[发明专利]一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统及其工作方法

权利要求书

1.一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统，由计算机、运动跟踪传感器和力触觉反馈机构及其控制器组成，其特征在于：由运动跟踪传感器采集手部运动数据；计算机由力觉渲染计算机、运动预测计算机和运动规划计算机三台计算机组成，力觉渲染计算机用于手部位姿计算、碰撞检测和手部进行操作时的实时碰撞响应与力觉生成，运动预测计算机用于手部与工具或控件接触前的手部运动轨迹预测，运动规划计算机用于手部与工具或控件接触前的力触觉反馈机构运动规划；由控制器驱动力触觉反馈机构运动；力触觉反馈机构由机械臂和滑轨组合而成，机械臂底座安装于滑轨之上，机械臂末端执行器上带有工具或控件，工具或控件种类根据不同应用进行更换，由力触觉反馈机构为用户提供力触觉反馈；应用时，力触觉反馈机构置于用户面前，且其工作空间与用户手部的运动范围有交集； 其工作方法包括手部与工具或控件接触前的伺服运动和手部对工具或控件进行操作时的主动力触觉反馈两个阶段，首先判断力触觉反馈机构的工作阶段，再根据不同工作阶段执行相应的操作；用户手部运动时，运动跟踪传感器实时采集手部运动数据，送至力觉渲染计算机，力觉渲染计算机计算手部位姿，进行虚拟环境和虚拟手的图像渲染，并根据虚拟环境中虚拟手和虚拟工具或控件所处的位置，进行碰撞检测；手部未与特定的工具或控件接触时，力触觉反馈机构处于伺服运动阶段，将手部运动数据送入运动预测计算机，根据以前及当前的手部运动数据，拟合手部运动曲线，并对手部未来运动轨迹进行预测，确定手与工具或控件接触的时刻t_c、交互位置p_c和交互方向q_c，将数据送至运动规划计算机，运动规划计算机根据预测的t_c、p_c和q_c，对力触觉反馈机构进行运动规划，生成运动指令，送入控制器，驱动力触觉反馈机构运动，使其末端执行器在t_c时刻以交互方向q_c达到预测的交互点p_c；随着手部运动，预测的手部运动轨迹、交互时刻t_c、交互点p_c和交互方向q_c不断更新，需要重新对力/触觉反馈机构进行运动规划，更新控制指令，预测的t_c、p_c和q_c逐渐收敛于真实值；手部与特定的工具或控件接触时，用户手部到达真实的交互点对工具或控件进行操作，力触觉反馈机构处于主动力触觉反馈阶段，用户可从虚拟显示设备中看到虚拟环境中虚拟手对虚拟工具或控件的操作，力触觉反馈机构将相应的工具或控件以合适的方向送至手部操作的目标位置，提供与视觉相匹配的触觉反馈，同时，用户进行操作时，虚拟环境中手部与特定的工具或控件接触，力觉渲染计算机进行实时碰撞响应和力觉生成，驱动力触觉反馈机构输出力，提供主动的力觉反馈。

2.如权利要求1所述的一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统，其特征在于：力触觉反馈机构将末端所带的工具或控件送至用户操作目标位置，使用户手部触摸工具或空间表面，产生触摸感，提供触觉反馈；末端所带工具或控件与手部接触时，计算机生成运动指令并驱动力触觉反馈机构运动，输出作用力，提供力觉反馈。