[发明专利]一种并联式三自由度力反馈手控器及其控制方法

权利要求书

1.一种并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：包括若干组中心对称布置的运动部件；每组所述运动部件包括一直线导轨模组(2)和平行连杆机构(9)，还包括分别设置在直线导轨模组(2)前后两侧的前侧传动机构(3)和后侧传动机构(4)；

所述直线导轨模组(2)包括一个直线导轨(201)和滑动安装在直线导轨(201)上的滑块(202)；所述若干组运动部件的直线导轨(201)平行布置；

所述前侧传动机构(3)包括一个从动滑轮(303)；后侧传动机构(4)包括一个主动滑轮(403)和驱动主动滑轮(403)转动的驱动装置；所述从动滑轮(303)和主动滑轮(403)上套装有传动带(502)，传动带(502)跟随从动滑轮(303)和主动滑轮(403)同步运动；所述直线导轨(201)与传动带(502)位于同一平面，并且所述滑块(202)固定在所述传动带(502)上；

所述平行连杆机构(9)包括一平行连杆(901)；所述平行连杆(901)的一端通过第一万向联轴器(902)与滑块(202)连接；所述若干组运动部件的平行连杆(901)的另一端通过第二万向联轴器(903)共同连接在一个操作手柄(10)上。

2.根据权利要求1所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：所述驱动装置包括连接在主动滑轮(403)的转轴上的磁流变阻尼器(6)和直流电机(7)。

3.根据权利要求2所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：所述主动滑轮(403)的转轴上还安装有光电编码器(8)。

4.根据权利要求3所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：所述传动带(502)设置有一个断面，所述断面的两个端头分别固定在所述滑块(202)的前后端面；并且所述端头与滑块(202)的连接处均设置有拉力传感器(5)。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：所述运动部件的数量为三组。

6.根据权利要求1所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：还包括控制电路(11)；所述的控制电路(11)包括电源电路、光电编码器信号采集电路、磁流变阻尼器驱动电路、直流电机驱动电路、拉力传感器信号采集电路和通信电路。

7.根据权利要求1所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：每个所述传动带(502)包括两根并列布置的钢丝绳。

8.根据权利要求1所述的并联式三自由度力反馈手控器，其特征在于：所述平行连杆(901)为空心铝管。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的并联式三自由度力反馈手控器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立磁流变阻尼器(6)和直流电机(7)的标定平台，分别获得磁流变阻尼器(6)的力-电流关系曲线和直流电机(7)的力-电流关系曲线；

步骤2：操作者控制操作手柄(10)运动时，使滑块(202)发生移动；光电编码器(8)可以分别得到对应滑块(202)的位移，根据位置解算方法计算出操作手柄(10)的位移量P_mea；

步骤3：将操作手柄(10)的位移量P_mea实时映射到虚拟环境的虚拟代理点；操作者控制操作手柄(10)运动的过程中，当虚拟代理点与虚拟环境中的物体发生碰撞时，将产生一个虚拟交互力F_obj，这一交互力再现于操作手柄(10)上的过程如下：

首先将虚拟交互力F_obj通过滤波逆解，得到每个磁流变阻尼器(6)需要输出的力；根据磁流变阻尼器(6)的力-电流关系曲线获得磁流变阻尼器(6)需要的输入电流I_d；磁流变阻尼器(6)驱动对磁流变阻尼器(6)的输出力进行控制；设多个磁流变阻尼器(6)输出的合力为F_d；

接着，根据拉力传感器(5)的实时测量结果，解算出实际作用于操作手柄(10)的力为F_mea；将F_mea与F_obj进行比较，得到偏差力F_dev；

对F_dev进行力的逆解，得到每个直流电机(7)需要输出的力；根据直流电机(7)的力-电流关系曲线得到直流电机(7)需要的输入电流I_v；直流电机(7)驱动对直流电机(7)的输出力进行控制；设多个直流电机(7)输出的合力为F_v；

最后，将F_d和F_v叠加作用于操作手柄(10)，得到实际再现给用户的交互力F_a。