[发明专利]一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法

说明书

本发明公开一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法，包括以下步骤：步骤1、计算基于电机转矩实现主动重力补偿时各驱动电机消耗的转矩τ_A；步骤2、计算被动拉伸弹簧被动补偿结构对所在支链产生的转矩τ_S；步骤3、以步骤1得到的主动重力补偿转矩τ_A和弹簧被动补偿结构在该支链所产生的转矩τ_S，计算各电机在该空间姿态下实现力反馈设备重力补偿实际需要的转矩τ；步骤4、计算补偿该姿态下力反馈设备保持平衡时各电机需要输出的电流I,实现力反馈设备在该处的重力平衡。本发明提出了一种适用于混联式力反馈设备的主被动结合的重力补偿方法，提高用户操作力反馈设备交互过程的沉浸感，在不增加电机额定转矩的条件下，提高设备在运动空间中的输出力。

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域的力/触觉交互技术领域，尤其涉及一种主被动结合的混联式力反馈设备重力补偿方法。

背景技术

作为一种新型人机交互途径，力反馈/触觉交互技术广泛用于虚拟装配、产品设计与制造仿真虚拟手术培训等领域。用户操作力反馈设备时，设备自身机构的重力会影响对虚拟环境反馈力真实性的感知，如果不对设备的重力进行补偿，用户感受到的是设备自身重力和虚拟环境反馈力的合力，这显然不符合力觉交互的目的；其次，用户长时间操作力反馈设备，肌肉会感到疲劳，降低操作沉浸感。因此，对设备连杆引起的重力进行补偿是必要的。重力补偿的目标是：无需用户施加外力作用，力反馈设备在运动空间的任意姿态下保持平衡。

近年来，大量文献对所提出的力反馈设备进行了重力补偿研究，主要分为主动、被动补偿两种方式。主动补偿，通过电机输出反向力/力矩平衡设备自身的重力，其优点是无需添加额外的机构，机构复杂度和空间尺寸不会增加，但是会消耗电机的大量转矩，尤其是设备自身重力较大时，影响力反馈设备的输出力性能；被动补偿，通过添加配重块或弹簧平衡设备重力，该方法无需电机消耗额外的转矩，被证明是一种平衡机构重力的有效方法，但该方法引入配重块、辅助连杆等结构，会造成运动时机构之间的干涉，不适用于复杂的并联机构。

专利CN 102320040B提出了一种自主调节自重平衡的力反馈交互设备，创新性地采用一个直流电机控制平衡滑块自动、实时地对设备手臂机构进行自重补偿，降低人手疲劳。但是该方法需要引入电机、减速机构、平衡块、平衡杆等，增大设备运动时的惯性。

专利CN 102825601B提出了一种拟人式6自由度机器人重力平衡方法，腕式的三个关节采用对称设计和配重设计，使该结构的质心与小臂杆件交于一点，位置机构的重力补偿基于配重块和电驱动转矩实现。该方法适用于串联机构的重力补偿，对于结构复杂的并联机构不适用。

专利CN105550466A提出了一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，采用两根弹簧对串联力反馈设备重力进行补偿，并考虑了弹簧的劲度系数、安装位置以及弹簧长度等因素的影响，但该方法无法实现力反馈设备的完全重力补偿。

专利CN107738275A提出一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，通过添加盘型凸轮与拉簧单元，将机械臂的重力势能转化为弹性势能，实现机械臂在有效工作空间内达到完全重力平衡的效果。但该方法只适合于单自由度的简单结构，对于多自由度、尤其是并联的力反馈设备并不适用。

Mashayekhi等(VirSense:a novel haptic device with fixed-base motorsand a gravity compensation system[J])针对六自由度串联式触觉设备，采用两根弹簧补偿95％的连杆重力，另外5％的重力基于电机主动补偿实现。但是，所提出的重力补偿方法，需引入非常复杂、特殊设计的滑轮传动系统，不具有通用性。