[发明专利]一种七自由度力反馈手控器测控系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种七自由度力反馈手控器测控系统，可广泛应用于多自由度力反馈遥操作场合，如航空航天、医疗、虚拟现实等。

二、背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力触觉反馈的人机接口装置。机器人手控器是常见的机器人遥操作人机接口装置，它一方面测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机械手或者虚拟现实中的虚拟机械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力触觉临场感效果，从而实现带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感觉。七自由度力反馈手控器能够满足多自由度带力反馈遥操作的要求，可应用于航空航天、医疗、抢险救援、虚拟现实等领域，具有广泛的应用价值。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高系统稳定性和可靠性的七自由度力反馈手控器测控系统。

本发明采用如下技术方案：

一种七自由度力反馈手控器测控系统，包括：微处理器模块、位置检测模块、力反馈模块、通讯接口模块及电源模块，在微处理器模块上分别连接有位置检测模块和力反馈模块，位置检测模块包括含有第一至第七光电编码盘的光电编码电路、含有第一至第七光耦合器的第一光电隔离电路、含有第一至第三计数器的脉冲计数电路及含有第一至第四D触发器的鉴相电路，光电编码电路中的7个光电编码盘分别用于接收七自由度力反馈手控器的7个自由度的位置信号，且每个光电编码盘产生A相脉冲信号和B相脉冲信号，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第三计数器，脉冲计数电路的输出端和控制端与微处理器模块的计数数据端口和计数控制端口相连，第一至第七光电编码盘产生的7路A相脉冲信号和7路B相脉冲信号分别通过第一至第七光耦合器传送至第一至第四D触发器，鉴相电路的输出端与微处理器模块的方向数据端口相连，力反馈模块包括含有第一至第四非门的反相电路，含有第八至第九光耦合器的第二光电隔离电路，含有第一至第二D/A转换器的D/A转换电路，含有第一至第七电机驱动器的电机驱动电路，含有第一至第七直流电机的电机组，反向电路中的4个非门的输入端分别与微处理器模块的力反馈数据输出端和力反馈控制输出端相连，第一至第四非门的4个输出端分别通过第八至第九光耦合器传送至第一至第二D/A转换器，第一至第二D/A转换器的14个输出端分别通过第一至第七电机驱动器传送至第一至第七直流电机，第一至第七直流电机通过堵转方式为手控器的各个自由度提供反馈力/力矩。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明七自由度力反馈手控器测控系统可测量手控器七个自由度的位置信息和为手控器各自由度提供反馈力/力矩，满足多自由度力反馈遥操作的要求。

2、本发明七自由度力反馈手控器测控系统具有串口通讯接口和USB通讯接口，满足不同应用场合对通讯接口的要求，扩大了手控器的使用范围。

3、本发明七自由度力反馈手控器测控系统通过功能键模块，为手控器提供复位、扩展行程、记录当前位置信息的功能，满足遥操作过程中的特殊需求。

4、本发明七自由度力反馈手控器测控系统的位置检测模块采用独立的位置检测模块(包括脉冲计数电路和鉴相电路)对编码盘的脉冲信号进行计数，既减轻了对微处理器资源的占用，而且当单片机程序跑飞时，位置检测模块依旧能够记录手控器的位置信息，使得单片机重新正常工作后依旧能够获取到手控器准确的位置信息，保证了系统的稳定性和可靠性。现有手控器测控系统中采用微处理器直接对编码盘的脉冲进行计数以获得手控器的位置信息，当微处理器中的程序跑飞时不能记录到手控器正确的位置信息。

5、本发明七自由度力反馈手控器测控系统力反馈模块中采用直流电机堵转的形式为手控器提供反馈力/力矩，效率高、控制过程简单。

四、附图说明

图1是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的系统组成框图。

图2是本发明七自由度力反馈手控器测控系统位置检测模块组成框图。

图3是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的光电编码盘电路和第一光电隔离电路。

图4是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的脉冲计数电路。

图5是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的鉴相电路。

图6是本发明七自由度力反馈手控器测控系统力反馈模块组成框图。

图7是本发明七自由度力反馈手控器测控系统的反相电路、第二光电隔离电路及D/A转换电路。