本發(fā)明屬于力反饋的校準(zhǔn)，具體是指一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置。

背景技術(shù)：

1、人機(jī)交互技術(shù)作為推動(dòng)各行業(yè)數(shù)字化、智能化的有力工具，當(dāng)前得到了廣泛的研究與應(yīng)用?，F(xiàn)有的人機(jī)交互技術(shù)主要關(guān)注視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)方面，較少涉及力覺(jué)交互技術(shù)的研究。視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)交互以光和聲音為信息載體，實(shí)現(xiàn)非接觸式的信息傳遞。相較之下，力覺(jué)交互屬于接觸式信息交互，能夠給人帶來(lái)力感和運(yùn)動(dòng)感的刺激，從而提升交互效果和效率。力反饋技術(shù)作為力覺(jué)人機(jī)交互的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)途徑，通過(guò)特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的反作用力，模擬真實(shí)環(huán)境中人所受到的作用力大小、方向及阻尼感受，為用戶提供逼真的力覺(jué)體驗(yàn)。借助力反饋設(shè)備，用戶可獲得與實(shí)際觸摸物體時(shí)相似的力感和運(yùn)動(dòng)感，增強(qiáng)人機(jī)交互的沉浸感，使其仿佛置身于現(xiàn)實(shí)環(huán)境之中。因此，力反饋技術(shù)在人機(jī)交互領(lǐng)域具有不可替代的重要地位。

2、虛擬力建模技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)力反饋的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要解決虛擬環(huán)境中的力和力矩的大小、方向的計(jì)算問(wèn)題。由于人不可能進(jìn)入計(jì)算機(jī)模擬的虛擬環(huán)境中進(jìn)行直接的信息交互，所以為了讓操作更為自然，一般會(huì)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中安放虛擬代理來(lái)代替人進(jìn)行環(huán)境探索。而力反饋設(shè)備反饋的力和力矩其實(shí)是代理與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境交互過(guò)程中所受到虛擬物體作用力和力矩。一般虛擬環(huán)境中的力和力矩的大小、方向的計(jì)算可以分為兩個(gè)子問(wèn)題來(lái)解決：第一，虛擬環(huán)境中的物體由頂點(diǎn)、線段和多邊形組成，如何檢測(cè)虛擬物體之間的碰撞；第二，檢測(cè)出碰撞后，如何計(jì)算力的大小以及方向。解決這兩個(gè)問(wèn)題的過(guò)程是對(duì)虛擬力建模的一般過(guò)程，如果虛擬環(huán)境中的物體不是一般的剛性物體，而是水和橡皮等流體或者柔性物體時(shí)，還需要對(duì)這些物體進(jìn)行深入的物理建模對(duì)于虛擬力建模方法的進(jìn)一步研究可以極大的提高力反饋的效果，從而使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)反饋給操作者的力覺(jué)信息更為全面和逼真。因此，對(duì)于校準(zhǔn)技術(shù)和裝置而言，如何模擬碰撞和阻尼產(chǎn)生的不同方向、不同力值的大小，并覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，是研究的關(guān)鍵。

3、目前，對(duì)于力反饋設(shè)備的標(biāo)定和校準(zhǔn)主要有三種方法。一是傳統(tǒng)標(biāo)定方法，常采用不加導(dǎo)向的一維拉壓力傳感器、直角尺、鋼板尺等測(cè)量工具進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)變換傳感器的安裝方向來(lái)測(cè)量手控器在多個(gè)方向上的力，無(wú)法同時(shí)測(cè)量力反饋在空間三個(gè)方向的分量，無(wú)法測(cè)量手控器輸出力反饋的耦合狀況；傳統(tǒng)標(biāo)定方法也有采用三個(gè)一維力傳感器互相垂直安裝，此方法使得整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)復(fù)雜龐大，且在安裝傳感器的時(shí)候由于工藝的緣故很難實(shí)現(xiàn)完全的互相垂直，影響精度。二是以北理工南昌研究院為代表的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，采用對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分解并逆向建模，并對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行模擬，再在solidworks等仿真模擬軟件中對(duì)末端進(jìn)行解算，最終得到末端位置的模擬位移和力值，達(dá)到校準(zhǔn)的目的；該方法屬于模擬檢測(cè)，并非實(shí)測(cè)，只能驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，但無(wú)法將安裝和加工等引入的誤差代入校準(zhǔn)，因此局限性較大。三是以東南大學(xué)、上海交大等為代表的高校，采取的方法主要是采用多個(gè)電控移動(dòng)滑臺(tái)模組搭建成校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，其主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、滑臺(tái)以及導(dǎo)軌組成。滾珠絲桿用于將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑臺(tái)的線性運(yùn)動(dòng)。一個(gè)滑臺(tái)模組只能測(cè)量力反饋設(shè)備末端一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)位移，要想將末端位置的空間坐標(biāo)都測(cè)量出來(lái)，共需要三個(gè)滑臺(tái)模組，并且三個(gè)模組的安裝需要保證兩兩垂直。但是該方法僅能進(jìn)行位置的標(biāo)定，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行力的校準(zhǔn)。華南理工大學(xué)、東南大學(xué)的研究者也曾嘗試在標(biāo)定末端安裝力傳感器，但由于測(cè)量準(zhǔn)確度低、解耦復(fù)雜，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，針對(duì)六自由度下不同狀態(tài)的校準(zhǔn)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，：包括：基礎(chǔ)平臺(tái)、多分量測(cè)力平臺(tái)、三自由度直線位移平臺(tái)、三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)和柔性?shī)A具；

4、所述基礎(chǔ)平臺(tái)上方設(shè)置所述多分量測(cè)力平臺(tái)；

5、所述多分量測(cè)力平臺(tái)上設(shè)置被校準(zhǔn)的力反饋設(shè)備；

6、所述三自由度直線位移平臺(tái)設(shè)置在所述基礎(chǔ)平臺(tái)上；

7、所述三自由度直線位移平臺(tái)，包括：x向平動(dòng)模組、y向平動(dòng)模組和z向平動(dòng)模組；每個(gè)所述平動(dòng)模組，均包括：伺服電機(jī)、直線導(dǎo)軌、載物臺(tái)、滾珠絲杠；所述直線導(dǎo)軌上設(shè)置所述載物臺(tái)，所述滾珠絲桿設(shè)在所述直線導(dǎo)軌內(nèi)；所述伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)所述滾珠絲杠移動(dòng)，從而帶動(dòng)所述載物臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)；

8、所述y向平動(dòng)模組的直線導(dǎo)軌，為設(shè)置在所述多分量測(cè)力平臺(tái)兩側(cè)的兩個(gè)縱向直線導(dǎo)軌；所述x向平動(dòng)模組，為龍門架式，架設(shè)于所述y向平動(dòng)模組的兩個(gè)所述縱向直線導(dǎo)軌上方，所述x向平動(dòng)模組的直線導(dǎo)軌為橫向直線導(dǎo)軌，設(shè)于龍門架頂部橫梁上；所述z向平動(dòng)模組的直線導(dǎo)軌為豎向直線導(dǎo)軌，設(shè)置在所述x向平動(dòng)模組的橫向直線導(dǎo)軌上；

9、所述x向平動(dòng)模組的橫向直線導(dǎo)軌、所述y向平動(dòng)模組的縱向直線導(dǎo)軌和所述z向平動(dòng)模組的豎向直線導(dǎo)軌上均設(shè)置有一位移測(cè)量元件；

10、所述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)在所述z向平動(dòng)模組的豎向直線導(dǎo)軌上；所述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)轉(zhuǎn)軸上均設(shè)置有一轉(zhuǎn)角測(cè)量元件；

11、所述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)連接所述柔性?shī)A具；

12、所述柔性?shī)A具連接被校準(zhǔn)的力反饋設(shè)備?。

13、進(jìn)一步地，所述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，采用型號(hào)為wmd3ss的電動(dòng)多維旋轉(zhuǎn)臺(tái)。

14、進(jìn)一步地，所述柔性?shī)A具，為陣列式柔性?shī)A具。

15、進(jìn)一步地，所述位移測(cè)量元件，為光柵尺。

16、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)角測(cè)量元件，為角度編碼器。

17、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：主要針對(duì)市面上常見(jiàn)的商用和力反饋設(shè)備的校準(zhǔn)問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)用于力反饋設(shè)備三維力測(cè)量的測(cè)量元件，并研究不同維度解耦方法，解決準(zhǔn)確測(cè)量的難題；針對(duì)六自由度下不同狀態(tài)的校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適用于六自由度加載的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制方法，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度；采用陣列式柔性?shī)A具，滿足不同手柄裝夾要求。

技術(shù)特征：

1.一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，其特征在于：包括：基礎(chǔ)平臺(tái)、多分量測(cè)力平臺(tái)、三自由度直線位移平臺(tái)、三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)和柔性?shī)A具；

2.如權(quán)利要求1所述的一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，其特征在于：所述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，采用型號(hào)為wmd3ss的電動(dòng)多維旋轉(zhuǎn)臺(tái)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，其特征在于：所述柔性?shī)A具，為陣列式柔性?shī)A具。

4.如權(quán)利要求1所述的一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，其特征在于：所述位移測(cè)量元件，為光柵尺。

5.如權(quán)利要求1所述的一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)角測(cè)量元件，為角度編碼器。

技術(shù)總結(jié)
一種用于力反饋設(shè)備的多自由度校準(zhǔn)裝置，包括：基礎(chǔ)平臺(tái)、多分量測(cè)力平臺(tái)、三自由度直線位移平臺(tái)、三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)和柔性?shī)A具；基礎(chǔ)平臺(tái)上方設(shè)置多分量測(cè)力平臺(tái)；多分量測(cè)力平臺(tái)上設(shè)置被校準(zhǔn)的力反饋設(shè)備；三自由度直線位移平臺(tái)設(shè)置在基礎(chǔ)平臺(tái)上；三自由度直線位移平臺(tái)的直線導(dǎo)軌上均設(shè)置有一位移測(cè)量元件；三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)在Z向平動(dòng)模組的豎向直線導(dǎo)軌上；三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)轉(zhuǎn)軸上均設(shè)置有一轉(zhuǎn)角測(cè)量元件；述三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)連接柔性?shī)A具；柔性?shī)A具連接被校準(zhǔn)的力反饋設(shè)備。本發(fā)明設(shè)計(jì)了適用于六自由度加載的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制方法，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

技術(shù)研發(fā)人員：林碩,張勇,闕鵬峰,陳玉芳,謝杰,王秀榮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福建省計(jì)量科學(xué)研究院（福建省眼鏡質(zhì)量檢驗(yàn)站）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21