CN112775993A - 一种三自由度平动力反馈式手控器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度平动力反馈式手控器，包括X方向直线模组、Y方向直线模组、Z方向直线模组、操作组件和驱动控制器。X方向直线模组的滑台与Y方向直线模组的底座连接，Y方向直线模组的滑台与Z方向直线模组的底座连接。操作组件包括三维力传感器和操作手柄，三维力传感器一端与Z方向直线模组的滑台连接，另一端与操作手柄连接，用于检测操作手柄受到的操作力的大小和方向并输出三维力参数。驱动控制器与所有驱动电机电气连接，驱动控制器与三维力传感器通过信号电缆线连接，驱动控制器用于根据三维力参数和外部远端执行器上三维力传感器参数调整所有驱动电机的转速和输出转矩。

Description

一种三自由度平动力反馈式手控器

技术领域

本发明属于反馈式手控器领域，尤其涉及一种三自由度平动力反馈式手控器。

背景技术

随着人类作业领域的不断增大，任务执行的复杂性、精度要求也在不断提高。而由于目前机器人控制技术的局限，在今后的很长一段时间内，针对复杂环境下的空间机器人操作仍然需要操作人员的参与。

人机交互技术是指人通过一定的交互方式实现操作者和机器之间交互的一种技术，在虚拟现实、深海探测和远程手术等领域应用广泛。力反馈手控器是遥操作机器人系统中广泛采用的一种人机交互设备。作为操作者和虚拟机器人或真实机器人中间的媒介，手控器不但具有将操作者手部位姿信息发送给本地控制系统的功能，而且可以将虚拟系统中虚拟机器人接触到的纹理信息或者远端机器人与环境的交互力展示给操作者。因此，能使操作人员在远距离操作过程中获得临场感，辅助操作人员进行精确控制的反馈式手控器尤为重要。

然而，目前的三自由度平动力反馈手控器机身结构复杂、结构刚度低、工作行程范围小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度平动力反馈式手控器，以解决现有技术中三自由度平动力反馈手控器结构复杂的问题。

本发明的技术方案为：

一种三自由度平动力反馈式手控器，包括：X方向直线模组、Y方向直线模组、Z方向直线模组、操作组件和驱动控制器；

所述X方向直线模组、所述Y方向直线模组和所述Z方向直线模组均包括底座、驱动电机和设于所述底座上的滑动组件，所述滑动组件包括导轨、滑台和第一传动部件，所述驱动电机与所述第一传送部件连接，用于通过所述传送部件驱动所述滑台沿所述导轨做直线往复运动；

所述X方向直线模组的所述滑台与所述Y方向直线模组的所述底座连接，所述Y方向直线模组的所述滑台与所述Z方向直线模组的所述底座连接，所述X方向直线模组的所述导轨、所述Y方向直线模组的所述导轨和所述Z方向直线模组的所述导轨相互垂直；所述操作组件包括三维力传感器和操作手柄，所述三维力传感器一端与所述Z方向直线模组的所述滑台连接，另一端与所述操作手柄连接，用于检测所述操作手柄受到的操作力的大小和方向并输出三维力参数；

所述驱动控制器与所有所述驱动电机电气连接，所述驱动控制器与所述三维力传感器通过信号电缆线连接，所述驱动控制器用于根据所述三维力参数和外部远端执行器上三维力传感器参数调整所有所述驱动电机的转速和输出转矩。

优选地，所述第一传动部件包括设于所述底座上的主动轮、被动轮和同步带，所述同步带绕设于所述主动轮和所述被动轮，且所述同步带的运动方向与所述导轨的导向平行，所述滑台固定连接于所述同步带。3、根据权利要求2所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述X方向直线模组包括平行设置的两个所述滑动组件，所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中的两个所述主动轮之间通过第二传动部件连接，以实现同步转动，所述X方向直线模组的所述驱动电机与其中一个所述滑动组件中的所述主动轮连接；

所述Y方向直线模组和所述Z方向直线模组均包括一个所述滑动组件和一个所述驱动电机，所述Y方向直线模组的所述底座分别与所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中两个所述滑台连接。

优选地，所述传动部件包括传动轴和两个联轴器，所述传送轴两端分别通过所述联轴器与所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中的两个所述主动轮连接。

优选地，所述滑台上设有连接件，所述连接件与对应的所述底座或所述三维力传感器连接。

优选地，所述操作手柄上设有按压式按键，所述按压式按键与所述驱动控制器信号连接，所述驱动控制器还用于根据所述按压式按键的开关信号辅助调整所有所述驱动电机的转速和输出转矩。

优选地，所述驱动控制器为数字式驱动控制器。

优选地，所述驱动电机的末端设有光电编码器，所述光电编码器与所述驱动控制器信号连接。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明将空间复杂力问题转化为了简单的三轴分力进行相应控制，即简化了求解难度，也使得手控器操作更加符合操作员的直观感受；同时，本发明将三轴分力各自通过X方向直线模组、Y方向直线模组、Z方向直线模组三个模组模拟输出，结构简单、可靠，操作简单，容易实现。

(2)本发明一实施例提供的三自由度平动力反馈式手控器，利用直线导轨具有较长工作行程的特性，使其相对于其他结构的三自由度手控器而言更大的工作范围，并且通过更换不同规格的直线导轨模组可实现工作行程的自由定制，而不必受制于机器结构局限。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种三自由度平动力反馈式手控器的结构示意图；

图2为本发明的一种X方向直线模组的结构示意图；

图3为本发明的一种Y方向直线模组的结构示意图；

图4为本发明的一种Z方向直线模组的结构示意图；

图5为本发明的直线模组驱动方式示意图；

图6为本发明的一种三自由度平动力反馈式手控器的控制电路示意图。

附图标记说明：

1：X方向直线模组；2：Y方向直线模组；3：Z方向直线模组；4：操作组件；5：移动平台支撑基座；6：传动轴；7：联轴器；8：支撑座；9：连接件；10：驱动电机；11：工作台面；12：三维力传感器；13：操作手柄；14：按压式按键；15：同步带；16：滑台；17：盖板；18：主动轮。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明针对目前存在的空间三自由度平动手控器，提供一种基于力觉反馈引导的遥操作手控器，其具有结构可靠、行程大、精度高和工作范围可定制等特性，可实现高精度的位置追踪，并能为遥操作和虚拟现实交互提供实时而高精度的反馈力。

参看图1至图6，本实施例提供一种三自由度平动力反馈式手控器，包括X方向直线模组1、Y方向直线模组2、Z方向直线模组3、操作组件4和驱动控制器。X方向直线模组1、Y方向直线模组2和Z方向直线模组3均包括底座、驱动电机10和设于底座上的滑动组件，滑动组件包括导轨、滑台16和第一传动部件，驱动电机10与第一传送部件连接，用于通过传送部件驱动滑台16沿导轨做直线往复运动。

X方向直线模组1的滑台16与Y方向直线模组2的底座连接，Y方向直线模组2的滑台16与Z方向直线模组3的底座连接，X方向直线模组1的导轨、Y方向直线模组2的导轨和Z方向直线模组3的导轨相互垂直。操作组件4包括三维力传感器12和操作手柄13，三维力传感器12一端与Z方向直线模组3的滑台16连接，另一端与操作手柄13连接，用于检测操作手柄13受到的操作力的大小和方向并输出三维力参数。

驱动控制器与所有驱动电机10电气连接，驱动控制器与三维力传感器12通过信号电缆线连接，驱动控制器用于根据三维力参数和外部远端执行器上三维力传感器12参数调整所有驱动电机10的转速和输出转矩。

本实施例的X方向直线模组1用于实现手控器X方向平动，Y方向直线模组2用于实现手控器Y方向平动，Z方向直线模组3用于实现手控器Z方向平动，将空间复杂力问题转化为了简单的三轴分力进行相应控制，即简化了求解难度，也使得手控器操作更加符合操作员的直观感受。

现对本实施例的结构进行说明。

本实施例包括工作台面11和移动平台支撑基座5，移动平台支撑基座5的下端固定在移动平台上，移动平台支撑基座5的上端通过支撑座8与X方向直线模组1的底座固定连接。

滑台16上都设置有连接件9，Y方向直线模组2的底座与X方向直线模组1的滑台16上的连接件9连接，Z方向直线模组3的底座与Y方向直线模组2的滑台16上的连接件9连接，三维力传感器12与Z方向直线模组3的滑台16上的连接件9连接。但，这些滑台16上的连接件9可以是不同的样式，此处不做限制。

滑动组件中的导轨设置在底座上，第一传动部件包括设于底座上的主动轮18、被动轮和同步带15，同步带15绕设于主动轮18和被动轮，且同步带15的运动方向与导轨的导向平行；滑台16固定连接于同步带15，具体可以是如图5所示通过盖板17夹紧固定在同步带15上。同步带15移动，带动滑台16在导轨上滑动。主动轮18转动时，带动从动轮和同步带15转动，同步带15转动带动与之相连的滑台16沿导轨移动。

X方向直线模组1包括平行设置的两个滑动组件，X方向直线模组1中的两个滑动组件中的两个主动轮18之间通过第二传动部件连接，以实现同步转动。具体地，第二传送部件可以是两个联轴器7和一个传动轴6，传动轴6的两端分别通过联轴器7与两个滑动组件的主动轮18连接，而X方向直线模组1的驱动电机10与其中一个滑动组件中的主动轮18连接。进一步地，联轴器7和主动轮18之间可以通过连接轴连接，即主动轮18套设并固定在连接轴上，连接轴再和联轴器7连接。Y方向直线模组2的底座分别与X方向直线模组1中的两个滑动组件中两个滑台16连接。

Y方向直线模组2和Z方向直线模组3均包括一个滑动组件和一个驱动电机10，在Y方向直线模组2和Z方向直线模组3中，驱动电机10的输出端均可以通过联轴器与对应滑动组件中的主动轮18连接。

操作手柄13上设有按压式按键14，与驱动控制器信号连接，用于检测手控器是否处于安全运行状态，辅助驱动控制器调整所有所述驱动电机10的转速和输出转矩。其中，安全运行状态指只有在按下按压式按键14同时给操作手柄13施加力，才会使手控器运行。具体地，按压式按键14可以为一枚常开按压开关，正常情况下为断开状态，只有当按下后才会接通，且只有一直按住才会保持接通，松开后立即断开。当操作员按住按压式按键14时，按压式按键14接通发出信号，当驱动控制器接收到按压式按键14的接通信号后，此时对操作手柄13施加工作力，本实施例的三自由度平动力反馈式手控器才会开始移动。若施加工作力前未按住按压式按键14或在工作工程中松开按压式按键14，本实施例将立即停止运动并通过声光等方式报错。按压式按键14的设置可以防止误触操作手柄13。

在本实施例中，驱动控制器可以是数字式驱动控制器。驱动电机10的末端可以设置光电编码器，光电编码器与驱动控制器信号连接。驱动电机10可以是直流电机。

综上，Y方向直线模组2固定在X方向直线模组1的滑台16上，通过X直线导轨模组中的驱动电机10驱动实现X方向运动与反馈力输出；Z方向直线模组3固定在Y方向直线模组2的滑台16上，通过Y直线导轨模组中的驱动电机10驱动实现Y方向运动与反馈力输出；Z方向直线模组3的滑台16上装有操作组件4，通过安装在Z直线导轨模组中的驱动电机10驱动，实现Z方向运动与反馈力输出。

进一步地，本实施例还可以包括远端执行器反馈装置，远端执行器反馈装置包括接触式三维力传感器12，力传感器信号采集电路和通信电路。

本实施例包括多个控制电路：电源电路、按键信号采集电路、力传感器信号采集电路、主控电路、电机驱动电路、光电编码器信号采集电路、通信电路。其中电源电路为整个控制电路和所有驱动电机10供电(即电源给控制系统供电和给驱动系统供电)，传感器运动参数和按压式按键14的检测信号经由力传感器信号采集电路和按键信号采集电路输入至主控电路计算转化为各个驱动电机10的控制参数并经由电机驱动电路控制驱动电机10运转。同时，光电编码器信号采集电路将采集的光电编码器信息输入回主控电路进行驱动电机10的反馈，同时这些参数转化为本实施例的三自由度平动力反馈式手控器的位移、速度等状态信息，通过通信电路显示在操作端反馈界面，并传递至远端执行机构作为控制参数输入，同样远端执行件的相关状态参数经由通信电路传递回主控电路。

本实施例的使用方法可以为：

①移动平台支撑基座5提升了三个直线模组与工作台面11之间的距离，为三个直线模组以及操作组件4之间的运动提供空间。本实施例提供的三自由度平动力反馈式手控器以图1所示的位置作为初始位置。

②操作员未按下按压式按键14且对操作手柄13施加工作力时，驱动电机10将锁死，本实施例提供的三自由度平动力反馈式手控器将无法移动，同时操作端反馈界面将提示“操作员非法操作，系统拒绝操作！”。

③操作员按下按压式按键14且对操作手柄13施加工作力时，可以将测量出的操作手柄13的位移量和速度实时映射到远端执行器上，若远端执行器运动未遭遇阻碍，施加在操作手柄13末端的力矩可以分解为三个方向上的分力，作为电机驱动电路的输入量，通过电机驱动电路控制各运动方向上的驱动电机10输出，给出合适的控制量，驱动驱动电机10产生一定速度完成运动，此时操作员无明显反馈感。

④操作员按下按压式按键14且对操作手柄13施加工作力时，若远端执行器运动遭遇阻碍，将产生一个实时交互力，这个实时交互力将再现于操作手柄13上，从而实现实时力反馈。本实施例的反馈力通过将施加在操作手柄13末端的三维力传感器12信号与执行器端三维力传感器12信号分解为三个方向的分力，再进行各自方向上的求差处理得到。得到的反馈力将作为电机驱动电路的输入量，通过电机驱动电路控制各运动方向上的驱动电机10输出，给出合适的控制量，驱动驱动电机10产生一定速度完成运动，此时操作员可明显感受到反馈力。

本实施例可以在空间内进行三自由度的平移运动，由驱动控制器采集X方向直线模组1、Y方向直线模组2、Z方向直线模组3的驱动电机10底部光电编码器的信号，从而可以采集到操作手柄13的空间位置信息；将手控器的空间信息发送至远端执行器作为执行器目标位置的输入，从而对远端执行器精选位置追踪。当需要进行反馈控制时，驱动控制器将对操作手柄13的输入力(通过三维力传感器12)和执行器端的阻碍力进行运算，控制驱动元件产生一定的负载，实现反馈力的再现。

本实施例扩大了手控器的工作行程。利用三个直线模组具有较长工作行程的特性，相对于其他结构的三自由度手控器而言，本实施例具有更大的工作范围，并且通过更换不同规格的直线模组可实现工作行程的自由定制，而不必受制于机器结构局限。

同时，本实施例提高了手控器的控制精度。通过采用高精度的直线模组与相配合的控制策略(自适应误差补偿算法)，提高了手控器的运动精度和响应灵敏性，避免了其他类型手控器因机身结构负责、误差扰动过多问题而产生的定位不准、运动精度不高问题，进而可实现更加稳定的运动控制和反馈力模拟。

本实施例提供的三自由度平动力反馈式手控器作为一种力觉交互装置，用于机器人异地遥操作方面。操作过程中，操作员可通过本地手控器的视觉、力觉反馈直观感受远端执行机构信息，从而通过操纵手控器快速精准控制远端执行机构的运动，可广泛应用于异地远距离遥操作、恶劣条件探索等人机交互领域。

本实施例是一种通用式的三自由度力反馈式手控器，其在机身刚度、可操作性、执行范围、灵活定制等方面具有明显的优势，极大提高了手控器的适用范围和工作效率。

本实施例将复杂的空间复杂运动分解为三个方向的平移运动，三个方向运动和反馈力输出分别由三个驱动电机10控制的直线导轨来实现，控制过程中运算效率高，工作稳定，且更加符合操作员直观感受。

本实施例在手柄处设置有一个三轴力传感器实时获取传感器数据，通过对操作端三维工作力传感信号与远端执行器传感器的三维阻碍力传感信号三方向分解后进行求差处理，结果输入电机驱动电路控制驱动电机10的转速和输出转矩，给定合适的控制量驱动电机10运动，从而产生合适的力反馈。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，包括：X方向直线模组、Y方向直线模组、Z方向直线模组、操作组件和驱动控制器；

所述X方向直线模组、所述Y方向直线模组和所述Z方向直线模组均包括底座、驱动电机和设于所述底座上的滑动组件，所述滑动组件包括导轨、滑台和第一传动部件，所述驱动电机与所述第一传送部件连接，用于通过所述传送部件驱动所述滑台沿所述导轨做直线往复运动；

所述X方向直线模组的所述滑台与所述Y方向直线模组的所述底座连接，所述Y方向直线模组的所述滑台与所述Z方向直线模组的所述底座连接，所述X方向直线模组的所述导轨、所述Y方向直线模组的所述导轨和所述Z方向直线模组的所述导轨相互垂直；所述操作组件包括三维力传感器和操作手柄，所述三维力传感器一端与所述Z方向直线模组的所述滑台连接，另一端与所述操作手柄连接，用于检测所述操作手柄受到的操作力的大小和方向并输出三维力参数；

所述驱动控制器与所有所述驱动电机电气连接，所述驱动控制器与所述三维力传感器通过信号电缆线连接，所述驱动控制器用于根据所述三维力参数和外部远端执行器上三维力传感器参数调整所有所述驱动电机的转速和输出转矩。

2.根据权利要求1所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述第一传动部件包括设于所述底座上的主动轮、被动轮和同步带，所述同步带绕设于所述主动轮和所述被动轮，且所述同步带的运动方向与所述导轨的导向平行，所述滑台固定连接于所述同步带。

3.根据权利要求2所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述X方向直线模组包括平行设置的两个所述滑动组件，所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中的两个所述主动轮之间通过第二传动部件连接，以实现同步转动，所述X方向直线模组的所述驱动电机与其中一个所述滑动组件中的所述主动轮连接；

所述Y方向直线模组和所述Z方向直线模组均包括一个所述滑动组件和一个与对应所述滑动组件中所述主动轮连接的所述驱动电机，所述Y方向直线模组的所述底座分别与所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中两个所述滑台连接。

4.根据权利要求3所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述传动部件包括传动轴和两个联轴器，所述传送轴两端分别通过所述联轴器与所述X方向直线模组中的两个所述滑动组件中的两个所述主动轮连接。

5.根据权利要求1所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述滑台上设有连接件，所述连接件与对应的所述底座或所述三维力传感器连接。

6.根据权利要求1所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述操作手柄上设有按压式按键，所述按压式按键与所述驱动控制器信号连接，所述驱动控制器还用于根据所述按压式按键的开关信号辅助调整所有所述驱动电机的转速和输出转矩。

7.根据权利要求1所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述驱动控制器为数字式驱动控制器。

8.根据权利要求1所述的三自由度平动力反馈式手控器，其特征在于，所述驱动电机的末端设有光电编码器，所述光电编码器与所述驱动控制器信号连接。

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