CN103406908A

CN103406908A - 三自由度转动力反馈手控器

Info

Publication number: CN103406908A
Application number: CN2013103292045A
Authority: CN
Inventors: 宋荆洲; 白杨; 孙汉旭; 高荣; 贾庆轩
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明公开了一种三自由度转动力反馈手控器，由基座、三个转动单元、三个力矩传感器、驱动单元和操作手柄等组成。本发明通过三个电机加谐波减速器驱动三个转动单元，减小反向间隙，增加反馈力矩的范围，提高角度分辨率；转动机构采用两个角接触球轴承作为支撑，根据双向推力轴承小偏角特征，减小由于轴承原因造成的晃动，提高力反馈设备精度；三个转动方向均安装有力矩传感器，简化受力分析过程，提高力矩反馈的精度；由传感器分别检测各个方向的力矩值，然后通过PID控制器，控制电机输出相应的速度，整体达到良好的控制效果。本发明结构简单，精度较高，控制方法简单有效，操作方便，具有广阔的应用前景。

Description

三自由度转动力反馈手控器

技术领域

本发明涉及一种具有三自由度转动的力反馈手控器，主要用于空间机器人和虚拟现实遥操作领域，能够测量旋转角度，再现虚拟环境中物体之间的接触力矩。

背景技术

力反馈手控器又称力觉交互装置，一般用于机器人遥操作、虚拟现实、自然交互界面设计等方面。在遥操作中，操作员在本地端通过了解从端信息(视觉、力觉)从而做出决策，并通过操纵手控器来控制远端的机械臂(从手)运动。

本发明针对三个方向的旋转运动，设计三自由度力反馈手控器，三个转动串联，分别由三个电机控制，每个方向有一个力矩传感器检测力矩信息。在此基础上提出了一种基于力闭环的速度控制模式，通过实时获取力矩传感器数据，判断力的方向与大小，然后通过力的分解，求解与期望力之间的误差，通过PID控制器控制电机速度，给出合适的控制量，驱动电机完成运动。

本发明操作方便简单，采用三个力矩传感器，可以进行精确力矩反馈；采用谐波减速器，减小传动中的反向误差，并提高反馈力矩的范围；采用两个角接触球轴承作支撑，外加一个双向推力轴承，可以减小由于轴承原因照成的晃动，使得运动精确，提高测量精度；三个方向旋转半径近似相等，机构的灵活性好。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种三自由度力觉交互装置，能够测量三个方向（偏转、俯仰、回转）的转动角度，并模拟虚拟环境中物体之间的接触力矩。

本发明包括三个旋转部分，三个旋转轴的初始位置轴线相互垂直；

所述的三自由度转动力反馈手控器，其第一自由度是偏转运动，指电机通过谐波减速器从而带动转轴（207）与转动架（306）绕竖直轴线Z转动；第二自由度是俯仰运动，指电机带动转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）和转轴d（312）绕水平轴Y转动；第三自由度是回转运动，指电机带动转轴（407）与操作手柄（8）一起绕X转动。

本发明的优点在于：

1、机构简单，设计合理，操作方便，便于拆装维护；

2、用谐波减速器减小传动中的反向误差，并提高反馈力矩的范围；采用两个角接触球轴承作支撑，外加一个双向推力轴承，可以减小由于轴承原因照成的晃动，使得运动精确，提高测量精度；

3、三个轴均安装力矩传感器，避免了施加反馈力矩时由于力矩分解造成的误差，同时简化了控制过程，提高反馈力矩的精度；

4、手柄位置设计合理，三个方向的旋转半径近似相等，在进行力矩反馈时各个方向感觉相似度高，操作轻巧，灵活性好；

5、手柄处安装有轻触开关，按下开关后电机才开始工作，松开开关停止工作，可以防止运动过程中的突发情况对操作者照成伤害；

6、三个方向的转动控制互不影响，每个方向由一个电机和扭矩传感器控制，可以将控制模型简化为定常系统，简化控制方法。

附图说明

图1是三自由度转动手控器的系统结构图

图2是三自由度转动手控器的旋转A的剖视图

图3是三自由度转动手控器的旋转B的结构

图4是三自由度转动手控器的旋转C的爆炸视图

图5是三自由度转动手控器的控制原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

旋转部分主要包含的组件有：

旋转A（2），其包括直流伺服电机（201）、编码器（202）、谐波减速器（203）、角接触球轴承a（204）、角接触球轴承b（205）、双向推力轴承（206）、转轴（207）、转动座（208）、套杯（209）、套筒a（210）、套筒b（211）、端盖a（212）、端盖b（213）、电机安装架（214）、电机轴连接件1（215）、电机轴连接件2（216）、锁紧螺母垫圈（217）；

旋转B（3），其包括直流伺服电机（301）、编码器（302）、谐波减速器（303）、角接触球轴承a（304）、角接触球轴承b（305）、转动架（306）、转动架支撑a（307）、转动架支撑b（308）、转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）、转轴d（312）、电机安装架（313）；

旋转C（4），其包括直流伺服电机（401）、编码器（402）、谐波减速器（403）、角接触球轴承a（404）、角接触球轴承b（405）、双向推力轴承（406）、转轴（407）、转动座（408）、套杯（409）、套筒a（410）、套筒b（411）、端盖a（412）、端盖b（413）、电机安装架（414）、电机轴连接件1（415）、电机轴连接件2（416）、锁紧螺母垫圈（417）；

连接方式为：

固定基座（1）与旋转A（2）中的转动座（208）连接，电机安装架（214）也固定在基座上；转动座（208）与转轴（207）通过角接触球轴承a（204）、角接触球轴承b（205）、双向推力轴承（206）连接；角接触球轴承（204）内圈由套筒b（211）和锁紧螺母垫圈（217）固定，外圈由端盖b（213）定位；双向推力轴承（206）内圈通过套筒a（210）、套筒b（211）定位，外圈由转动座（208）的轴肩与套杯（209）定位；角接触球轴承（205）安装在套杯（209）内，内圈由轴肩与a（210）定位，外圈由端盖a（212）定位；直流伺服电机（201）与编码器（202）和谐波减速器（203）连接构成驱动元件，通过电机轴连接件1（215）和电机轴连接件2（216）将转轴（207）与驱动单元连接起来；力矩传感器A（5）分别连接转轴（207）的另一端与旋转B中的转动架（306）；电机可以带动转轴（207）、力矩传感器A（5）和转动架（306）可以绕固定基座（1）旋转；

转动架（306）、转动架支撑a（307）和转动架支撑b（308）作为旋转B（3）的基座，角接触球轴承a（304）和角接触球轴承b（305）分别装在转动架支撑a（307）、转动架支撑b（308）内部；转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）、转轴d（312）和力矩传感器B（6）通过螺钉连接为一根转动轴，并通过角接触球轴承支撑；直流伺服电机（301）、编码器（302）、谐波减速器（303）由电机安装架（313）安装在转动架支撑a（307）上，使得电机输出轴与转轴a（309）相连，电机可以带动转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）和转轴d（312）绕轴线旋转；

转轴c（311）穿过转动座（408）的圆孔用螺钉连接，作为旋转C（4）的基座，这部分连接方式与旋转A（2）的连接方式相同，转轴（407）与操作手柄（8）之间通过力矩传感器C（7）连接；

在本发明中，当操作者控制三自由度转动力反馈手控器运动时，通过电机后面自带的旋转编码器测量三个方向的转动角度，角度分辨率与编码器的分辨率和减速比的选择相关；

在本发明中，当操作者控制三自由度转动力反馈手控器运动时，操作手柄末端速度可以分解为三个轴的旋转速度，通过力矩传感器测量每根转动轴所受力矩，通过PID控制器，控制电机的输出速度，使得人手无明显受力；当需要模拟某个方向的反馈力矩时，控制该方向电机输出速度，使该轴的力矩传感器显示为目标力矩；该控制方法简单，容易操作，反馈力的大小与电机的速度、减速器的减速比以及操作手柄的力臂长度有关。

本发明中的控制方案是通过实时获取力矩传感器数据，得到操作者施加力的方向与大小，判断操作者的操作意图，然后求解与反馈力的差值，作为PID控制器的输入量，通过PID控制器控制电机速度，给出合适的控制量，驱动电机完成运动。

控制原理图如图5所示，操作者与手控器进行交互，力矩传感器获得人机作用力信号Fd，从端的反馈力Fe。如果Fd不等于Fe，计算取差值，得到每个电机的应该输出的力信息，由于电流开环模式具有不精确性，这里我们采用速度闭环进行控制电机，需要将前面得到的电机理论输出力矩作为PID控制器的输入，调节电机速度，然后带动装置运动，使得人机之间的交互力Fd等于Fe，即为稳定状态。

当在自由空间内运动时，从端反馈力Fe为零，当进行力反馈阶段时，Fe的值等于从端反馈的力矩值。

PID控制器为：

Δ = K_{p} \cdot E + K_{i} \cdot {&Integral;}_{0}^{t} Edt + K_{d} \cdot \overset{\cdot}{E}

电机的输出速度为：v＝v_last+Δ

其中，

F_{e} = [\begin{matrix} F_{e 1} & F_{e 2} & F_{e 3} \end{matrix}]

为期望反馈力；

F_{d} = [\begin{matrix} F_{d 1} & F_{d 2} & F_{d 3} \end{matrix}]

为实际反馈力；

K_{p} = diag [\begin{matrix} K_{p 1} & K_{p 2} & K_{p 3} \end{matrix}];

K_{i} = diag [\begin{matrix} K_{i 1} & K_{i 2} & K_{i 3} \end{matrix}];

K_{d} = diag [\begin{matrix} K_{d 1} & K_{d 2} & K_{d 3} \end{matrix}]

为比例、积分、微分系数矩阵，为正定矩阵；E＝F_e-F_d为误差值；Δ为PID控制器的输出量；v_last为电机上次的输出速度；v当前电机的输出速度。

Claims

1.一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：由固定基座（1）、旋转A（2）、旋转B（3）、旋转C（4）、力矩传感器A（5）、力矩传感器B（6）、力矩传感器C（7）和操作手柄（8）组成；

旋转A（2）和旋转B（3），旋转B（3）和旋转C（4）的旋转轴轴线始终保持正交；

固定基座（1）与旋转A（2）中的转动座（208）连接；转轴（207）通过两个角接触球轴承与一个双向推力轴承与转动座（208）连接；转轴（207）一端连接直流伺服电机，一端连接力矩传感器A（5），然后再连接转动架（306）；电机可以带动转轴（207）、力矩传感器A（5）和转动架（306）可以绕竖直轴线旋转；

旋转B（3）的基座包括转动架（306）、转动架支撑a（307）和转动架支撑b（308）；转动轴由通过螺钉连为一体的转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）、力矩传感器B（6）和转轴d（312）组成，其通过两个角接触球轴承与旋转B（3）的基座连接；电机输出轴与转轴a（309）相连，电机可以带动转轴a（309）、转轴b（310）、转轴c（311）和转轴d（312）绕水平轴线旋转；

转动座（408）穿过转轴c（311）的圆孔用螺钉连接，作为旋转C（4）的基座；旋转C（4）中其余部分的连接方式与旋转A（2）的连接方式相同，转轴（407）与操作手柄（8）之间通过力矩传感器C（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：三个转动方向均安装有力矩传感器，简化受力分析过程，可以精确的得到各个方向的力矩反馈值。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：在旋转A（2）与旋转C（4）中采用角接触球轴承作支撑，然后根据双向推力球小偏角的特征，减小由于轴承原因带来的晃动，提高力反馈设备精度。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：驱动电机外加谐波减速器，可以有效的提高反馈力矩的范围，提高角度分辨率，并且减小回程间隙，优化使用性能。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：三个方向的旋转半径近似相等，在进行力矩反馈时各个方向感觉相似度高。

6.根据权利要求1所述的一种三自由度转动力反馈设备，其特征在于：三个转动方向可以分别控制，通过检测各个方向的力矩值，然后通过PID控制器，控制电机输出相应的速度，达到良好的控制效果。