手持式力反馈装置以及利用该装置实现力觉再现的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种手持式力反馈装置以及利用该装置实现力觉再现的方法，用于解决现有力反馈装置实用性差的技术问题。技术方案是本发明专利技术手持式力反馈装置包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路。实现对机械装置上摇杆分布的压电薄膜传感器的力信息进行测量，对编码器上测量力矩电机的转角数字量进行计数，通过第一信号输出电路对机械装置上力矩电机转角向远端从机械手上的信号发送，实现从机械手的位置跟踪。并且通过PID控制计算后获取的调节量以第二信号输出对力矩电机的电压控制调节。本装置能够实现远程力信号的力觉再现，实现远程的力信号在操作者有相同的力觉信息的感知。实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种手持式力反馈装置，还涉及一种利用该装置实现力觉再现的方法。
技术介绍
水下机械手是水下航行器在水下探测中使用的重要设备，由于深海探测中对水下样品的采集主要是通过水下机械手完成，水下机械手缺少力觉感知以及机械手操作对象的不确定性，造成采集的样本损坏的问题。水下机械手的工作环境复杂，一般通过视频辅助完成，但是由于机械手或者其载体的运动造成水质变浑，影响机械手的操作。因此带有力觉感知的主从式遥操作系统是一个发展研究方向。力反馈装置充当遥操作系统中的主机械手部分，可以分为串联式、并联式、混合式力反馈装置。其中串联式不易产生较大的反馈力，并联式在刚度、精度、反向驱动力上具有很大的优势，但是具有较大的体积，混合式力反馈装置结合了串联与并联力反馈装置的特点，但是体积也相对较大。目前的力反馈装置都是以伺服电机或者步进电机为动力驱动核心，在机器人抓取过程中的低速或者静止运动过程中有造成电机烧毁的危险。文献“授权公告号是CN103158162B的中国专利技术专利”公开了一种检测人手手指运动状态并具有双向主动驱动反馈从手受力的力反馈数据手套。该专利技术采用独特的连接方式和巧妙的关节测量点布局，使操作者在使用该数据手套时，五个手指能保持最大程度的灵活，手指各个关节的运动状态都能被精确检测到，使被控制的从手的每个手指关节都能与操作者对应的手指关节协同一致动作，并能将从手在具体的工作环境中的受力情况反馈给操作者，以增强虚拟现实或遥操作的临场感。但是力反馈系统一般工作在低速或者静止状态下，要求控制电机低速运转或者停止状态。而伺服电机相对堵转功能较差，长时间堵转状态会造成其控制电流大很烧坏伺服电机。而主机械手由于固定在手臂上会造成操作者疲劳，力反馈装置由于控制算法的不足造成透明性不强，主、从式机构由于机械模型的误差，位置测量的偏差造成控制系能达不到最优。
技术实现思路
为了克服现有力反馈装置实用性差的不足，本专利技术提供一种手持式力反馈装置以及利用该装置实现力觉再现的方法。手持式力反馈装置包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路。实现对机械装置上摇杆分布的压电薄膜传感器的力信息进行测量，对编码器上测量力矩电机的转角数字量计数，对通过总线远传过来的力信号的解码获取，通过第一信号输出电路对主机械手上力矩电机转角向远端从机械手上的信号发送，实现从机械手的位置跟踪。并且通过PID控制计算后获取的调节量以第二信号输出对力矩电机的电压控制调节。本装置能够实现远程力信号测量后的力觉再现，操作者操作遥操作控制器，可以实现远程的力信号在操作者有相同的力觉信息的感知。实用性强。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种手持式力反馈装置，其特点是：包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路。所述机械装置包括空心手柄1、空心编码器2、空心圆盘4、压电薄膜传感器5、摇杆6、法兰7、力矩电机8和旋转轴12。所述机械装置主体是一个空心圆盘4，空心圆盘4左侧是力矩电机8，力矩电机8为分装式，力矩电机8的定子和转子固定好嵌入到空心圆盘4内部。力矩电机8定子的右侧有连接装置与空心圆盘4通过螺钉连接。力矩电机8左侧通过法兰7与空心圆盘4固定。力矩电机8转子上伸出一个摇杆6。在摇杆6的末端平行于空心手柄1方向有一个横杆与力矩电机8转子固连。力矩电机8右侧有一个旋转轴12，旋转轴12与空心编码器2相连，旋转轴12外端通过固定装置固定在空心圆盘4的右侧，旋转轴12位于空心手柄1里面。空心手柄1固定在空心圆盘4右侧表面。摇杆6的末端装有压电薄膜传感器5，空心圆盘4外侧有四个圆孔3，分别与圆心成90°角排列。水平方向上的一对圆孔3用于与多自由度操作臂连接，或者安装到固定装置上。垂直于水平面上的一对圆孔3连接一个连接固定装置。所述机械装置上压电薄膜传感器5的信号通过信号调理电路和数据采集模块，实现50倍信号放大经A/D转换输入到微控制器。通过第一信号输出电路对力矩电机8转角向远端发送信号，实现位置跟踪。PID控制计算后获取的调节量通过第二信号输出电路对力矩电机8的电压进行控制调节。一种利用上述手持式力反馈装置实现力觉再现的方法，其特点是包括以下步骤：机械装置上压电薄膜传感器5的信号通过信号调理电路和数据采集模块，实现50倍信号放大经A/D转换输入到微控制器。通过第一信号输出电路对力矩电机8转角向远端发送信号，实现位置跟踪。PID控制计算后获取的调节量通过第二信号输出电路对力矩电机8的电压进行控制调节。通过PID控制对力矩电机8进行调节。具体如式(1)、(2)所示。首先计算采集压电薄膜传感器5的信号fm，并与从手力信号fs做差值，得em，经过比例、积分、微分计算得到um，由于本设计力矩电机输出转矩与所加电压之间是二次函数关系，所以输出转矩最终调节量如式(3)所示。em＝fs-fm (1) u m = k p e m + k i ∫ e m d t + k d e · m - - - ( 2 ) ]]> τ m = au m 2 + bu m + c - - - ( 3 ) ]]>控制量根据测量信号与远传至本地的标准信号计算出调节量。如果没有接触力信号远传至本地，主机械手控制量为0，微控制器对力矩电机8不做调解，此时主手力矩电机8为自由状态。如果操作者对摇杆6作用力大于从手远传至本地的力信号，此时对力矩电机8调节量减少，力矩电机8输出转矩减小，则摇杆6对主手的反作用力也相应减小。在整定PID控制器参数时，根据微控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，首先调节P参数到超调范围内，再调节I参数以消除系统静态误差，最后调节D参数增加系统响应能力。本专利技术的有益效果是：本专利技术手持式力反馈装置包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路。实现对机械装置上摇杆分布的压电薄膜传感器的力信息进行测量，对编码器上测量力矩电机的转角数字量计数，对通过总线远传过来的力信号的解码获取，通过第一信号输出电路对主机械手上力矩电机转角向远端从机械手上的信号发送，实现从机械手的位置跟踪。并且通过PID控制计算后获取的调节量以第二信号输出对力矩电机的电压控制调节。本装置能够实现远程力信号测量后的力觉再现，操作者操作遥操作控制器，可以实现远程的力信号在操作者有相同的力觉信息的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种手持式力反馈装置，其特征在于：包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路；所述机械装置包括空心手柄(1)、空心编码器(2)、空心圆盘(4)、压电薄膜传感器(5)、摇杆(6)、法兰(7)、力矩电机(8)和旋转轴(12)；所述机械装置主体是一个空心圆盘(4)，空心圆盘(4)左侧是力矩电机(8)，力矩电机(8)为分装式，力矩电机(8)的定子和转子固定好嵌入到空心圆盘(4)内部；力矩电机(8)定子的右侧有连接装置与空心圆盘(4)通过螺钉连接；力矩电机(8)左侧通过法兰(7)与空心圆盘(4)固定；力矩电机(8)转子上伸出一个摇杆(6)；在摇杆(6)的末端平行于空心手柄(1)方向有一个横杆与力矩电机(8)转子固连；力矩电机(8)右侧有一个旋转轴(12)，旋转轴(12)与空心编码器(2)相连，旋转轴(12)外端通过固定装置固定在空心圆盘(4)的右侧，旋转轴(12)位于空心手柄(1)里面；空心手柄(1)固定在空心圆盘(4)右侧表面；摇杆(6)的末端装有压电薄膜传感器(5)，空心圆盘(4)外侧有四个圆孔(3)，分别与圆心成90°角排列；水平方向上的一对圆孔(3)用于与多自由度操作臂连接，或者安装到固定装置上；垂直于水平面上的一对圆孔(3)连接一个连接固定装置；所述机械装置上压电薄膜传感器(5)的信号通过信号调理电路和数据采集模块，实现50倍信号放大经A/D转换输入到微控制器；通过第一信号输出电路对力矩电机(8)转角向远端发送信号，实现位置跟踪；PID控制计算后获取的调节量通过第二信号输出电路对力矩电机(8)的电压进行控制调节。...

【技术特征摘要】
1.一种手持式力反馈装置，其特征在于：包括机械装置、信号调理电路、数据采集模块、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路；所述机械装置包括空心手柄(1)、空心编码器(2)、空心圆盘(4)、压电薄膜传感器(5)、摇杆(6)、法兰(7)、力矩电机(8)和旋转轴(12)；所述机械装置主体是一个空心圆盘(4)，空心圆盘(4)左侧是力矩电机(8)，力矩电机(8)为分装式，力矩电机(8)的定子和转子固定好嵌入到空心圆盘(4)内部；力矩电机(8)定子的右侧有连接装置与空心圆盘(4)通过螺钉连接；力矩电机(8)左侧通过法兰(7)与空心圆盘(4)固定；力矩电机(8)转子上伸出一个摇杆(6)；在摇杆(6)的末端平行于空心手柄(1)方向有一个横杆与力矩电机(8)转子固连；力矩电机(8)右侧有一个旋转轴(12)，旋转轴(12)与空心编码器(2)相连，旋转轴(12)外端通过固定装置固定在空心圆盘(4)的右侧，旋转轴(12)位于空心手柄(1)里面；空心手柄(1)固定在空心圆盘(4)右侧表面；摇杆(6)的末端装有压电薄膜传感器(5)，空心圆盘(4)外侧有四个圆孔(3)，分别与圆心成90°角排列；水平方向上的一对圆孔(3)用于与多自由度操作臂连接，或者安装到固定装置上；垂直于水平面上的一对圆孔(3)连接一个连接固定装置；所述机械装置上压电薄膜传感器(5)的信号通过信号调理电路和数据采集模块，实现50倍信号放大经A/D转换输入到微控制器；通过第一信号输出电路对力矩电机(8)转角向远端发送信号，实现位置跟踪；PID控制计算后获取的调节量通过第二信号输出电路对力矩电机(8)的电压进行控制调节。2.一种利用权利要求1所述手持式力反馈装置实现力觉再现的方法，其特征在于包括以下步骤：机械装置上压电薄膜传感器(5)的信号通过信号调理电路和数据采集模块，实现50倍信号放大经A/D转换输入到微控制器；通过第一信号输出电路对力矩电机(8)转角向远端发送信号，实现位置跟踪；PID控制计算后获取的调节量通过第二信号输出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫东，张建军，高立娥，张洁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61