CN1608809A - 力反馈数据手套的力反馈装置 - Google Patents

Abstract

力反馈数据手套的力反馈装置涉及一种实现遥控操作机器人控制的人机接口装置，包括两个连接扣，由缸体和活塞组成，在活塞的一端设有活塞杆且活塞杆自缸体的内部延伸至缸体的外部，连接扣和另一连接扣分别设在缸体和活塞杆上，在活塞的周面上设有轴向槽，在轴向槽的槽底设有电极板，在缸体的内壁上设有另一电极板，在缸体的活塞运动空间内充有电流变液体。本发明具有结构简单、控制简单、算法简单、成本低等优点。

Description

力反馈数据手套的力反馈装置

                                  技术领域

本发明涉及一种实现遥操作机器人控制的人机接口装置，尤其涉及一种力反馈数据手套的力反馈装置。

                                  背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人机接口装置。数据手套和机器人手控器是两种常见的遥操作机器人的人机接口装置，机器人手控器是实现遥操作机器人控制的很有效的人机接口装置，但手控器相对而言，机械结构复杂，在固定的平台上操作，限制了手的活动范围，而且长时间操作后，操作者会感到劳累。传统的数据手套一般都能够较为准确地测量手指关节的转角和手指间的转角，并根据测量数据对远程机械手的抓取等动作进行控制，但不具有力觉反馈功能。力反馈数据手套作为一种人机接口装置，它一方面通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或虚拟现实中的虚拟机械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力觉/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受，而且它克服了手控器机械结构复杂、手的活动范围小和传统数据手套不具有力反馈功能的缺点，具有广泛的使用前景。

力反馈可以分为主动型和被动型，力反馈数据手套的力反馈装置可以装在手掌和手臂上，一般用一组机械结构固定在手臂，用微电机进行驱动；也有通过一组气动或液压装置固定在手掌上，用气或液休驱动。安装在手臂上的力反馈装置因其在手臂上，所以手可以自由的张开和握紧，但由于机构较为复杂，使这种力反馈装置重量较大，戴上这种力反馈数据手套长时间操作后手容量感到疲劳，而且控制电路也较为复杂，控制电路和驱动电机也要放置在工作平台上。安装在手掌上的力反馈装置的尺寸可以做得小一点，所以重量较轻，但是由于装置安装在手掌上，使手的张合受到影响，手掌不能完全握紧，另外，不管是气动还是液压的，都要有压力源，控制电路也比较复杂。

                                  发明内容

本发明提供一种结构简单的轻便型力反馈数据手套的力反馈装置。

本发明采用如下技术方案：

一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的力反馈数据手套的力反馈装置，包括2个连接扣，由缸体和活塞组成，在活塞的一端设有活塞杆且活塞杆自缸体的内部延伸至缸体的外部，连接扣和另一连接扣分别设在缸体和活塞杆上，在活塞的周面上设有轴向槽，在轴向槽的槽底设有电极板，在缸体的内壁上设有另一电极板，在缸体的活塞运动空间内充有电流变液体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、结构简单。本发明的整个装置结构简单，主要部件是一个开纵向槽的活塞，另外还有连杆、连接扣、隔板等，机械加工精度要求也不高。在现有的力反馈数据手套中，最有代表性的是CyberGrasp和Rutgers MasterII，其中CyberGrasp是通过把较为复杂的机构安装在手背上，在每个手指固定一根细线，用一个微型电机拉动线使手指产生力的感觉，因其机械结构复杂、重量较大，使操作者长时间操作后产生疲劳，另外，接口电路和驱动电机要另外安装在一个远处的控制盒内，从而使摩擦力增大且手的活动范围也受到限制。Rutgers MasterII力反馈数据手套是通过一组安装在手掌上的机构组成，重量较轻，摩擦力也较小，但由于其是气动的，所以必须提供额外高压气源，另外其控制装置也比较复杂。

2、控制简单，远程或虚拟环境传送过来的力转换成0～5V的电压信号，把这个电压信号输入一个高压模块，产生一个与之成比例的高压信号，把这个高压信号加在力反馈装置的两电极之间即可控制反馈力大小。

3、算法简单，力与电场具有明确的对应关系即反馈力的大小与加在力反馈装置上的电场(即高压信号值)的平方成正比。

4、采用新兴的技术即电流变技术，电流变液体在电场作用下产生电流变效应，使表征电流变液体流变特性的表观粘发生变化，从而阻碍活塞在汽缸中的运动产生力反作用于手指上，使手指感觉到力的作用。

5、成本低，电流变液体、结构装置和控制电路等的成本都很低，所以整个装置的成本也比较低。

                                  附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明实施例的结构示意图。

图3是本发明实施例的横截面结构示意图。

                                  具体实施方式

一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的力反馈数据手套的力反馈装置，包括2个连接扣5、6，连接扣通常可采用球形铰链并由球形铰链将本发明两端分别与数据手套的手指和手掌连接，上述力反馈装置由缸体1和活塞2组成，在活塞2的一端设有活塞杆21且活塞杆21自缸体1的内部延伸至缸体1的外部，连接扣5和另一连接扣6分别设在缸体1和活塞杆21上，在活塞2的周面上设有轴向槽22，在轴向槽22的槽底设有电极板3，在缸体1的内壁上设有另一电极板4，在缸体1的活塞运动空间11内充有电流变液体，在活塞2的另一端设有活塞杆22，在缸体1内隔板7，在隔板7上设有孔，活塞2的另一端上的活塞杆22自缸体1的活塞运动空间11内延伸至缸体1的非活塞运动空间12。

上述电流变液体是一种液体智能材料，当有电场存在时，其流变学特性如粘度发生剧烈的变化。电流变液体是悬浮溶液，由固体粒子(分散相)均匀地分散在基础溶液(连续相)里，固体粒子和基础溶液均是绝缘性较好的电介质。固体粒子的直径大小在十分之一至百分之一微米，电流变效应有时称作Winslow效应，是由分散相粒子和连续相粒子的极化产生的，当有电场存在时，分散相粒子由于极化运动，在电场方向上形成链，当电场强度不断加大时，这种链就会变大，这就可能导致电流变液体的粘度、剪切力和其它特性发生变化，由原来流体状态变成半流体(具有一定黏弹性)如凝胶体，甚至变成固体。当移去电场时，电流变液体恢复成原来的流体。其工作原理如下：力反馈装置结构如图1、2和3所示。当没有电场加在两个电极之间时，活塞可以在汽缸内自由活动，当有电场加到两个电极之间时，电流变液体的流变学性能发生了变化，粘度提高，活塞在汽缸内活动时产生抗剪切屈服应力。从而阻碍汽缸滑动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用。当操作者戴上力反馈数据手套操作远程或虚拟环境的机械手时，数据手套测量到操作者手指的各种姿态信息，作为指令发送到远程机械手，操作远程或虚拟机械手的运动，当远程虚拟机械手抓到物体时，物体对机械手的反作用力通过力或力矩传感器传送到操作者，这种力或力矩信息通过现有的普通控制电路(低压到高压转换模块)成比例地转换成高压(小电流)加载到力反馈装置的两极之间(汽缸内表面和活塞小槽的表面)，使两极之间的电流变液体的流变学性能改变，表面粘度系数加大，从而阻止手指继续向手掌方向运动，产生一个被动的反馈力作用。

Claims (2)

1、一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的力反馈数据手套的力反馈装置，包括2个连接扣(5、6)，其特征在于由缸体(1)和活塞(2)组成，在活塞(2)的一端设有活塞杆(21)且活塞杆(21)自缸体(1)的内部延伸至缸体(1)的外部，连接扣(5)和另一连接扣(6)分别设在缸体(1)和活塞杆(21)上，在活塞(2)的周面上设有轴向槽(22)，在轴向槽(22)的槽底设有电极板(3)，在缸体(1)的内壁上设有另一电极板(4)，在缸体(1)的活塞运动空间(11)内充有电流变液体。

2、根据权利要求1所述的力反馈数据手套的力反馈装置，其特征在于在活塞(2)的另一端设有活塞杆(23)，在缸体(1)内隔板(7)，在隔板(7)上设有孔，活塞(2)的另一端上的活塞杆(23)自缸体(1)的活塞运动空间(11)内延伸至缸体(1)的非活塞运动空间(12)。

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