一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法技术

本发明专利技术公开一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，包括以下步骤：步骤1、计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τ

【技术实现步骤摘要】
一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法
本专利技术涉及虚拟现实领域的力/触觉交互
，尤其涉及一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法。
技术介绍
作为一种新型人机交互途径，力反馈/触觉交互技术广泛用于虚拟装配、产品设计与制造仿真虚拟手术培训等领域。用户操作力反馈设备时，设备自身机构的重力会影响对虚拟环境反馈力真实性的感知，如果不对设备的重力进行补偿，用户感受到的是设备自身重力和虚拟环境反馈力的合力，这显然不符合力觉交互的目的；其次，用户长时间操作力反馈设备，肌肉会感到疲劳，降低操作沉浸感。因此，对设备连杆引起的重力进行补偿是必要的。重力补偿的目标是：无需用户施加外力作用，力反馈设备在运动空间的任意姿态下保持平衡。近年来，大量文献对所提出的力反馈设备进行了重力补偿研究，主要分为主动、被动补偿两种方式。主动补偿，通过电机输出反向力/力矩平衡设备自身的重力，其优点是无需添加额外的机构，机构复杂度和空间尺寸不会增加，但是会消耗电机的大量转矩，尤其是设备自身重力较大时，影响力反馈设备的输出力性能；被动补偿，通过添加配重块或弹簧平衡设备重力，该方法无需电机消耗额外的转矩，被证明是一种平衡机构重力的有效方法，但该方法引入配重块、辅助连杆等结构，会造成运动时机构之间的干涉，不适用于复杂的并联机构。专利CN102320040B提出了一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备，创新性地采用一个直流电机控制平衡滑块自动、实时地对设备手臂机构进行自重补偿，降低人手疲劳。但是该方法需要引入电机、减速机构、平衡块、平衡杆等，增大设备运动时的惯性。专利CN102825601B提出了一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，腕式的三个关节采用对称设计和配重设计，使该结构的质心与小臂杆件交于一点，位置机构的重力补偿基于配重块和电驱动转矩实现。该方法适用于串联机构的重力补偿，对于结构复杂的并联机构不适用。专利CN105550466A提出了一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，采用两根弹簧对串联力反馈设备重力进行补偿，并考虑了弹簧的劲度系数、安装位置以及弹簧长度等因素的影响，但该方法无法实现力反馈设备的完全重力补偿。专利CN107738275A提出一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，通过添加盘型凸轮与拉簧单元，将机械臂的重力势能转化为弹性势能，实现机械臂在有效工作空间内达到完全重力平衡的效果。但该方法只适合于单自由度的简单结构，对于多自由度、尤其是并联的力反馈设备并不适用。Mashayekhi等(VirSense:anovelhapticdevicewithfixed-basemotorsandagravitycompensationsystem[J])针对六自由度串联式触觉设备，采用两根弹簧补偿95％的连杆重力，另外5％的重力基于电机主动补偿实现。但是，所提出的重力补偿方法，需引入非常复杂、特殊设计的滑轮传动系统，不具有通用性。SimionescuI(StaticbalancingwithelasticsystemsofDELTAparallelrobots[J])研究了竖直放置的Delta并联机构的静态平衡方法，在每条支链上添加3根弹簧和两根连杆，实现机构在运动空间中的静态平衡。但是该方法结构复杂，且难以加工，在实际应用中并不被采用。ArataJ(HapticDeviceUsingaNewlyDevelopedRedundantParallelMechanism[J])对所设计的Delta-R冗余力反馈设备进行了重力补偿研究，50％的重力通过添加配重块补偿，其余的重力基于电机转矩补偿。但是，配重块的引入增大力反馈设备运动时的惯性，由于机构空间位置的限制，不适用于水平放置的力反馈设备。DehkordiM(ModellingandExperimentalEvaluationofaStaticBalancingTechniqueforaNewHorizontallyMounted3-UPUParallelMechanism[J])对水平放置的三自由度并联力反馈设备进行了重力补偿研究，通过添加3根弹簧进行被动重力补偿。但该方法仍然需要电机输出转矩来实现力反馈设备的平衡，并且三根弹簧引入了不必要的力，电机需要输出反向的力平衡弹簧产生的力。
技术实现思路
针对现有技术的不足之处，本专利技术提出了一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法。该方法针对水平布置的混联式力反馈设备，通过基于电机转矩的主动补偿方法实现精确重力补偿，力反馈设备在运动空间中任意点的静止。根据主动重力补偿时三个电机消耗转矩特点，在转矩消耗最大的支链引入弹簧被动补偿，降低重力补偿消耗的转矩值，增大力反馈设备用于反馈输出力的可用转矩。结合基于电机转矩的主动重力补偿和基于弹簧被动补偿结构的被动重力补偿的方法，使混联式力反馈设备在运动空间任意点可以静止，实现完全重力补偿，提高用户操作力反馈设备时的沉浸感。本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，包括以下步骤：步骤1、根据力反馈设备并联机构的静力学，计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τA；步骤2、根据力反馈设备主动重力补偿时各关节电机消耗的转矩，在并联机构的最上方支链引入弹簧被动补偿结构，对弹簧被动补偿结构的弹簧安装位置、劲度系数等参数进行优化，根据被动补偿转矩公式，计算被动拉伸弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τS；步骤3、以步骤1得到的主动重力补偿转矩τA和弹簧被动补偿结构在该支链所产生的转矩τS，计算各电机在该空间姿态下实现力反馈设备重力补偿实际需要的转矩τ；步骤4、以步骤3得到的电机输出转矩τ，计算补偿该姿态下力反馈设备保持平衡时各电机需要输出的电流I,实现力反馈设备在该处的重力平衡。进一步地，所述混联式力反馈设备包括三自由度并联机构和串联转动机构，串联转动机构固定在并联机构运动平台的中心位置。进一步地，步骤1中是根据静力学分析方法对混联式力反馈设备的机构和连杆的质量简化，具体步骤为：1)将串联机构简化为作用在并联机构运动平台中心的质点；2)并联机构各支链第二杆件的质量一部分附加在运动平台中心，一部分附加在各支链第一杆件与第二杆件连接的关节处；3)力反馈设备的并联机构各个支链的第二杆件，将其等效为二力杆。进一步地，步骤1计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τA包括以下步骤：(1)首先对并联机构的运动平台进行受力平衡分析，得到三条支链中第二杆件的内力fi；(2)计算第二杆件对第一杆件作用力fi在电机转动关节处产生的转矩、第一杆件重力产生的转矩、以及第二杆件附加在第一杆件的重力产生的转矩；(3)步骤(2)所得的三个转矩之和，即为主动重力补偿转矩τA。进一步地，步骤2中所述的被动补偿是通过在力反馈设备并联机构最上方的支链添加弹簧被动补偿结构实现。进一步地，所添加的弹簧被动补偿结构包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于,包括以下步骤：/n步骤1、根据力反馈设备并联机构的静力学，计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τ

【技术特征摘要】
1.一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1、根据力反馈设备并联机构的静力学，计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τA；
步骤2、根据力反馈设备主动重力补偿时各关节电机消耗的转矩，在并联机构的最上方支链引入弹簧被动补偿结构，对弹簧被动补偿结构的弹簧安装位置、劲度系数等参数进行优化，根据被动补偿转矩公式，计算被动拉伸弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τS；
步骤3、以步骤1得到的主动重力补偿转矩τA和弹簧被动补偿结构在该支链所产生的转矩τS，计算各电机在该空间姿态下实现力反馈设备重力补偿实际需要的转矩τ；
步骤4、以步骤3得到的电机输出转矩τ，计算补偿该姿态下力反馈设备保持平衡时各电机需要输出的电流I,实现力反馈设备在该处的重力平衡。


2.根据权利要求1所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，所述混联式力反馈设备包括三自由度并联机构和串联转动机构，串联转动机构固定在并联机构运动平台的中心位置。


3.根据权利要求1所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，步骤1中是根据静力学分析方法对混联式力反馈设备的机构和连杆的质量简化，具体步骤为：
1)将串联机构简化为作用在并联机构运动平台中心的质点；
2)并联机构各支链第二杆件的质量一部分附加在运动平台中心，一部分附加在各支链第一杆件与第二杆件连接的关节处；
3)力反馈设备的并联机构各个支链的第二杆件，将其等效为二力杆。


4.根据权利要求1所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，步骤1计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τA包括以下步骤：
(1)首先对并联机构的运动平台进行受力平衡分析，得到三条支链中第二杆件的内力fi；
(2)计算第二杆件对第一杆件作用力fi在电机转动关节处产生的转矩、第一杆件重力产生的转矩、以及第二杆件附加在第一杆件的重力产生的转矩；
(3)步骤(2)所得的三个转矩之和，即为主动重力补偿转矩τA。


5.根据权利要求1所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，步骤2中所述的被动补偿是通过在力反馈设备并联机构最上方的支链添加弹簧被动补偿结构实现。


6.根据权利要求5所述的一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，其特征在于，所添加的弹簧被动补偿结构包含第一弹簧固定件、第二弹簧固定件、钢丝绳、拉伸弹簧、绕线滑轮、滑轮固定件；拉伸弹簧一端与钢丝绳连接，钢丝绳绕安装在滑轮固定件上的绕线滑轮一圈，钢丝绳通过安装在并联...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静蓉，符俊岭，谢海龙，王清辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44