CN1453670A - 临场力感应操作控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人操作控制器，特别是机器人系统中具有主从操作手式的微型操作控制器，它包括：控制器的支架，其上方安装摆动杆，下方是圆环形的手指套环，摆动杆上安装感应线圈，两套电磁极按照一定斜度左右对称安装在支架两侧，在磁极上安装由漆包线绕制的线圈，磁极面都呈现为圆柱面，两个面的垂直距离不大于5mm，之间空间嵌入上述线圈，通过电磁感应原理产生力矩信号，控制从操作手。特点是：结构紧凑，体积小，输出的力矩信号稳定，与相同体积的力矩电机相比，该装置能够输出比较大的力矩信息，特别适合小型、微型控制设备中，为操作者提供力(力矩)反馈信息，使操作者能够直接地感受到反馈力的临场感效果。

Description

临场力感应操作控制器

技术领域

本发明涉及一种机器人操作控制器，特别是机器人系统中具有主从操作手式的微型操作控制器。

背景技术

这种主从型操作的机器人系统是由操作主手和操作从手两大部分组成的。工作时，操作者抓住机器人的操作主手柄，通过控制主手柄上的移动装置指示机器人的从手进行某些操作。机器人的从手按照机器人主手发出的命令完成各种任务；同时机器人从手在工作时，安装在从手上的力传感器将工作过程中机器人从手与工作对象接触时承受的力(力矩)转换为电信号，传送到机器人的主手上，在机器人主手上应该有一个特定的装置将由机器人从手上传来的力(力矩)的电信号转换为作用力(力矩)，并施加在操作者的手上，使操作者能够感觉到机器人从手在现场工作时受力的情况，就如同操作者亲临现场，直接感觉到工作力的情况。

在以往的主从式机器人控制系统中，这种安装在机器人主手上的，能够将电信号转换为力(力矩)信号的装置都采用直流式力矩电机来完成。直流式力矩电机具有输出力矩大，电流的过载能力强，能够在堵转的情况下(电机的转子只提供力矩，不发生旋转运动)的情况下长时间工作等特点。工业用的大型主从式机器人系统都是采用直流力矩电机作为主手的力(力矩)信息提供装置。即如上所述，将从手的力(力矩)信号经过线性的功率放大后，作为主手上力矩电机的输入电流，力矩电机轴就会输出与输入电流成正比的力矩信号，使操作者能够直接感觉到这个力矩信号。但是直流式力矩电机的缺点是体积比相同功率的其它类型直流电机的体积要大，比较笨重，目前最小的直流式力矩电机的长度也在800mm，电机体直径在600mm以上，本身重量很重，而且市场上很难买到。当研制的主从式机器人系统本身体积要求很小，主从式机器人所完成的工作是属于微小操作类型时，要求组成机器人主从手结构的各种零部件都非常小，各种控制机构的控制信号与输出信号的功率也很小，但是各种信号的精度都很高。由于体积所限制，控制信号与输出信号所限制，力矩电机就不能够使用。目前在微操作机器人研究领域，这是一个很难解决的问题。

本发明参考了以下发明专利：经过专利查询(美国专利和世界专利)，关键词为：(临场感(tele-present，tele-presence)and力感觉(force sensation，force sense))or力反馈(forcefeedback)or力矩电机(torque motor)or激励器(actuator)or电磁(magnetic)，搜索的范围是专利的全文。得到相关的专利有9项，全部是美国专利，国内为0项。名称如下：

                     1、United States Patent：6,437,771Name：Force feedback device including flexure member between actuator and user objectInventors：Rosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Jackson；Bemard G(Atherton，CA)

                           2、United States Patent：6,278,439Name：Method and apparatus for shaping force signals for a force feedback deviceInventors：Rosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Braun；Adam C.(Sunnyvale，CA)

                           3、United States Patent：6,104,158Name：Force feedback systemInventors：Jacobus；Chares J.(Ann Arbor，MI)；Riggs；Alan J.(Ann Arbor，MI)；Taylor；Mark J.(Ann Arbor，MI)

                           4、United States Patent：6,057,828Name：Method and apparatus for providing force sensations in virtual environments in accordancewith host softwareInventors：Rosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Jackson；Bernard G.(Atherton，CA)

                          5、United Stat+es Patent：5,959,613Name：Method and apparatus for shaping force signals for a force feedback deviceInventors：Rosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Braun；Adam C.(Sunnyvale，CA)

                          6、United States Patent：5,844,392Name：Haptic browsingInventors：Peurach；Thomas M.(Novi，MI)；Haanpaa；Douglas(Ann Arbor，MI)；Yocum；Todd(Arn Arbor，MI)；Jacobus；Charles J.(Ann Arbor，MI)

                          7、United States Patent：5,631,861Name：Force feedback and texture simulating interface deviceInventors：Kramer；James F.(Stanford，CA)

                          8、United States Patent：6,307,285Name：Actuator with repulsive magnetic forcesInventors：Delson；Nathan J.(Branford，CT)；Houston；John S(New York，NY)

                          9、United States Patent：6,437,770Name：Flat-coil actuator having coil embedded in linkageInventors：Venema；Steven(Seattle，WA)；Hannaford；Blake(Seattle，WA)

专利1是在计算机虚拟环境下提供了一种力感觉的方法和装置(设备，apparatus)。在该设备中包括了局部微处理器(Local micro-processor)，人机接口设备(human/computerintefface)，以及用户(user)可以操纵的手柄，该手柄可以用在多个自由度运动，如游戏杆，轨迹球等器件中。局部微处理器可以与主计算机(host computer)进行通讯，接受主计算机发出的命令，对命令进行解释，并输出控制信号到激励器(actuator)上；同时接受位置传感器(position sensor)反馈回来的位置信息。在使用中，位置传感器将手柄位置误差(当前的位置与前一采样时刻的位置之间的差)信息传给局部微处理器，微处理器在上传给主计算机。主计算机通过运算，计算出应该输出的力的数值，并下传给局部微处理器，微处理器将信号传给激励器，通过激励产生力信号，并将力信号作用在手柄上，使操作者能够感觉到。提供的力信号可以模拟在某种物质中运动的阻尼现象，可以模拟与坚硬物体的碰撞现象。该装置可以用于计算机虚拟显示技术，计算机游戏仿真技术等领域。专利文件对该装置的基本结构，局部微处理器与主计算机的通讯实现，局部微处理器接收位置传感器信息的方式等都作了详细的描述，但是由局部微处理器发出的力信号输出到激励器上后，激励器是如何将这个电信号线性化地变换为力(力矩)信号的原理没有作说明。文献中提到的一个实施例中是用直流伺服电动机完成这一转换过程的。

专利2是专利1的继续，专利1是对该装置的硬件描述，专利2是对同一装置中使用到的通讯软件，产生力波形的软件、计算参数、以及软件编程与应用环境的描述。该专利中描述：定义一个力信号需要以下几个参数：信号稳定时的幅值(steady state magnitude)，频率值(frequency value)，持续值(duration value)。稳定状态幅值表示感知到的力的稳定状态值，频率参数表示感知的频率，持续值表示感知到的力的持续时间。同时还提供了一组脉冲参数，包括冲击力幅值(impulse magnitude)，作用时间(settle time)。冲击力幅值定义了感知到的冲击力的水平，这个力不同于稳定状态下的力的幅值，作用时间表示力信号从冲击力向稳定状态力的过渡时间。以上被描述的参数定义了输出力的方向和幅值，通过主计算机或局部微处理器按照以上的参数设置，可以形成力的源波形(source wave)，并通过激励器实现力的转换和输出。文献中对激励器的工作原理，电——力信号转换的过程没有做任何说明。

专利3描述了一种具有触摸感觉的虚拟现实(tactile virtual reality)技术与系统，利用操作者的位置和朝向(position and orientation)产生一个虚拟现实的力场(force field)，作用于操作者上的力是这个力场的函数。操作者通过一个六轴控制器(six-axis manipulator)与主计算机进行交互，感受作用力。但该专利对如何由计算机输出的电信号转换为力信号的细节没有描述，使用的激励器的原理不详。

专利4的内容与专利1完全相同。

专利5的内容与专利2完全相同。

专利6描述了一种在虚拟现实环境中建立触摸式力感觉(touch or haptic)的方法，通过建立力的几何分布数据库(geometrical databases)的方法实现上述目标，但是对提供的感觉力的方法没有作说明。

专利7描述了一种能够为虚拟现实技术建立虚拟力感觉环境的计算机接口技术和设备，其中涉及到计算机CAD技术，数据手套(data gloves)技术等。

专利8描述了一种利用磁装置，由电信号产生力信号的装置。该专利的内容与本申请有一些相关的内容，都是利用电—磁原理产生力，但是工作原理有本质的区别。专利8是利用相同的磁极在靠近时产生相互排斥力这一原理，磁铁1被固定在一个装置上，磁铁2可以在一定的范围内活动，磁铁3相对于磁铁2的位置被固定在适当位置上，使得磁铁2的磁极与磁铁3的相同磁极相接近，相同磁极之间产生的排斥力就由磁铁2和磁铁3产生，磁铁1对上述的作用力起到一个调整的作用。上述的各块磁铁可以是永磁性的，也可以是电磁性的，如果是电磁性的，通过调整激磁电流可以改变产生的力的大小。这种利用相同磁极相互接近后产生相斥力的方法在实际应用中具有一定的局限性，因为由磁铁(电磁铁或永磁铁)产生的磁场在空间的分布很不均匀，特别是磁力在空间的作用强度变化很大，并不是随着距离的增大而线性的衰减。作用力的大小几乎是随着距离磁极的距离增大而指数的衰减(随着远离磁极，磁力很快的消失)。这种非线性的关系很难在精密操作系统中得到应用，特别是在主从控制式机器人微操作系统中，要求反馈的力信号在一定的范围内具有比较精确的线性变化关系。另外这种激励产生力信号的方法对移动磁极的位置要求很高，特别是系统在初始情况下(力输出为0的时刻)，因为系统中有永磁铁出现，即使移动的磁铁为电磁铁，而且此时电磁铁中没有激磁电流流过，电磁铁此时并不具有磁性，但是它还是导磁体，在一定的距离内位置固定的永磁体对这个导磁体仍存在力的作用。要消除这个力，就要求两个磁铁相隔足够远，距离足够大。这又为系统正常工作时设置工作初始点带来很大的困难，系统精度受到很大的影响。

专利9描述了一种通过电磁原理产生力(或力矩)的装置与方法。该装置中包括一个扁平线圈(flat coil)，线圈通过某种连接形式，可以围绕一个固定的轴转动。两个磁铁(可以是永磁铁，或电磁铁)平行于扁平线圈放置，一个位于线圈的上方，一个位于线圈的下方。当线圈中通过电流时，在磁铁产生的磁场的作用下，扁平线圈就围绕旋转轴产生一个旋转的力矩。这个原理类似于一般直流电动机的原理。这种装置在某些应用环境(针对主从式微操作机器人的应用环境)中具有局限性，首先为了得到输出力矩(转距)的最大值，上述的扁平线圈的放置姿态要求与磁极表面垂直。这样就限制了扁平线圈的宽度。如果线圈很宽，两个磁极之间的磁场空间就要求很大，相应的磁铁的体积也很大，不能满足一些细微操作系统的应用环境。线圈的宽度很小，其输出的力矩就很小。另一个严重的不足是，如同简易电动机的原理，尽管扁平线圈中流过的电流能够保持恒定，线圈在均匀磁场中产生的力不是恒定的，输出的力的大小随着线圈的旋转角度的变化产生非线性的变化(依照三角函数的关系变化)，而且当旋转角度达到90度时，输出力矩为0(尽管此时的激磁电流还保持恒定值)。所以这种装置在要求体积微小，运动轨迹是直线或弧线，力感觉在一定的范围内与激磁电流严格保持线性关系的环境中应用还达不到要求。

发明内容

本发明是针对以上各专利在特定应用环境中的不足，为满足这些特殊应用环境和要求提出一种新的装置，应用新的产生力的结构，使得产生的力(或力矩)能够在运动的范围内严格与激磁电流保持线性关系，且体积小巧，输出力(力矩)大，线性度要求高，工作的初始点容易确定(当激磁电流为0时，上述装置输出的力(力矩严格为0)。特别适合于应用在精密操作系统中主控制器的力感觉环节中，为操作者提供一个精密的、线性的力感觉信号。同时嵌入在该装置中的位置传感器将操作柄的位移信息转换为电信号，输出到主控制系统中。

本发明设计了一种电磁式力矩输出装置，该装置能够将电信号线性地变换为力矩信号，而且体积小，重量轻，出力大，线性度好，非常适合于安装在结构微小，精度要求高的主从式微操作机器人系统中，作为主手力临场感装置。

该发明的装置安装在一个机器人辅助显微手术系统中，机器人的主手由手术医生操作，控制机器人的从手辅助主刀医生完成一些人工完成比较困难的工作。机器人从手在操作时的作用力通过力传感器变换为电信号传到主手，安装在机器人主手上的本装置接受该电信号，并将这个电信号转换为作用力矩，使操作者有力感觉。

本发明的技术方案是：1)利用高导磁材料制成两对磁极，与绕组线圈配合形成具有较大强度的电磁式磁场，磁极的几何形状为立方体，每对磁极形成磁场的表面为圆柱形曲面；2)可移动的绕组线圈的几何形状为圆柱曲面，导线沿圆柱曲面的四个边界(其中两个边界为直线，另两个边界为圆弧形)环绕而成；3)可移动线圈的框架被固定在摆动杆的中间部位，移动线圈的两个直线形边界延伸到线圈两侧的圆柱曲面磁场中；4)当组成圆柱曲面形磁场的磁极线圈通过电流时，可移动线圈的两侧形成了方向相反、空间间隙为圆柱形的磁场，可移动线圈的两个直线边界能够在这两个磁场中作圆弧式运动；5)当可移动线圈内通过电流时，线圈的两个直线边界上的导线流过方向相反的电流，在两侧方向相反的磁场作用下，线圈的两个直线边界上的导线受到电磁力的作用，且两个作用力的方向相同，这两个力的合力在操作柄上产生力矩，力矩的大小与磁场强度成正比，与线圈的两个直线边界上的导线匝数成正比，与流过该绕组的电流成正比。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：实现了输出力矩的直接控制，控制方式简单，易于实现；系统的整体结构简单，调试工作很少；接收的控制信号的形式简单，便于与上层控制单元的配合，具有很强的适应性；系统的整机体积小、输出力矩大(相对于相同体积下的力矩电机)、实用性强。

附图说明

图1——图8为本装置的局部工作原理示意图  其中图1为左侧磁场上方磁极，图2为左侧磁场下方磁极，图3为两个磁极形成的电磁场，图4为载流导线在磁场中受到的力；图5为右侧磁场上方磁极，图6右侧磁场下方磁极，图7为两个磁极形成的电磁场，图8为载流导线在磁场中受到的力

图9是本发明中由电信号产生力信号的原理图

图10是本发明装置的零件安装图(立体)

图11是向运动线圈(5)供电的控制原理框图

图12是向运动线圈(5)供电的电路图

图13是向恒流电磁线圈8、9、12、13供电的控制原理框图

图14是向恒流电磁线圈8、9、12、13供电的电路图

图中：1、本装置框架机构f，2、摆动杆L，3、手指套环O，4、可移动线圈架K0，5、移动线圈L0，6、磁极M1，7、磁极M2，8、线圈L1，9、线圈L2，10、磁极M3，11、磁极M4，12、线圈L3，13、线圈L4，14、电位器W，15、控制信号接收与滤波部分，16、电流调节器，17、功率放大器，18、过电流保护单元，19、电流取样与滤波放大电路，20、电流给定部分，21、电流调节器，22、功率放大器，23、过电流保护单元，24、电流取样滤波与比例放大电路。

具体实施方式

下面结合各图对本发明进行具体说明：

本发明是由以下几个主要零部件组成的，本装置的框架机构f(1)，以活动轴的形式安装在框架机构上壁前端的摆动杆L(2)，该摆动杆可以如图9所示的方向摆动，运动范围不小于40度。该摆动杆的下端有一个手指套环O(3)，用于操作者的手指操作。在摆动杆的中央部位固定安装了具有圆柱面形状的矩形线圈架K0(4)，在该线圈架上用漆包线缠绕成移动线圈L0(5)，该线圈随着摆动杆一起运动。在摆动杆的左侧，按照一定的倾斜度安装了两个磁极M1(6)，M2(7)，其中M1位于上方，M2位于下方；在磁极M1和M2的极柄上分别安装了线圈L1(8)，L2(9)，两个线圈的缠绕方向使得磁极M1为N极，磁极M2为S极。两个磁极M1，M2的面都呈现为圆柱面，两个面之间的垂直距离不大于5mm。在摆动杆L的右侧，按照与左侧对称的位置安装了两个磁极M3(10)，M4(11)，其中M3位于上方，M4位于下方。在磁极M3和M4的极柄上分别安装了线圈L3(12)，L4(13)，两个线圈的缠绕方向使得磁极M3为S极，磁极M4为N极。两个磁极M3，M4的面都呈现为圆柱面，两个面之间的垂直距离不大于5mm。在实施例中磁极的长度是80mm，磁极圆柱面的弧长是40mm，上下两个磁极圆柱面之间的空间距离是5mm。

与中央摆动杆L固定连接的圆柱面矩形移动线圈L0的左边的边能够在磁极M1和磁极M2之间的空间内运动，圆柱面矩形移动线圈L0的右边的边能够在磁极M3和磁极M4之间的空间内运动。

当磁极M1的线圈L1通过某一恒定值的电流时，磁极M1就形成了一个电磁铁，磁极的方向如图1所示。同样，当磁极M2的线圈L2也通过相同方向，相同大小的电流时，磁极M2也形成了一个强度大致相同的电磁铁，如图2所示。在磁极M1和磁极M2之间的空间内就形成了一个分布均匀的恒定磁场Φ1，如图3所示。与中央摆动杆L固定连接的圆柱面矩形移动线圈L0的左边在这个恒定的磁场中，当线圈L0通过一个直流电流时，线圈L0的左侧的边就受到一个电磁力如图4所示。

当磁极M3的线圈L3通过某一恒定值的电流时，磁极M3就形成了一个电磁铁，磁极的方向如图5所示。同样，当磁极M4的线圈L4也通过相同方向，相同大小的电流时，磁极M4也形成了一个强度大致相同的电磁铁，如图6所示。在磁极M3和磁极M4之间的空间内就形成了一个分布均匀的恒定磁场Φ2，如图7所示。与中央摆动杆L固定连接的圆柱面矩形移动线圈L0的右边在这个恒定的磁场中，当线圈L0通过一个直流电流时，线圈L0的右侧的边就受到一个电磁力如图8所示。

所受到的电磁力的大小可以用下面的公式表示：

                         F＝n·K·L·Φ·I

其中，K为比例常数，n为可移动线圈导线的匝数，L为线圈位于恒定磁场内部分的长度，φ为恒定磁场的磁场强度，I为流过线圈导线的电流。综合以上各示意图可以得出，移动线圈L0的受力是该线圈的左、右两个边的受力的和，可以用下面的公式表示：

                         F_L0＝2n·K·L·Φ·I

由以上的公式可以看出，线圈L0所受的力F与可移动线圈L0的缠绕匝数n成正比，与线圈L0中流过的电流I的大小成正比，与线圈L0在恒定磁场中的导线长度L成正比，与恒定磁场的磁场强度φ成正比。当线圈L0的缠绕匝数n，线圈L0在恒定磁场中的导线长度L，恒定磁场的磁场强度φ都确定后，改变线圈L0中流过的电流I的大小时，移动线圈L0的受力F就会随电流I的变化而变化，通过中央摆动杆L输出的力矩M_q可以用下式表示：

                         M_q＝n·K·L·Φ·I·l_L

其中：l_L是中央摆动杆L的长度，如图9所示。

安装在中央摆动杆L的中间部位的移动线圈L0由专用电路供电，该供电电路的结构框图如图11所示，图12是这个电路的详细电路实现图。这个电路有以下几个模块组成：1)电流控制信号模块 2)电流调节器模块 3)控制信号功率放大模块 4)线圈L0内电流取样模块5)电流取样滤波与信号放大模块 6)线圈L0内电流过载保护模块 7)以及本电路的负载——线圈L0。下面将各模块的功能，以及本电路的工作原理叙述如下：

控制信号接收与滤波部分—电流控制信号(15)，其功能是接收上层控制单元发出的电流控制信号，该控制信号的大小表示了该临场力感应操作器应该输出的力或力矩的大小，并对这个控制信号进滤波处理，滤除掉在信号传输过程中进入的各种干扰信号，将滤波后的信号传送到下一级——电流调节器；

电流调节器(16)，接受上一级发送的电流控制信号，和流过移动线圈(5)的电流的取样(反馈)信号，将这两个电流信号进行比较，当电流控制信号大于电流取样信号时，该电流控制器输出高电压(逻辑1)，使后一级的功率放大器正向工作，向移动线圈(5)输出正电压，提高移动线圈中的电流。当电流控制信号小于电流取样信号时，该电流控制器输出低电压(逻辑0)，使后一级的功率放大器反向工作，向移动线圈(5)输出负电压，减小移动线圈中的电流。电流取样信号由电流取样单元(19)发出；

功率放大器(17)，是由脉宽调制控制器和H型桥式功率放大器(由4个功率MOS半导体管Q1、Q2、Q3、Q4构成，如图12所示)组成的，其功能是：当控制器输出高电压(逻辑1)时，脉宽调制控制器控制H型桥式功率放大器的Q1、Q3导通，向移动线圈(5)输出正向电压，提高移动线圈中的电流。当控制器输出低电压(逻辑0)时，脉宽调制控制器控制H型桥式功率放大器的Q2、Q4导通，向移动线圈(5)输出负电压，减小移动线圈中的电流；

过电流保护单元(18)的功能是：当控制系统发生故障，移动线圈(5)中的电流达到一定值(大于某一安全的给定值)时，过电流保护电路将关掉脉宽调制控制器和H型桥式功率放大器，使移动线圈(5)中的电流为0；

电流取样与滤波放大电路(19)：通过H型桥式功率放大器中的电流取样电阻RQ1、RQ2，对流过移动线圈(5)中的电流进行取样，并经过滤波器进行滤波，将混杂在信号中的高频噪声率除掉，并对信号进行电压放大，最后提供给电流调节器(16)。

磁极M1、M2、M3、M4上的线圈L1、L2、L3、L4的供电电路完全相同，图13是向这些线圈供电的电路原理框图，图14是该电路的实现电路图。这个控制电路是由以下几个模块组成的：1)线圈电流给定模块2)电流调节器模块3)控制信号功率放大模块4)线圈Li(I＝1，2，3，4)内电流取样模块5)取样电流滤波与信号放大模块6)线圈Li(I＝1，2，3，4)内电流过载保护模块7)以及本电路的负载——线圈Li(I＝1，2，3，4)。下面将各模块的功能，以及本电路的工作原理叙述如下：

电流给定部分(20)，其功能是由一电位器给出确定的电压值，该值的大小确定了电磁是磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中流过的电流的大小，并对这个给定值信号进行滤波处理，滤除掉在信号变化(电位器旋转变化时)引入的各种干扰信号，将滤波后的信号传送到下一级——电流调节器；

电流调节器(21)，接受上一级发送的电流给定信号，和流过磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)的电流的取样(反馈)信号，将这两个电流信号进行比较，当电流控制信号大于电流取样信号时，该电流控制器输出高电压(逻辑1)，使后一级的功率放大器正向工作，向磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)输出正电压，提高线圈中的电流。当电流给定信号小于电流取样信号时，该电流控制器输出低电压(逻辑0)，使后一级的功率放大器不工作，不向磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)输出电压，线圈中的电流由于电阻的作用自然减小。电流取样信号由电流取样单元(24)发出；

功率放大器(22)，是由脉宽调制控制器和功率放大器(由功率半导体管T1、Q1构成，如图14所示)组成的，其功能是：当控制器输出高电压(逻辑1)时，脉宽调制控制器控制功率放大器的T1、Q1导通，向移动线圈(5)输出正向电压，提高线圈中的电流。当控制器输出低电压(逻辑0)时，脉宽调制控制器控制功率放大器的T1、Q1不导通，使得线圈中的电流自然减小；

过电流保护单元(23)的功能是：当控制系统发生故障，磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流达到一定值(大于某一安全的给定值)时，过电流保护电路将关掉脉宽调制控制器和功率放大器，使磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流为0；

电流取样与滤波放大电路(24)：通过功率放大器中的电流取样电阻RQ1，对流过磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流进行取样，并经过滤波器进行滤波，将混杂在信号中的高频噪声除掉，并对信号进行电压放大，最后提供给电流调节器(22)。

与摆动杆L的旋转轴同轴连接的电位器W随着摆动杆的摆动而旋转，当电位器的两端加上适当的电压后(+5V，-5V)，电位器的中间输出端的电压随着电位器旋转轴的转动位置不同给出不同的电压值，该电压值与摆动杆L的摆动位置呈线性关系，利用该电压值就可以线性地表示摆动杆L或手指套环O的运动位置(相对于中心点)，该信号作为位置反馈信号提供给控制系统。

Claims (5)

1.一种临场力感应操作控制器，其特征在于它包括：

一个操作控制器的支架(1)，其上方安装摆动杆(2)，下方是一个圆环形的手指套环(3)，该摆动杆能够沿着安装的轴线做圆弧形运动，摆动最大幅度不小于40度；

一个电位器W(14)，安装在摆动杆的安装旋转轴上，随摆动杆的摆动而旋转；

一个矩形线圈支架(4)，表面为圆柱面形，固定安装于摆动杆的中央；

一个弧形线圈(5)，用导线(漆包线)绕制而成，绕在矩形线圈支架(4)上；

一对电磁极M1(6)、M2(7)，由高导磁材料制成，具有圆柱曲面形，按照一定斜度安装在操作控制器的支架左侧，上方是M1(6)，磁极的N极，下方是M2(7)，磁极的S极，在磁极M1、M2的磁柄上分别安装了线圈L1(8)、L2(9)，两个磁极M1、M2的面都呈现为圆柱面，两个面的垂直距离不大于5mm，之间空间嵌入与摆动杆安装在一起的圆柱面型线圈(5)；

一对电磁极M3(10)、M4(11)，由高导磁材料制成，具有圆柱曲面形，按照与左侧对称的位置安装在操作控制器的支架右侧，在磁极上安装由漆包线绕制的线圈，线圈的方向使得安装在右侧的一对磁极上方的磁极M3(11)是S极，下方的磁极M4(11)是N极。

2.根据权利要求1所述的临场力感应操作控制器，其特征在于：电位器W(14)由标准直流电源(20，+5V，-5V)供给，电位器中间输出端的电压随着电位器旋转轴的转动位置不同给出不同的电压值，该电压值与摆动杆(2)的摆动位置呈线性关系，利用该电压值就可以线性地表示摆动杆与手指套环(3)的运动位置(相对于中心点)，该信号作为位置输出信号提供给上层控制系统(21)。

3.根据权利要求1所述的临场力感应操作控制器，其特征在于：矩形线圈支架(4)，其上为圆弧型线圈(5)，置于左右两对磁极M1、M2和M3、M4形成的磁场N、S，S、N之间；

4.根据权利要求1所述的临场力感应操作控制器，其特征在于：流过移动线圈(5)的电流是由专用的恒流控制电流调节器进行控制，电流调节控制电路包括：

控制信号接收与滤波部分—电流控制信号(15)，接收上层控制单元发出的电流控制信号，该控制信号的大小表示了该临场力感应操作器应该输出的力或力矩的大小，并对这个控制信号进滤波处理，滤除掉在信号传输过程中进入的各种干扰信号，将滤波后的信号传送到下—级—电流调节器(16)；

电流调节器(16)，接受上—级发送的电流控制信号，和流过移动线圈(5)的电流的取样(反馈)信号，将这两个电流信号进行比较，当电流控制信号大于电流取样信号时，该电流控制器输出高电压(逻辑1)，使后一级的功率放大器(17)正向工作，向移动线圈(5)输出正电压，提高移动线圈中的电流；当电流控制信号小于电流取样信号时，该电流控制器输出低电压(逻辑0)，使后一级的功率放大器反向工作，向移动线圈(5)输出负电压，减小移动线圈中的电流；电流取样信号由电流取样单元(19)发出；

功率放大器(17)，是由脉宽调制控制器和H型桥式功率放大器(由4个功率MOS半导体管Q1、Q2、Q3、Q4构成，如图12所示)组成的，当控制器输出高电压(逻辑1)时，脉宽调制控制器控制H型桥式功率放大器的Q1、Q3导通，向移动线圈(5)输出正向电压，提高移动线圈中的电流；当控制器输出低电压(逻辑0)时，脉宽调制控制器控制H型桥式功率放大器的Q2、Q4导通，向移动线圈(5)输出负电压，减小移动线圈中的电流；

过电流保护单元(18)，当控制系统发生故障，移动线圈(5)中的电流达到一定值(大于某一安全的给定值)时，过电流保护电路将关掉脉宽调制控制器和H型桥式功率放大器，使移动线圈(5)中的电流为0；

电流取样与滤波放大电路(19)：通过H型桥式功率放大器中的电流取样电阻RQ1、RQ2，对流过移动线圈(5)中的电流进行取样，并经过滤波器进行滤波，将混杂在信号中的高频噪声滤除掉，并对信号进行电压放大，最后提供给电流调节器(16)。

5.根据权利要求1所述的临场力感应操作控制器，其特征在于：中央摆动杆左、右两侧的各一对电磁式磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流由专用的恒流式电流控制器控制，它包括：

电流给定部分(20)，是由一电位器给出确定的电压值，该值的大小确定了电磁式磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中流过的电流的大小，并对这个给定值信号进行滤波处理，滤除掉在信号变化(电位器旋转变化时)引入的各种干扰信号，将滤波后的信号传送到下一级—电流调节器(21)；

电流调节器(21)，接受上一级发送的电流给定信号，和流过磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)的电流的取样(反馈)信号进行比较，当电流控制信号大于电流取样信号时，该电流控制器输出高电压(逻辑1)，使后一级的功率放大器正向工作，向磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)输出正电压，提高线圈中的电流；当电流控制信号小于电流取样信号时，该电流控制器输出低电压(逻辑0)，使后一级的功率放大器不工作，不向磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)输出电压，线圈中的电流由于电阻的作用自然减小；电流取样信号由电流取样单元(24)发出；

功率放大器(22)，是由脉宽调制控制器和功率放大器(由功率半导体管T1、Q1构成)组成的，当控制器输出高电压(逻辑1)时，脉宽调制控制器控制功率放大器的T1、Q1导通，向移动线圈(5)输出正向电压，提高线圈中的电流；当控制器输出低电压(逻辑0)时，脉宽调制控制器控制功率放大器的T1、Q1不导通，使得线圈中的电流自然减小；

过电流保护单元(23)，当控制系统发生故障，磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流达到一定值(大于某一安全的给定值)时，过电流保护电路将关掉脉宽调制控制器和功率放大器，使磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流为0；

电流取样滤波与比例放大电路(24)，通过功率放大器中的电流取样电阻RQ1，对流过磁极线圈(8)、(9)、(12)、(13)中的电流进行取样，并经过滤波器进行滤波，将混杂在信号中的高频噪声率除掉，并对信号进行电压放大，最后提供给电流调节器(22)。

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