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 PDFInfo
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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
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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