[发明专利]一种输出可调反馈力的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种输出可调反馈力的装置和方法，是一种力觉交互方案，属于力觉交互设备领域。

背景技术

人机交互技术研究的是人与机器(计算机)双向信息交流的方法。人类与外界进行信息交流的途径是很丰富的，人体主要通过视觉、听觉、触力觉、味觉和嗅觉等感官信息通道与外界进行交流。

人机交互技术正是要研究如何利用这些感知觉更好地实现人与机器自然沟通。人类从外界获得的信息百分之八十是通过视觉和听觉获取的，同时由于计算机技术、传感技术等的限制，人机交互领域研究的内容主要集中在易于突破的视觉和听觉上。如今所取得的成果如三维显示技术、立体声效等已深入到日常生活中。

但随着人机交互技术的发展，视听觉信息通道应用的局限性也逐渐显现出来，力觉交互技术作为新兴的人机交互手段得到了重视，关于触力觉的研究和应用也日益成熟。在人类操作环境的过程中，操作者向环境输入力或运动，环境不但以视觉或听觉信号的形式向操作者反馈作用效果，而且将其响应以运动或力的形式通过触觉反馈给操作者，使我们能够感知软硬、轻重、粗细、冷热、干湿、凸凹、动静等丰富的外界环境信息。触力觉信息感知灵敏且传递迅速，人体会根据触觉信息快速做出反应。作为唯一种可以进行双向信息交流的感觉通道，触力觉在很多应用场合不能被替代。一些依赖于触力觉的操作也无法被其他感知觉所取代，如驾驶车辆，操纵工具。

在目前视觉和听觉交互为主的人机交互技术中，如果在其中结合触力觉交互技术，必将增强虚拟世界的真实感。触力觉交互手段将对人机交互技术的发展产生深远的影响。

力觉交互设备根据设备的输入输出可分为阻抗控制设备和导纳控制设备。当采用阻抗控制方式时，人施加给交互设备一个运动(位移、速度等)，设备则输出给人一个与人的运动相关的反馈力，这样人在与设备的交互过程中就有了力的感觉。当采用导纳再现的控制方式时，人施加给交互设备一个力的作用，设备则反馈给人一个与人施加的力相关的运动(位移、速度等)，这样人在与设备的交互过程中通过控制设备运动的变化就能感觉到力的变化。

导纳控制方法适合模拟大的设备刚度和输出力，但是因为需要加装详细测量力信号的传感器，使得设备制造成本昂贵。阻抗控制方法不需要外部的力传感器设备，成本低，利用电机的数学模型控制其电气参数从而开环控制其输出力矩。传统的阻抗控制方法通过控制直流电机的电流达到控制其输出力矩的目的，这种方法下，直流电机的输出力矩及其有限，增加设备的传动比虽然可以增大动力源的输出力矩，但是传动比增大导致设备惯性增大，当要求设备不输出反馈力时，操作者牵引操作末端运动时感受到更大的反向驱动力，故现有的阻抗控制方法无法模拟较大的输出力。在需要模拟大的输出力，同时不需要安装力传感器，成本尽量低的情况下，如何确定力反馈的方法，是一个值得探索和研究的问题。

弹簧是一种常见的机械零件，其变形和载荷符合胡克定律，利用它的弹性可以控制机件的运动、储存能量、测量力的大小等，已广泛用于机器、仪表中。在弹簧刚度已知的情况下，控制弹簧的形变量，可以改变弹簧对两端物体施加的力。

发明内容

本发明所涉及的一种输出可调反馈力的装置和方法，是一种新型的力觉交互方案。本发明的装置可集成到力觉交互设备中，为操作者提供操作设备时的反馈力，并且反馈力的大小可根据用户设定方便调整。

本发明所涉及的一种输出可调反馈力的装置，其包括动力源、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，减速器等，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、初始长度等参数完全相同；检测元件，即两个编码器。其特征在于：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同样刚度的螺旋拉伸弹簧相连；主动轮与操作末端固连，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；根据装置的应用场合，操作末端可以是汽车模拟方向盘、轮船模拟方向盘或者飞机模拟驾驶盘以及其他形式的操作工具。

本发明所涉及的一种输出可调反馈力的方法，具体是：人牵引操作末端运动时，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一定变形，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。