CN101637913A - 用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，包括第一连杆、第二连杆、力反馈执行器以及角度传感器，力反馈执行器包括：壳体以及设置在壳体内的力反馈轴、磁流变液、旋转盘、固定盘、绝磁环以及线圈，旋转盘固定在力反馈轴上，固定盘固定在壳体的旋转盘之间，磁流变液填充在旋转盘与固定盘周围，在固定盘的外侧设置所述的绝磁环，在绝磁环上绕制线圈，第一连杆固定在所述的力反馈轴上，角度传感器也固定在所述的反馈轴上，第二连杆固定在所述的壳体上。本发明具有结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。重量轻、体积小、摩擦力小，能够传递的力矩很大，而且具有稳定安全的特点。

Description

用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构

技术领域

本发明涉及一种实现遥操作机器人控制的人机接口装置，尤其涉及一种人体关节的运动测量和力反馈执行机构。

背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人机接口装置。机器人手控器和力反馈数据手套是两种常见的遥操作机器人的人机接口装置，机器人手控器是实现遥操作机器人控制的很有效的人机接口装置，但手控器相对而言，机械结构复杂，在固定的平台上操作，限制了手的活动范围，而且长时间操作后，操作者会感到劳累。手控器通过测量操作者手(手柄)位置控制远程机械手的执行器(手爪)运动到相应位置，该运动过程通过一定的程序或算法实现，而不能由人根据自己的意图任意操控机械手完成。当机械手与环境相互作用时，受力信息传递到手控器直接作用于操作者手上，再通过手传递至臂部，而不能将机械手、臂受力信息分别作用于操作者手、臂上，另外机器人手控器只能实现机械手的控制，无法实现仿人机器人其它部位的控制和力反馈，因此，机器人手控器在实现对遥操作机器人控制和反馈时还存在着很大的问题。力反馈数据手套作为一种人机接口装置，它一般与六自由度三维跟踪设备相结合，通过三维跟踪设备测量手的位置，控制远程机械手执行器(手爪)运动到相应位置，通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手执行器(手爪)或虚拟现实中的虚拟机械手(手爪)跟踪人手的运动，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的力/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受，它克服了手控器机械结构复杂、手的活动范围小的缺点，但力反馈数据手套只能实现手的力反馈。然而，不管是力反馈数据手套，还是机器人手控器，对于控制单个机械手或机器臂并将其与环境相互作用力反馈到操作者处具有较好的效果，但对于控制仿人机器人或虚拟人(包括人体各种关节的运动)并反馈其与环境的作用就非常困难了。因此，能够实现测量人体各种关节(包括手、臂、腿等)运动并实现力反馈的通用型执行机构，不但能够实现手部、上肢的力反馈功能，而且能够实现人体其他部位力反馈功能，将具有广泛的应用前景。

力反馈可以分为主动型和被动型，主动型力反馈大多用电机进行驱动，也有通过气动、液压或电磁装置进行驱动，主动型力反馈执行器一般稳定性相对较差，失控时容易对操作者产生伤害，而且体积较大，机械结构也比较复杂，整个机构的摩擦力也相对较大，利用气动或液压的执行器，还需要配备相应的设备，消耗大量能源。被动型力反馈利用被动执行器驱动，如制动器、阻尼器等，被动力反馈执行器比同体积的主动执行器(特别是电机)产生的力要大得多，而且本身是能量耗散的，具有稳定、安全等优点，结构相对简单，摩擦力小，能够应用于便携式的力反馈装置。

机械摩擦式被动执行器力/力矩的产生完全依赖于机械接触，所以当使用快速开关控制器驱动时容易造成系统的振动。更有甚者，摩擦材料具有比较高的动摩擦系数，容易导致粘滑现象发生，这种现象能够造成制动力矩的不连续。基于磁流变液的被动力反馈执行器，不是机械直接接触，而是利用流体传递力矩，因此更为稳定和连续，更具有开发应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单的轻便型实现人体关节的运动测量和力反馈的执行机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，包括第一连杆、第二连杆、力反馈执行器以及角度传感器，所述的力反馈执行器包括：壳体以及设置在壳体内的力反馈轴、磁流变液、旋转盘、固定盘、绝磁环以及线圈，所述的旋转盘固定在力反馈轴上，所述的固定盘固定在壳体上并间隔的布置在旋转盘之间，所述的磁流变液填充在旋转盘与固定盘周围，在固定盘的外侧设置所述的绝磁环，在绝磁环上绕制所述的线圈，所述的第一连杆固定在所述的力反馈轴上，所述的角度传感器也固定在所述的反馈轴上测量所述的第一连杆的角位移，所述的第二连杆固定在所述的壳体。

在所述的第一连杆上设置有用于测量第一连杆作用力的第一力传感器，在所述的第二连杆上设置有用于测量第二连杆作用力的第二力传感器。

所述的旋转盘为两片，所述的固定盘为一片。

本发明人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，采用两个连杆，并在两个连杆之间设置力反馈执行器，通过力反馈执行器将两个连杆连接起来，将一根连杆固定在执行器的壳体上，另一个连杆固定在力反馈执行器的力反馈轴上，并在力反馈轴上安装测量随力反馈轴一起转动的连杆的角位移，并将这个实际测量的角位移传递给远程的机器人，同时采集远程的机械人的受力情况，并将力信号转换为电信号输入到力反馈执行器的线圈中，经磁流变液将电信号又转换为力反馈轴的力信号，实现远程力的反馈。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明力反馈机构解决了目前还没有发现能够实现人体各种部位运动测量和力反馈的通用执行机构的难题，能够实现身体各种部位运动测量和力反馈，集姿态测量与力反馈于一身，而现有的力反馈装置如数据手套、手控器只能实现手、臂或腿等单一部位或局部部位(如手和臂)的力反馈功能。有的力反馈数据手套还需要配备单独的手姿态测量装置如数据手套，增加了成本。

2、结构简单，整个装置结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。

3、重量轻、体积小、摩擦力小，能够传递的力矩很大，而且具有稳定安全的特点。

4、采用新兴的磁流变技术，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，使表征磁流变液流变特性的表观粘发生变化，从而阻碍旋转盘的转动产生力反作用于人体，使人体感觉到力的作用。磁流变液设备通过电流信号直接控制机械动作，而不需要通过控制电机、液压、气动设备控制机械动作，因此其结构可以做得简单、轻便。

5、控制简单，电流信号与输出力矩信号存在明确的函数关系，因此只需给执行器提供电流信号便可准确地控制其动作。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明力反馈执行器的结构示意图。

图3是本发明实施例的应用示意图，其中a为肘关节应用示意图，b为膝关节应用示意图。

其中：1、第一连杆、2、第二连杆，3、力反馈执行器，4、角度传感器，5、第一力传感器，6、第二力传感器，7、第一弹性绷带，8、第二弹性绷带，31、外圈，32、底座，33、旋转盘，34、端盖，35、力反馈轴，36、轴承，37、固定盘，38、线圈，39、密封圈，310、轴套，311、绝磁环，312、磁流变液。

具体实施方式

一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈执行机构，包括两个连杆1、2，一个角度传感器4，两个力传感器5、6和一个力反馈执行器3，力反馈执行器由外圈31、两个底座32、两个旋转盘33、两个端盖34、力反馈轴35、两个轴承36、固定盘37、线圈38、两个密封圈39、两个轴套310、绝磁环311组成，在绝磁环311上绕有线圈38，绝磁环311和两个底座32围成的空间内充满磁流变液312，固定盘37安装于绝磁环311上，固定盘37的两侧分别设置一个旋转盘33，旋转盘33固定于力反馈轴35上，通过轴35带动可以旋转，旋转盘33的位置通过两端轴套310、轴承36固定，使旋转盘33与底座32之间间隙、旋转盘33与固定盘37之间的间隙为一固定值，端盖34通过螺纹固定于底座32外侧，在端盖34内侧开槽用于放置密封圈39。本发明力反馈执行机构通过两个连杆固定于人体关节处，其中一根连杆1固定于力反馈轴35上，另一根连杆2固定于力反馈执行器壳体上，角度传感器4安装于力反馈执行器的力反馈轴35上，两个力传感器5、6分别安装于两根连杆1、2上。

上述磁流变液是一种液体智能材料，当有磁场存在时，其流变学特性如粘度发生剧烈的变化。能够在几毫秒时间内由牛顿流体状态转变为类似固体状态，撤去磁场时，又能以同样速度恢复原来状态。本发明人体关节的运动测量和力反馈执行机构工作原理如下：执行机构结构如图1、2和3所示。操作者穿戴上执行机构控制远程/虚拟机器人工作时，角度传感器通过测量人体关节转动角度作为控制信息控制远程/虚拟机器人相应关节作相应角度转动，当远程/虚拟机器人与远程/虚拟环境相互作用时将会受到力作用，该力信息通过网络或专用电路传递到操作者处，给磁流变液制动器施加一定的磁场，磁流变液粘度变大，产生一个被动阻尼力作用于人体上，从而阻碍了人体关节的进一步转动。通过力传感器测量操作者所受的力并与机器人所受力进行比较得到误差，通过误差控制施加的磁场，进而控制磁流变液粘度变化，使人体受力与远程/虚拟机器人受力相等，从而使人真实地感受到远程/虚拟机器人受到的力。

Claims (3)

1、一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，其特征在于：包括第一连杆(1)、第二连杆(2)、力反馈执行器(3)以及角度传感器(4)，所述的力反馈执行器(3)包括：壳体以及设置在壳体内的力反馈轴(35)、磁流变液(312)、旋转盘(33)、固定盘(37)、绝磁环(311)以及线圈(38)，所述的旋转盘(33)固定在力反馈轴(35)上，所述的固定盘(37)固定在壳体上并间隔的布置在旋转盘(33)之间，所述的磁流变液(312)填充在旋转盘(33)与固定盘(37)周围，在固定盘(37)的外侧设置所述的绝磁环(311)，在绝磁环(311)上绕制所述的线圈(38)，所述的第一连杆(1)固定在所述的力反馈轴(35)上，所述的角度传感器(4)也固定在所述的力反馈轴上(35)测量所述的第一连杆(1)的角位移，所述的第二连杆(2)固定在所述的壳体上。

2、根据权利要求1所述的用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，其特征在于：在所述的第一连杆(1)上设置有用于测量第一连杆作用力的第一力传感器(5)，在所述的第二连杆(2)上设置有用于测量第二连杆作用力的第二力传感器(6)。

3、根据权利要求1或2所述的用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，其特征在于：所述的旋转盘(33)为两片，所述的固定盘(37)为一片。

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