專利名稱：可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及人機交互技術問題研究的力反饋實驗裝置，特別涉及一種可分解為主 從式單自由度遙操作實驗裝置的二自由度虛擬力反饋實驗裝置。
背景技術：
力反饋裝置是虛擬現實技術提供操作者力感知的基本手段，力覺對于操作者借助 遙操作系統與環境進行間接的交互非常重要。遙操作中可采用具有力反饋的虛擬現實場景 來克服遠程通信中的時延影響。隨著現代科學技術的不斷進步，人們需要虛擬力反饋裝置 的應用場合越來越多，例如虛擬外科手術、在危險或有害環境中實現稱為遙操作的遠程或 間接作業等。然而，虛擬力反饋裝置針對性強、成本高，這限制了虛擬力反饋裝置的普遍適 用性。一般力反饋裝置的工作原理、現有實現手段和用途及性能要求相近或相同，虛擬力反 饋裝置與遙操作實驗裝置具有一定的結構相似性，大多采用多自由度操縱臂結構。因此，使 多自由度虛擬力反饋裝置可按需分解為遙操作裝置，適應不同應用研究目的需要，是降低 實驗研究成本、節省資源的有效手段。在傳統的多自由度操縱臂系統中，實現每個自由度運動的驅動電機都直接安裝在 每段手臂的基礎關節上，這使各關節的運動控制簡單，但造成兩方面的不足一是使得除末 端手臂外，其他各手臂離基座端越近則其承受的自重越大，由此導致各手臂和整個裝置的 最大凈負載能力減小，降低了使用效率，限制了使用范圍；二是檢測各關節手臂運動的傳感 器位置和電機的驅動電纜必須跟隨電機的位置變化和運動。傳統的測量采用有線方式，除 運動信息外還有力信息等，檢測信號傳輸電纜和電機驅動電纜在一定程度上會妨礙裝置的 運動，電纜越多、越長，對關節運動的影響就愈大。目前國內外許多力反饋裝置和遙操作裝 置都是基于直流力矩電機驅動。直流力矩電機具有轉速低、起動力矩大、機械特性硬的特 點，很難用精確數學模型來描述，卻便于采用PID控制。但力矩電機的驅動電流相對大，因 而驅動纜線也相對粗，對運動的影響也相對大。因此，驅動電機安裝位置對負載能力的影響 和電纜線對關節運動的影響一直是多自由度操縱臂裝置設計中都要克服的困難。力矩電機的驅動缺乏專用器件，對于小功率的力矩電機，可以借助專用于音響設 備的音頻功率放大器。音頻功放具有輸入輸出失真小的優點，但受到其驅動能力即輸出功 率大小的限制。因此要盡量發揮功放器件的驅動能力，也需要減小裝置的自身載荷，增加凈 負載能力，從而實現高效率。這也從驅動方面說明了在力反饋裝置系統設計中減小自重影 響、提高凈負載能力與效率的必要性。此外，力、位移信息的準確測量和力矩電機的驅動控制是影響或決定裝置主要性 能也即力覺真實感的關鍵。測量真實的交互力信息需要克服機構運動時慣性力的影響，現 有的集成微加速度芯片技術為測量慣性力提供了可能。由于力和慣性力測量器件都要隨手 臂運動，為了以無線方式實現測量并達到性能要求，測量系統包括電源、電池等對運動的影 響應盡可能小。因此無線通信模塊、測量系統電源尤其是電池要質量小。這些都需要根據 現有技術條件設計低功耗的無線測量方案。
發明內容
本發明的目的是提出一種可分解為主從式單自由度遙操作實驗裝置的二自由度 虛擬力反饋裝置，該裝置能靈活分解成主從式單自由度遙操作實驗裝置，整個裝置的安裝、 拆卸簡單方便，使用靈活。本發明的技術解決方案如下一種可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置，4根圓立柱連接 面板和底板形成安裝大力矩電機的大臺架，大力矩電機緊貼面板固聯在面板下方，大力矩 電機的轉軸垂直于面板和底板；大單擺臂通過第一聯軸套固聯在大力矩電機轉軸上端，在 大單擺臂根部設有應變式力傳感器，在大單擺臂的末端設有加速度計，大力矩電機的轉軸 通過第二聯軸套連接設置于底板的角位移傳感器，大力矩電機、應變式力傳感器、加速度計 和角位移傳感器組成以大力矩電機轉軸為中心線的第一級單自由度力反饋手臂；安裝小力矩電機的小面板由4根短立柱支撐，4根短立柱下端分別與面板的4根圓 立柱相連，在小面板上4根短立柱的內側，再用4根小立柱將基座板固聯在小面板上方，形 成倒置的小臺架；小力矩電機緊貼小面板反面安裝在小臺架內，小力矩電機軸心線垂直于 小面板并與大力矩電機的軸心線重合；摩擦傳動輪通過第三聯軸套固聯在小力矩電機轉軸 一端，該轉軸的另一端通過第四聯軸套連接固定于基座板的角位移傳感器；小單擺臂的根部固定在具有摩擦輪的傳動輪軸上端，該傳動輪軸通過嵌在大單擺 臂前端內的軸承垂直安裝在大單擺臂上；小力矩電機軸上的摩擦傳動輪與傳動輪軸的摩擦 輪，摩擦傳動輪與摩擦輪通過鋼絲傳動連接，在小單擺臂上對應大單擺臂安裝傳感器的部 位，分別設有和大單擺臂相同的加速度計和應變式力傳感器，由此形成一個以大單擺臂前 端軸承孔的中心線為轉軸的第二級單自由度力反饋手臂。同時測量兩個單擺臂的受力及相應角位移，并對兩個單擺臂進行轉矩控制，這兩 個級聯的具有水平作用力/位移感知的單自由度臂和大、小電機系統及臺架組成了一個二 自由度虛擬力反饋裝置。在大臺架內設有直角形支架，用于輔助支撐大單擺臂末端；該直角形支架的一端 固聯在第二聯軸套上，另一端與大單擺臂端部相連，直角形支架與大力矩電機軸、第二聯軸 套和大單擺臂一起組成一個整體轉動機構。在大單擺臂、小單擺臂上均設置有測量電路和無線通信模塊，測量電路與無線通 信模塊連接；測量電路包含微控制器和力傳感器的信號調理電路，大單擺臂、小單擺臂上的 力傳感器采用金屬電阻應變片；加速度傳感器、力傳感器和角位移傳感器的輸出都接入微 控制器中的A/D轉換輸入通道；大單擺臂、小單擺臂上的無線通信模塊分別與上位計算機 的兩個無線接收端無線通信連接。大力矩電機的驅動電路包括兩級放大電路和過載保護電路，第一級放大電路采用 運放0P-27，第二級放大電路采用集成音頻功率放大器TDA7294 ；小力矩電機的驅動電路的 功放采用音頻功率放大器LM1875，并在LM1875的正向輸入端設有鉗位保護電路；大力矩電 機、小力矩電機的驅動電路分別連接在大力矩電機、小電機的電流接入端和上位計算機的 輸出控制端之間。分別卸下安裝在大單擺臂上的鋼絲、傳動輪軸和小單擺臂以及直角形支架，卸下位于面板上的4根短立柱，將包括小力矩電機、第三聯軸套和角位移傳感器的小臺架作為 整體從臺架上卸下，以小面板在上放置小臺架，將已卸下的小單擺臂固聯在小力矩電機轉 軸上端的第三聯軸套上，組成一個獨立的單自由度子系統；將留在臺架內的大力矩電機與 大單擺臂作為另一個獨立的單自由度轉動力臂子系統；將這兩個子系統隔開放置，并通過 兩組信號輸入與控制輸出線路分別接入由通信線路連接的兩臺上位計算機的信號輸入和 控制輸出通道，由此構成可進行單自由度遙操作實驗的主從式單自由度力/位移遙操作實 驗裝置。本發明的有益效果本發明提出的可分解為主從式單自由度遙操作實驗裝置的二自由度虛擬力反饋 裝置，不僅滿足了測量與控制要求，而且安裝、拆卸簡單方便，使用靈活，減少了檢測信息傳 輸線纜、提高了二自由度裝置的凈負載能力，增強力反饋性能，特別適用于以低成本實現虛 擬力反饋和遙操作實驗。可分解為主從式單自由度遙操作實驗裝置的二自由度虛擬力反饋裝置，它包括兩 組大小不同、結構相似的力矩電機及其驅動模塊和懸臂梁結構的單擺臂與力/位移及加速 度測量模塊。該裝置中，安裝了小力矩電機、聯軸套和傳感器的小臺架可以作為整體，從安 裝了大力矩電機-大單擺臂子系統的臺架正上方整體拆卸下來。卸下大單擺臂上的摩擦傳 動輪_鋼絲_傳動輪軸連接機構和大單擺臂的輔助支撐架，將小單擺臂直接安裝在以小面 板在上、基板在下放置的小臺架中的小力矩電機轉軸上端，大、小力矩電機和單擺臂就形成 兩個結構相似的獨立子系統；將大、小臺架及其驅動電路及線纜分開放置，選擇其中一個作 為主手臂子系統，另一個則成為從手臂子系統，從而由大、小兩個獨立子系統構成一個主從 式單自由度遙操作裝置。該裝置以無線通信方式向上位機傳送力/位移及加速度測量信 息，減少了傳輸線纜及其對單擺臂運動的影響。該裝置中，大力矩電機-大單擺臂子系統包含功率相對大的直流力矩電機、大單 擺臂、精密角位移傳感器、應變式力傳感器以及集成加速度傳感器。固定于臺架底板的角位 移傳感器，其轉軸與大力矩電機轉軸連接，同阻值的金屬應變片對稱地粘貼于單擺臂靠近 根部的細頸兩側，與具有細頸的單擺臂結合構成力傳感器，加速度傳感器固定于單擺臂末 端表面，用于補償單擺臂轉動時慣性力對作用力的影響。與大力矩電機轉軸固聯的直角形 支架用于輔助大單擺臂支撐小單擺臂及傳動輪軸；用作單自由度遙操作裝置時，則拆卸該 支架，減輕重量。小力矩電機_小單擺臂子系統與大力矩電機_大單擺臂子系統的結構形式相同， 但小單擺臂并非直接與小力矩電機聯接。在二自由度虛擬力反饋裝置中，通過連接在4根 圓立柱上的短立柱對小面板的支撐，將裝有小力矩電機系統的小臺架以底面朝上的方式放 置于安裝了大力矩電機的面板正上方，并且兩者的轉軸中心線重合。實現小單擺臂隨小力 矩電機同步轉動的傳動輪采用相同直徑的摩擦傳動輪，通過摩擦傳動輪_鋼絲_傳動輪軸 機構實現傳動連接，這使得驅動電機可固定于基座，不隨小單擺臂的支撐基座-大單擺臂 運動，因而大大減輕了以往系統中運動部件自重帶來的負擔和低負載效率。大、小單擺臂的根部都裝有微控制器控制的低功耗測量電路模塊，用于測量大單 擺臂和小單擺臂的力、運動信息。測量模塊使用3. 6V可充電鋰電池，通過集成穩壓器調整 成合適的穩定電壓輸出。測量數據通過無線通信模塊將數據發送至上位計算機，實現對運動和力參數的低功耗無線檢測，減少了測量模塊傳輸電纜的影響。上位機通過控制電機驅動模塊來實現對大、小力矩電機轉動及轉矩的精確控制。 音頻功放器件具備輸入輸出失真小的特點，因此，在滿足驅動能力的前提下，選擇音頻功放 器件作為力矩電機驅動的功率放大器。由于大、小電機模塊的承載能力要求不同，使大、小 力矩電機需要配置功率不同的功率放大器。本實用新型的有益效果是，由于將裝置中的動力元件-力矩電機都固定于不運動 的基座上，沒有成為其中運動臂的負載，因此，顯著增大了裝置的凈負載能力。另外，以無線 通信方式代替傳統的有線通信方式，免除了傳輸力、運動信息的傳輸電纜，避免了這些纜線 對機構運動的阻礙和對測量信息的影響，再加上采用集成微加速度計測量運動加速度來補 償慣性力對作用力的影響，可有效提高力反饋信息的分辨力和真實度。在保證性能要求的 前提下，該裝置既可以作為二自由度遙操作虛擬力反饋裝置，又可以分解成具有力覺的主 從式單自由度遙操作實驗裝置，該裝置具有安裝和拆卸過程簡單方便、使用靈活、成本低和 一機兩用的特點。
圖1為本發明虛擬力反饋裝置實施例主視圖；圖2為本發明虛擬力反饋裝置實施例分解成單自由度遙操作實驗裝置后的示意 圖，其中(a)大力矩電機-單擺臂子系統俯視圖；(b)大力矩電機-單擺臂子系統正視圖(c)小力矩電機_單擺臂子系統俯視圖；(d)小力矩電機_單擺臂子系統正視3為本發明虛擬力反饋裝置實施例測量模塊電路圖；圖4為本發明虛擬力反饋裝置實施例大力矩電機的驅動電路圖；圖5為本發明虛擬力反饋裝置實施例小力矩電機的驅動電路圖；圖6為本發明虛擬力反饋裝置實施例立體圖。圖1和圖6中的標號說明如下表
序名稱序名稱序名稱
號號號1底板14螺母27第二鍵
權利要求
一種可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置，其特征在于，4根圓立柱連接面板和底板形成安裝大力矩電機的大臺架，大力矩電機緊貼面板固聯在面板下方，大力矩電機的轉軸垂直于面板和底板；大單擺臂通過第一聯軸套固聯在大力矩電機轉軸上端，在大單擺臂根部設有應變式力傳感器，在大單擺臂的末端設有加速度計，大力矩電機的轉軸通過第二聯軸套連接設置于底板的角位移傳感器，大力矩電機、應變式力傳感器、加速度計和角位移傳感器組成以大力矩電機轉軸為中心線的第一級單自由度力反饋手臂；安裝小力矩電機的小面板由4根短立柱支撐，4根短立柱下端分別與面板的4根圓立柱相連，在小面板上4根短立柱的內側，再用4根小立柱將基座板固聯在小面板上方，形成倒置的小臺架；小力矩電機緊貼小面板反面安裝在小臺架內，小力矩電機軸心線垂直于小面板并與大力矩電機的軸心線重合；摩擦傳動輪通過第三聯軸套固聯在小力矩電機轉軸一端，該轉軸的另一端通過第四聯軸套連接固定于基座板的角位移傳感器；小單擺臂的根部固定在具有摩擦輪的傳動輪軸上端，該傳動輪軸通過嵌在大單擺臂前端內的軸承垂直安裝在大單擺臂上；小力矩電機軸上的摩擦傳動輪與傳動輪軸的摩擦輪，摩擦傳動輪與摩擦輪通過鋼絲傳動連接，在小單擺臂上對應大單擺臂安裝傳感器的部位，分別設有和大單擺臂相同的加速度計和應變式力傳感器，由此形成一個以大單擺臂前端軸承孔的中心線為轉軸的第二級單自由度力反饋手臂。
2.根據權利要求1所述的可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置， 其特征在于，在大臺架內設有直角形支架，用于輔助支撐大單擺臂末端；該直角形支架的一 端固聯在第二聯軸套上，另一端與大單擺臂端部相連，直角形支架與大力矩電機軸、第二聯 軸套和大單擺臂一起組成一個整體轉動機構。
3.根據權利要求1所述的可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置， 其特征在于，在大單擺臂、小單擺臂上均設置有測量電路和無線通信模塊，測量電路與無線 通信模塊連接；測量電路包含微控制器和力傳感器的信號調理電路，大單擺臂、小單擺臂上 的力傳感器采用金屬電阻應變片；加速度傳感器、力傳感器和角位移傳感器的輸出都接入 微控制器中的A/D轉換輸入通道；大單擺臂、小單擺臂上的無線通信模塊分別與上位計算 機的兩個無線接收端無線通信連接。
4.根據權利要求1-3任一項所述的可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力 反饋裝置，其特征在于，大力矩電機的驅動電路包括兩級放大電路和過載保護電路，第一級 放大電路采用運放0P-27，第二級放大電路采用集成音頻功率放大器TDA7294 ；小力矩電機 的驅動電路的功放采用音頻功率放大器LM1875，并在LM1875的正向輸入端設有鉗位保護 電路；大力矩電機、小力矩電機的驅動電路分別連接在大力矩電機、小電機的電流接入端和 上位計算機的輸出控制端之間。
5.根據權利要求4所述的可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置， 其特征在于，分別卸下安裝在大單擺臂上的鋼絲、傳動輪軸和小單擺臂以及直角形支架，卸 下位于面板上的4根短立柱，將包括小力矩電機、第三聯軸套和角位移傳感器的小臺架作 為整體從臺架上卸下，以小面板在上放置小臺架，將已卸下的小單擺臂固聯在小力矩電機 轉軸上端的第三聯軸套上，組成一個獨立的單自由度子系統；將留在臺架內的大力矩電機 與大單擺臂作為另一個獨立的單自由度轉動力臂子系統；將這兩個子系統隔開放置，并通過兩組信號輸入與控制輸出線路分別接入由通信線路連接的兩臺上位計算機的信號輸入 和控制輸出通道，由此構成可進行單自由度遙操作實驗的主從式單自由度力/位移遙操作 實驗裝置。
全文摘要
本發明公開了可分解為單自由度遙操作裝置的二自由度虛擬力反饋裝置，4根圓立柱連接面板和底板形成大臺架，大力矩電機垂直固聯于面板下；裝有力和加速度傳感器的大單擺臂經第一聯軸套固聯于大力矩電機轉軸上端，該轉軸下端接角位移傳感器；下接圓立柱的4根短立柱支撐由4根小立柱連接小面板和基座板形成的小臺架，小力矩電機安裝在位于小臺架下方的小面板上，大、小力矩電機的軸心線重合；摩擦傳動輪經第三聯軸套固聯于小力矩電機轉軸；類似大單擺臂的小單擺臂的根部固聯于垂直安裝在大單擺臂端部的傳動輪軸上端，傳動輪軸與摩擦傳動輪由鋼絲連接。該裝置可分解為主從式單自由度遙操作裝置，有一機兩用、使用靈活、裝卸方便、低成本的特點。
文檔編號G06F3/01GK101980108SQ201010528058
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者劉少強, 彭俊先, 李勇周, 樊曉平, 洪丹龍 申請人:中南大學