[发明专利]一种输出可调反馈力的装置及方法

权利要求书

1.一种输出可调反馈力的装置，其特征在于：该装置包括动力源、传动机构、螺旋拉伸弹簧、检测元件四部分；动力源，即伺服电机；传动机构，主要包括操作末端，钢丝绳，传动轮，减速器，该传动轮包括主动轮和从动轮；螺旋拉伸弹簧有两根，其刚度、初始长度完全相同；检测元件，即两个编码器；该装置采用钢丝绳传动，两根钢丝绳分别绕在两个传动轮上并与传动轮固连，钢丝绳的两端分别与两根螺旋拉伸弹簧相连；主动轮与一个操作末端固连，从动轮与减速器输出端固连，两个编码器分别与主动轮及伺服电机相连，用于检测主动轮与电机轴的转角。

2.根据权利要求1所述的一种输出可调反馈力的装置，其特征在于：所述的操作末端是汽车模拟方向盘、轮船模拟方向盘或者飞机模拟驾驶盘。

3.一种输出可调反馈力的方法，其特征在于：操作者牵引操作末端运动，在主动轮和伺服电机的相互作用下，传动轮两侧螺旋拉伸弹簧的发生变形，螺旋拉伸弹簧通过钢丝绳、主动轮最终施加到操作末端一个反作用力，从而使操作者感受到反馈力；在主动轮转角一定的情况下，改变电机轴的转角，也就是改变从动轮的转角位置，可以改变两侧螺旋拉伸弹簧的变形量，从而调整人手感受到的反馈力的大小；螺旋拉伸弹簧的变形量影响弹簧力的大小，弹簧力的大小影响主动轮受到的阻力矩；螺旋拉伸弹簧的变形量越大，主动轮受到的阻力矩越大；阻力矩通过从动轮、操作末端传递到人手上，使操作者感受到反馈力；所以，改变螺旋拉伸弹簧的变形量，可改变主动轮所受的阻力矩的大小，从而改变人手感受到的反馈力的大小；螺旋拉伸弹簧的变形量的大小是由主动轮、从动轮共同作用得到的；

定义弹簧力对主动轮的阻力矩为M，当主动轮力矩平衡时，M与人手受到的反馈力矩相等；定义主动轮、从动轮半径分别为R、r，弹簧刚度为K，主动轮、从动轮相对于初始平衡位置转角分别为α、β，电机轴相对初始位置转角为θ，减速器减速比为i，左侧螺旋拉伸弹簧的变形量为Δl；则有：

Δl＝rβ-Rα

M＝2KRΔl＝2KR(rβ-Rα)

由上式可见，通过改变从动轮的转角β，可以达到改变人手受到的反馈力矩M的目的；

β＝(M/2KR+Rα)/r，θ＝iβ，根据要求的反馈力矩M的大小及主动轮转角α，可计算出伺服电机的实时的转角θ；

控制系统中设定β＝f(α)的函数关系；改变β＝f(α)的函数关系，即可改变人手受到的反馈力矩M的大小。