CN104317245A - 一种具有力反馈的主从式控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有力反馈的主从式控制系统，包括依次连接的视觉显示单元、控制器单元和手动触觉设备；所述的视觉显示单元包括相互连接的虚拟机械臂模型和虚拟环境模型，所述的控制器单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的DA板卡和计数器板卡，所述的手动触觉设备包括直流电机、电机驱动器、旋转手柄和编码器，所述的编码器安装在直流电机上，并与计数器板卡连接，所述的旋转手柄与直流电机的电机轴连接，所述的DA板卡通过电机驱动器与直流电机连接；与现有技术相比，本发明具有结构简单、实施方便、体验感强等优点。

Description

一种具有力反馈的主从式控制系统
技术领域
本发明涉及一种力觉和视觉反馈技术领域，尤其是涉及一种具有力反馈的主从式控制系统。
背景技术
近年来，具有力反馈的虚拟现实技术得到了快速的发展。该技术改变了以往仅仅基于视觉、听觉和利用鼠标键盘等传统的二维人机交互技术，为用户提供了一种更加贴近真实生活环境的人机交互界面。
在军事领域，通过利用3D模型、力反馈、位置跟踪以及其他视听设备，虚拟现实技术可以帮助士兵模拟各种各样的战场环境，可以以非常低的成本和最小的危险来不断的重复同一个军事训练项目，实现低成本、高效率的完成军事人员的职业训练。在医学领域，通过建立逼真的人体器官模型和作用力反馈模型，外科医生可以通过高度逼真的手术模拟系统进行重复的手术操作训练，达到最佳的医学训练效果并有效地缩短训练周期。
然而，当前从商业上可获取的基于虚拟现实的力反馈设备(如美国SensAble公司的PHANTOM系列力反馈交换设备)主要都是为通用目的而设计的，且价格非常昂贵。此外，此类设备的底层控制系统已经被完全封闭，不能满足用户对虚拟现实力反馈系统的个性化要求。更甚者，这类力反馈交互设备具有较多的自由度、复杂的控制系统和虚拟现实函数库，用户需要花费大量时间学习该设备的控制方法、虚拟模型建立方法等，难以快速满足用户设计要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、实施方便、体验感强的具有力反馈的主从式控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，包括依次连接的视觉显示单元、控制器单元和手动触觉设备；
所述的视觉显示单元包括相互连接的虚拟机械臂模型和虚拟环境模型，所述的控制器单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的DA板卡和计数器板卡，所述的手动触觉设备包括直流电机、电机驱动器、旋转手柄和编码器，所述的编码器安装在直流电机上，并与计数器板卡连接，所述的旋转手柄与直流电机的电机轴连接，所述的DA板卡通过电机驱动器与直流电机连接；
用户通过旋转旋转手柄，带动直流电机的电机轴发生旋转运动，并通过编码器记录，所述主控制器通过读取计数器板卡上的脉冲信号，来确定用户操作手动触觉设备的输入位移量，并计算出虚拟机械臂模型运动的位移量；
同时，主控制器根据虚拟机械臂模型与虚拟环境模型的接触位移量以及设计好的刚度值，计算出接触力大小，并通过DA板卡将作用力信号转变为输送给电机驱动器的电压值，经过电机驱动器变换后，最终将驱动电流值输送给直流电机，实现电机轴旋转，并带动旋转手柄实现与操作者反方向的旋转运动，使得操作者感觉到虚拟作用力。
所述的虚拟机械臂模型为一自由度虚拟机械臂模型，可以将旋转轴的旋转运动转变为机械臂的直线往复运动。
所述的一自由度虚拟机械臂模型为圆柱体，所述的虚拟环境模型为中空型圆柱体，该圆柱体表面具有弹性。
通过主控制器移动虚拟机械臂模型，使得虚拟机械臂模型与环境模型表面接触，所述的虚拟机械臂模型末端与环境模型的表面接触位置为虚拟机械臂模型末端起始位置，通过主控制器传递的反馈力判断虚拟机械臂模型末端和虚拟环境模型是否接触。
机械臂的往复运动可以实现机械臂的末端与圆柱体表面相接触而产生相应作用力；通过主控制器操作虚拟机械臂模型开始与虚拟环境模型的碰撞运动，虚拟机械臂模型的末端从起始位置移动到虚拟环境模型内的机械臂末端目标位置。
所述的接触力大小通过接触力反馈仿真模型计算得到，该接触力反馈仿真模型具体如下：
ffeedback＝(xend-xstart)×kstiffness
式中参数xend为机械臂末端终点位置，xstart为机械臂末端起点位置，kstiffness为用户设置的环境体刚度。
控制器单元中的DA板卡和计数器板卡分别实现对直流电机发送驱动电流和对电机末端编码器输出位置量进行采集功能，触觉设备的核心是一台直流电机，该直流电机将虚拟机械臂与虚拟环境接触力转变成施加于操作者人手上的作用力信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)结构简单：相比较于商业上可购得的虚拟现实力反馈系统，该系统具有结构简单，力反馈系统各个部分容易获取，力反馈装置容易加工制造。
2)实施方便：本系统软件结构简单，控制系统计算量少，不必进行复杂的多自由度机器人运动学和动力学计算即可实现对虚拟现实技术的有效体验。
3)体验感强：本发明可以方便用户实践，操作者通过操作力反馈设备，与显示器中的图像的变化连接起来，给使用者强烈的身临其境的感觉，显著增加操作者的体验感。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是虚拟环境刚度值为0.6N/mm时，位置跟踪信号曲线图；
图3为虚拟环境刚度值为0.6N/mm时，速度信号曲线图；
图4为虚拟环境刚度值为0.6N/mm时，接触力信号曲线图；
图5是虚拟环境刚度值为1.0N/mm时，位置跟踪信号曲线图；
图6为虚拟环境刚度值为1.0N/mm时，速度信号曲线图；
图7为虚拟环境刚度值为1.0N/mm时，接触力信号曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种具有力反馈的主从式控制系统，包括依次连接的视觉显示单元1、控制器单元2和手动触觉设备3；
所述的视觉显示单元1包括相互连接的虚拟机械臂模型和虚拟环境模型，所述的控制器单元2包括主控制器以及分别与主控制器连接的DA板卡21和计数器板卡22，所述的手动触觉设备3包括直流电机32、电机驱动器34、旋转手柄31和编码器33，所述的编码器33安装在直流电机32上，并与计数器板卡22连接，所述的旋转手柄31与直流电机32的电机轴连接，所述的DA板卡21通过电机驱动器34与直流电机32连接；
用户通过旋转旋转手柄31，带动直流电机32的电机轴发生旋转运动，并通过编码器33记录，所述主控制器通过读取计数器板卡22上的脉冲信号，来确定用户操作手动触觉设备的输入位移量，并计算出虚拟机械臂模型运动的位移量；
同时，主控制器根据虚拟机械臂模型与虚拟环境模型的接触位移量以及设计好的刚度值，计算出接触力大小，并通过DA板卡21将作用力信号转变为输送给电机驱动器34的电压值，经过电机驱动器34变换后，最终将驱动电流值输送给直流电机32，实现电机轴旋转，并带动旋转手柄实现与操作者反方向的旋转运动，使得操作者感觉到虚拟作用力。
以实现快速的接触力反馈模型建立实验为例来说明本发明。
1、构建虚拟机械臂模型和环境模型
本实施例中一自由度虚拟机械臂模型为圆柱体，圆柱体横截面直径为5mm，长度为15mm。虚拟环境为直径为10mm，长度为5mm的中空型圆柱体。采用实体造型技术构建一自由度虚拟机械臂和虚拟环境模型。
2、确定机械臂末端起始位置
通过带有旋转手柄的一自由度力反馈设备移动一自由度虚拟机械臂，通过运动转化，将旋转手柄的旋转运动转变为虚拟机械臂的直线运动。使虚拟机械臂的末端与虚拟环境的表面相接触，机械臂末端此时位置记为起始位置，通过操作者的视觉观察和力反馈设备传递的反馈力信号来判断机械臂末端是否与虚拟环境发生接触。
3、接触力反馈仿真模型建立
将虚拟环境模型的刚度值设置为0.6N/mm，根据下列公式计算的接触反馈力为：
ffeedback＝(xend-xstart)×kstiffness
此实施例采用连续的位置输入信号，那么操作者获取的接触反馈力也是连续的力信号。
4、环境模型刚度简单可调接触力实验
可以依据不同操作者对虚拟环境刚度的期望，可以通过本发明控制系统软件实现对虚拟环境刚度值的快速调整。图2-图7为在保证虚拟机械臂和环境模型造型尺寸不变的条件下，通过软件修改环境刚度值kstiffness而获取的连续的位置信号、速度信号和接触力信号结果。

Claims (5)

1.一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，包括依次连接的视觉显示单元、控制器单元和手动触觉设备；
所述的视觉显示单元包括相互连接的虚拟机械臂模型和虚拟环境模型，所述的控制器单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的DA板卡和计数器板卡，所述的手动触觉设备包括直流电机、电机驱动器、旋转手柄和编码器，所述的编码器安装在直流电机上，并与计数器板卡连接，所述的旋转手柄与直流电机的电机轴连接，所述的DA板卡通过电机驱动器与直流电机连接；
用户通过旋转旋转手柄，带动直流电机的电机轴发生旋转运动，并通过编码器记录，所述主控制器通过读取计数器板卡上的脉冲信号，来确定用户操作手动触觉设备的输入位移量，并计算出虚拟机械臂模型运动的位移量；
同时，主控制器根据虚拟机械臂模型与虚拟环境模型的接触位移量以及设计好的刚度值，计算出接触力大小，并通过DA板卡将作用力信号转变为输送给电机驱动器的电压值，经过电机驱动器变换后，最终将驱动电流值输送给直流电机，实现电机轴旋转，并带动旋转手柄实现与操作者反方向的旋转运动，使得操作者感觉到虚拟作用力。
2.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，所述的虚拟机械臂模型为一自由度虚拟机械臂模型。
3.根据权利要求2所述的一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，所述的一自由度虚拟机械臂模型为圆柱体，所述的虚拟环境模型为中空型圆柱体。
4.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，通过主控制器移动虚拟机械臂模型，使得虚拟机械臂模型与环境模型表面接触，所述的虚拟机械臂模型末端与环境模型的表面接触位置为虚拟机械臂模型末端起始位置，通过主控制器传递的反馈力判断虚拟机械臂模型末端和虚拟环境模型是否接触。
5.根据权利要求1所述的一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，所述的接触力大小通过接触力反馈仿真模型计算得到，该接触力反馈仿真模型具体如下：
ffeedback＝(xend-xstart)×kstiffness
式中参数xend为机械臂末端终点位置，xstart为机械臂末端起点位置，kstiffness为用户设置的环境体刚度。
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