[发明专利]用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现遥操作机器人控制的人机接口装置，尤其涉及一种人体关节的运动测量和力反馈执行机构。

背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人机接口装置。机器人手控器和力反馈数据手套是两种常见的遥操作机器人的人机接口装置，机器人手控器是实现遥操作机器人控制的很有效的人机接口装置，但手控器相对而言，机械结构复杂，在固定的平台上操作，限制了手的活动范围，而且长时间操作后，操作者会感到劳累。手控器通过测量操作者手(手柄)位置控制远程机械手的执行器(手爪)运动到相应位置，该运动过程通过一定的程序或算法实现，而不能由人根据自己的意图任意操控机械手完成。当机械手与环境相互作用时，受力信息传递到手控器直接作用于操作者手上，再通过手传递至臂部，而不能将机械手、臂受力信息分别作用于操作者手、臂上，另外机器人手控器只能实现机械手的控制，无法实现仿人机器人其它部位的控制和力反馈，因此，机器人手控器在实现对遥操作机器人控制和反馈时还存在着很大的问题。力反馈数据手套作为一种人机接口装置，它一般与六自由度三维跟踪设备相结合，通过三维跟踪设备测量手的位置，控制远程机械手执行器(手爪)运动到相应位置，通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手执行器(手爪)或虚拟现实中的虚拟机械手(手爪)跟踪人手的运动，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的力/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受，它克服了手控器机械结构复杂、手的活动范围小的缺点，但力反馈数据手套只能实现手的力反馈。然而，不管是力反馈数据手套，还是机器人手控器，对于控制单个机械手或机器臂并将其与环境相互作用力反馈到操作者处具有较好的效果，但对于控制仿人机器人或虚拟人(包括人体各种关节的运动)并反馈其与环境的作用就非常困难了。因此，能够实现测量人体各种关节(包括手、臂、腿等)运动并实现力反馈的通用型执行机构，不但能够实现手部、上肢的力反馈功能，而且能够实现人体其他部位力反馈功能，将具有广泛的应用前景。

力反馈可以分为主动型和被动型，主动型力反馈大多用电机进行驱动，也有通过气动、液压或电磁装置进行驱动，主动型力反馈执行器一般稳定性相对较差，失控时容易对操作者产生伤害，而且体积较大，机械结构也比较复杂，整个机构的摩擦力也相对较大，利用气动或液压的执行器，还需要配备相应的设备，消耗大量能源。被动型力反馈利用被动执行器驱动，如制动器、阻尼器等，被动力反馈执行器比同体积的主动执行器(特别是电机)产生的力要大得多，而且本身是能量耗散的，具有稳定、安全等优点，结构相对简单，摩擦力小，能够应用于便携式的力反馈装置。

机械摩擦式被动执行器力/力矩的产生完全依赖于机械接触，所以当使用快速开关控制器驱动时容易造成系统的振动。更有甚者，摩擦材料具有比较高的动摩擦系数，容易导致粘滑现象发生，这种现象能够造成制动力矩的不连续。基于磁流变液的被动力反馈执行器，不是机械直接接触，而是利用流体传递力矩，因此更为稳定和连续，更具有开发应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单的轻便型实现人体关节的运动测量和力反馈的执行机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于实现遥操作机器人控制的人机对接的人体关节的运动测量和力反馈的执行机构，包括第一连杆、第二连杆、力反馈执行器以及角度传感器，所述的力反馈执行器包括：壳体以及设置在壳体内的力反馈轴、磁流变液、旋转盘、固定盘、绝磁环以及线圈，所述的旋转盘固定在力反馈轴上，所述的固定盘固定在壳体上并间隔的布置在旋转盘之间，所述的磁流变液填充在旋转盘与固定盘周围，在固定盘的外侧设置所述的绝磁环，在绝磁环上绕制所述的线圈，所述的第一连杆固定在所述的力反馈轴上，所述的角度传感器也固定在所述的反馈轴上测量所述的第一连杆的角位移，所述的第二连杆固定在所述的壳体。

在所述的第一连杆上设置有用于测量第一连杆作用力的第一力传感器，在所述的第二连杆上设置有用于测量第二连杆作用力的第二力传感器。

所述的旋转盘为两片，所述的固定盘为一片。