CN105892687B - 一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法 - Google Patents

一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法，它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)组成；该驱动部分(1)安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)的转动轴线与该驱动部分(1)的转动轴线重合，以上三个部分的结构件的固定方式是用螺钉连接；其工作方法是通过四步进行。本发明使力反馈设备具有低惯量的性能，整体上提升了力反馈设备的刚度性能和交互感，结构简单，制造成本低。

Description

一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法
所属技术领域
本发明提供一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法，主要应用于牙科手术仿真、虚拟装配等虚拟现实领域，能够测量位置并提供力觉感受，属于触/力觉人机交互技术领域。。
背景技术
随着科技尤其是计算机技术的发展，人类已能够通过视觉与听觉与计算机进行交互，多媒体与虚拟现实的世界已经到来。触/力觉人机交互与计算机技术的结合将触觉引入虚拟现实世界，人类与计算机、机器人的交互途径变得更加丰富。在触/力觉人机交互技术领域，力反馈设备具有重要的作用。欧美国家对力反馈设备的研究较为深入，并已有SensAble和ForceDimension等处于世界领先地位的力反馈设备制造商。国内对力反馈设备的研究也取得了较多的进展和成果。现有的力反馈设备分为阻抗力反馈设备和导纳力反馈设备。阻抗设备通过测量设备末端的实际位置或速度等运动信息，根据接触点的虚拟环境阻抗模型计算得到设备末端的理想输出力。导纳设备利用力传感器测量操作者施加在末端的作用力，利用作用力和虚拟环境交互力的信息，通过运动学定律计算虚拟物体的位置作为设备的位置输出。对于阻抗设备，由于其输入位置输出力的特点，设备必须能够反向驱动，为了在自由空间能够让人感觉充分自由，设备需要具有很好的反向驱动性，因此阻抗设备机械***一般具有低惯量、小摩擦和小传动比等特点。阻抗设备可以很好的模拟自由空间和小刚度，但是在大刚度渲染的时候容易出现失稳的问题。对于导纳设备，由于其输入力输出位置的特点，机械***本身一般设计成具有很大的刚度，例如具有大传动比的减速环节、刚度很大的机械零件等。导纳设备能很好的模拟大刚度环境，但是在自由空间和小刚度渲染同样出现失稳的问题。为了克服阻抗力反馈设备和导纳力反馈设备的缺陷，本发明设计了一种单自由度力反馈手柄装置，并提出了其工作方法。
发明内容
1.本发明的目的是：为了克服阻抗力反馈设备和导纳力反馈设备的不足，本发明提供了一种单自由度力反馈手柄装置及其工作方法，能够测量末端位置和人手的作用力，提供反馈力，能够模拟大刚度的表面和小摩擦、小惯量的虚拟环境。
2.本发明的具体技术方案为：
一种单自由度力反馈手柄装置，其特征在于：它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)组成；它们三者之间的位置与连接关系是：该驱动部分(1)安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)的转动轴线与该驱动部分(1)的转动轴线重合，以上三个部分的结构件的固定方式是用螺钉连接；
进一步的，所述驱动部分(1)包括编码器1(4)、电机(5)、减速器(6)和动态物理约束(8)。它们之间的位置与连接关系是：动态物理约束(8)连接在减速器(6)输出轴上，电机(4)连接在减速器(6)的尾部，编码器1(4)连接在电机(5)的尾部，减速器(6)安装在顶板(9)上，从而使驱动部分(1)整体固定在顶板(9)上。电机(5)带动减速器(6)转动，从而带动动态物理约束(8)转动，通过编码器1(4)测量电机(5)转角，根据减速比大小可以计算出动态物理约束(8)的转角大小。
所述驱动部分(1)的各个组成部分的形状构造是：该编码器1(4)可以是光电编码器、电位计或旋转变压器等；该电机(5)为直流电机；该减速器(6)是无回程误差的谐波减速器；该动态物理约束(8)的外观为两段圆柱，圆柱轴线方向有通孔，通孔直径与减速器(6)输出轴配合安装，较小一段圆柱径向开有细槽，侧面有螺纹孔，用螺钉(7)将动态物理约束(8)紧固在减速器(6)的输出轴上，较大一段圆柱为卡槽型，卡槽宽度比连杆(11)的宽度大一定尺寸，可以使连杆(11)自由转动一定角度，卡槽的对称中心线与通孔轴线垂直相交。
进一步的，所述连杆转动部分(2)包括定位销1(10)、连杆(11)、垫片(12)、轴承(13)、连杆座(14)、定位销2(15)、编码器2(16)、法兰(17)、连杆轴(18)、力传感器(19)。它们之间的位置与连接关系是：轴承(13)安装在连杆座(14)上，连杆轴(18)安装在两个轴承(13)的内圈上，连杆(11)安装在连杆轴(18)上，力传感器(19)安装在连杆(19)的末端；法兰(17)的一侧固定在连杆座(14)的底面，另一侧连接在编码器2(16)的端面上，编码器2(16)通过法兰(17)固定在连杆座(14)上，编码器2(16)的输出轴与连杆轴(18)连接；定位销1(10)安装在顶板(9)上，用于定位连杆座(14)与顶板(9)的相对位置；定位销2(15)安装在连杆座(14)上，分别安装在连杆(11)转角的极限位置，当连杆(11)转动到极限角度时，定位销2(15)作为机械限位阻止连杆(11)继续转动；连杆座(14)通过螺钉与顶板(9)连接，使连杆转动部分(2)整体固定在顶板(9)上。人手推动连杆(11)带动连杆轴(18)转动，从而带动编码器2(16)转动，即通过编码器2(16)的读数可以测量连杆(11)的转角大小。力传感器(19)为两个一维力传感器，可以测量人手作用在连杆(11)末端的作用力。
所述连杆转动部分(2)的各组成部分的形状构造是：该定位销1(10)为圆柱销；该连杆(11)外观轮廓为长方体，一端有通孔，与连杆轴(18)配合安装，通孔轴线与连杆(11)对称中心线垂直相交；该垫片(12)为圆环；该轴承(13)为深沟球轴承；该连杆座(14)为圆柱形，圆柱一端留有端面，端面上有轴承孔和销轴孔，轴承(13)与轴承孔配合安装，定位销2(15)与销轴孔配合安装，另一端有止口结构，止口的中心线与轴承孔的中心线重合，圆柱一侧有开口，开口的大小满足连杆的转动范围；该定位销2(15)为圆柱销；该编码器2(16)可以是光电编码器、电位计或旋转变压器等；该法兰(17)为U形，U形两端面有圆孔，两个圆孔周围各均布三个光孔；该连杆轴(18)为阶梯轴，直径较细的轴段端面有螺纹孔，直径较大的轴段端面有光孔；该力传感器(19)为一维力传感器，外观轮廓形状为矩形，受力部分为圆形。
进一步的，所述支架部分(3)包括顶板(9)和侧板(20)。它们之间的位置与连接关系是：两个侧板(20)分别布置在顶板(9)的两侧，顶板(9)通过螺钉固定在侧板(20)的顶部，支架部分(3)呈倒立的U字型。
所述支架部分(3)的各组成部分的形状构造是：该顶板(9)的轮廓为长方形，窄边两端有止口结构和均布的光孔，长方形的中心处有通孔，通孔与减速器端面配合安装；该侧板(20)为“L”形，顶端有螺纹孔，底端有通孔。
一种单自由度力反馈手柄装置的工作方法，具体工作流程如下：第一步，人手作用于力传感器(19)上，带动连杆(19)顺时针或者逆时针转动；第二步，通过采集编码器2(16)和力传感器(19)的数据，可以计算得到连杆(11)的角度位置和人手作用于连杆(11)末端的作用力的大小；第三步，进行碰撞检测，判断连杆(11)的末端(亦即人手)是否达到约束空间；第四步，如果没有到达约束空间，利用连杆(11)的角度位置信号，计算动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使动态物理约束(8)与连杆(11)始终不接触并保持一定的间隙，于是，人会感觉到在自由空间运动时的惯量和摩擦力很小。如果到达约束空间，利用连杆(11)的位置信号和力传感器(19)信号，计算动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使动态物理约束(8)对连杆(11)施加一定的作用力，于是，人会感觉到在约束空间运动时的刚度很大。
3.本发明的优点是：
(1)驱动器与连杆在机械结构上解耦，所以采用大传动比的减速环节，既增加了力反馈设备的机械刚度，又提升了控制***的控制效果，整体上提升了力反馈设备的刚度性能。
(2)驱动器和连杆在机械结构上解耦，在提升刚度的同时，不会影响人在自由空间的感觉，使力反馈设备具有低惯量的性能。
(3)在约束运动状态，动态物理约束与连杆的直接接触和碰撞，使人产生与坚硬表面交互更加真实的感觉，提升了力反馈设备的交互感。
(4)动态物理约束可以对连杆施加双向作用，可以使本发明作为驱动模块，应用到多自由度力反馈设备中，在应用上具有更广的扩展性。
(5)采用增量式编码器测量连杆转角和动态物理约束转角，降低了成本。
附图说明
图1是本发明所述装置总装示意图。
图2是本发明所述装置驱动部分结构***图。
图3是本发明所述装置连杆转动部分***图。
图4是本发明所述装置支架部分***图。
图5是本发明所述装置工作方法流程图。
图6是本发明在自由空间动态物理约束与连杆的位置关系示意图。
图7是本发明在约束空间动态物理约束与连杆的位置关系示意图。
图中标号说明如下：
1.驱动部分，2.连杆转动部分，3.支架部分，4.编码器1，5.电机，6.减速器，7.动态物理约束紧固螺钉，8.动态物理约束，9.顶板，10.定位销1,11.连杆，12.垫片，13.轴承，14.连杆座，15.定位销2,16.编码器2,17.法兰，18.连杆轴，19.力传感器，20.侧板，21.支架紧固螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
本发明是一种单自由度力反馈手柄装置，如图1所示，它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)三部分组成。它们三者之间的位置与连接关系是：所述驱动部分(1)安装在顶板(9)上，所述连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上；所述连杆转动部分(2)的转动轴线与所述驱动部分(1)的转动轴线重合，连杆座(14)和顶板(9)通过轴孔配合保证装配精度，从而保证所述的连杆转动部分(2)的转动轴线与所述驱动部分(1)的转动轴线的同轴度；所述的三个部分的结构件的固定方式主要是螺钉连接。
图2为驱动部分(1)的结构***图，所述驱动部分(1)包括编码器1(4)、电机(5)、减速器(6)和动态物理约束(8)。它们之间的位置与连接关系是：动态物理约束(8)通过动态物理约束紧固螺钉7固定在连接在减速器(6)的输出轴上，电机(4)连接在减速器(6)的尾部，编码器1(4)连接在电机(5)的尾部，减速器(6)通过螺钉紧固的方式，安装在顶板(9)上，从而使驱动部分(1)整体固定在顶板(9)上。电机(5)带动减速器(6)转动，从而带动动态物理约束(8)转动，通过编码器1(4)测量电机(5)转角，根据减速比大小可以计算出动态物理约束(8)的转角大小。编码器1(4)可以是光电编码器、电位计和旋转变压器等；电机(5)为直流电机；减速器(6)是无回程误差的谐波减速器；动态物理约束(8)的外观为两段圆柱，圆柱轴线方向有通孔，通孔直径与减速器(6)输出轴配合安装，较小一段圆柱径向开有细槽，侧面有螺纹孔，用螺钉(7)将动态物理约束(8)紧固在减速器(6)的输出轴上，较大一段圆柱为卡槽型，卡槽宽度比连杆(11)的宽度大一定尺寸，可以使连杆(11)自由转动一定角度，卡槽的对称中心线与通孔轴线垂直相交。
图3为连杆转动部分(1)的结构***图，所述连杆转动部分(2)包括定位销1(10)、连杆(11)、垫片(12)、轴承(13)、连杆座(14)、定位销2(15)、编码器2(16)、法兰(17)、连杆轴(18)、力传感器(19)。它们之间的位置与连接关系是：轴承(13)安装在连杆座(14)上；连杆轴(18)安装在两个轴承(13)的内圈上；连杆(11)安装在连杆轴(18)上；力传感器(19)安装在连杆(11)的末端，并且分别安装在连杆(19)的两侧，两个力传感器(19)检测的力的方向与连杆(11)末端瞬时移动方向一致；法兰(17)的一侧通过螺钉紧固在连杆座(14)的底面，另一侧连接在编码器2(16)的端面上；编码器2(16)通过法兰(17)固定在连杆座(14)上，编码器2(16)的输出轴与连杆轴(18)连接；定位销1(10)安装在顶板(9)上，用于定位连杆座(14)与顶板(9)的相对位置；定位销2(15)安装在连杆座(14)上，分别安装在连杆(11)转角的极限位置，当连杆(11)转动到极限角度时，定位销2(15)作为机械限位阻止连杆(11)继续转动；连杆座(14)以轴孔配合的方式，通过螺钉紧固在顶板(9)上，使连杆转动部分(2)整体固定在顶板(9)上。人手推动连杆(11)带动连杆轴(18)转动，从而带动编码器2(16)转动，即通过编码器2(16)的读数可以测量连杆(11)的转角大小。定位销1(10)为圆柱销；连杆(11)的轮廓为长方体，一端有通孔，与连杆轴(18)配合安装，通孔轴线与连杆(11)对称中心线垂直相交；垫片(12)为圆环形；轴承(13)为深沟球轴承；连杆座(14)为圆柱形，圆柱一端留有端面，端面上有轴承孔和销轴孔，轴承(13)与轴承孔配合安装，定位销2(15)与销轴孔配合安装，另一端有止口结构，止口的中心线与轴承孔的中心线重合，圆柱一侧有开口，开口的大小满足连杆的转动范围；定位销2(15)为圆柱销；编码器2(16)可以是光电编码器、电位计和旋转变压器等；法兰(17)为U形，U形两端面有圆孔，两个圆孔周围各均布三个光孔；连杆轴(18)为阶梯轴，直径较细的轴段端面有螺纹孔，直径较大的轴段端面有光孔；力传感器(19)为一维力传感器，外观形状为矩形，受力部分为圆形。
图4是支架部分(3)的***图，所述支架部分(3)包括顶板(9)和侧板(20)。它们之间的位置与连接关系是：两个侧板(20)分别布置在顶板(9)的两侧，顶板(9)通过螺钉固定在侧板(20)的顶部，支架部分(3)呈倒立的U字型。该顶板(9)的轮廓为长方形，窄边两端有止口结构和均布的光孔，长方形的中心处有通孔，通孔与减速器端面配合安装；该侧板(20)为“L”形，顶端有螺纹孔，底端有通孔。
图5是本发明的单自由度力反馈手柄装置的工作方法流程图，具体的工作流程如下：第一步，人手作用于力传感器(19)上，带动连杆(19)顺时针或者逆时针转动；第二步，通过采集编码器2(16)和力传感器(19)的数据，可以计算得到连杆(11)的角度位置和人手作用于连杆(11)末端的作用力的大小；第三步，进行碰撞检测，判断连杆(11)的末端(亦即人手)是否达到约束空间；第四步，如果没有到达约束空间，利用连杆(11)的角度位置信号，计算动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使动态物理约束(8)与连杆(11)始终不接触并保持一定的间隙，于是，人会感觉到在自由空间运动时的惯量和摩擦力比较小。如果到达约束空间，利用连杆(11)的位置信号和力传感器(19)信号，计算动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使动态物理约束(8)对连杆(11)施加一定的作用力，于是，人会感觉到在约束空间运动时的刚度比较大。
图6是在自由空间动态物理约束(8)与连杆(11)的位置关系示意图，所述的动态物理约束(8)为卡槽型，动态物理约束(8)的卡槽宽度比连杆(11)的宽度大一定尺寸，使得在动态物理约束(8)不动的情况下，连杆(11)仍能够自由的转动一定角度，卡槽型的动态物理约束(8)能够对连杆(11)施加双向约束。根据本发明的工作方法，在自由空间运动时，动态物理约束(8)始终与连杆(11)保持一定的角度，使动态物理约束(8)卡槽的对称中心线与连杆(11)的对称中心线重合，使动态物理约束(8)与连杆(11)始终没有相互作用，人可以自由地推动连杆(11)运动。
图7是在约束空间动态物理约束(8)与连杆(11)的位置关系示意图，根据本发明的工作方法，在约束空间运动时，计算动态物理约束(8)的目标位置后，通过控制电机和减速器，使动态物理约束(8)运动到并锁定在该目标位置，连杆(11)逆时针转动时，与动态物理约束(8)在1)和2)处同时接触，连杆(11)顺时针转动时，与动态物理约束(8)在3)和4)处同时接触，于是，连杆(11)会受到逆时针或顺时针方向的作用力，人会感觉到反馈力的作用。连杆(11)在1)和2)处或者3)和4)处受到一对大小相等方向相反的作用力，因此减速器输出轴受到的反作用力只有轴向力矩而没有径向力，消除了径向力对结构刚度的影响，增加了***刚度。

Claims (2)

1.一种单自由度力反馈手柄装置，其特征在于：它是由驱动部分(1)、连杆转动部分(2)和支架部分(3)组成；它们三者之间的位置与连接关系是：该驱动部分(1)安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)也安装在顶板(9)上，该连杆转动部分(2)的转动轴线与该驱动部分(1)的转动轴线重合，以上三个部分的结构件的固定方式是用螺钉连接；
所述驱动部分(1)包括第一编码器(4)、电机(5)、减速器(6)和动态物理约束(8)；它们之间的位置与连接关系是：该动态物理约束(8)连接在减速器(6)输出轴上，该电机(5)连接在减速器(6)的尾部，该第一编码器(4)连接在电机(5)的尾部，该减速器(6)安装在顶板(9)上，从而使驱动部分(1)整体固定在顶板(9)上；该电机(5)带动减速器(6)转动，从而带动动态物理约束(8)转动，通过第一编码器(4)测量电机(5)转角，根据减速比大小计算出动态物理约束(8)的转角大小；
所述驱动部分(1)的各个组成部分的形状构造是：该第一编码器(4)是光电编码器、电位计和旋转变压器中的一种；该电机(5)为直流电机；该减速器(6)是无回程误差的谐波减速器；该动态物理约束(8)的外观为两段圆柱，圆柱轴线方向有通孔，通孔直径与减速器(6)输出轴配合安装，较小一段圆柱径向开有细槽，侧面有螺纹孔，用螺钉(7)将动态物理约束(8)紧固在减速器(6)的输出轴上，较大一段圆柱为卡槽型，卡槽宽度比连杆(11)的宽度大预定尺寸，能使连杆(11)自由转动一角度，卡槽的对称中心线与通孔轴线垂直相交；
所述连杆转动部分(2)包括第一定位销(10)、连杆(11)、垫片(12)、轴承(13)、连杆座(14)、第二定位销(15)、第二编码器(16)、法兰(17)、连杆轴(18)、力传感器(19)；它们之间的位置与连接关系是：该轴承(13)安装在连杆座(14)上，该连杆轴(18)安装在两个轴承(13)的内圈上，该连杆(11)安装在连杆轴(18)上，该力传感器(19)安装在连杆(11)的末端；该法兰(17)的一侧固定在连杆座(14)的底面，另一侧连接在第二编码器(16)的端面上，第二编码器(16)通过法兰(17)固定在连杆座(14)上，该第二编码器(16)的输出轴与连杆轴(18)连接；该第一定位销(10)安装在顶板(9)上，用于定位连杆座(14)与顶板(9)的相对位置；该第二定位销(15)安装在连杆座(14)上，分别安装在连杆(11)转角的极限位置，当连杆(11)转动到极限角度时，该第二定位销(15)作为机械限位阻止连杆(11)继续转动；该连杆座(14)通过螺钉与顶板(9)连接，使连杆转动部分(2)整体固定在顶板(9)上；人手推动连杆(11)带动连杆轴(18)转动，从而带动第二编码器(16)转动，即通过第二编码器(16)的读数测量连杆(11)的转角大小；该力传感器(19)为两个一维力传感器，测量人手作用在连杆(11)末端的作用力；
所述连杆转动部分(2)的各组成部分的形状构造是：该第一定位销(10)为圆柱销；该连杆(11)外观轮廓为长方体，一端有通孔，与连杆轴(18)配合安装，通孔轴线与连杆(11)对称中心线垂直相交；该垫片(12)为圆环；该轴承(13)为深沟球轴承；该连杆座(14)为圆柱形，圆柱一端留有端面，端面上有轴承孔和销轴孔，该轴承(13)与轴承孔配合安装，该第二定位销(15)与销轴孔配合安装，另一端有止口结构，该止口的中心线与轴承孔的中心线重合，该圆柱一侧有开口，开口的大小满足连杆的转动范围；该第二定位销(15)为圆柱销；该第二编码器(16)是光电编码器、电位计和旋转变压器中的一种；该法兰(17)为U形，U形两端面有圆孔，两个圆孔周围各均布三个光孔；该连杆轴(18)为阶梯轴，直径较细的轴段端面有螺纹孔，直径较大的轴段端面有光孔；该力传感器(19)为一维力传感器，外观轮廓形状为矩形，受力部分为圆形；
所述支架部分(3)包括顶板(9)和侧板(20)；它们之间的位置与连接关系是：两个侧板(20)分别布置在顶板(9)的两侧，该顶板(9)通过螺钉固定在侧板(20)的顶部，该支架部分(3)呈倒立的U字型；
所述支架部分(3)的各组成部分的形状构造是：该顶板(9)的轮廓为长方形，窄边两端有止口结构和均布的光孔，长方形的中心处有通孔，该通孔与减速器端面配合安装；该侧板(20)为“L”形，顶端有螺纹孔，底端有通孔。
2.根据权利要求1所述的一种单自由度力反馈手柄装置的工作方法，其特征在于：其工作方法的具体工作流程如下：第一步，人手作用于力传感器(19)上，带动连杆(11)顺时针及逆时针转动；第二步，通过采集第二编码器(16)和力传感器(19)的数据，计算得到连杆(11)的角度位置和人手作用于连杆(11)末端的作用力的大小；第三步，进行碰撞检测，判断连杆(11)的末端亦即人手是否达到约束空间；第四步，如果没有到达约束空间，利用连杆(11)的角度位置信号，计算该动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使动态物理约束(8)与连杆(11)始终不接触并保持一定的间隙，于是，人会感觉到在自由空间运动时的惯量和摩擦力很小；如果到达约束空间，利用该连杆(11)的位置信号和力传感器(19)信号，计算该动态物理约束(8)的目标位置，并通过控制该电机(5)和减速器(6)，使动态物理约束(8)到达该目标位置信号，并使该动态物理约束(8)对连杆(11)施加一预定的作用力，于是，人会感觉到在约束空间运动时的刚度很大。
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