[发明专利]基于力反馈的安全远程力觉书写系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种力反馈书写系统及其方法，尤其涉及一种基于力反馈的安 全远程力觉书写系统及其控制方法。

背景技术

数字签名是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领 域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。基于加密网络通信的数字签名已经 被广泛应用于各种认证。但在重要的法律文书、商务函件中，亲笔签名仍然有 着不可替代的作用。目前，这一过程必须由书写人亲临现场完成，无法通过远 程方式实现。

力反馈是虚拟实现技术中的重要组成部分，它利用与操作者接触的机械结 构表现出的反作用力，与虚拟环境中或执行机构末端接触的物体形成力觉信息 的交互，提高操作的准确性。传统力反馈设备仅作为人机交互设备的一种扩展， 是带力觉输出的输入设备，其功能和结构决定了使用用途的单一性。事实上， 部分力反馈设备由于本身带有具备一定驱动能力的电机等部件，并且可由其内 部的编码器等部件实现精确定位。这意味着力反馈设备具备作为执行机构的能 力，单一用途的设计可能造成功能的浪费。

力反馈设备经常作为执行精密操作的输入设备，对于用于一些关键性操作 的场合，其反馈力觉信息和其输入动作信息的准确性是十分关键的，如果发生 错误可能导致灾难性后果。现有设备多数只考虑了设备与PC之间连接的可靠 性，事实上在真正的远程操作中，尤其是以太网作为传输介质的远程操作中， 信息发生被监听、篡改的可能性非常大。因此，如何确保位置与力觉信息交互 的准确性是力反馈设备可靠性的关键。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于力反馈的安全远 程力觉书写系统及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于力反馈的安全远程力觉书写系统， 包括三轴并联力反馈机构以及与其连接的控制器；所述控制器包括驱动模块以 及与其连接的通信模块；

所述驱动模块包括顺序连接的电机驱动电路、电流传感器；

所述通信模块包括CPU以及与其连接的以太网口、显示器和摄像头；所述 CPU通过电机驱动电路与三轴并联力反馈机构的电机连接、且与串接在三轴并 联力反馈机构的电机与电机驱动电路之间的电流传感器相连接。

所述三轴并联力反馈机构，包括动平台、底座平台、固定平台、书写用笔 及三条力反馈支链，其中固定平台垂直安装在底座平台上，所述三条力反馈支 链沿周向均布在固定平台上，三条力反馈支链的末端均与动平台铰接，所述书 写用笔安装在动平台上，所述三条力反馈支链产生的扭矩在动平台上产生一个 空间上的合力。

所述三条力反馈支链的结构相同，均包括直流电机、减速盘及双连杆机构， 其中直流电机安装在固定平台上、并输出轴与减速盘连接，所述双连杆机构的 两端分别与减速盘的外缘和动平台铰接。

所述双连杆机构的两端分别通过虎克铰与减速盘的外缘和动平台铰接，所 述双连杆机构与其两端的虎克铰形成平行四边形机构。

所述三条力反馈支链中的三个减速盘互成120度分布于固定平台上、并均 与固定平台垂直。

所述动平台为等边三角形，所述等边三角形的三个顶点分别与三个双连杆 机构铰接。

所述书写用笔通过紧固旋钮安装在末端工具固定盘上，所述末端工具固定 盘与动平台连接。

基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，包括以下步骤：

书写人手持三轴并联力反馈机构中的书写用笔，其在空间中的书写动作带 动动平台的运动，进而使三个减速盘和相应的直流电机产生不同角度的转动， 并改变电机尾部编码器的位置值；

本地端控制器中的CPU对三个编码器位置值实时采样并打包后加密、并通 过以太网发送给远程端控制器；

远程端控制器的CPU以接收到的三组编码器数据作为目标位置分别作为电 机驱动的控制信号，对相应的三个电机分别进行位置伺服控制，跟随本地端书 写人的书写动作，在纸面形成书写笔迹。

基于力反馈的安全远程力觉书写控制方法，还包括以下步骤：

当远程端三轴并联力反馈机构中的书写用笔笔尖接触纸面时，纸面对笔尖 的反作用力引起三个直流电机的反向扭矩，进而改变电机驱动的电流；

远程端控制器的CPU对三个直流电机电流值实时采样并打包后加密、并通 过以太网发送给本地端控制器；