CN103753519A - 针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，包括工作平台、三维位移平台、设在三维位移台平上的三维力传感器、与三维力传感器相连的手控器；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器设在工作平台上；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器分别与计算机实现通信连接。本发明实现了手控器输出力的动态标定。传统的标定将位移与力反馈分别标定，而本发明将这两项参数同时标定，可以在手控器进行平移的时候采集力反馈输出，进而可实现力反馈的动态分析。

Description

针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构

技术领域

    本发明属于临场感遥操作人机交互技术领域，为针对一种临场感遥操作人机交互设备的位置精度以及力反馈精度的标定平台机构。

背景技术

 随着人类作业领域的不断增大，需要人类在一些很难接近或者对人类有害的环境下进行作业，因此有必要研究出能够适应环境变化的空间机器人。比如人类在太空探索的过程中，通过智能机器人代替宇航员进行舱外作业，从而避免了宇航员在恶劣的太空环境中遭受伤害，同时也降低了人力成本，提高了效益。从20世纪60年代发展至今，空间机器人的应用领域不断扩展，技术也取得了很大成就，对任务的复杂性、精度要求也随之不断提高。鉴于目前机器人的几项支撑技术（传感器技术、人工智能技术、控制技术）水平的限制，研制出在复杂多变的环境下完全自主的智能空间机器人，在今后相当长的一段时间内还很难实现。因此，遥操作空间机器人执行任务需要有人的参与，实现的控制是一种有人参与的局部控制方案。同时，随着任务复杂程度的增加，人们需要在虚拟现实环境中进行仿真、模拟、训练，寻找出一种可靠高效的方案。手控器作为临场感遥操作系统重要的人机交互接口，或者作为操控虚拟环境中虚拟对象的信息输入输出媒介，是人完成对操控对象精确控制的重要工具，其性能直接影响遥操作系统的控制效率和可靠性，因此对手控器的标定工作就显得尤为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够对混联式三自由度力反馈手控器的位置精度以及力反馈精度进行标定的平台机构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，包括工作平台、三维位移平台、设在三维位移平台上的三维力传感器、与三维力传感器相连的手控器；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器设在工作平台上；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器分别与计算机实现通信连接。

进一步地，所述手控器包括支架、手控器末端、与手控器末端相连的菱形机构、隔板、与隔板相连的平行连杆机构、配重；所述支架包括底座、与底座相连的支撑架、设在支撑架上方的连接板，所述配重和平行连杆机构分别与连接板相连，所述隔板上设有第一直流电机，所述第一直流电机上设有第一光电编码器；所述连接板上分别设有第二直流电机和第三直流电机，所述第二直流电机和第三直流电机上分别设有第二光电编码器和第三光电编码器。XY平面的平移就是通过该平行四连杆机构实现，由于平行连杆机构特性，可以保持隔板始终保持平动而不发生翻转和旋转。

进一步地，所述三维位移平台包括相互垂直连接的X方向直线位移模组、Y方向直线位移模组、Z方向直线位移模组，所述X方向直线位移模组、Y方向直线位移模组、Z方向直线位移模组的一端均分别设有一步进电机，所述X方向直线位移模组上设有一三维力传感器安装平面。

进一步地，所述三维力传感器包括依次连接的传感器输入轴、传感器顶盖、传感器弹性体、传感器基座、传感器底盖；所述传感器输入轴与手控器末端连接，所述传感器底盖与三维力传感器安装平面相连。

进一步地，所述底座与工作平台之间设有一组支撑柱。

进一步地，所述支撑柱的高度能够使手控器在初始位置时电控三维位移平台的X、Y、Z轴也位于中间位置。

本发明通过三维力传感器将手控器末端与电控三维位移平台链接，电控三维位移平台通过步进电机带动滚珠丝杆转动，将电机的转动转化为三维空间中三个互相垂直方向上的平移，并带动手控器在三维空间做平动，安装在关节处的直流电机上的光电编码器检测出这些关节处的转角，结合手控器本身尺寸参数，计算出手控器末端的位移坐标，与电控三维位移平台所设定的目标位移坐标进行比较分析得到手控器对位移测量的精度，进而进行校准，提高精度。与此同时，计算机可以通过手控器控制电路控制安装在手控器关节处的直流电机输出扭矩，该输出的扭矩大小通过手控器末端输出目标力反馈值的大小和方向，并结合手控器自身的尺寸参数计算所得，安装在手控器末端的三维力传感器可以测得手控器末端输出的真实力反馈值情况，将目标力反馈与真实力反馈进行比对分析，得到手控器输出力反馈精度，进而进行校准，提高精度。

有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：

（1）本发明提高了手控器的位置采集精度。本发明利用三维力传感器将三维位移平台与混联式三自由度力反馈手控器相连，三维位移平台带动手控器末端在三维空间中进行平动，通过对手控器采集到的三维空间坐标与三维位移平台的运动目标位置坐标进行比对分析，可以得到手控器对位置采集的精度进行分析，进而对手控器进行标定，提升手控器位置采集的精度。

（2）本发明提高了手控器的输出力反馈精度。利用三维力传感器可以同时检测手控器输出目标力反馈在空间三维方向上的分量，通过与设定值的分析对比，拟合校准手控器末端力反馈输出，提高手控器输出力的精度。而传统标定方法多采用一个一维拉压力传感器对力反馈进行标定，通过变换传感器的安装方向来测量手控器在多个方向上的力，而非本发明采用的三维力传感器，无法同时测量力反馈在空间三个方向的分量，无法测量手控器输出力反馈的耦合状况，传统标定方法也有采用三个一维力传感器互相垂直安装，此方法使得整个标定系统复杂庞大，且在安装传感器的时候由于工艺的缘故很难实现完全的互相垂直，影响精度。

（3）本发明所提出标定方法操作简单，便于实现。与传统针对三自由度力反馈手控器的标定方法对比来看，传统的标定方法是将位置精度与力反馈精度分开标定，采用手动控制，而非本发明所采用程控电控三维位移平台进行标定，集成度低，步骤复杂，效率低下，人工操作误差较大。

（4）实现了手控器输出力的动态标定。传统的标定将位移与力反馈分别标定，而本发明将这两项参数同时标定，可以在手控器进行平移的时候采集力反馈输出，进而可实现力反馈的动态分析，此点是传统标定方法无法实现的。

附图说明

图1是本发明所需标定的混联式三自由度力反馈手控器结构示意图。

图2是本发明手控器位移精度所需的三维位移平台结构示意图。

图3是本发明手控器输出力反馈精度所需的三维力传感器爆炸图。

图4是本发明标定系统的总体结构示意图。

图5是本发明标定系统的控制系统框图。

1a、1b、1c.直流电机，1A、1B、1C. 光电编码器，2.菱形机构，3.配重机构，4.平行连杆机构，5.支架，51.连接杆，52.支撑架，53.底座， 6.手控器末端，7. Y方向直线位移模组，8. Z方向直线位移模组，9. X方向直线位移模组，10. 三维力传感器安装平面，11. 步进电机，12. 传感器输入轴，13. 传感器顶盖，14. 传感器弹性体，15. 传感器基座，16. 传感器底盖，17. 支撑柱， 19. 工作平台，20.隔板，21.三维力传感器，22.三维位移平台，23.手控器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，一种针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，包括工作平台19、三维位移平台22、设在三维位移平台22上的三维力传感器21、与三维力传感器21相连的手控器23；所述三维位移平台22、三维力传感器21和手控器23设在工作平台19上；所述三维位移平台22、三维力传感器21和手控器23分别与计算机实现通信连接。所述手控器23包括支架5、手控器末端6、与手控器末端6相连的菱形机构2、隔板20、与隔板20相连的平行连杆机构4、配重3；所述支架5包括底座53、与底座53相连的支撑架52、设在支撑架52上方的连接板51，所述配重3和平行连杆机构4分别与连接板51相连，所述隔板20上设有第一直流电机1a，所述第一直流电机上设有第一光电编码器1A；所述连接板上分别设有第二直流电机1b和第三直流电机1c，所述第二直流电机1b和第三直流电机1c上分别设有第二光电编码器1B和第三光电编码器1C；所述三维位移平台22包括相互垂直连接的X方向直线位移模组9、Y方向直线位移模组7、Z方向直线位移模组8，所述X方向直线位移模组9、Y方向直线位移模组7、Z方向直线位移模组8的一端均分别设有一步进电机11，所述X方向直线位移模组7上设有一三维力传感器安装平面10；所述三维力传感器21包括依次连接的传感器输入轴12、传感器顶盖13、传感器弹性体14、传感器基座15、传感器底盖16；所述传感器输入轴12与手控器末端6连接，所述传感器底盖16与三维力传感器安装平面10相连；所述底座53与工作平台19之间设有一组支撑柱17，所述支撑柱17的高度能够使手控器23在初始位置时电控三维位移平台的X、Y、Z轴也位于中间位置。

下文结合附图及具体实施对本发明进行详细描述。

如图4和图5所示，手控器与电控三维位移平台安装在工作平台19上，手控器需要四个等长的支架17支撑到合适高度，该合适高度为手控器在初始位置（X方向，Y方向，Z方向最大运动范围中间值）时电控三维位移平台的X、Y、Z轴也位于中间位置，手控器的末端6与三维力传感器的输入端12相连，再将三维力传感器底盖16安装在电控三维位移平台的传感器安装平面手控器与电控三维位移平台在连接点17实现连接。电控三维位移平台以步进电机作为动力，带动滚珠丝杆旋转，三个互相垂直的直线位移模组进行精确移动，从而实现传感器安装平面在三维空间中三个互相垂直的方向上做平动，进而带动手控器末端6在三维空间中做平动，这平动通过手控器菱形机构2与平行连杆机构4解耦可以得到在安装直流电机与光电编码器的关节处的旋转，该旋转角度可以通过光电编码器测得，检测电路通过该旋转角度再结合手控器的机械尺寸计算可得到手控器末端6的位移的测量值，将该测量值与电控三维位移平台所设定的目标移动坐标进行比对分析，得到手控器对位移坐标测量的精度，进而进行校正提高精度。

手控器的力反馈通过直流电机1产生的扭矩提供， PC发送指令给手控器控制电路，该指令主要是期望手控器在三维空间中所产生的力反馈大小以及方向，控制电路根据该指令结合手控器的机械尺寸计算得产生该力反馈需要在三个安装有直流电机的关节处产生多大扭矩，进而驱动电机产生扭矩，为避免电机驱动电路引入较大误差，本系统中的直流电机驱动电路中加入电机回路电流采集电路，因为按照直流电机控制理论可知，直流电机在堵转情况下其输出扭矩与电机电枢回路中的电流成正比，因此可根据该电流值可知电机的实际输出扭矩为多少，引入PID调节方法，使得电机输出实际扭矩趋近于目标值。而三个电机锁输出的扭矩通过机构传递到手控器末端6，在三维空间中产生一定大小和方向的力，该力的大小以及方向可以由三维力传感器测得，将所测得的实际力反馈与目标力反馈进行比对，可得到手控器输出力反馈输出的精度，进而进行校正提高精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.  一种针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：包括工作平台、三维位移平台、设在三维位移平台上的三维力传感器、与三维力传感器相连的手控器；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器设在工作平台上；所述三维位移平台、三维力传感器和手控器分别与计算机实现通信连接。

2.根据权利要求1所述的针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：所述手控器包括支架、手控器末端、与手控器末端相连的菱形机构、隔板、与隔板相连的平行连杆机构、配重；所述支架包括底座、与底座相连的支撑架、设在支撑架上方的连接板，所述配重和平行连杆机构分别与连接板相连，所述隔板上设有第一直流电机，所述第一直流电机上设有第一光电编码器；所述连接板上分别设有第二直流电机和第三直流电机，所述第二直流电机和第三直流电机上分别设有第二光电编码器和第三光电编码器。

3.根据权利要求2所述的针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：所述三维位移平台包括相互垂直连接的X方向直线位移模组、Y方向直线位移模组、Z方向直线位移模组，所述X方向直线位移模组、Y方向直线位移模组、Z方向直线位移模组的一端均分别设有一步进电机，所述X方向直线位移模组上设有一三维力传感器安装平面。

4.根据权利要求3所述的针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：所述三维力传感器包括依次连接的传感器输入轴、传感器顶盖、传感器弹性体、传感器基座、传感器底盖；所述传感器输入轴与手控器末端连接，所述传感器底盖与三维力传感器安装平面相连。

5.根据权利要求2所述的针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：所述底座与工作平台之间设有一组支撑柱。

6.根据权利要求2所述的针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，其特征在于：所述支撑柱的高度能够使手控器在初始位置时电控三维位移平台的X、Y、Z轴也位于中间位置。

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