[发明专利]一种智能化力反馈手柄及其控制方法

说明书

技术领域

本发明是一种智能化的三自由度的力反馈设备，主要应用于航天、深海或对人有害环境中机器人控制和虚拟现实领域，能够测量转动角度并提供力觉临场感。

背景技术

随着交互式遥操作机器人和虚拟现实技术的广泛应用，尤其是一些近些年来新出现的实用技术如远程教学，远程医疗，以及虚拟现实技术等对临场感机器人技术的很强的依赖性，使得高性能的人机接口装置显得尤为重要。力反馈操纵装置作为常见的一种人机接口，它能采集操作者手臂的位姿信息作为控制指令，生成控制命令控制远端操作对象或者虚拟对象的运动，并实现对象传回的力觉信息直接生成作用于人手的反馈力或力矩，是操作者产生远地机器人现场或虚拟机器人现场身临其境的力觉临场感效果。近年来，力反馈手控器已经成为了各国科研人员的研究热点，欧美国家，已经有了像Omega和Delta这样的成熟的力反馈设备产品上市，并处于世界领先水平，国内对力反馈设备的研究也取得了显著的进展。一般力反馈装置可以分为串联式力反馈装置，并联式力反馈装置，混联式力反馈装置。串联式力反馈设备的特点是开链结构，刚度较差易变形，不易产生较大的反馈力；并联式力反馈设备惯性低，在刚度、精度、反向驱动能力上有很大的优势，但是缺点是体积较大；而混联式力反馈设备则结合了串联式和并联式的优点，同时体积也比较大。目前提出的很多力反馈操纵装置没有设置智能化控制效果，例如不能实现自动复位。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种智能化力反馈手柄及其控制方法，能够测量三个方向的转动角度，提供反馈力，并且输出多维操纵力信息，手柄自身实现重力自平衡，通过智能控制，能实现自动复位和阻尼控制等智能化功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种智能化力反馈手柄，包括X轴转动部分、Y轴转动部分和Z轴转动部分；所述X轴转动部分包括内框和驱动内框绕X轴转动的X轴驱动装置，所述Y轴转动部分包括中心筒和驱动中心筒绕Y轴转动的Y轴驱动装置，所述Z轴转动部分包括手柄操纵杆和驱动手柄操纵杆绕Z轴转动的Z轴驱动装置，所述中心筒转动设置在内框内的空心框体中，且中心筒与内框转动方向相互垂直，所述手柄操纵杆绕其轴心转动设置在中心筒内部，且手柄操纵杆与中心筒同轴向。

进一步的，所述X轴驱动装置包括两个X连接轴、X伞齿轮组、X减速器和X电机，所述内框的两侧端分别通过对应的X连接轴转动架设在支架上，两个X连接轴轴线处于一直线上且与X轴重合，其中一侧X连接轴穿过支架与X伞齿轮组安装连接，所述X伞齿轮组通过X减速器与X电机输出端连接；X电机驱动内框绕X轴转动；所述Y轴驱动装置包括两个Y连接轴、Y伞齿轮组、Y减速器和Y电机，所述中心筒的两侧壁面分别通过对应的Y连接轴转动架设在内框的内壁面，两个Y连接轴轴线处于一直线上且与Y轴重合,其中一侧Y连接轴穿过内框与Y伞齿轮组安装连接，所述Y伞齿轮组通过Y减速器与Y电机输出端连接；Y电机驱动中心筒在内框内绕Y轴转动；所述Z轴驱动装置包括Z电机、Z减速器和手柄操纵杆，所述中心筒的内部设置有与其同轴向、轴心的Z电机，Z电机的输出端通过Z减速器与手柄操纵杆底端位置连接；Z电机驱动手柄操纵杆绕Z轴转动。

进一步的，所述X电机尾端安装有X光电编码器，Y电机尾端安装有Y光电编码器，Z电机的尾部安装有Z光电编码器。

进一步的，所述手柄操纵杆中间位置安装有四轴力传感器，分别能够测量左右摆动的力，前后摆动的力，沿Z轴旋转的力矩和上下方向的压力，所述手柄操纵杆的顶端位置由下至上依次连接有托盘和手柄，所述手柄上安装有触觉传感器；Z电机驱动手柄操纵杆带动四轴力传感器、托盘和手柄绕Z轴转动。

进一步的，所述X轴转动部分和Y轴转动部分形成的XOY平面，在所述Z轴转动部分，XOY平面上方的重力与XOY平面下方的重力相等。

进一步的，所述X伞齿轮组包括X伞齿轮一和X伞齿轮二，所述X伞齿轮一和X伞齿轮二相互垂直传动连接；所述Y伞齿轮组包括Y伞齿轮一和Y伞齿轮二，所述Y伞齿轮一和Y伞齿轮二相互垂直传动连接。

进一步的，在Y轴驱动装置上，另一侧Y连接轴穿过内框连接有配重，所述配重与Y电机关于中心筒对称，所述配重的重力平衡Y轴驱动装置带来的重力干扰。

一种智能化力反馈手柄的控制方法，操作者将手摆放在托盘上操作手柄，所述四轴力传感器测量出操作者对手柄操纵杆分别施加的绕X轴、Y轴和Z轴的实际作用力或力矩，将实际作用力或力矩与理论所需要力或力矩做差值，并将差值输入至PID控制器，通过PID控制器控制X电机、Y电机和Z电机输出驱动力或力矩。