本發(fā)明涉及一種力觸覺再現(xiàn)方法，尤其涉及一種基于有源和無(wú)源器件的高精度小型力觸覺再現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

力觸覺再現(xiàn)是指用戶通過力觸覺再現(xiàn)設(shè)備觸摸、感受和操縱虛擬或遠(yuǎn)端物體，獲得虛擬或遠(yuǎn)端物體特性，感知虛擬或遠(yuǎn)端物體信息的過程。通過力觸覺再現(xiàn)設(shè)備，操作者能夠以自然的方式與虛擬或遠(yuǎn)端環(huán)境進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境一致的沉浸感，力觸覺在虛擬現(xiàn)實(shí)、遙操作機(jī)器人和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

執(zhí)行器件是力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的重要組成部分，是傳遞力觸覺刺激的重要環(huán)節(jié)，執(zhí)行器件的特性直接影響到力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的性能以及力觸覺交互的逼真度與沉浸感。目前，力觸覺再現(xiàn)設(shè)備中使用的比較廣泛的器件有直流電機(jī)、磁流變阻尼器以及氣動(dòng)執(zhí)行器等。這些執(zhí)行器件各有優(yōu)劣：如直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，可精確控制，但力矩/體積比小；磁流變阻尼器能量密度高，體積小，出力大，但不能精確控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種采用直流電機(jī)作為有源器件、磁流變阻尼器作為無(wú)源器件，將有源和無(wú)源器件相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)小型器件輸出高精度、大范圍力/力矩的小型力觸覺再現(xiàn)方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于有源和無(wú)源器件的小型力觸覺再現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟(a)：構(gòu)建小型力觸覺再現(xiàn)設(shè)備，所述設(shè)備包括執(zhí)行器件、力/力矩傳感器和力觸覺傳遞裝置，所述執(zhí)行器件包括磁流變阻尼器和直流電機(jī)；對(duì)磁流變阻尼器和直流電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得其輸入電流與輸出力矩之間的關(guān)系；所述磁流變阻尼器標(biāo)定采用最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或者支持向量機(jī)算法；設(shè)該阻尼器標(biāo)定曲線的函數(shù)為：

y1＝fb(x)

其中，y1為阻尼器輸出力矩，x為輸入電流，fb為輸入電流和磁流變阻尼器輸出力矩的映射關(guān)系；

直流電機(jī)的輸出和輸入呈線性關(guān)系，設(shè)直流電機(jī)的標(biāo)定曲線的函數(shù)為：

y2＝kmx

其中，y2為電機(jī)輸出力矩，x為輸入電流，km為輸入電流和電機(jī)輸出力矩的映射關(guān)系；

步驟(b)：將預(yù)期力/力矩?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換成磁流變阻尼器的電流輸入信號(hào)，由磁流變阻尼器輸出相應(yīng)力矩，再經(jīng)力觸覺傳遞裝置作用于操作人員身體(如手指、手)，設(shè)預(yù)期力/力矩為f，力觸覺傳遞裝置輸出與執(zhí)行器件輸出的映射關(guān)系是th，則磁流變阻尼器輸出理論值為th^-1(f)，轉(zhuǎn)換成的磁流變阻尼器電流輸入信號(hào)為fb^-1[th^-1(f)]，設(shè)對(duì)應(yīng)于輸入電流i，磁流變阻尼器的實(shí)際輸出為tb(i)，則磁流變阻尼器的實(shí)際輸出為tb{fb^-1[th^-1(f)]}，則作用在操作者身體的力/力矩為th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}；

步驟(c)安裝在力/力矩作用點(diǎn)的力/力矩傳感器測(cè)量實(shí)際作用的力/力矩?cái)?shù)值，比較實(shí)際輸出與預(yù)期輸出，計(jì)算力/力矩誤差，由力/力矩傳感器反饋回的誤差可表示為：

δ＝f-th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}；

步驟(d)將力/力矩誤差轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)的輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)產(chǎn)生誤差所對(duì)應(yīng)的力矩，設(shè)由直流電機(jī)實(shí)際補(bǔ)償?shù)牧?力矩為δm；

步驟(e)直流電機(jī)的輸出和原先磁流變阻尼器的輸出疊加在一起，消除力/力矩誤差，實(shí)現(xiàn)力/力矩精確控制，最終作用在操作者身體上的力/力矩可表示為：

th(δm)+th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}。

工作原理：本發(fā)明的有源器件采用直流電機(jī)，直流電機(jī)力/力矩控制方便，可實(shí)現(xiàn)力/力矩的精確控制，直流電機(jī)的輸出軸和磁流變阻尼器的輸出軸相連，用于補(bǔ)償力/力矩的誤差；無(wú)源器件采用磁流變阻尼器，磁流變阻尼器具備體積小，出力大的優(yōu)點(diǎn)，其力矩/體積比是直流電機(jī)的50倍以上；本發(fā)明將兩者相結(jié)合，首先利用磁流變阻尼器對(duì)力/力矩進(jìn)行“粗調(diào)”，實(shí)現(xiàn)大范圍力/力矩輸出，然后利用力/力矩傳感器構(gòu)成反饋回路，計(jì)算磁流變阻尼器的輸出與預(yù)期輸出之間的誤差，將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)的輸入信號(hào)；最后利用直流電機(jī)進(jìn)行力/力矩誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償磁流變阻尼器產(chǎn)生的5％～10％f.s的力/力矩誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍力/力矩的精確控制。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：1、和以往常用的基于單一有源器件或者無(wú)源器件的力觸覺再現(xiàn)方法相比，該再現(xiàn)方法結(jié)合磁流變阻尼器和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，精確控制，力矩/體積比大；2、可實(shí)現(xiàn)小型器件輸出大范圍、高精度力/力矩，使得力觸覺再現(xiàn)設(shè)備更加輕便、小巧，并且提升了力觸覺交互的逼真度與沉浸感；3、由于精度高、能力強(qiáng)的力反饋可以使操作者在虛擬環(huán)境中更加真實(shí)地感受剛性物體，感受機(jī)械臂遠(yuǎn)端環(huán)境信息，故本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、遙操作機(jī)器人控制、醫(yī)療等領(lǐng)域，尤其在虛擬手術(shù)中模擬更加豐富的人體組織、器官，如血管、肌肉、骨骼、牙齒等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的力觸覺再現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為磁流變阻尼器和直流電機(jī)標(biāo)定曲線；

圖3磁流變阻尼器和直流電機(jī)實(shí)際力矩-電流關(guān)系圖；

圖4該力觸覺再現(xiàn)方法流程圖；

圖5該力觸覺再現(xiàn)方法控制原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例：

如圖1所示，力觸覺再現(xiàn)設(shè)備包括支架1、固定在支架1兩側(cè)的執(zhí)行器件、與執(zhí)行器件輸出軸相連的力觸覺傳遞裝置2、以及設(shè)于力觸覺傳遞裝置2末端的力/力矩傳感器3，所述力/力矩傳感器用于測(cè)量實(shí)際作用力/力矩，構(gòu)成反饋回路；所述執(zhí)行器件由磁流變阻尼器4和直流電機(jī)5組成，直流電機(jī)的輸出軸和磁流變阻尼器的輸出軸相連。

一種基于有源/無(wú)源器件的高精度小型力觸覺再現(xiàn)方法，具體步驟如下：

步驟(a)：構(gòu)建上述設(shè)備，進(jìn)行磁流變阻尼器和直流電機(jī)的標(biāo)定，獲得其輸入電流與輸出力矩之間的關(guān)系；磁流變阻尼器由鐵磁材料加工而成，鐵磁材料的固有特性之一就是磁滯現(xiàn)象，即磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，反應(yīng)在力矩上就是力矩滯后于電流的變化；如圖2所示，阻尼器回程力矩明顯滯后于電流，而且磁流變阻尼器存在飽和點(diǎn)，在飽和點(diǎn)之前，力矩和電流幾乎成線性關(guān)系，飽和點(diǎn)之后，隨著電流的增加，力矩被限制，增加緩慢，呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系；圖中虛線為阻尼器去程和回程力矩和電流的關(guān)系，實(shí)線為應(yīng)用最小二乘法的標(biāo)定曲線，設(shè)該阻尼器標(biāo)定曲線的函數(shù)為：

y1＝fb(x)

直流電機(jī)的輸出和輸入呈線性關(guān)系，設(shè)直流電機(jī)的標(biāo)定曲線的函數(shù)為：

y2＝kmx

其中，y1和y2分別為輸出力矩(單位：牛.毫米)；x為輸入電流(單位：安培)；fb為輸入電流和磁流變阻尼器輸出力矩的映射關(guān)系；km為輸入電流和直流電機(jī)輸出力矩的映射關(guān)系；

如圖3所示為本實(shí)施例的磁流變阻尼器和直流電機(jī)實(shí)際力矩-電流關(guān)系圖，圖中，阻尼器的標(biāo)定采用最小二乘法，曲線函數(shù)為：

y1＝-218.41x²+611.15x+2.0852

直流電機(jī)的輸出和輸入呈線性關(guān)系，直流電機(jī)的電機(jī)標(biāo)定曲線的函數(shù)為：

y2＝100x；

步驟(b)：將預(yù)期力/力矩?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換成磁流變阻尼器的電流輸入信號(hào)，由磁流變阻尼器輸出相應(yīng)力矩，再經(jīng)力觸覺傳遞裝置作用于操作人員身體(如手指、手)，如圖4所示為該力觸覺再現(xiàn)方法的流程圖，圖5所示為該力觸覺再現(xiàn)方法的控制原理圖；設(shè)力觸覺傳遞裝置輸出與執(zhí)行器件輸出的映射關(guān)系是th＝1，預(yù)期力/力矩為211.6n.mm，則轉(zhuǎn)換成的阻尼器電流輸入信號(hào)為0.4a，阻尼器的實(shí)際輸出為229.1n.mm，則作用在操作者身體的力/力矩為229.1n.mm；

步驟(c)：安裝在力/力矩作用點(diǎn)的力/力矩傳感器測(cè)量實(shí)際作用的力/力矩?cái)?shù)值，比較實(shí)際輸出與預(yù)期輸出，計(jì)算力/力矩誤差，由力/力矩傳感器反饋回的誤差為-17.5n.mm；

步驟(d)：力/力矩誤差轉(zhuǎn)換成的直流電機(jī)的輸入信號(hào)為-0.175a，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)產(chǎn)生誤差所對(duì)應(yīng)的力矩，即-17.5n.mm；

步驟(e)：直流電機(jī)的輸出和原先磁流變阻尼器的輸出疊加，消除力/力矩誤差，實(shí)現(xiàn)力/力矩精確控制，最終作用在操作者身體上的力/力矩為-17.5+229.1＝211.6n.mm，即為預(yù)期的力矩。