CN101610015B - 一种基于超声电机的主操作手装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超声电机的主操作手装置，主要包括底板(1)、第一连杆(4)、第二连杆(7)、第三连杆(10)、环形指尖套(13)以及连接各连杆的转动关节；在第二转轴(60)和第三转轴(90)的一端分别设置有用于驱动其转动的超声电机，并且各转动关节的转轴处分别设置有角度测量仪。本发明通过改变驱动超声电机的两相交流信号的相位差，调节超声电机的输出力矩，通过连杆使人手的指尖感觉到力的存在与大小。整个主操作手装置结构简单，质量轻，增加了佩戴的舒适性。系统整体成本低，有利于广泛应用于虚拟现实系统中。

Description

一种基于超声电机的主操作手装置

技术领域

本发明涉及一种基于超声电机的主动力反馈主操作手，是一种虚拟现实系统和灵巧手主从控制系统中为测量手指关节弯曲和对手指提供力反馈的装置。

背景技术

目前的主动力反馈主操作手分为两种：一种驱动器在手掌内部，采用波纹管或者小气缸，由于这种力反馈主操作手的驱动器在手掌内部，限制了人手的自然运动；另一种为外骨架式结构，大多采用电磁电机作为驱动器，为了获得低速大扭矩而配有减速齿轮箱，从而使得整个驱动器和相关机构沉重，人手往往易于疲劳。

发明内容

本发明的目的是提出一种由超声电机作为驱动器，能够测量手指关节弯曲角度，并能提供指尖力反馈的外骨架式基于超声电机的主动力反馈主操作手装置。

本发明为实现上述发明目的采用以下技术方案：

本发明的基于超声电机的主操作手装置，包括底板、第一连杆、第二连杆、第三连杆、环形指尖套以及连接各连杆的转动关节；其中底板一面固定于手指根部，底板的另一面与第一连杆的一端通过第一转轴铰接形成第一转动关节；第一连杆的另一端与第二连杆的一端通过第二转轴铰接形成第二转动关节；第二连杆的另一端与第三连杆的一端通过第三转轴铰接形成第三转动关节；第三连杆的另一端与环形指尖套的外侧面通过第四转轴铰接形成第四转动关节；第二转轴和第三转轴的一端分别设置有用于驱动其转动的超声电机；在各转动关节的转轴处分别设置有角度测量仪。

优选的，本发明的基于超声电机的主操作手装置，所述第一连杆为L形的支架。

优选的，本发明的基于超声电机的主操作手装置，所述角度测量仪为电位计或编码器。

本发明通过改变驱动超声电机的两相交流信号的相位差，调节超声电机的输出力矩，通过连杆使人手的指尖感觉到力的存在与大小。

本发明的力反馈主操作手装置具有双重功能：一种功能是作为数据手套的测量手指关节弯曲角度；另一种功能是为手指指尖提供力反馈。这种力反馈主操作手装置测量拇指、食指、中指、无名指和小指的关节弯曲角度，并对每个指尖提供力反馈。这种力反馈主操作手装置包括带在手上的角度测量机构和力反馈机构。角度测量机构由角度测量仪、转轴、各连杆组成。超声电机具有双端输出轴，前连杆与超声电机转轴固定连接，后连杆与超声电机的壳体固定连接，电位计的D形孔与超声电机的转轴配合。力反馈机构由超声电机、连杆和环形指尖套组成。手指自然弯曲时，驱动超声电机的两相交流信号为同相，即相位差是零。此时，在超声电机的定子和转子之间出现驻波近场悬浮现象，即定子与转子无接触，则手指的运动所带动的相邻连杆的运动不会给手指带来力的感觉。当手指弯曲过程中，与虚拟物体接触或主操作手所引导的从手(机器手)接触到物体，需要输出力时，改变超声电机两相交流信号的相位差，就可以使超声电机输出力矩，通过连杆，使人手指尖有被抬起的趋势，为了保持手指的位姿不变，人手指必然用劲来抵抗这种外力，从而使人手的指尖相应的产生力感知。

有益效果

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有下面的优点：

本发明可以应用于虚拟制造和装配、机器手遥控操作等需要对手提供力反馈的虚拟现实应用系统和主从控制系统中。本发明提出的主操作手装置具有数据手套和力反馈的双重功能，所以系统整体成本低，有利于广泛应用于虚拟现实系统中。

本发明具有的优点是采用外骨架结构，在保证手自然运动的情况下，测量手指关节的弯曲角度，手指的运动空间不会受到影响，超声电机具有输出力/自重比高，低速大扭矩，无需齿轮减速，响应快捷，安装简单等优点，因此采用超声电机作为力反馈的执行器是目前比较理想的一种驱动器。整个主操作手装置结构简单，质量轻，增加了佩戴的舒适性。

附图说明

图1是本发明的原理结构图。

图2是图1的A方向局部视图。

图3是图1的B方向局部视图。

图1、图2、图3中：1-底板；2-第一转轴；3、5、8、12-角度测量仪；6、9-超声电机；4-第一连杆；7-第二连杆；10-第三连杆；11-第四转轴；60-第二转轴；90-第三转轴；13-环形指尖套。

图4是本发明的主操作手装置平面坐标系图。

图5是本发明的主操作手装置食指平面坐标系图。

图6是(a)为本发明的主操作手装置力矩和指尖力分布图。

图6是(b)为本发明的主操作手装置中掌指关节上方超声电机输出力矩和相应指尖力关系图。

图6(c)是本发明的主操作手装置中超声电机输出力矩和相应指尖力关系图。

图7是本发明的控制测量系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2和图3所示，本发明的基于超声电机的主操作手装置，包括底板1、第一连杆4、第二连杆7、第三连杆10、环形指尖套13以及连接各连杆的转动关节，在各转动关节的转轴处分别设置有角度测量仪；其中角度测量仪可以是电位计或编码器，优选是电位计，因其比较轻便，第一连杆4为L形支架。第二转轴和第三转轴的一端分别设置有用于驱动其转动的超声电机。

底板1与手指根部固定连接，转轴2、电位计3、第一连杆4组成对掌指关节左右摆动的角度测量。转轴2与底板1固定连接，L形支架4可绕转轴2自由转动，电位计3固定在L形支架4上，整个连杆在手指左右摆动的引导下，通过电位计3可测量掌指关节左右摆动的角度。L形支架4与第二连杆7的相对转动角度可以通过电位计5获得，第二连杆7与第三连杆10的相对转动角度可以通过电位计8获得，第三连杆10与环形指尖套13的相对转动角度可以通过电位计12获得。

本发明的手指各关节的弯曲角度测量原理是：工作时，指尖始终套在连杆末端的环形指尖套13中，主操作手和食指在工作时是关联运动的。建立主操作手的坐标系，如图4所示。可得指端D点位置和倾角方程如下：

x′＝l₂sinθ₁+l₃sin(θ₁+θ₂)+l₄sin(θ₁+θ₂+θ₃)        (1)

y′＝l₁+l₂cosθ₁+l₃cos(θ₁+θ₂)+l₄cos(θ₁+θ₂+θ₃)     (2)

θ′＝θ₁+θ₂+θ₃-180°                                (3)

建立人手的坐标系，如图5所示。食指指端在其二维平面中的位置与倾角表示为：

由于主操作手与食指指端在坐标系中的位置是重合的，因此它们具有如下关系：

主操作手的各连杆长度、连杆间夹角、食指各关节长度均已知，即l₁，l₂，l₃，l₄，θ₁，θ₂，θ₃，a₁，a₂，a₃均已知，联立公式(1)-(7)，可得食指各关节的弯曲角度如下：

式中，

m＝l₂sinθ₁+l₃sin(θ₁+θ₂)+l₄sin(θ₁+θ₂+θ₃)-a₃cosθ′

n＝l₁+l₂cosθ₁+l₃cos(θ₁+θ₂)+l₄cos(θ₁+θ₂+θ₃)+a₃sinθ′

本发明的力反馈原理是：超声电机的驱动控制方式之一是调节两相交流信号的相位差，相位差与超声电机的输出力矩有明确的对应关系。转子在超声电机内弹簧的作用下，压在定子上，转子的转动是依靠转子和定子之间的摩擦力驱动的。当相位差为零时，定子和转子之间会出现驻波近场声悬浮现象，即转子在声压的作用下，被悬浮在定子的正上方，悬浮距离在几微米至十几微米之间，定转子之间没有摩擦力存在，即定子与转子之间可以实现相对的自由转动。当相位差为90°时，超声电机输出的力矩最大。当相位差由正值变成负值时，超声电机的旋转方向会改变。手指自然弯曲时，不应使操作者感到有力或力矩的存在，这时可使驱动超声电机的两相交流信号同相，即相位差为零，则手指的运动可以带动相邻两个连杆的自由的相对运动，不会给手指带来力的感觉。当手指弯曲过程中，与虚拟物体接触或主操作手所引导的从手(机器手)接触到物体时，人手的位姿不变，只是感觉到输出力的存在。这时改变超声电机两相交流信号的相位差，就可以使超声电机输出力矩，通过连杆，使人手的指尖相应的产生力感知。不失一般性地建立超声电机输出力矩与指尖力的对应关系如图6所示。τ_A，τ_B分别表示超声电机的输出力矩。借助电位计和简单的几何关系，可以获得θ_A，θ_B，θ_C，θ′以及AC的值。指尖力F由虚拟系统或机器手(从手)给出，相应的τ_A，τ_B计算公式如下：

结合图6(a)，指尖力F，可正交分解为F_N，F_τ。

F_N＝F·Sin(θ_c)                          (11)

F_τ＝F·Cos(θ_c)                         (12)

结合图4(b)，力矩τ_A对应的指尖力为F′，可正交分解为F_N1，F_τ。通过F_τ，可以解得F′，F_N1和τ_A。

F′＝F_τ/Cos(θ′)                              (13)

F_N1＝F′·Sin(θ′)                             (14)

τ_A＝F/AC                                       (15)

结合图6(c)，力矩对应的指尖力为F_N2。通过F_N1，可以解得τ_B。

F_N2＝F_N-F_N1                            (16)

τ_B＝F_N2/BC                            (17)

在已知指尖力F的情况下，联立公式(12)-(18)，就可以获得τ_A，τ_B的值，从而相应的调节超声电机的相位差，输出相应的力矩，并使指尖感到与虚拟系统中虚拟手或机器手(从手)相同的力感知。

图7给出了为本发明的控制测量系统原理图。本发明由工控机控制。工控机采集主操作手装置上电位计的信号，借助工控机内的A/D板卡进行模数转换，然后计算出食指各关节的弯曲角度，再经过工控机内的D/A板卡进行数模转换，控制虚拟系统中的虚拟手或机器手(从手)做出相应的姿势。虚拟手或机器手(从手)获得的力信息，借助工控机内的A/D板卡进行模数转换，然后计算出食指各超声电机输出相应力矩的相位差，再经过工控机内的D/A板卡进行数模转换，控制超声电机的输出力矩。

本发明的第二种实施方案是在上一实施方案的基础上，每套主操作手装置中包含同时对2个及2个以上手指进行角度测量的机构和力反馈机构。可以同时对2个或多个手指进行测试。

Claims (3)

1.一种基于超声电机的主操作手装置，其特征在于：包括底板(1)、第一连杆(4)、第二连杆(7)、第三连杆(10)、环形指尖套(13)以及连接各连杆的转动关节；其中底板(1)一面固定于手指根部，底板(1)的另一面与第一连杆(4)的一端通过第一转轴(2)铰接形成第一转动关节；第一连杆(4)的另一端与第二连杆(7)的一端通过第二转轴(60)铰接形成第二转动关节；第二连杆(7)的另一端与第三连杆(10)的一端通过第三转轴(90)铰接形成第三转动关节；第三连杆(10)的另一端与环形指尖套的外侧面通过第四转轴(14)铰接形成第四转动关节；第二转轴(60)和第三转轴(90)的一端分别设置有用于驱动其转动的超声电机(6、9)；在各转动关节的转轴处分别设置有角度测量仪(3、5、8、12)。

2.根据权利要求1所述的基于超声电机的主操作手装置，其特征在于：所述第一连杆(4)为L形的支架。

3.根据权利要求1所述的基于超声电机的主操作手装置，其特征在于：所述角度测量仪为电位计或编码器。

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