CN105700783A - 基于力反馈的安全远程力觉书写系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于力反馈的安全远程力觉书写系统，包括三轴并联力反馈机构以及与其连接的控制器；所述控制器包括驱动模块以及与其连接的通信模块；所述驱动模块包括顺序连接的电机驱动电路、电流传感器；所述通信模块包括CPU以及与其连接的以太网口、显示器和摄像头；所述CPU通过电机驱动电路与三轴并联力反馈机构的电机连接、且与电机驱动电路之间串接电流传感器。其方法为根据三组编码器数据作为目标位置分别作为电机驱动的控制信号，对三个电机分别进行位置或电流伺服控制，实现远程力觉书写。本发明使用了完全相同的一套系统担任本地端和远程端双重角色，使整套系统结构得到大大简化；同时，完全同构的执行机构，更有利于真是书写手感的还原。

Description

基于力反馈的安全远程力觉书写系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种力反馈书写系统及其方法，尤其涉及一种基于力反馈的安全远程力觉书写系统及其控制方法。

背景技术

数字签名是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。基于加密网络通信的数字签名已经被广泛应用于各种认证。但在重要的法律文书、商务函件中，亲笔签名仍然有着不可替代的作用。目前，这一过程必须由书写人亲临现场完成，无法通过远程方式实现。

力反馈是虚拟实现技术中的重要组成部分，它利用与操作者接触的机械结构表现出的反作用力，与虚拟环境中或执行机构末端接触的物体形成力觉信息的交互，提高操作的准确性。传统力反馈设备仅作为人机交互设备的一种扩展，是带力觉输出的输入设备，其功能和结构决定了使用用途的单一性。事实上，部分力反馈设备由于本身带有具备一定驱动能力的电机等部件，并且可由其内部的编码器等部件实现精确定位。这意味着力反馈设备具备作为执行机构的能力，单一用途的设计可能造成功能的浪费。

力反馈设备经常作为执行精密操作的输入设备，对于用于一些关键性操作的场合，其反馈力觉信息和其输入动作信息的准确性是十分关键的，如果发生错误可能导致灾难性后果。现有设备多数只考虑了设备与PC之间连接的可靠性，事实上在真正的远程操作中，尤其是以太网作为传输介质的远程操作中，信息发生被监听、篡改的可能性非常大。因此，如何确保位置与力觉信息交互的准确性是力反馈设备可靠性的关键。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于力反馈的安全远程力觉书写系统及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于力反馈的安全远程力觉书写系统，包括三轴并联力反馈机构以及与其连接的控制器；所述控制器包括驱动模块以及与其连接的通信模块；

所述驱动模块包括顺序连接的电机驱动电路、电流传感器；

所述通信模块包括CPU以及与其连接的以太网口、显示器和摄像头；所述CPU通过电机驱动电路与三轴并联力反馈机构的电机连接、且与串接在三轴并联力反馈机构的电机与电机驱动电路之间的电流传感器相连接。

所述三轴并联力反馈机构，包括动平台、底座平台、固定平台、书写用笔及三条力反馈支链，其中固定平台垂直安装在底座平台上，所述三条力反馈支链沿周向均布在固定平台上，三条力反馈支链的末端均与动平台铰接，所述书写用笔安装在动平台上，所述三条力反馈支链产生的扭矩在动平台上产生一个空间上的合力。

所述三条力反馈支链的结构相同，均包括直流电机、减速盘及双连杆机构，其中直流电机安装在固定平台上、并输出轴与减速盘连接，所述双连杆机构的两端分别与减速盘的外缘和动平台铰接。

所述双连杆机构的两端分别通过虎克铰与减速盘的外缘和动平台铰接，所述双连杆机构与其两端的虎克铰形成平行四边形机构。

所述三条力反馈支链中的三个减速盘互成120度分布于固定平台上、并均与固定平台垂直。

所述动平台为等边三角形，所述等边三角形的三个顶点分别与三个双连杆机构铰接。

所述书写用笔通过紧固旋钮安装在末端工具固定盘上，所述末端工具固定盘与动平台连接。

基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，包括以下步骤：

书写人手持三轴并联力反馈机构中的书写用笔，其在空间中的书写动作带动动平台的运动，进而使三个减速盘和相应的直流电机产生不同角度的转动，并改变电机尾部编码器的位置值；

本地端控制器中的CPU对三个编码器位置值实时采样并打包后加密、并通过以太网发送给远程端控制器；

远程端控制器的CPU以接收到的三组编码器数据作为目标位置分别作为电机驱动的控制信号，对相应的三个电机分别进行位置伺服控制，跟随本地端书写人的书写动作，在纸面形成书写笔迹。

基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，还包括以下步骤：

当远程端三轴并联力反馈机构中的书写用笔笔尖接触纸面时，纸面对笔尖的反作用力引起三个直流电机的反向扭矩，进而改变电机驱动的电流；

远程端控制器的CPU对三个直流电机电流值实时采样并打包后加密、并通过以太网发送给本地端控制器；

本地端控制器的CPU以接收到的三组电流数据作为目标电流产生电机控制信号，对相应的三个电机分别进行电流闭环控制；三个直流电机的扭矩产生的合力作用于书写人手上，从而在持笔处复现远程端书写的力感，实现书写的力反馈。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明使用了完全相同的一套系统担任本地端和远程端双重角色。使整套系统结构得到大大简化。与此同时，完全同构的执行机构，更有利于真是书写手感的还原，为使用者在书写时提供更好的体验。

2.本发明不但具有力觉反馈，还提供了一套远程视频监控方式与之配合，方便使用者准确找到书写位置。

3.本发明使用以太网通信，使用简单，通用性高，在能接入互联网的地方即可使用。

4.本发明对网络通信内容分别管理，对于流畅性要求较高、安全性要求较低的视频信号，采用UDP方式传输。对于安全性要求较高的控制和力觉信号，采用非对称加密的SSL连接传输，有效避免信息被监听和篡改。

5.本发明采用电流传感器对本地端电机进行电流闭环控制，并用相同的电路对远程端电机收到的反作用力采样，能够用简单的方法准确还原远程端受到的反作用力。

附图说明

图1为本发明的三轴并联力反馈机构结构示意图；

图2为书写末端工具示意图；

其中，1为直流电机，2为减速盘，3为双连杆机构，4为动平台，5为底座平台，6为固定平台，7为虎克铰，8为书写用笔，9为紧固旋钮，10为末端工具固定盘；

图3为控制形成书写笔迹的原理与控制流程图；

图4为控制产生书写力觉的原理与控制流程图；

图5为控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明做进一步的详细说明。

一种基于力反馈的安全远程力觉书写系统，包括三轴并联力反馈机构，控制产生本地端书写力觉和控制远程端书写执行机构的控制器，用于观察书写位置的监控摄像头，以及保证签名过程不被篡改和监听的安全网络通信协议。本发明的安全远程书写系统是人类手臂的特定功能延伸，在签署重要商务函件、法务文书等场合，可以替代签字人亲临现场进行远程签字，亦可在电话电视会议中提供双方远程互签、多方远程会签的功能，从而大大节约参会各方亲临现场所花费的时间与费用。其特点还在于不仅能够在远程端完全还原书写人的笔迹，还可以为书写人在本地书写时构建与真实书写一样的虚拟书写感受。并且，两端在网络中的通信采用非对称加密传输，保证签名真实唯一，不可复制。

如图1所示，本发明用于实现本地力反馈书写和远程书写执行的是同一套Delta并联机构。并联机构由3条完全相同的支链组成。对于图中的1条支链，1为直流电机，内含编码器，2为减速盘。直流电机1的电机轴与减速盘2通过钢丝传动，减速比为1：17.15。直流电机1拖动减速盘2旋转，减速盘2通过虎克铰7与双连杆平行四边形机构3的一端相连。双连杆结构3的另一端也通过虎克铰7与动平台4相连。3条支链的直流电机1与减速盘2互成120度对称分布于圆形固定平台6上。三个直流电机通过三套对称将连接机构将扭矩耦合至等边三角形动的平台4。对称的三个直流电机产生的扭矩在动平台4上产生一个空间上的合力。与固定平台垂直的底座平台5用于为整个系统提供水平支撑。

图2是用于书写的末端工具示意图。其中1为书写用笔，2是夹持笔的紧固旋钮，3为末端工具固定盘，与图1中的4连接固定。

由本地端设备的书写动作带动远程端设备在纸面书写的原理与流程如图3所示，书写人手持图2中的笔，其在空间中的书写动作将带动图1中动平台4的运动，进而使三个减速盘和相应电机产生不同角度的转动，这也会引起电机尾部编码器位置值的变化。本地端控制器中的CPU对三个编码器值实时采样并打包后通过加密的以太网发送给远程端控制器。远程端控制器CPU以接收到的编码器数据作为目标位置产生电机驱动的控制信号，对三个电机进行位置伺服控制，跟随本地端书写人的书写动作，在纸面形成书写笔迹。

将远程端设备在纸面书写时产生的反作用力反馈到本地端书写人手上的原理与流程如图4所示。当远程端笔尖接触纸面时，纸面对笔尖的反作用力将会引起三个电机的反向扭矩，进而引起电机驱动电流的变化。远程端控制器CPU对三个电机电流值实时采样并打包后通过加密的以太网发送给本地端控制器。本地端控制器CPU以接收到的电流数据作为目标产生控制信号，对三个电机进行电流闭环控制。三个电机的扭矩产生的合力作用于书写人手上，从而在持笔处复现远程端书写的力感，产生真实的书写感受。

图5中虚线框内的部分是控制器结构图。其中每个电机的控制部分由编码器、电机驱动电路、电流传感器构成。在本实施例中，编码器选用1024线。电机驱动电路为TLE6209全桥驱动芯片，电流传感器为HALL电流传感器。编码器直接与CPU的脉冲输入单元连接，用于对笔的位置进行判断和对书写位置进行伺服控制。CPU产生PWM信号通过电机驱动电路驱动直流电机产生力觉或直接带动笔执行书写操作。电流传感器与CPU的AD转换端口连接，用于实时监控电机驱动电路的电流值。

在本实施例中，本地设备和远程设备中使用以太网通信。以太网PHY使用DP83848I芯片，用于将以太网信号接入CPU内部的以太网控制器。

在本实施例中，显示器和摄像头用于实时监控远程端书写状况，分别连接到CPU的视频输入/输出接口。

在本实施例中，本地端作为客户端，远程端作为服务器，分别建立UDP和SSL连接。UDP连接用于传输远程端摄像头拍摄的视频信号，SSL连接用于交互控制信息和力觉信息，如表1所示。当本地端向远程端更新位置信息时，使用指令代码0x01，数据部分编码器1、编码器2、编码器3分别装载本地端3个编码器的当前位置值，电流1，电流2，电流3内容是无效数据。当远程端向本地端更新力觉信息时，使用指令代码0x02，数据部分电流1、电流2、电流3分别装载远程端3个电流传感器的采样值，编码器1，编码器2，编码器3内容是无效数据。

表1为两端力觉和控制信息交互的安全网络通信的数据结构:

表1

序号

0

1

2

3

4

5

6

参数

CMD

POS1

POS2

POS3

CUR1

CUR2

CUR3

说明

指令代码

编码器1

编码器2

编码器3

电流1

电流2

电流3

以上对本发明所提供的一种基于力反馈的安全远程力觉书写系统进行了详尽介绍，本文中应用了一个具体实施实例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上实施实例的说明只是用于帮助理解本发明，对于本领域的一般技术人员，依据以上说明在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于：包括三轴并联力反馈机构以及与其连接的控制器；所述控制器包括驱动模块以及与其连接的通信模块；

所述驱动模块包括顺序连接的电机驱动电路、电流传感器；

所述通信模块包括CPU以及与其连接的以太网口、显示器和摄像头；所述CPU通过电机驱动电路与三轴并联力反馈机构的电机连接、且与串接在三轴并联力反馈机构的电机与电机驱动电路之间的电流传感器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于所述三轴并联力反馈机构，包括动平台(4)、底座平台(5)、固定平台(6)、书写用笔(8)及三条力反馈支链，其中固定平台(6)垂直安装在底座平台(5)上，所述三条力反馈支链沿周向均布在固定平台(6)上，三条力反馈支链的末端均与动平台(4)铰接，所述书写用笔(8)安装在动平台(4)上，所述三条力反馈支链产生的扭矩在动平台(4)上产生一个空间上的合力。

3.根据权利要求2所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于所述三条力反馈支链的结构相同，均包括直流电机(1)、减速盘(2)及双连杆机构(3)，其中直流电机(1)安装在固定平台(6)上、并输出轴与减速盘(2)连接，所述双连杆机构(3)的两端分别与减速盘(2)的外缘和动平台(4)铰接。

4.按权利要求3所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于：所述双连杆机构(3)的两端分别通过虎克铰(7)与减速盘(2)的外缘和动平台(4)铰接，所述双连杆机构(3)与其两端的虎克铰(7)形成平行四边形机构。

5.按权利要求2或3所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于：所述三条力反馈支链中的三个减速盘(2)互成120度分布于固定平台(6)上、并均与固定平台(6)垂直。

6.按权利要求2所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于：所述动平台(4)为等边三角形，所述等边三角形的三个顶点分别与三个双连杆机构(3)铰接。

7.按权利要求2所述的基于力反馈的安全远程力觉书写系统，其特征在于：所述书写用笔(8)通过紧固旋钮(9)安装在末端工具固定盘(10)上，所述末端工具固定盘(10)与动平台(4)连接。

8.基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，其特征在于包括以下步骤：

书写人手持三轴并联力反馈机构中的书写用笔(8)，其在空间中的书写动作带动动平台(4)的运动，进而使三个减速盘(2)和相应的直流电机(1)产生不同角度的转动，并改变电机尾部编码器的位置值；

本地端控制器中的CPU对三个编码器位置值实时采样并打包后加密、并通过以太网发送给远程端控制器；

远程端控制器的CPU以接收到的三组编码器数据作为目标位置分别作为电机驱动的控制信号，对相应的三个电机分别进行位置伺服控制，跟随本地端书写人的书写动作，在纸面形成书写笔迹。

9.根据权利要求8所述的基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，其特征在于还包括以下步骤：

当远程端三轴并联力反馈机构中的书写用笔(8)笔尖接触纸面时，纸面对笔尖的反作用力引起三个直流电机(1)的反向扭矩，进而改变电机驱动的电流；

远程端控制器的CPU对三个直流电机(1)电流值实时采样并打包后加密、并通过以太网发送给本地端控制器；

本地端控制器的CPU以接收到的三组电流数据作为目标电流产生电机控制信号，对相应的三个电机分别进行电流闭环控制；三个直流电机(1)的扭矩产生的合力作用于书写人手上，从而在持笔处复现远程端书写的力感，实现书写的力反馈。