶動旋轉手柄實現與操作者反方向的旋轉運動，使得操作者感覺到虛擬作用力。
[0026]以實現快速的接觸力反饋模型建立實驗為例來說明本實用新型。
[0027]1、構建虛擬機械臂模型和環境模型
[0028]本實施例中一自由度虛擬機械臂模型為圓柱體，圓柱體橫截面直徑為5mm,長度為15_。虛擬環境為直徑為1mm,長度為5mm的中空型圓柱體。采用實體造型技術構建一自由度虛擬機械臂和虛擬環境模型。
[0029]2、確定機械臂末端起始位置
[0030]通過帶有旋轉手柄的一自由度力反饋設備移動一自由度虛擬機械臂，通過運動轉化，將旋轉手柄的旋轉運動轉變為虛擬機械臂的直線運動。使虛擬機械臂的末端與虛擬環境的表面相接觸，機械臂末端此時位置記為起始位置，通過操作者的視覺觀察和力反饋設備傳遞的反饋力信號來判斷機械臂末端是否與虛擬環境發生接觸。
[0031]3、接觸力反饋仿真模型建立
[0032]將虛擬環境模型的剛度值設置為0.6N/mm，根據下列公式計算的接觸反饋力為:
[0033]ffeedback (Xend Xstart) X ^stiffness
[0034]此實施例采用連續的位置輸入信號，那么操作者獲取的接觸反饋力也是連續的力信號。
[0035]4、環境模型剛度簡單可調接觸力實驗
[0036]可以依據不同操作者對虛擬環境剛度的期望，可以通過本實用新型控制裝置實現對虛擬環境剛度值的快速調整。
【權利要求】
1.一種具有力反饋的主從式控制裝置，其特征在于，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設備； 所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機械臂模型和虛擬環境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡和計數器板卡，所述的手動觸覺設備包括直流電機、電機驅動器、旋轉手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機上，并與計數器板卡連接，所述的旋轉手柄與直流電機的電機軸連接，所述的DA板卡通過電機驅動器與直流電機連接。
2.根據權利要求1所述的一種具有力反饋的主從式控制裝置，其特征在于，所述的虛擬機械臂模型為一自由度虛擬機械臂模型。
3.根據權利要求2所述的一種具有力反饋的主從式控制裝置，其特征在于，所述的一自由度虛擬機械臂模型為圓柱體，所述的虛擬環境模型為中空型圓柱體。
【文檔編號】G05B19/18GK204256478SQ201420645824
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】胡玥, 胡茂剛 申請人:胡玥