[发明专利]一种基于有源和无源器件的小型力触觉再现方法

说明书

本发明公开了一种基于有源和无源器件的小型力触觉再现方法，步骤如下：首先进行磁流变阻尼器和直流电机的标定，获得输入电流和输出力矩的关系；将预期力/力矩数值转换成磁流变阻尼器的电流输入，由磁流变阻尼器输出相应力矩，再经力触觉传递装置作用于操作人员身体；其次，安装在力/力矩作用点的传感器测量实际作用的力/力矩，比较实际输出与预期力/力矩数值，计算力/力矩误差；最后，将力/力矩误差转换成直流电机的输入信号，驱动直流电机产生误差所对应的力矩；本发明可实现小型器件输出大范围、高精度力/力矩，使得力触觉再现设备更加轻便、小巧，提升了力触觉交互的逼真度；可广泛应用于虚拟现实、遥操作机器人控制、医疗等领域。

技术领域

本发明涉及一种力触觉再现方法，尤其涉及一种基于有源和无源器件的高精度小型力触觉再现方法。

背景技术

力触觉再现是指用户通过力触觉再现设备触摸、感受和操纵虚拟或远端物体，获得虚拟或远端物体特性，感知虚拟或远端物体信息的过程。通过力触觉再现设备，操作者能够以自然的方式与虚拟或远端环境进行交互，从而产生与真实环境一致的沉浸感，力触觉在虚拟现实、遥操作机器人和医疗等领域有着广阔的应用前景。

执行器件是力触觉再现设备的重要组成部分，是传递力触觉刺激的重要环节，执行器件的特性直接影响到力触觉再现设备的性能以及力触觉交互的逼真度与沉浸感。目前，力触觉再现设备中使用的比较广泛的器件有直流电机、磁流变阻尼器以及气动执行器等。这些执行器件各有优劣：如直流电机控制简单，可精确控制，但力矩/体积比小；磁流变阻尼器能量密度高，体积小，出力大，但不能精确控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是基于现有技术存在的问题，提供一种采用直流电机作为有源器件、磁流变阻尼器作为无源器件，将有源和无源器件相结合以实现小型器件输出高精度、大范围力/力矩的小型力触觉再现方法。

技术方案：本发明所述的一种基于有源和无源器件的小型力触觉再现方法，包括如下步骤：

步骤(A)：构建小型力触觉再现设备，所述设备包括执行器件、力/力矩传感器和力触觉传递装置，所述执行器件包括磁流变阻尼器和直流电机；对磁流变阻尼器和直流电机进行标定，获得其输入电流与输出力矩之间的关系；所述磁流变阻尼器标定采用最小二乘法、神经网络算法或者支持向量机算法；设该阻尼器标定曲线的函数为：

y1＝f_b(x)

其中，y1为阻尼器输出力矩，x为输入电流，f_b为输入电流和磁流变阻尼器输出力矩的映射关系；

直流电机的输出和输入呈线性关系，设直流电机的标定曲线的函数为：

y2＝k_mx

其中，y2为电机输出力矩，x为输入电流，k_m为输入电流和电机输出力矩的映射关系；

步骤(B)：将预期力/力矩数值转换成磁流变阻尼器的电流输入信号，由磁流变阻尼器输出相应力矩，再经力触觉传递装置作用于操作人员身体(如手指、手)，设预期力/力矩为F，力触觉传递装置输出与执行器件输出的映射关系是T_h，则磁流变阻尼器输出理论值为T_h^-1(F)，转换成的磁流变阻尼器电流输入信号为f_b^-1[T_h^-1(F)]，设对应于输入电流i，磁流变阻尼器的实际输出为T_b(i)，则磁流变阻尼器的实际输出为T_b{f_b^-1[T_h^-1(F)]}，则作用在操作者身体的力/力矩为T_h{T_b{f_b^-1[T_h^-1(F)]}}；