重力反馈补偿方法技术

本发明专利技术涉及虚拟现实的技术领域，公开了重力反馈补偿方法，包括以下步骤：在固定平台的中心点设有世界坐标系{O}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{O′}；并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算被动杆上的力与分配到主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算电机的输入电流。本发明专利技术中的重力反馈补偿方法采用牛顿‑欧拉法分析力反馈设备机构中各杆件上的受力以及各关节上的力矩，从而建立了力反馈设备在运动空间内任意位置与姿态下设备自重与电机力矩之间的关系，使力反馈设备达到动态平衡的状态，以提高力反馈设备的透明度。

Gravity Feedback Compensation Method

【技术实现步骤摘要】
重力反馈补偿方法
本专利技术涉及虚拟技术的
，尤其涉及重力反馈补偿方法。
技术介绍
虚拟现实(VR)技术是一种通过一系列输入输出设备在计算机中所构建得一个模拟现实的虚拟环境，用户能够通过输入设备在虚拟环境中进行漫游并与虚拟环境中的对象进行交互；而输出设备能够把虚拟环境中的视听触等五官感觉反馈给用户，使用户达到一种身临其境的沉浸式体验。力/触觉交互是基于人体唯一一种具有双向信息交流通道的交互方式，因此力反馈设备是虚拟现实力/触觉交互中一种重要的交互工具。优秀的力反馈设备必须具备高透明度、高刚度、高控制带宽、低惯量、低摩擦等特征，其中透明度即与虚拟现实环境进行交互时，用户对力反馈设备存在的感知度。在虚拟现实交互过程中，越高透明的力反馈设备越能够让用户难以感觉到力反馈设备的存在，身临其境的体验越佳。在影响力反馈设备透明度的因素中，一个主要因素来源于设备的自重，因此，对力反馈设备进行重力补偿是提高其透明度的关键方法。在现有技术中，常用的重力补偿方法有被动重力补偿和主动重力补偿。被动重力补偿即通过使用配重块、弹簧等储能器件抵消设备自重在关节上产生的力矩。主动重力补偿即通过电机输出反向力矩，以平衡设备自重在关节上产生的力矩，使设备达到平衡状态。在被动重力补偿方法中，以配重块来平衡设备自重的方法能减轻设备自重对操作者的影响，但增加了设备惯量，降低了设备的动态性能，且配重块的重量是恒定的，不可能对处于任何位姿的力反馈实现完全重力补偿。而弹簧补偿重力的方法，其优点是弹簧质量轻便，基本不上会增加力反馈设备的重量与惯量，从而影响力反馈设备的操作性能。但是弹簧重力补偿的几种方法中，都存在一定的缺点。专利号201610015837.2的专利提出的一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，其设计的重力补偿机械只采用了简单弹簧，但无论弹簧安装位置、弹簧自由长度、弹簧刚度怎么优化，在实际工程中，都是用线性弹簧代替非线性弹簧，因此不可能在力反馈设备工作空间任何位置都实现完全的重力补偿，并且弹簧很容易与力反馈设备机构产生干涉，进一步限制了力反馈设备的工作空间。专利号201610028353.1的专利提出一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，其除了加入弹簧外，还采用了定滑轮和钢丝绳，把弹簧和定滑轮安装在固定平台上，钢丝绳一端与弹簧连接，另一端绕过钢丝绳后与力反馈设备减速机构从动轮连接。这一方法消除了弹簧与力反馈设备机构的干涉，但在实际工程中，由于定滑轮半径和滑轮的固定位置长度不可能为零，所以理论上的可以完全实现重力补偿在实际工程中仍然会产生补偿偏差。专利号201711049846.4的专利提出一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，在机械臂末端关节端安装盘形凸轮，钢丝绳一端固定在盘形凸轮边缘上，另一端与拉簧连接，实现过程为凸轮带动弹簧变形从而随着机构的运动，弹簧拉力发生相应的改变，将机械臂的重力势能转化为弹簧势能，该方法能够实现较大范围的完全重力补偿。但当力反馈设备在快速运动时，连接凸轮和弹簧的钢丝绳不会一直保持在同一平面，这就造成了弹簧和钢丝绳产生拉伸间隙，引入时延量，容易导致弹簧和钢丝绳滑落，也会降低力反馈系统的稳定性。在主动补偿中，现有力反馈设备常基于能量守恒的角度，采用虚位移的方法建立重力补偿模型，但该方法计算的补偿力矩值在并联机构(Delta机构)的运动空间内某些位置内容易产生突变，导致重力补偿失效。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供重力反馈补偿方法，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的力反馈中容易出现重力补偿失效，导致力反馈设备透明度低的问题。本专利技术是这样实现的，提供重力反馈补偿方法，用于并联机构，所述并联机构包括固定平台、三组支链和浮动平台，各所述支链包括主动杆和被动杆组；所述被动杆组包括呈平行四边形状的四根连接杆，各端点处为转动铰链，一条短边与所述主动杆的一端铰接，另一条短边与所述浮动平台铰接；所述主动杆的一端铰接于所述固定平台；所述重力反馈补偿方法包括以下步骤：在所述固定平台的中心点设有世界坐标系{O}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{O′}；所述并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算所述被动杆上的力与分配到所述主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算所述电机的输入电流。进一步地，所述世界坐标系{O}的X轴水平向左，Y轴方向竖直向上，Z轴方向垂直所述固定平台指向所述浮动平台方向；所述移动坐标系{O′}的X′轴水平向左，Y′轴方向竖直向上，Z′轴方向垂直所述浮动平台向外；所述固定平台中心点与所述主动杆铰接点的连线与X轴的夹角分别为ηi(i＝1，2，3)；所述主动杆长度为La，重量为G1，其所在的直线与水平方向的夹角为θi(i＝1，2，3)；所述主动杆的长度为Lb，重量为G2，所述浮动平台的重量为G3；所述主动杆与所述固定平台的铰接点为Ai(i＝1，2，3)，与所述被动杆的铰接点为Ci(i＝1，2，3)，所述被动杆与所述浮动平台的铰接点为Bi(i＝1，2，3)；所述被动杆重量的1/2分配至所述浮动平台，1/2分配至所述主动杆的一端；对浮动平台进行受力分析时，被动杆对其的作用力正方向规定为BiCi方向；所述浮动平台达到受力平衡状态建立方程组：A1f1+A2f2+A3f3＝0令C1f1+C2f2+C3f3＝0解方程组可得：其中fi(i＝1，2，3)为杆件i上的力大小，方向沿着杆件所在的直线，正数表示BiCi方向，负数表示CiBi方向，通过点Bi，Ci的坐标，可求得向量则可得到各所述被动杆上的力向量进一步地，所述被动杆上的力与分配在所述主动杆上的力的合力为该合力与所述主动杆所在的平面有一个夹角，而合力只有在平面OAiCi上的分量才会对主动关节产生力矩作用；设平面OAiCi的单位法向量为则其中为平面OAiCi的法向量，合力在平面OAiCi法方向的分量是力与单位法向量的点乘，即则可知合力在平面OAiCi上的分量为则可知所述被动杆上的力在主动关节上产生的力矩为进一步地，所述主动杆的重力在平面OAiCi的法方向的分量为则所述主动杆的重力在平面OAiCi内的分量为则可知所述主动杆的重力在主动关节上产生和力矩为其中点Pi为所述主动杆重心所在的位置(i＝1，2，3)。进一步地，求电机施加在主动关节上的力矩。在主动关节处建立力矩平衡方程，其中为电机施加在主动关节上的力矩，则可求得进一步地，根据力矩结合所述电机的力矩常数τ，即可求得对应电机为了平衡设备自重应该输入的电流值大小与现有技术相比，本专利技术中的重力反馈补偿方法，采用牛顿-欧拉法分析力反馈设备机构中各杆件上的受力以及各关节上的力矩，从而建立了力反馈设备在运动空间内任意位置与姿态下，设备自重与电机力矩之间的关系，通过电机输出指定电流以获得指定力矩，从而在线实时地平衡设备自重在关节上产生的力矩，使力反馈设备达到动态平衡的状态，以提高力反馈设备的透明度。附图说明图1为本专利技术实施例中并联机构的模型示意图图2为本专利技术实施例中支链与固定坐标系{O}的X轴的夹角示意图；图3为本专利技术实施例中支链被动杆组平行四边形机构简化示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.重力反馈补偿方法，用于并联机构，其特征在于，所述并联机构包括固定平台、三组支链和浮动平台，各所述支链包括主动杆和被动杆组；所述被动杆组包括呈平行四边形状的四根连接杆，各端点处为转动铰链，一条短边与所述主动杆的一端铰接，另一条短边与所述浮动平台铰接所述主动杆的一端铰接于所述固定平台；所述重力反馈补偿方法包括以下步骤：在所述固定平台的中心点设有世界坐标系{O}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{O′}；所述并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算所述被动杆上的力与分配到所述主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算所述电机的输入电流。

【技术特征摘要】
1.重力反馈补偿方法，用于并联机构，其特征在于，所述并联机构包括固定平台、三组支链和浮动平台，各所述支链包括主动杆和被动杆组；所述被动杆组包括呈平行四边形状的四根连接杆，各端点处为转动铰链，一条短边与所述主动杆的一端铰接，另一条短边与所述浮动平台铰接所述主动杆的一端铰接于所述固定平台；所述重力反馈补偿方法包括以下步骤：在所述固定平台的中心点设有世界坐标系{O}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{O′}；所述并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算所述被动杆上的力与分配到所述主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算所述电机的输入电流。2.如权利要求1所述的重力反馈补偿方法，其特征在于，所述世界坐标系{O}的X轴水平向左，Y轴方向竖直向上，Z轴方向垂直所述固定平台指向所述浮动平台方向；所述移动坐标系{O′}的X′轴水平向左，Y′轴方向竖直向上，Z′轴方向垂直所述浮动平台向外；所述固定平台中心点与所述主动杆铰接点的连线与X轴的夹角分别为ηi(i＝1，2，3)；所述主动杆长度为La，重量为G1，其所在的直线与水平方向的夹角为θi(i＝1，2，3)；所述被动杆的长度为Lb，重量为G2，所述浮动平台的重量为G3；所述主动杆与所述固定平台的铰接点为Ai(i＝1，2，3)，与所述被动杆的铰接点为Ci(i＝1，2，3)，所述被动杆与所述浮动平台的铰接点为Bi(i＝1，2，3)；所述被动杆重量的1/2分配至所述浮动平台，1/2分配至所述主动杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴书传，许辉勇，章兴石，白钢印，
申请(专利权)人：欣旺达电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44