基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆制造技术

本发明专利技术公开了一种基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，包括：杆体和基座，杆体与基座固定连接；基座内设有导轮

【技术实现步骤摘要】
基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆


[0001]本专利技术涉及机器人设备控制
，具体涉及一种基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆
。

技术介绍

[0002]在机器人领域，遥操作是人类操作者使用特定外置设备对机器人进行远程控制的一种方法
。
操作者通过遥操作设备发出一定指令，该指令经过计算机处理并发送给机器人执行以完成相应任务
。
遥操作通常应用于医疗
、
救援以及环境恶劣的高危场景
。
在遥操作的过程中，操作者起到决策与控制的作用，通常需要对机器人所在环境进行观察和分析，同时针对机器人所执行任务发出特定的指令，进而控制机器人完成相应任务
。
上述过程中，操作者对环境的感知至关重要，对环境的感知越清晰明确，操作者就可以发出更加正确精准的指令，从而更好地完成任务
。
遥操作设备通常采用的交互感知方法有视觉
、
虚拟现实
、
力反馈等
。
但在当前遥操作设备领域中，刚性遥操作设备占比极大，具有力反馈效果的遥操作设备数量较少，且其成本往往较高；力的一种表现形式是刚度，同样的力会产生不同的位移，其刚度即不同，因此遥操作设备也可以通过模拟机器人所接触物体的刚度，为操作者提供环境信息，而传统的刚性遥操作设备，其刚度的变化通常需要昂贵的关节力传感器及良好的控制系统来实现
。
[0003]如现有公开专利号为
CN115644539A
的一种联合触觉与力反馈的操作感知手套及其人机交互方法，其利用软体阻尼器提供阻尼感和力反馈，利用柔性触觉执行器提供触觉反馈，实现了手指运动参数
、
力反馈
、
触觉反馈三种操作感知特征的有机融合，提升了遥操作的临场感和沉浸感，但其结构复杂，控制困难，成本相对较高，且不具备刚度控制能力，只能提供一定的力反馈效果
。
[0004]如现有公开专利号为
CN116250859A
的一种远程超声机器人力反馈遥操作装置及控制方法，其利用串联云台进行姿态控制，可以实现多个自由度上的运动信息采集及力反馈，并采用位置
、
姿态主从遥操作控制方法和接触力从主反馈控制方法，但其属于刚性遥操作设备，结构过于复杂，成本过于高昂，且并联结构控制麻烦，故障率较高，只能通过复杂的算法实现力反馈效果
。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，本专利技术利用纤维阻塞原理，通过硅胶膜对内部摩擦纤维的收紧程度不同，控制杆体弯曲时的刚度大小，进而实现遥操作杆整体刚度变化，不需要传统刚度控制所需的力传感器，无需外部辅助设备，结构简单紧凑且便于后续的设备维护，此外，本专利技术利用驱动线对操作杆的运动进行控制，使得操纵杆具有一定的力反馈作用，其控制方便简单，结构稳定；综上，本专利技术提出的基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆同时具有变刚度和力反馈作用，不仅可以感知机器人所接触的外部物体所具有的刚度，还可以在机器人
受到外力时提供一定的力反馈，具有良好的交互感知效果，提高了操作者对远程环境的沉浸感
。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，包括：杆体和基座，所述杆体与基座固定连接；
[0008]所述基座内设有导轮
、
真空气泵和舵机；
[0009]所述杆体包括杆头
、
内芯和杆体外壳，所述杆头与杆体外壳固定连接，所述内芯设于杆体内部，所述杆体外壳与基座固定连接；
[0010]所述内芯包括硅胶膜和多条摩擦纤维，所述硅胶膜将多条摩擦纤维包裹在内部，形成内部空腔，所述内部空腔的出口与真空气泵连接；
[0011]所述硅胶膜在真空气泵的真空力作用下收缩，硅胶膜进行收缩时，对内部空腔的摩擦纤维施加挤压力，摩擦纤维之间发生摩擦力变化，呈现为操作杆刚度变化；
[0012]所述杆体外壳内侧设有驱动线，所述驱动线的一端与杆体外壳的顶部固定连接，所述驱动线与导轮接触，通过导轮的导向，另一端与舵机的驱动轮固定连接，驱动线在舵机驱动轮的牵引下相对于导轮发生转动，带动操作杆软壳运动
。
[0013]作为优选的技术方案，所述杆体外壳还包括操作杆软壳，所述操作杆软壳将硅胶膜包裹在内，所述操作杆软壳与硅胶膜之间设有间隔
。
[0014]作为优选的技术方案，所述杆体外壳还包括导线槽，所述导线槽设于操作杆软壳与硅胶膜之间的间隔，所述导线槽与操作杆软壳固定连接，所述驱动线在导线槽内滑动
。
[0015]作为优选的技术方案，所述导线槽采用一面具有半圆形的凹槽的立方体结构，与凹槽相对的一面与操作杆软壳的内壁固定连接，所述驱动线在凹槽内滑动
。
[0016]作为优选的技术方案，所述导线槽设有多段，沿驱动线竖直分布在操作杆软壳的内壁上
。
[0017]作为优选的技术方案，设有多组导线槽
、
驱动线
、
导轮和舵机，且沿圆周均匀分布在遥操作杆内部，每组驱动线一端固定在操作杆软壳的顶端，并依次通过导线槽和导轮的导向，另一端缠绕在舵机的驱动轮上，多组驱动线并联驱动操作杆软壳向各个方向发生弯曲运动
。
[0018]作为优选的技术方案，所述基座还包括法兰板和基座外壳；
[0019]所述法兰板与基座外壳固定连接，形成内部空间，所述导轮
、
真空气泵
、
舵机设于内部空间内，所述法兰板与导轮连接，所述基座外壳分别与真空气泵
、
舵机固定连接
。
[0020]作为优选的技术方案，所述杆头包括按钮
、
杆头安装座和惯性传感器，所述按钮与杆头安装座固定连接，所述杆头安装座与杆体外壳固定连接，所述惯性传感器设于杆头安装座内部，用于获取遥操作杆的运动信息
。
[0021]作为优选的技术方案，所述摩擦纤维的材质采用塑料或者复合纤维材料，多条摩擦纤维并排在硅胶膜的内部空腔
。
[0022]作为优选的技术方案，所述导轮通过固定铰链与法兰板连接
。
[0023]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0024](1)
本专利技术提出的基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆同时具有变刚度和力反馈作用，不仅可以感知机器人所接触的外部物体所具有的刚度，还可以在机器人受到
外力时提供一定的力反馈，具有良好的交互感知效果，提高了操作者对远程环境的沉浸感
。
[0025](2)
本专利技术利用纤维阻塞原理，通过硅胶膜对内部摩擦纤维的收紧程度不同，控制杆体弯曲时的刚度大小，进而实现遥操作杆整体刚度变化，不需要传统刚度控制所需的力传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，其特征在于，包括：杆体和基座，所述杆体与基座固定连接；所述基座内设有导轮
、
真空气泵和舵机；所述杆体包括杆头
、
内芯和杆体外壳，所述杆头与杆体外壳固定连接，所述内芯设于杆体内部，所述杆体外壳与基座固定连接；所述内芯包括硅胶膜和多条摩擦纤维，所述硅胶膜将多条摩擦纤维包裹在内部，形成内部空腔，所述内部空腔的出口与真空气泵连接；所述硅胶膜在真空气泵的真空力作用下收缩，硅胶膜进行收缩时，对内部空腔的摩擦纤维施加挤压力，摩擦纤维之间发生摩擦力变化，呈现为操作杆刚度变化；所述杆体外壳内侧设有驱动线，所述驱动线的一端与杆体外壳的顶部固定连接，所述驱动线与导轮接触，通过导轮的导向，另一端与舵机的驱动轮固定连接，驱动线在舵机驱动轮的牵引下相对于导轮发生转动，带动操作杆软壳运动
。2.
根据权利要求1所述的基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，其特征在于，所述杆体外壳还包括操作杆软壳，所述操作杆软壳将硅胶膜包裹在内，所述操作杆软壳与硅胶膜之间设有间隔
。3.
根据权利要求2所述的基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，其特征在于，所述杆体外壳还包括导线槽，所述导线槽设于操作杆软壳与硅胶膜之间的间隔，所述导线槽与操作杆软壳固定连接，所述驱动线在导线槽内滑动
。4.
根据权利要求3所述的基于纤维阻塞原理的变刚度力反馈遥操作杆，其特征在于，所述导线槽采用一面具有半圆形的凹槽的立方体结构，与凹槽相对的一面与操作杆软壳的内壁固定连接，所述驱动线在凹槽内滑动
。5.
根据权利要求3所述的基于纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：李万琦，占宏，杨辰光，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：