[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

说明书

本发明公开了一种并联式三自由度力反馈手控器及其控制方法，由基座、运动部件、拉力传感器、磁流变阻尼器、直流电机、光电编码器、操作手柄、控制电路等组成。基座是由两个六边形框架组成的笼状结构。运动部件包括滑轮、直线导轨模组和平行连杆机构。滑轮、磁流变阻尼器、直流电机和光电编码器的输出轴通过联轴器固定连接。滑轮和直线导轨上的滑块之间采用钢丝绳传动。滑块两侧各放置一个拉力传感器。平行连杆机构两端分别通过万向联轴器与滑块和操作手柄连接。本发明通过组合主动和被动执行器减小装置的体积和功耗，并在力控制方法的管理下为交互提供广泛且高精度的反馈力。同时装置还具有结构简单、行程大、刚度高、惯性小和定位精度高的特点。

技术领域

本发明涉及一种力反馈手控器，能够测量末端控制手柄位移并为人与虚拟环境的交互提供广泛且高精度的反馈力，可以广泛应用于太空探测、深海探索和虚拟现实等人机交互领域。

背景技术

人机交互技术是指人通过一定的交互方式实现操作者和机器之间交互的一种技术，在虚拟现实、深海探测和远程手术等领域应用广泛。力反馈手控器是遥操作机器人系统中广泛采用的一种人机交互设备。作为操作者和虚拟机器人或真实机器人中间的媒介，手控器不但具有将操作者手部位姿信息发送给本地控制系统的功能，而且可以将虚拟系统中虚拟机器人接触到的纹理信息或者远端机器人与环境的交互力展示给操作者。

随着人机交互技术的不断发展，出现了许多力反馈机器人，如达芬奇手术机器人等，但是这些机器人往往不具备通用性，只能应用于特定场景中。此外，现有的力反馈手控器末端运动范围往往较小，而且可以提供的反馈力的范围和精度都比较低，难以适用于大行程或者对力反馈精度和响应速度要求比较高的场景。现有的力反馈手控器体积也较为庞大，往往带来惯性较大的问题。使用电机作为力反馈的主要器件也会带来功耗较大的问题。这些因素在一定程度上也限制了人机交互技术的发展。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种结构简单、大行程、高精度和低惯性的并联式三自由度力反馈手控器，并通过组合主动和被动执行器来减小力反馈执行器体积和功耗，可实现高精度的位置跟踪，以及为人与虚拟或远地物体的交互提供广泛而高精度的反馈力。

技术方案：本发明提出一种并联式三自由度力反馈手控器，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和平行连杆机构，还包括分别设置在直线导轨模组前后两侧的前侧传动机构和后侧传动机构；

所述直线导轨模组包括一个直线导轨和滑动安装在直线导轨上的滑块；所述若干组运动部件的直线导轨平行布置；

所述前侧传动机构包括一个从动滑轮；后侧传动机构包括一个主动滑轮和驱动主动滑轮转动的驱动装置；所述从动滑轮和主动滑轮上套装有传动带，传动带跟随从动滑轮和主动滑轮同步运动；所述直线导轨与传动带位于同一平面，并且所述滑块固定在所述传动带上；

所述平行连杆机构包括一平行连杆；所述平行连杆的一端通过第一万向联轴器与滑块连接；所述若干组运动部件的平行连杆的另一端通过第二万向联轴器共同连接在一个操作手柄上。

进一步，所述驱动装置包括连接在主动滑轮的转轴上的磁流变阻尼器和直流电机。

进一步，所述主动滑轮的转轴上还安装有光电编码器。

进一步，所述传动带设置有一个断面，所述断面的两个端头分别固定在所述滑块的前后端面；并且所述端头与滑块的连接处均设置有拉力传感器。

进一步，所述运动部件的数量为三组。

进一步，还包括控制电路；所述的控制电路包括电源电路、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。

进一步，每个所述传动带包括两根并列布置的钢丝绳。

进一步，所述平行连杆为空心铝管。