[发明专利]一种龙门式力反馈设备输出力测量平台及输出力补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及力反馈系统领域，尤其涉及一种龙门式力反馈设备输出力测量平台及基于多元函数拟合输出力补偿方法。

背景技术

虚拟现实技术，通常是指通过立体显示设备、数据手套、机械臂等人机交互设备与计算机连接而构造出的一种与人体视觉、听觉、触/力觉等感官类似的虚拟环境，在其中用户可以通过各种输入设备向计算机输入各种命令，从而计算机能向用户反馈在视觉、听觉以及触/力觉等多种感官上的信息，让用户获得逼真度极高的多种感官上体验的人机界面技术，使用户有身临其境的感受。力反馈交互设备是虚拟现实技术中一种重要的硬件设备，其本质是一种全新的输入输出设备，将是当今以及未来的研究热点。力反馈设备与其他感官比如听觉、视觉、嗅觉的不同之处在于，其他感官的信息只能单向传递，而力/触觉的感官信息可以在人体与虚拟环境之间双向传递，力反馈设备便起着这样一种传递信息的作用。虽然力反馈设备能够将虚拟世界的力传递给用户，但是目前对于力反馈设备的实际输出力，并没有针对其准确性的相关研究，这导致了大多数时候力反馈设备的输出力并不准确。为了力反馈设备能够得到改进，就必须设计出一款能够测量输出力的力觉测量平台及相应的测量方案，并对实验数据进行处理获得输出力补偿模型，，从而对力反馈设备的实际输出力加以校准，只有当力反馈设备的输出力能够保证一定的精准性后，才能应用于医学、航空航天等专业性较强的领域。

目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，但针对力反馈设备而研发的输出力测量系统则尚未出现。

发明内容

本发明的目的是针对现有力反馈设备输出力测量技术的空缺，提供一种结构精简、操作简单、精度较高的三自由度测量平台，同时提出了一种根据实际测量数据获得符合输出力变化规律的拟合函数，并应用于力反馈设备实现对执行末端反馈力的补偿。

本发明所采用的技术方案是：

一种龙门式力反馈设备输出力测量平台，包括底座、平行设置在所述底座上的两滑轨、通过滑块横跨设置在所述两滑轨之间的底板、竖直平行地固定设置在所述底板两端的两竖直圆杆、两端与两竖直圆杆滑动连接并通过拧紧夹持装置锁紧的水平连杆，水平连杆通过两个拧紧夹持装置与竖直圆杆固定，拧紧后的摩擦力保证了水平连杆不会发生滑移，所述的水平连杆上连接设置有连接三维力传感器的传感器连接机构，所述底座和底板之间连接设置有用于驱动底板沿所述滑轨来回移动的螺纹丝杠传动机构。

进一步地，所述的竖直圆杆底端通过卧式支架及螺栓竖直固定在所述底板两端。

进一步地，所述的传感器连接机构包括连接器、设置有小孔的连接片、铅锤，所述连接器通过螺丝与螺母之间的拧紧与水平连杆滑动连接；所述连接片通过螺钉竖直固定在连接器上，所述铅锤通过细绳系在连接片顶部凸起的铅锤悬系端处，同时穿过所述小孔后自然垂下。水平连杆的水平度依靠铅锤进行判断。

进一步地，所述的螺纹丝杠传动机构包括旋转手柄、固定轴承、连接件、螺纹丝杠、驱动螺母，所述驱动螺母固定在底板中部，所述的连接件轴向定位地转动设置在所述固定轴承上，其一端与旋转手柄固定连接，另一端与螺纹丝杠固定连接，所述螺纹丝杠与所述驱动螺母螺纹连接。

进一步地，所述的驱动螺母包括直角形固定件、凸字形铁板螺母，所述铁板螺母通过螺栓固定在固定件上，所述固定件通过螺栓固定在底板中部。

一种基于所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的力反馈设备输出力补偿方法，所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的三维力传感器与力反馈设备的执行末端扩展连接，包括以下步骤：

(1)根据力反馈设备运动范围及输出力范围因素，制订相应数据测量方案；

(2)校验审核所得数据，根据数据画出图表以初步推断拟合函数形式；

(3)对于三维力传感器所检测的三个方向的实测输出力，根据自变量之间的不同相关情况，列举若干拟合函数假想表达式；

(4)分别利用MATLAB进行函数拟合，拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式；

(5)依据所得拟合函数式，通过对三个方向输出力的函数表达式进行联立计算,代入期望输出力值及空间坐标值，求解出力反馈设备理论输出力值；

(6)根据计算结果，对力反馈设备的输出力进行补偿校准。

进一步地，步骤(4)中，所述拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式的步骤之后，还包括对拟合出的函数表达式进行置信度检验，选取置信度最高的函数表达式的步骤。

相比现有技术，本发明的有益效果是：