CN113276137A - 一种遥操作磁悬浮力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及遥操作技术领域，公开了一种遥操作磁悬浮力反馈装置，包括控制模块、关节反馈装置和末端执行器反馈装置，关节反馈装置和末端执行器反馈装置均设置有至少一个力反馈单元，力反馈单元包括定子和设置在定子中的转子，转子的一侧设置有第一转子接口，定子的外侧设置有定子接口，定子中设置有隔离带，定子的内壁和转子的外壁产生的磁力相斥，使得转子在定子中悬浮；控制模块与关节反馈装置和末端执行器反馈装置均电连接，以控制隔离带一侧的定子磁力减小、隔离带另一侧的定子磁力增加，使得转子的外壁与定子的内壁接触产生摩擦力。本发明无需根据不同关节转动特点设置多种结构，利用磁悬浮结构作为力反馈单元，使得反馈的的作用力更加精准。

Description

一种遥操作磁悬浮力反馈装置

技术领域

本发明涉及遥操作技术领域，特别是涉及一种遥操作磁悬浮力反馈装置。

背景技术

遥操作是一种可交互操作平台，面对可视设备进行操作控制时，由于缺乏触觉效果，在有些领域(如外科手术等)，在虚拟环境下完成的操作与真实环境差别很大。为了解决上述难题，力反馈概念引入遥操作系统，通过对工作设备所受压力和目标的形变过程进行实时数值计算，模拟出目标的变形情况和工作设备的受力状态，并通过外接的力反馈输出设备，使操作人员感知到反馈力的存在，更好的达到工作要求。但是，目前的力反馈装置的机械结构零件较多，结构复杂，需要根据不同关节转动特点设置多种结构，导致穿戴设备穿戴过程复杂，设备自重较重，影响操作者活动的灵活性。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种遥操作磁悬浮力反馈装置，以解决现有力反馈装置结构复杂，需要根据不同关节转动特点设置多种结构的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述遥操作磁悬浮力反馈装置，包括控制模块、用于反馈机械臂受力的关节反馈装置和用于反馈机械手受力的末端执行器反馈装置，所述关节反馈装置和所述末端执行器反馈装置均设置有至少一个力反馈单元，所述力反馈单元包括定子和设置在所述定子中的转子，所述转子的一侧设置有第一转子接口，所述定子的外侧设置有定子接口，所述定子中设置有隔离带，所述定子的内壁和所述转子的外壁产生的磁力相斥，使得所述转子在所述定子中悬浮；所述控制模块与所述关节反馈装置和所述末端执行器反馈装置均电连接，以控制所述隔离带一侧的定子磁力减小、所述隔离带另一侧的定子磁力增加，使得所述转子的外壁与所述定子的内壁接触产生摩擦力。

优选地，所述转子的另一侧设置有第二转子接口，且所述第二转子接口上覆盖有可产生磁力的封口盖。

优选地，所述关节反馈装置包括多个依次连接的所述力反馈单元，相邻的所述力反馈单元通过连接杆连接，所述连接杆的一端连接其中一个所述力反馈单元的所述第一转子接口，所述连接杆的另一端连接相邻的所述力反馈单元的所述定子接口。

优选地，所述关节反馈装置还包括两个辅助固定杆，其中一个所述辅助固定杆与其中一端的所述力反馈单元的所述第一转子接口连接；另一个所述辅助固定杆通过所述连接杆与另一端的所述力反馈单元的所述定子接口连接。

优选地，所述控制模块内置于所述辅助固定杆中。

优选地，每个所述力反馈单元在所述定子的外侧均设置有两个导线接口，其中一个所述力反馈单元的两个所述导线接口各通过导线连接一个相邻的所述力反馈单元的所述导线接口。

优选地，所述末端执行器反馈装置包括控制主机、角度辅助连杆、固定把手、活动把手和所述力反馈单元，所述控制模块内置于所述控制主机中，所述固定把手固定在所述控制主机上，所述角度辅助连杆的一端与所述力反馈单元的第一转子接口连接，所述角度辅助连杆的另一端与所述控制主机连接，所述活动把手与所述力反馈单元的定子接口连接，所述力反馈单元与所述控制主机电连接。

优选地，所述角度辅助连杆包括相对间隔设置的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆设置在所述第一转子接口的一侧，所述第二连杆设置在所述第一转子接口的另一侧，不同的所述末端执行器反馈装置，所述第二连杆的宽度不同。

优选地，所述末端执行器反馈装置还包括弹性构件，所述弹性构件的一端与所述活动把手固定，所述弹性构件的另一端与所述固定把手抵接。

优选地，所述转子呈圆球形，所述定子呈一侧具有开口的中空球形。

本发明实施例一种遥操作磁悬浮力反馈装置与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的遥操作磁悬浮力反馈装置通过关节反馈装置和末端执行器反馈装置分别反馈机械臂和机械手的受力状态，使得操作人员可以感知反馈力的存在，更好的达到工作要求。本发明中，关节反馈装置和末端执行器反馈装置均通过设置的力反馈单元反馈作用力，机械结构零件少，结构简单，无需根据不同关节转动特点设置多种结构。本发明通过定子和转子构成磁悬浮结构，作为力反馈单元，可以保证每个弯曲角度都不受力，最小限度地减小操作阻力，使得反馈的的作用力更加精准。并且，通过控制定子和转子之间的磁力变化使得定子与转子之间产生阻力，从而使得摩擦阻力可以无极变化，将该摩擦阻力作为反馈力，可以模拟多种环境下的遥操作力反馈。并且，本发明中将电磁力作为主要动力，可以使用轻质材料制作穿戴结构，减轻穿戴重量，使得操作者活动更加灵活。

附图说明

图1是本发明实施例所述力反馈单元的结构示意图；

图2是本发明实施例中转子的结构示意图；

图3是本发明实施例中定子在一个视角下的结构示意图；

图4是本发明实施例中定子在另一个视角下的结构示意图；

图5是本发明实施例所述关节反馈装置的结构示意图；

图6是本发明实施例所述末端执行器反馈装置的结构示意图；

图7是本发明实施例所述末端执行器反馈装置在一个使用状态下的状态示意图；

图8本发明实施例所述末端执行器反馈装置在另一使用状态下的状态示意图；

图9是本发明实施例所述遥操作磁悬浮力反馈装置的应用示意图；

图中，10、关节反馈装置；20、末端执行器反馈装置；30、机械臂关节；40、机械手；50、处理器；

1、力反馈单元；11、定子；1101、第一定子；1102、第二定子；111、定子接口；112、隔离带；113、导线接口；12、转子；121、第一转子接口；122、第二转子接口；123、封口盖；2、连接杆；3、辅助固定杆；4、导线；5、角度辅助连杆；51、第一连杆；52、第二连杆；6、活动把手；7、控制主机；8、固定把手；9、弹性构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1－图7所示，本发明实施例的一种遥操作磁悬浮力反馈装置，包括控制模块、用于反馈机械臂受力的关节反馈装置10和用于反馈机械手40受力的末端执行器反馈装置20，使操作人员可以感知到反馈力的存在，更好的达到工作要求；所述关节反馈装置10和所述末端执行器反馈装置20均设置有至少一个力反馈单元1，通过结构相同的力反馈单元1构成关节反馈装置10和末端执行器反馈装置20，可以无需根据不同关节转动特点设置多种结构，使得机械零件较少，简化了机械结构；所述力反馈单元1包括定子11和设置在所述定子11中的转子12，所述转子12的一侧设置有第一转子接口121，第一转子接口121用于与相邻的力反馈单元1或其他外接部件(例如辅助固定杆3等)连接；所述定子11的外侧设置有定子接口111，定子接口111用于与相邻的力反馈单元1或其他外接部件(例如辅助固定杆3等)连接；所述定子11中设置有隔离带112，隔离带112不产生磁力，隔离带112将定子11拆分为第一定子1101和第二定子1102两个部分，隔离带112与第一定子1101和第二定子1102均是螺纹连接，以便于拆卸，安装时，可以先将隔离带112自第一定子1101上拆下，将转子12放置于第一定子1101中后，再安装隔离带112和第二定子1102，避免转子12自第一定子1101中滑脱；所述定子11的内壁和所述转子12的外壁所产生的磁力相斥，使得所述转子12在所述定子11中悬浮，可通过在转子12和定子11中通入方向相反的电流实现；所述控制模块与所述关节反馈装置10和所述末端执行器反馈装置20均电连接，以控制所述隔离带112一侧的定子11磁力减小、所述隔离带112另一侧的定子11磁力增加，使得转子12在定子11中转动，隔离带112两侧的定子磁力不同，使得转子12在定子11中转动，所述转子12的外壁与所述定子11的内壁接触产生摩擦力，产生阻尼感，将摩擦力作为反馈的作用力，并通过控制磁力变化可以控制摩擦力的大小，从而反馈不同大小的作用力。

需要说明的是，隔离带112两侧的第一定子1101和第二定子1102的磁力大小可以分别改变，以控制磁力的变化，具体地，通过在第一定子1101和第二定子1102中内置各自独立的电路板来控制电流实现，调整第一定子1101和第二定子1102的磁力变化。

本发明通过定子11和转子12构成磁悬浮结构，作为力反馈单元1，可以保证每个弯曲角度都不受力，最小限度地减小操作阻力，使得反馈的的作用力更加精准。并且，通过定子11和转子12之间的磁力变化产生摩擦阻力，使得摩擦阻力可以无极变化，将该摩擦阻力作为反馈力，可以模拟多种环境下的遥操作。并且，本发明中将电磁力作为主要动力，可以使用轻质材料制作穿戴结构，减轻穿戴重量，使得操作者活动更加灵活。

本实施例中，如图2－图4所示，所述转子12呈圆球形，所述定子11呈一侧具有开口的中空球形，以便于转子12可以安装在定子11中，并方便转子12在定子11中转动，在定子11一侧预留开口便于第一转子接口121与相邻的力反馈单元1或外接部件连接，其中，开口的截面大于第一转子接口121的截面。隔离带112呈与定子11截面形状相匹配的圆环状，置于所述定子11中。优选地，隔离带112的设置位置为定子11的半圆球位置，使得隔离带112所拆分形成的第一定子1101呈半圆球形，第二定子1102小于半圆球，定子接口111设置在第一定子1101的外侧，开口设置在第二定子1102上。

本实施例中，所述转子12的另一侧设置有第二转子接口122，且所述第二转子接口122上覆盖有可产生磁力的封口盖123，以使得转子12外壁产生的磁力均匀。当将转子12放置于定子11中时，第一转子接口121朝向定子11的外侧，第二转子接口122朝向定子11内壁的一侧。进一步地，优选地，第一转子接口121和第二转子接口122关于转子12的中心对称设置，当转子12呈圆球形时，第一转子接口121和第二转子接口122关于转子12的圆心对称设置。

如图5所示，所述关节反馈装置10包括多个依次连接的所述力反馈单元1，相邻的所述力反馈单元1通过连接杆2连接，所述连接杆2的一端连接其中一个所述力反馈单元1的所述第一转子接口121，所述连接杆2的另一端连接相邻的所述力反馈单元1的所述定子接口111。由于力反馈单元1通过定子11和转子12构成的磁悬浮结构组成，转子12在定子11中可以任意转动，使得多个力反馈单元1构成的关节反馈装置10可以跟随关节运动。需要说明的是，力反馈单元1的数量根据需要的关节角度确定，控制模块可对关节反馈装置10中的各个力反馈单元1进行分别控制，以使得各个力反馈单元1根据机械臂的实际受力分别反馈相应的阻力。图5中所示关节反馈装置10可以进行180°旋转，以反馈机械臂关节30的受力情况。

进一步地，所述关节反馈装置10还包括两个辅助固定杆3，用于将关节反馈装置10整体插入穿戴设备中，便于关节反馈装置10跟随人体关节运动；其中一个所述辅助固定杆3与其中一端的所述力反馈单元1的所述第一转子接口121连接；另一个所述辅助固定杆3通过所述连接杆2与另一端的所述力反馈单元1的所述定子接口111连接。优选地，所述控制模块内置于所述辅助固定杆3中，以接收机械臂的受力信号，并根据机械臂的受力信号控制定子11内壁电流的大小，从而调整电磁力，增加或是减小定子11与转子12之间的摩擦力，产生不同效果的阻力。

如图5所示，每个所述力反馈单元1在所述定子11的外侧均设置有两个导线接口113，其中一个所述力反馈单元1的两个所述导线接口113各通过导线4连接一个相邻的所述力反馈单元1的所述导线接口113，以通过导线4向力反馈单元1供电。需要说明的是，导线4仅起到供电作用。位于两端的力反馈单元1的其中一个导线接口113与辅助固定杆3连接。

如图6所示，所述末端执行器反馈装置20包括控制主机7、角度辅助连杆5、固定把手8、活动把手6和所述力反馈单元1，所述控制模块内置于所述控制主机7中，以接收机械手40的受力信号，并根据机械臂的受力信号控制定子11内壁电流的大小，从而调整电磁力，增加或是减小定子11与转子12之间的摩擦力，产生不同效果的阻力；所述固定把手8固定在所述控制主机7上，所述角度辅助连杆5的一端与所述力反馈单元1的第一转子接口121连接，所述角度辅助连杆5的另一端与所述控制主机7连接，所述角度辅助连杆5用于固定所述活动把手6与所述固定把手8之间的角度，以适应于操作者的手掌大小，便于抓握；所述活动把手6与所述力反馈单元1的定子接口111连接，所述力反馈单元1与所述控制主机7电连接，以控制力反馈单元1中的磁力变化。本实施例中，末端执行器反馈装置20仅设置有一个力反馈单元1，来反馈末端执行器的受力情况。需要说明的是，本发明中，控制模块可以内置于辅助固定杆3中，也可以内置于控制主机7中，或者，控制模块还可以是独立于关节反馈装置10和末端执行器反馈装置20之外的部件，或者，在辅助固定杆3和控制主机7中各内置一个控制模块，分别对关节反馈装置10和末端执行器反馈装置20的力反馈单元1进行磁力控制，本发明不做具体限定。

进一步地，优选地，所述角度辅助连杆5包括相对间隔设置的第一连杆51和第二连杆52，所述第一连杆51设置在所述第一转子接口121的一侧，所述第二连杆52设置在所述第一转子接口121的另一侧，不同的所述末端执行器反馈装置20，所述第二连杆52的宽度不同，使得第二连杆52对活动把手6的限定位置不同，从而使得活动把手6与固定把手8之间的夹角不同。由于第二连杆52的左侧与转子12的固定位置固定不变，第二连杆52的右侧与转子12的固定位置将限定活动把手6的活动范围，通过更换不同宽度的第二连杆52，可以调整活动把手6与固定把手8之间的角度，适应不同的手掌大小。例如，如图7所示，第二连杆52的宽度变小，活动把手6相对于转子12转动的范围增加，使得活动把手6与固定把手8之间的角度增加，适合较大手掌抓握；如图8所示，第二连杆52的宽度变大，活动把手6相对于转子12转动的范围减小，使得活动把手6与固定把手8之间的角度减小，适合较小手掌抓握。

本实施例中，所述末端执行器反馈装置20还包括弹性构件9，所述弹性构件9的一端与所述活动把手6固定，所述弹性构件9的另一端与所述固定把手8抵接。弹性构件9的弹力作用于活动把手6，起到使活动把手6复位的作用。需要说明的是，弹性构件9的弹力并不是主要的反馈作用力，末端执行器反馈装置20通电后，转子12和定子11构成的力反馈单元1通过磁力变化产生的摩擦力为主要的反馈作用力。优选地，弹性构件9为弹片。进一步地，优选地，弹性构件9为弧形弹片。

本实施例中，固定把手8与控制主机7垂直固定，活动把手6呈弧形弯曲，以更加贴合手掌抓握曲线，增加舒适度。

本实施例中，所述力反馈单元1的所述定子11的外侧设置有导线接口113，所述导线接口113通过导线4与所述固定把手8连接，以使得力反馈单元1与控制主机7电连接。

结合图9说明本发明的工作过程为：

预先在机械手40和机械臂关节30中均设置传感器，以分别测量机械手40和机械臂的受力情况。通过处理器50将机械手40和机械臂的受力特征分别转换为数字信号，并将数字信号传输至控制模块中，控制模块根据接收的数字信号对力反馈单元1中的磁力变化进行控制调整，以反馈机械手40和机械臂关节30的受力。需要指出的是，处理器50可以是用于处理信号转换的独立部件，也可以内置于控制模块中。本发明不做具体限定。需要指出的是，处理器50与控制模块的信息传递可以是有线的，也可以是远程无线的。

具体地，操作者首先在需要感受反馈的关节处穿戴弹性固定装备，将两个辅助固定杆3分别插入弹性固定装备，以将关节反馈装置10与弹性固定装备固定，使得关节反馈装置10可以跟随人体关节运动。机械臂工作时，机械臂关节30的受力特征经处理器50转换为数字信号，并传递至辅助固定杆3内部内置的控制模块，控制模块根据信号的类型调整定子11的内壁电流的大小，从而调整电磁力变化，并以阻力形式传递给装置固定在操作人员的关节部位。

操作者根据手掌大小更换适当宽度的第二连杆52，以抓握末端执行器反馈装置20。机械手40工作时，机械手40的受力特征经处理器50转换为数字信号，并传递至控制主机7内部内置的控制模块，控制模块根据信号的类型调整定子11的内壁电流的大小，从而调整电磁力变化，并以阻力形式传递给装置固定在操作人员的手部。

需要说明的是，本发明所述遥操作磁悬浮力反馈装置不仅可以应用于工业机器人的遥操作力反馈，还可以应用于其他领域的遥操作力反馈，例如，医学领域的操作机器人等。

综上，本发明实施例提供一种遥操作磁悬浮力反馈装置，其通过关节反馈装置10和末端执行器反馈装置20分别反馈机械臂和机械手40的受力状态，使得操作人员可以感知反馈力的存在，更好的达到工作要求。本发明中，关节反馈装置10和末端执行器反馈装置20均通过设置的力反馈单元1反馈作用力，机械结构零件少，结构简单，无需根据不同关节转动特点设置多种结构。本发明通过定子11和转子12构成磁悬浮结构，作为力反馈单元1，可以保证每个弯曲角度都不受力，最小限度地减小操作阻力，使得反馈的的作用力更加精准。并且，通过控制定子11和转子12之间的磁力变化使得定子11与转子12之间产生阻力，从而使得摩擦阻力可以无极变化，将该摩擦阻力作为反馈力，可以模拟多种环境下的遥操作力反馈。并且，本发明中将电磁力作为主要动力，可以使用轻质材料制作穿戴结构，减轻穿戴重量，使得操作者活动更加灵活。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，包括：

控制模块、用于反馈机械臂受力的关节反馈装置和用于反馈机械手受力的末端执行器反馈装置，所述关节反馈装置和所述末端执行器反馈装置均设置有至少一个力反馈单元，所述力反馈单元包括定子和设置在所述定子中的转子，所述转子的一侧设置有第一转子接口，所述定子的外侧设置有定子接口，所述定子中设置有隔离带，所述定子的内壁和所述转子的外壁产生的磁力相斥，使得所述转子在所述定子中悬浮；所述控制模块与所述关节反馈装置和所述末端执行器反馈装置均电连接，以控制所述隔离带一侧的定子磁力减小、所述隔离带另一侧的定子磁力增加，使得所述转子的外壁与所述定子的内壁接触产生摩擦力。

2.根据权利要求1所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述转子的另一侧设置有第二转子接口，且所述第二转子接口上覆盖有可产生磁力的封口盖。

3.根据权利要求1所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述关节反馈装置包括多个依次连接的所述力反馈单元，相邻的所述力反馈单元通过连接杆连接，所述连接杆的一端连接其中一个所述力反馈单元的所述第一转子接口，所述连接杆的另一端连接相邻的所述力反馈单元的所述定子接口。

4.根据权利要求3所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述关节反馈装置还包括两个辅助固定杆，其中一个所述辅助固定杆与其中一端的所述力反馈单元的所述第一转子接口连接；另一个所述辅助固定杆通过所述连接杆与另一端的所述力反馈单元的所述定子接口连接。

5.根据权利要求4所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述控制模块内置于所述辅助固定杆中。

6.根据权利要求3所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，每个所述力反馈单元在所述定子的外侧均设置有两个导线接口，其中一个所述力反馈单元的两个所述导线接口各通过导线连接一个相邻的所述力反馈单元的所述导线接口。

7.根据权利要求1所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述末端执行器反馈装置包括控制主机、角度辅助连杆、固定把手、活动把手和所述力反馈单元，所述控制模块内置于所述控制主机中，所述固定把手固定在所述控制主机上，所述角度辅助连杆的一端与所述力反馈单元的第一转子接口连接，所述角度辅助连杆的另一端与所述控制主机连接，所述活动把手与所述力反馈单元的定子接口连接，所述力反馈单元与所述控制主机电连接。

8.根据权利要求7所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述角度辅助连杆包括相对间隔设置的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆设置在所述第一转子接口的一侧，所述第二连杆设置在所述第一转子接口的另一侧，不同的所述末端执行器反馈装置，所述第二连杆的宽度不同。

9.根据权利要求7所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述末端执行器反馈装置还包括弹性构件，所述弹性构件的一端与所述活动把手固定，所述弹性构件的另一端与所述固定把手抵接。

10.根据权利要求1所述的遥操作磁悬浮力反馈装置，其特征在于，所述转子呈圆球形，所述定子呈一侧具有开口的中空球形。

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