CN101980108A - 可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，4根圆立柱连接面板和底板形成大台架，大力矩电机垂直固联于面板下；装有力和加速度传感器的大单摆臂经第一联轴套固联于大力矩电机转轴上端，该转轴下端接角位移传感器；下接圆立柱的4根短立柱支撑由4根小立柱连接小面板和基座板形成的小台架，小力矩电机安装在位于小台架下方的小面板上，大、小力矩电机的轴心线重合；摩擦传动轮经第三联轴套固联于小力矩电机转轴；类似大单摆臂的小单摆臂的根部固联于垂直安装在大单摆臂端部的传动轮轴上端，传动轮轴与摩擦传动轮由钢丝连接。该装置可分解为主从式单自由度遥操作装置，有一机两用、使用灵活、装卸方便、低成本的特点。

Description

可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置

技术领域

本发明涉及人机交互技术问题研究的力反馈实验装置，特别涉及一种可分解为主从式单自由度遥操作实验装置的二自由度虚拟力反馈实验装置。

技术背景

力反馈装置是虚拟现实技术提供操作者力感知的基本手段，力觉对于操作者借助遥操作系统与环境进行间接的交互非常重要。遥操作中可采用具有力反馈的虚拟现实场景来克服远程通信中的时延影响。随着现代科学技术的不断进步，人们需要虚拟力反馈装置的应用场合越来越多，例如虚拟外科手术、在危险或有害环境中实现称为遥操作的远程或间接作业等。然而，虚拟力反馈装置针对性强、成本高，这限制了虚拟力反馈装置的普遍适用性。一般力反馈装置的工作原理、现有实现手段和用途及性能要求相近或相同，虚拟力反馈装置与遥操作实验装置具有一定的结构相似性，大多采用多自由度操纵臂结构。因此，使多自由度虚拟力反馈装置可按需分解为遥操作装置，适应不同应用研究目的需要，是降低实验研究成本、节省资源的有效手段。

在传统的多自由度操纵臂系统中，实现每个自由度运动的驱动电机都直接安装在每段手臂的基础关节上，这使各关节的运动控制简单，但造成两方面的不足：一是使得除末端手臂外，其他各手臂离基座端越近则其承受的自重越大，由此导致各手臂和整个装置的最大净负载能力减小，降低了使用效率，限制了使用范围；二是检测各关节手臂运动的传感器位置和电机的驱动电缆必须跟随电机的位置变化和运动。传统的测量采用有线方式，除运动信息外还有力信息等，检测信号传输电缆和电机驱动电缆在一定程度上会妨碍装置的运动，电缆越多、越长，对关节运动的影响就愈大。目前国内外许多力反馈装置和遥操作装置都是基于直流力矩电机驱动。直流力矩电机具有转速低、起动力矩大、机械特性硬的特点，很难用精确数学模型来描述，却便于采用PID控制。但力矩电机的驱动电流相对大，因而驱动缆线也相对粗，对运动的影响也相对大。因此，驱动电机安装位置对负载能力的影响和电缆线对关节运动的影响一直是多自由度操纵臂装置设计中都要克服的困难。

力矩电机的驱动缺乏专用器件，对于小功率的力矩电机，可以借助专用于音响设备的音频功率放大器。音频功放具有输入输出失真小的优点，但受到其驱动能力即输出功率大小的限制。因此要尽量发挥功放器件的驱动能力，也需要减小装置的自身载荷，增加净负载能力，从而实现高效率。这也从驱动方面说明了在力反馈装置系统设计中减小自重影响、提高净负载能力与效率的必要性。

此外，力、位移信息的准确测量和力矩电机的驱动控制是影响或决定装置主要性能也即力觉真实感的关键。测量真实的交互力信息需要克服机构运动时惯性力的影响，现有的集成微加速度芯片技术为测量惯性力提供了可能。由于力和惯性力测量器件都要随手臂运动，为了以无线方式实现测量并达到性能要求，测量系统包括电源、电池等对运动的影响应尽可能小。因此无线通信模块、测量系统电源尤其是电池要质量小。这些都需要根据现有技术条件设计低功耗的无线测量方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种可分解为主从式单自由度遥操作实验装置的二自由度虚拟力反馈装置，该装置能灵活分解成主从式单自由度遥操作实验装置，整个装置的安装、拆卸简单方便，使用灵活。

本发明的技术解决方案如下：

一种可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，4根圆立柱连接面板和底板形成安装大力矩电机的大台架，大力矩电机紧贴面板固联在面板下方，大力矩电机的转轴垂直于面板和底板；大单摆臂通过第一联轴套固联在大力矩电机转轴上端，在大单摆臂根部设有应变式力传感器，在大单摆臂的末端设有加速度计，大力矩电机的转轴通过第二联轴套连接设置于底板的角位移传感器，大力矩电机、应变式力传感器、加速度计和角位移传感器组成以大力矩电机转轴为中心线的第一级单自由度力反馈手臂；

安装小力矩电机的小面板由4根短立柱支撑，4根短立柱下端分别与面板的4根圆立柱相连，在小面板上4根短立柱的内侧，再用4根小立柱将基座板固联在小面板上方，形成倒置的小台架；小力矩电机紧贴小面板反面安装在小台架内，小力矩电机轴心线垂直于小面板并与大力矩电机的轴心线重合；摩擦传动轮通过第三联轴套固联在小力矩电机转轴一端，该转轴的另一端通过第四联轴套连接固定于基座板的角位移传感器；

小单摆臂的根部固定在具有摩擦轮的传动轮轴上端，该传动轮轴通过嵌在大单摆臂前端内的轴承垂直安装在大单摆臂上；小力矩电机轴上的摩擦传动轮与传动轮轴的摩擦轮，摩擦传动轮与摩擦轮通过钢丝传动连接，在小单摆臂上对应大单摆臂安装传感器的部位，分别设有和大单摆臂相同的加速度计和应变式力传感器，由此形成一个以大单摆臂前端轴承孔的中心线为转轴的第二级单自由度力反馈手臂。

同时测量两个单摆臂的受力及相应角位移，并对两个单摆臂进行转矩控制，这两个级联的具有水平作用力/位移感知的单自由度臂和大、小电机系统及台架组成了一个二自由度虚拟力反馈装置。

在大台架内设有直角形支架，用于辅助支撑大单摆臂末端；该直角形支架的一端固联在第二联轴套上，另一端与大单摆臂端部相连，直角形支架与大力矩电机轴、第二联轴套和大单摆臂一起组成一个整体转动机构。

在大单摆臂、小单摆臂上均设置有测量电路和无线通信模块，测量电路与无线通信模块连接；测量电路包含微控制器和力传感器的信号调理电路，大单摆臂、小单摆臂上的力传感器采用金属电阻应变片；加速度传感器、力传感器和角位移传感器的输出都接入微控制器中的A/D转换输入通道；大单摆臂、小单摆臂上的无线通信模块分别与上位计算机的两个无线接收端无线通信连接。

大力矩电机的驱动电路包括两级放大电路和过载保护电路，第一级放大电路采用运放OP-27，第二级放大电路采用集成音频功率放大器TDA7294；小力矩电机的驱动电路的功放采用音频功率放大器LM1875，并在LM1875的正向输入端设有钳位保护电路；大力矩电机、小力矩电机的驱动电路分别连接在大力矩电机、小电机的电流接入端和上位计算机的输出控制端之间。

分别卸下安装在大单摆臂上的钢丝、传动轮轴和小单摆臂以及直角形支架，卸下位于面板上的4根短立柱，将包括小力矩电机、第三联轴套和角位移传感器的小台架作为整体从台架上卸下，以小面板在上放置小台架，将已卸下的小单摆臂固联在小力矩电机转轴上端的第三联轴套上，组成一个独立的单自由度子系统；将留在台架内的大力矩电机与大单摆臂作为另一个独立的单自由度转动力臂子系统；将这两个子系统隔开放置，并通过两组信号输入与控制输出线路分别接入由通信线路连接的两台上位计算机的信号输入和控制输出通道，由此构成可进行单自由度遥操作实验的主从式单自由度力/位移遥操作实验装置。

本发明的有益效果：

本发明提出的可分解为主从式单自由度遥操作实验装置的二自由度虚拟力反馈装置，不仅满足了测量与控制要求，而且安装、拆卸简单方便，使用灵活，减少了检测信息传输线缆、提高了二自由度装置的净负载能力，增强力反馈性能，特别适用于以低成本实现虚拟力反馈和遥操作实验。

可分解为主从式单自由度遥操作实验装置的二自由度虚拟力反馈装置，它包括两组大小不同、结构相似的力矩电机及其驱动模块和悬臂梁结构的单摆臂与力/位移及加速度测量模块。该装置中，安装了小力矩电机、联轴套和传感器的小台架可以作为整体，从安装了大力矩电机-大单摆臂子系统的台架正上方整体拆卸下来。卸下大单摆臂上的摩擦传动轮-钢丝-传动轮轴连接机构和大单摆臂的辅助支撑架，将小单摆臂直接安装在以小面板在上、基板在下放置的小台架中的小力矩电机转轴上端，大、小力矩电机和单摆臂就形成两个结构相似的独立子系统；将大、小台架及其驱动电路及线缆分开放置，选择其中一个作为主手臂子系统，另一个则成为从手臂子系统，从而由大、小两个独立子系统构成一个主从式单自由度遥操作装置。该装置以无线通信方式向上位机传送力/位移及加速度测量信息，减少了传输线缆及其对单摆臂运动的影响。

该装置中，大力矩电机-大单摆臂子系统包含功率相对大的直流力矩电机、大单摆臂、精密角位移传感器、应变式力传感器以及集成加速度传感器。固定于台架底板的角位移传感器，其转轴与大力矩电机转轴连接，同阻值的金属应变片对称地粘贴于单摆臂靠近根部的细颈两侧，与具有细颈的单摆臂结合构成力传感器，加速度传感器固定于单摆臂末端表面，用于补偿单摆臂转动时惯性力对作用力的影响。与大力矩电机转轴固联的直角形支架用于辅助大单摆臂支撑小单摆臂及传动轮轴；用作单自由度遥操作装置时，则拆卸该支架，减轻重量。

小力矩电机-小单摆臂子系统与大力矩电机-大单摆臂子系统的结构形式相同，但小单摆臂并非直接与小力矩电机联接。在二自由度虚拟力反馈装置中，通过连接在4根圆立柱上的短立柱对小面板的支撑，将装有小力矩电机系统的小台架以底面朝上的方式放置于安装了大力矩电机的面板正上方，并且两者的转轴中心线重合。实现小单摆臂随小力矩电机同步转动的传动轮采用相同直径的摩擦传动轮，通过摩擦传动轮-钢丝-传动轮轴机构实现传动连接，这使得驱动电机可固定于基座，不随小单摆臂的支撑基座-大单摆臂运动，因而大大减轻了以往系统中运动部件自重带来的负担和低负载效率。

大、小单摆臂的根部都装有微控制器控制的低功耗测量电路模块，用于测量大单摆臂和小单摆臂的力、运动信息。测量模块使用3.6V可充电锂电池，通过集成稳压器调整成合适的稳定电压输出。测量数据通过无线通信模块将数据发送至上位计算机，实现对运动和力参数的低功耗无线检测，减少了测量模块传输电缆的影响。

上位机通过控制电机驱动模块来实现对大、小力矩电机转动及转矩的精确控制。音频功放器件具备输入输出失真小的特点，因此，在满足驱动能力的前提下，选择音频功放器件作为力矩电机驱动的功率放大器。由于大、小电机模块的承载能力要求不同，使大、小力矩电机需要配置功率不同的功率放大器。

本实用新型的有益效果是，由于将装置中的动力元件-力矩电机都固定于不运动的基座上，没有成为其中运动臂的负载，因此，显著增大了装置的净负载能力。另外，以无线通信方式代替传统的有线通信方式，免除了传输力、运动信息的传输电缆，避免了这些缆线对机构运动的阻碍和对测量信息的影响，再加上采用集成微加速度计测量运动加速度来补偿惯性力对作用力的影响，可有效提高力反馈信息的分辨力和真实度。在保证性能要求的前提下，该装置既可以作为二自由度遥操作虚拟力反馈装置，又可以分解成具有力觉的主从式单自由度遥操作实验装置，该装置具有安装和拆卸过程简单方便、使用灵活、成本低和一机两用的特点。

附图说明

图1为本发明虚拟力反馈装置实施例主视图；

图2为本发明虚拟力反馈装置实施例分解成单自由度遥操作实验装置后的示意图，其中(a)大力矩电机-单摆臂子系统俯视图；(b)大力矩电机-单摆臂子系统正视图

(c)小力矩电机-单摆臂子系统俯视图；(d)小力矩电机-单摆臂子系统正视图

图3为本发明虚拟力反馈装置实施例测量模块电路图；

图4为本发明虚拟力反馈装置实施例大力矩电机的驱动电路图；

图5为本发明虚拟力反馈装置实施例小力矩电机的驱动电路图；

图6为本发明虚拟力反馈装置实施例立体图。

图1和图6中的标号说明如下表：

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图1和图6，二自由度虚拟力反馈系统中，大尺寸的力反馈子系统(即大力矩电机-单摆臂子系统)的结构如图所示。两块尺寸不同的方形钢板分别作为台架的底板1和面板(大)34，板1和板34通过四根前后对称而左右不对称于面板中心线定位的圆立柱7连接构成安装台架，大力矩电机6(110LYX03型稀土永磁式直流力矩电机)紧贴面板34的底面悬挂固定在台架中，且其轴心线垂直面板并位于面板中心。在露出面板34的大力矩电机转轴上装有通过第一键21固定的第一联轴套23，通过联轴套将安装有应变片、加速度计等传感器的大单摆臂8固定。在面板下达力矩电机轴的另一端，在第二联轴套5和位于底板的支架37之间安装有用于测量电机轴和大单摆臂转动的角位移传感器3，第二联轴套5上安装有用于辅助大单摆臂支撑末端负载的直角形支架35。两组应变片22安装在靠近大单摆臂根部的细颈部位两边，第一加速度计(ADXL103)32安装在其末端上部，它们连同面板下的角位移传感器通过电缆连接到位于单摆臂根部上的测量电路模块9，测量信号则通过无线通信模块传递到上位机(上位机和电机驱动器及线缆在图中都未表示)。

用四根与大尺寸台架中的圆立柱7分别相连的短立柱12将小面板支撑固定且底面朝上，再用4根小立柱将基板底面朝上地固联在小面板上方，形成小台架；采用与大力矩电机等零部件的安装结构型式相同但朝向相反的安装方式，将小力矩电机和两联轴套、角位移传感器及其支架固联在小面板和基座板之间，使得小力反馈子系统动力模块(不含单摆臂部分)倒置在大力矩电机-单摆臂子系统的正上方，并且大、小力矩电机的轴心线重合。安装在小力矩电机轴一端的第三联轴套11没有联结小单摆臂，而在其上的是用螺钉固定的摩擦传动轮10。摩擦传动轮10通过钢丝25与安装在大单摆臂8末端、具有与摩擦传动轮相同直径摩擦轮的传动轮轴27相连，实现小力矩电机对小单摆臂的传动与同步控制。大单摆臂末端嵌入了与传动轴联结的轴承33，减小了小单摆臂31转动的阻力。通过第二联轴器5与大单臂梁同步转动的支架35辅助大单臂梁8支撑其末端的负载。

如图2所示，若取下大单摆臂上的小单摆臂31及钢丝传动机构，并拆下由四根短立柱12支撑的小台架整体和大单臂梁的支架35，则留下的大力矩电机和大单臂梁模块构成的大子系统可任选为主从式单自由度遥操作装置的主手端(或从手端)。若将前述拆卸的支架35和小单摆臂的传动机构安装复原，则大单摆臂成为二自由度虚拟力反馈装置的第一手臂关节。将小台架从大台架上整体卸下并以小面板朝上基板在下放置，通过第三联轴套将小单摆臂与小力矩电机转轴固联，形成独立的小子系统；将它和由大台架中剩下部分构成的独立大子系统分开放置(电气和机械均分离)，则小子系统可成为主从式单自由度遥操作装置的从手端(或主手端)。同样，若将形成小子系统的分解、装配过程反过来，并加入摩擦轮、钢丝绳和传动轮轴进行安装组合，小子系统就成为二自由度虚拟力反馈装置的第二手臂关节。

如图3所示为本发明虚拟力反馈装置实施例测量模块电路图。大、小系统的角位移传感器分别选用线性度为2‰和1‰的WDD35型精密电位器式角位移传感器R_Pot，该传感器线性精度高、分辨力理论上无限、动态噪声小、机械寿命长，其满量程阻值为2kΩ，输出功率较大，可直接输出。角位移传感器的转轴通过联轴套与电机轴固联，电机转动时使精密电位器的阻值改变，输出为随角位置改变的电压信号。

大、小单摆臂的力传感器分别采用阻值350Ω和120Ω的金属应变片组成全桥差动电路，其输出经调理放大后送后续电路，实现力测量。应变片式传感器的性能稳定，分辨力和灵敏度高，频率响应好，适用于小载荷测量(1～10³)N。本方案采用两片AD627仪表放大器作为放大器，用于放大应变片组成的主、从测量电桥的输出电压。

为补偿大、小单臂梁转动过程中运动臂的惯性对交互力感知的影响，在大、小单摆臂的测量模块中各使用了一个加速度计ADXL103。ADXL103的分辨力为1mg；输出电压灵敏度为1000mV/g，量程为±1.7g。通过测量大、小单臂梁转动时的惯性加速度，可补偿大、小单摆臂运动的惯性力对单摆臂与操作者和环境的交互作力的影响。

测量电路中微控制器采用低功耗的MSP430F1232，该控制器内置了8通道的10位A/D转换器，工作电压范围为1.8V～3.6V，工作电压选为3.3V。无线通信模块选用PTR6000，该器件工作在2.4GHz频段，工作电压为1.9～3.6V，最大发射功率为+10dBm，接口方便、使用简单。测量模块选用3.6V纽扣锂电池，采用DC-DC稳压器TPS63031将电池电压输出转换成3.3V电压。

如图4所示为本发明虚拟力反馈装置实施例大电机的驱动电路图，大力矩电机(110LYX03型稀土永磁式直流力矩电机)的驱动器功放采用大功率的集成功放TDA7294，其电压为±10V～±40V，连续输出功率为70W，采用30V直流电源对称供电。输入信号由D/A转换器的输出信号与反馈信号相加组成，输入信号经OP-27放大后输入TDA7294进一步放大。TDA7294放大后的信号用于驱动力矩电机，为防止出现过流而烧坏芯片，通过一端接地、一端接力矩电机的控制电流端的R30，在驱动的电机上分出采样电压，采样电压通过LM339比较器比较，当采样电压高于2.5V时比较器输出为正电压PNP管隔断，信号通过由LM258构成的减法器减掉2.5V后送给运放OP-27反向输入端以减弱输入驱动信号，起过载保护作用。当采样电压不足2.5V时，比较器输出为负电压PNP管导通反馈信号为0，则输入信号为原信号。

如图5所示的本发明虚拟力反馈装置实施例小力矩电机的驱动电路图，小力矩电机(70LYX03型稀土永磁式直流力矩电机)的驱动器功放采用音频功率放大器LM1875，其电压范围为±16～60V，输出功率为25W，采用24V直流电源对称供电。控制信号经OP-07放大后送给LM1875的正向输入端，并在LM1875的正向输入端设置了由两个稳压二极管反接构成的钳位保护。信号经LM1875进行功率放大后驱动力矩电机。同主电机模块的驱动电路一样，通过一端接电机的控制电流端，另一端接地的电阻R18分压出一反馈电压，若加在电机上的电压过阈值，则通过比较器输出作用，将由放大器产生的负反馈电压信号经J8连接器送LM1875的正向输入端已减弱输入驱动信号，从而保证芯片不会因电流过大而烧毁，起过载保护作用。

Claims (5)

1.一种可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，其特征在于，4根圆立柱连接面板和底板形成安装大力矩电机的大台架，大力矩电机紧贴面板固联在面板下方，大力矩电机的转轴垂直于面板和底板；大单摆臂通过第一联轴套固联在大力矩电机转轴上端，在大单摆臂根部设有应变式力传感器，在大单摆臂的末端设有加速度计，大力矩电机的转轴通过第二联轴套连接设置于底板的角位移传感器，大力矩电机、应变式力传感器、加速度计和角位移传感器组成以大力矩电机转轴为中心线的第一级单自由度力反馈手臂；

安装小力矩电机的小面板由4根短立柱支撑，4根短立柱下端分别与面板的4根圆立柱相连，在小面板上4根短立柱的内侧，再用4根小立柱将基座板固联在小面板上方，形成倒置的小台架；小力矩电机紧贴小面板反面安装在小台架内，小力矩电机轴心线垂直于小面板并与大力矩电机的轴心线重合；摩擦传动轮通过第三联轴套固联在小力矩电机转轴一端，该转轴的另一端通过第四联轴套连接固定于基座板的角位移传感器；小单摆臂的根部固定在具有摩擦轮的传动轮轴上端，该传动轮轴通过嵌在大单摆臂前端内的轴承垂直安装在大单摆臂上；小力矩电机轴上的摩擦传动轮与传动轮轴的摩擦轮，摩擦传动轮与摩擦轮通过钢丝传动连接，在小单摆臂上对应大单摆臂安装传感器的部位，分别设有和大单摆臂相同的加速度计和应变式力传感器，由此形成一个以大单摆臂前端轴承孔的中心线为转轴的第二级单自由度力反馈手臂。

2.根据权利要求1所述的可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，其特征在于，在大台架内设有直角形支架，用于辅助支撑大单摆臂末端；该直角形支架的一端固联在第二联轴套上，另一端与大单摆臂端部相连，直角形支架与大力矩电机轴、第二联轴套和大单摆臂一起组成一个整体转动机构。

3.根据权利要求1所述的可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，其特征在于，在大单摆臂、小单摆臂上均设置有测量电路和无线通信模块，测量电路与无线通信模块连接；测量电路包含微控制器和力传感器的信号调理电路，大单摆臂、小单摆臂上的力传感器采用金属电阻应变片；加速度传感器、力传感器和角位移传感器的输出都接入微控制器中的A/D转换输入通道；大单摆臂、小单摆臂上的无线通信模块分别与上位计算机的两个无线接收端无线通信连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，其特征在于，大力矩电机的驱动电路包括两级放大电路和过载保护电路，第一级放大电路采用运放OP-27，第二级放大电路采用集成音频功率放大器TDA7294；小力矩电机的驱动电路的功放采用音频功率放大器LM1875，并在LM1875的正向输入端设有钳位保护电路；大力矩电机、小力矩电机的驱动电路分别连接在大力矩电机、小电机的电流接入端和上位计算机的输出控制端之间。

5.根据权利要求4所述的可分解为单自由度遥操作装置的二自由度虚拟力反馈装置，其特征在于，分别卸下安装在大单摆臂上的钢丝、传动轮轴和小单摆臂以及直角形支架，卸下位于面板上的4根短立柱，将包括小力矩电机、第三联轴套和角位移传感器的小台架作为整体从台架上卸下，以小面板在上放置小台架，将已卸下的小单摆臂固联在小力矩电机转轴上端的第三联轴套上，组成一个独立的单自由度子系统；将留在台架内的大力矩电机与大单摆臂作为另一个独立的单自由度转动力臂子系统；将这两个子系统隔开放置，并通过两组信号输入与控制输出线路分别接入由通信线路连接的两台上位计算机的信号输入和控制输出通道，由此构成可进行单自由度遥操作实验的主从式单自由度力/位移遥操作实验装置。

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