基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构及方法

摘要

本发明公开了一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构及方法，结构包括底板、两侧固定架、三角板筋、Y轴电机、X轴电机、内框、三维力传感器、拉伸弹簧、Z轴电机、配重机构、扭转弹簧、力矩传感器和手柄把手；方法包括如下步骤：三维力传感器和力矩传感器对力反馈手柄三个方向上的回复力实时检测；将当前用户输入期望回复力与当前手柄各自由度回复力输出差值作为PID控制器的输入；在调节过程中，利用各个环节对当前的手柄的回复力输出迅速调整，使得手柄回复力的输出跟踪期望输入值；若当前的手柄回复力输出值与期望输入值一致时，将实现手柄回复力稳定跟踪输入。本发明结构简单，采用PID调节方式实时稳定控制手柄的回复力大小。

说明书

技术领域

本发明涉及力反馈技术领域，尤其是一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构及方法。

背景技术

目前，手部力反馈技术研究最具有代表性的为CyberGlove公司开发的CyberGrasp力反馈手套，该手套采用外骨架的形式，根据手指关节的舒展程度，施加作用力与指尖或关节上，让人产生力觉感受。此外，目前较为典型的一种手臂力反馈设备SensAbleTechnologies公司的Omni。手臂力反馈设备主要是针对手臂的运动，它具有较大的工作范围，能够允许操作者的手腕关节、手肘关节、肩关节在多个自由度上运动，并且能够在多个自由度上提供相应的阻力，完成人体手臂上的力觉临场产效果。

现有技术的力反馈设备针对手指或手部的操作过程中产生力反馈效果，为操作人员增强了实际操作中的力觉反馈，为准确定位操作提供另一种可靠依据。力反馈设备要求有回复力，而采用弹簧等产生回复力时与手柄推拉距离(弯曲角度)成正比，对力反馈产生很大的干扰，因此需要对回复力进行控制，使之保持恒定。同时要求力反馈设备结构设计合理，力反馈输出模拟设备特性良好，并且对机构回复力实现精确测量并以此为依据实时调整回复力输出提出更大的挑战，这成为目前力反馈技术研究中的一个重大技术难点。现有的力反馈技术大多采用力控制开环的控制策略，只是针对力反馈模拟设备进行调整，并没有实时对当前回复力输出测量并作为反馈，在力反馈控制中并非一种稳定的控制策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构及方法，结构简单，能够采用PID调节方式实时稳定控制手柄的回复力大小。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构，包括：底板1、两侧固定架2、三角板筋3、Y轴电机4、X轴电机5、内框6、三维力传感器7、拉伸弹簧8、Z轴电机9、配重机构10、扭转弹簧11、力矩传感器12和手柄把手13；底板1和两侧固定架2之间采用螺钉连接，并采用三角板筋3进行加固，三者共同构成了手柄结构固定基座；X轴电机5与Z轴电机9轴线相交于一点并与Y轴电机4中心点通过轴承连接，Y轴电机4两端与两侧固定架2通过轴承连接；两侧固定架2上端部分的安装孔与内框6转轴之间轴承连接，与X轴电机5安装位置相对于手柄整个机构中心的对称位置设置一个配重机构10；三维力传感器7安装在手柄结构固定基座底板1的中央，沿Z轴电机9末端垂直方向与拉伸弹簧8相连接；力矩传感器12安装在手柄Z轴旋转方向上，Z轴电机9与底板1垂直安装，并与手柄把手13相连接。

优选的，控制结构采用三个自由度非耦合的结构，利用伞齿轮改变动力传动方向。

优选的，拉伸弹簧8和扭转弹簧11组成弹簧装置，该弹簧装置产生的回复力由X轴电机5、Y轴电机4和Z轴电机9三个力矩电机对其进行补偿，且力矩电机力矩输出大小可控，与手柄机械结构中的弹簧装置共同为手柄的不同空间运动位置输出回复力。

相应的，一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制方法，包括如下步骤：

(1)三维力传感器7和力矩传感器12对力反馈手柄的三个方向上的回复力实时检测；

(2)将当前用户输入期望回复力与当前手柄各自由度回复力输出差值作为PID控制器的输入；

(3)在调节过程中，利用比例、积分、微分环节对当前的手柄的回复力输出迅速调整，使得手柄回复力的输出跟踪期望输入值；

(4)若当前的手柄回复力输出值与期望输入值一致时，将实现手柄回复力稳定跟踪输入，即操作手柄把手在空间上自由推拉、旋转时，力矩电机与弹簧装置共同作用产生的回复力恒定，实现力反馈手柄回复力的稳定控制。

优选的，步骤(1)中，对回复力进行实时检测具体为：根据三维力传感器7测量结果，利用力的矢量分解，得到X、Y轴反向上的回复力；力矩传感器12，实时测量Z轴方向力矩，并根据机械结构的各部分尺寸数据计算该方向上的回复力。

优选的，步骤(3)中，调整的过程具体为：控制板首先对存储力/力矩传感器信息的寄存器清零，并读取用户设置的PID调节参数，用户设置当前期望的回复力值；整个力反馈手柄控制系统处于初始调节阶段，力/力矩传感器实时检测当前手柄三个方向的回复力输出并作为反馈关节；用户输入值与反馈环节之差作用于PID控制器的输入，该值已通过控制板对其进行解算。

本发明的有益效果为：本发明在机械结构设计上采用非耦合设计方法，三个方向的运动互不干扰，便于对回复力解算及控制；采用一个拉伸弹簧和一个扭转弹簧装置可实现操作手柄的自动回位功能，结构简单；利用力/力矩传感器实现对操作手柄的回复力实时测量，并作为反馈环节与用户期望回复力共同作用，采用PID调节方式实时稳定控制手柄的回复力大小。

附图说明

图1为本发明的力反馈手柄的结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构，包括：底板1、两侧固定架2、三角板筋3、Y轴电机4、X轴电机5、内框6、三维力传感器7、拉伸弹簧8、Z轴电机9、配重机构10、扭转弹簧11、力矩传感器12和手柄把手13；底板1和两侧固定架2之间采用螺钉连接，并采用三角板筋3进行加固，三者共同构成了手柄结构固定基座；X轴电机5与Z轴电机9轴线相交于一点并与Y轴电机4中心点通过轴承连接，Y轴电机4两端与两侧固定架2通过轴承连接；两侧固定架2上端部分的安装孔与内框6转轴之间轴承连接，与X轴电机5安装位置相对于手柄整个机构中心的对称位置设置一个配重机构10；三维力传感器7安装在手柄结构固定基座底板1的中央，沿Z轴电机9末端垂直方向与拉伸弹簧8相连接；力矩传感器12安装在手柄Z轴旋转方向上，Z轴电机9与底板1垂直安装，并与手柄把手13相连接。

本发明的结构包括三维力反馈手柄的机械结构以及实现回复力实时控制的控制模块。所述的力反馈手柄的机械结构包括固定基座、实现手柄自动回位的弹簧装置、手柄辅助机构以及转动手柄把手；所述的实现回复力实时控制的控制模块包括实时检测力反馈手柄三维回复力的力/力矩传感器、实现补偿弹簧装置所产生回复力的力矩电机，以及实时调节回复力输出的PID控制器。在根据弹簧的自动回复特性设计合理的力反馈手柄机械结构的基础上，利用力/力矩传感器实时测量当前回复力输出，采用PID控制方法调节力反馈电机的力矩输出，实时补偿了弹簧装置的非恒定回复力，利用PID控制器调节特性，能够快速稳定控制手柄回复力输出，消除弹簧因拉伸长度(扭转程度)变化产生的回复力非恒定的干扰，为手柄操作人员提供稳定可靠的力反馈训练效果。

手柄机械结构固定基座包括：底板1和两侧固定架2，底板1和两侧固定架2之间采用螺钉连接，并采用三角板筋3加固。

三维力反馈手柄的机械结构具有三个非耦合的自由度，X轴与Z轴相交于一点并与内框4中心点通过轴承连接，内框4两端与两侧固定架2通过轴承连接，操作手柄能够绕内框两端轴承或内框中心点自由转动，形成手柄机构的X、Y、Z轴三个旋转自由度。

手柄自动回位的弹簧装置包括：一个拉伸弹簧8安装在Z轴电机9的正下方，一个扭转弹簧11安装在手柄Z轴的旋转方向并与之同轴。手柄在偏离初始正中央位置时，两个弹簧装置8、11的回复力将迫使手柄自动复位至初始状态。

实现回复力实时控制的控制模块，实质为一个回复力控制的闭环回路。所述的力/力矩传感器包括一个三维力传感器7，安装在手柄固定底板1，并与Z轴电机9同轴且与之采用拉钩相连接；力矩传感器12安装在扭转弹簧11外侧，与Z轴同轴，对Z轴方向的扭转力矩实时测量。所述的补偿弹簧装置产生的回复力的力矩电机在X、Y、Z轴分别补偿手柄的三个方向的弹簧装置回复力，并输出稳定可控的力矩。

本发明基于力/力矩传感器的三维力反馈手柄回复力控制结构，包括：力反馈手柄机械结构和实现回复力实时控制的控制模块。其中，机械结构包括固定基座、实现手柄自动回位的弹簧装置、辅助机构以及转动手柄；所述的实现回复力实时控制的控制模块包括实时检测力反馈手柄三维回复力的力/力矩传感器、实现补偿弹簧装置产生的回复力的力矩电机，以及实时调节回复力输出的PID控制器。

其中，所述的固定基座包括方形安装底板1和两侧竖直固定架2，底板与固定架之间由三角板筋3加固，两零件之间采用螺钉连接方式。两侧竖直固定架2上端部分的安装孔与机构的内框6转轴之间轴承连接。

所述的辅助机构包括电机动力传动机构，X轴电机5固定在两侧固定架的一侧，采用伞齿轮传动的方式改变转动方向；Y轴电机4安装在手柄机构内框6的一侧，与X轴相似，采用伞齿轮结构改变机构的转动方向，同时，为保持整个手柄机构的重心在机构的中心位置，在与X轴电机5安装位置相对于手柄整个机构中心的对称位置添加一个配重机构10；Z轴方向为手柄的旋转方向，故不需要改变主动轴传动方向，直接将Z轴电机9与垂直于底板安装，并与手柄把手13连接。

本发明中在电机并未输出力矩作用于手柄时，实现手柄机构自动回位功能的弹簧装置包括一个拉伸弹簧8和一个扭转弹簧11。拉伸弹簧8一端的拉钩与安装在手柄机构的固定基座底板中央的三维力传感器7的的拉环相连，两者与Z轴电机9同轴安装，即与固定底板1垂直。当操作手柄在X、Y轴方向上运动时，拉伸弹簧自动复位特性将产生将手柄机构回复到初始状态的拉力，具体通过手柄机构传递带操作者手部时表现为手柄的回复力。与Z轴电机9同轴安装的扭转弹簧11在手柄把手13顺、逆时针旋转时产生自动复位的力，迫使手柄自动复位，同时力矩传感器12实时检测Z轴方向的力矩输出。上述的实现回复力实时控制的控制模块包括采集三个自由度方向力/力矩信息的力/力矩传感器7和12、力矩电机以及实现力/力矩信息采集的控制板。

如图2所示，该力反馈手柄回复力控制方法将当前用户输入期望回复力与测量当前手柄回复力输出作为PID控制器的输入，在调节过程中，利用比例、积分、微分环节对当前的手柄的回复力输出迅速调整，使得手柄回复力的输出跟踪期望输入值。若当前的手柄反馈力输出值(即反馈值)与期望输入值一致时，将实现手柄回复力稳定跟踪输入，即操作手柄把手在空间上自由推拉、旋转时，力矩电机与弹簧装置共同作用产生的回复力恒定，实现力反馈手柄回复力的稳定控制。

调节电机力矩输出的PID控制器，采用比例(P)、积分(I)、微分(D)共同作用的调节控制策略，根据用户所输入的期望回复力与力/力矩传感器测量的当前手柄的回复力输出值并解算，两者以误差形式作为PID控制器的输入，调节三个力矩电机的实时力矩输出，当手柄的回复力能够跟踪用户输入期望值时，PID控制器的输入将为零，即手柄的回复力与输入期望值一致，达到手柄回复力的稳定可控。

本发明三维自动复位力反馈手柄装置上电后，控制板首先对存储力/力矩传感器信息的寄存器清零，并读取用户设置的PID调节参数，用户设置当前期望的回复力值；此时，整个力反馈手柄控制系统处于初始调节阶段，力/力矩传感器实时检测当前手柄三个方向的回复力输出并作为反馈关节，用户输入值与反馈环节之差作用于PID控制器的输入，该值已通过控制板对其进行解算。当手柄力反馈输出能够稳定跟踪后，系统将持续正常工作，为手柄操作者提供稳定可靠的力反馈体验效果。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。