專利名稱：一種輸出可調(diào)反饋力的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種輸出可調(diào)反饋力的裝置和方法，是一種力覺交互方案，屬于力覺交互設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人機(jī)交互技術(shù)研究的是人與機(jī)器(計算機(jī))雙向信息交流的方法。人類與外界進(jìn)行信息交流的途徑是很豐富的，人體主要通過視覺、聽覺、觸力覺、味覺和嗅覺等感官信息通道與外界進(jìn)行交流。人機(jī)交互技術(shù)正是要研究如何利用這些感知覺更好地實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器自然溝通。人類從外界獲得的信息百分之八十是通過視覺和聽覺獲取的，同時由于計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等的限制，人機(jī)交互領(lǐng)域研究的內(nèi)容主要集中在易于突破的視覺和聽覺上。如今所取得的成果如三維顯示技術(shù)、立體聲效等已深入到日常生活中。但隨著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，視聽覺信息通道應(yīng)用的局限性也逐漸顯現(xiàn)出來，力覺交互技術(shù)作為新興的人機(jī)交互手段得到了重視，關(guān)于觸力覺的研究和應(yīng)用也日益成熟。 在人類操作環(huán)境的過程中，操作者向環(huán)境輸入力或運(yùn)動，環(huán)境不但以視覺或聽覺信號的形式向操作者反饋?zhàn)饔眯Ч?，而且將其響?yīng)以運(yùn)動或力的形式通過觸覺反饋給操作者，使我們能夠感知軟硬、輕重、粗細(xì)、冷熱、干濕、凸凹、動靜等豐富的外界環(huán)境信息。觸力覺信息感知靈敏且傳遞迅速，人體會根據(jù)觸覺信息快速做出反應(yīng)。作為唯一種可以進(jìn)行雙向信息交流的感覺通道，觸力覺在很多應(yīng)用場合不能被替代。一些依賴于觸力覺的操作也無法被其他感知覺所取代，如駕駛車輛，操縱工具。在目前視覺和聽覺交互為主的人機(jī)交互技術(shù)中，如果在其中結(jié)合觸力覺交互技術(shù)，必將增強(qiáng)虛擬世界的真實(shí)感。觸力覺交互手段將對人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。力覺交互設(shè)備根據(jù)設(shè)備的輸入輸出可分為阻抗控制設(shè)備和導(dǎo)納控制設(shè)備。當(dāng)采用阻抗控制方式時，人施加給交互設(shè)備一個運(yùn)動(位移、速度等)，設(shè)備則輸出給人一個與人的運(yùn)動相關(guān)的反饋力，這樣人在與設(shè)備的交互過程中就有了力的感覺。當(dāng)采用導(dǎo)納再現(xiàn)的控制方式時，人施加給交互設(shè)備一個力的作用，設(shè)備則反饋給人一個與人施加的力相關(guān)的運(yùn)動(位移、速度等)，這樣人在與設(shè)備的交互過程中通過控制設(shè)備運(yùn)動的變化就能感覺到力的變化。導(dǎo)納控制方法適合模擬大的設(shè)備剛度和輸出力，但是因?yàn)樾枰友b詳細(xì)測量力信號的傳感器，使得設(shè)備制造成本昂貴。阻抗控制方法不需要外部的力傳感器設(shè)備，成本低， 利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型控制其電氣參數(shù)從而開環(huán)控制其輸出力矩。傳統(tǒng)的阻抗控制方法通過控制直流電機(jī)的電流達(dá)到控制其輸出力矩的目的，這種方法下，直流電機(jī)的輸出力矩及其有限，增加設(shè)備的傳動比雖然可以增大動力源的輸出力矩，但是傳動比增大導(dǎo)致設(shè)備慣性增大，當(dāng)要求設(shè)備不輸出反饋力時，操作者牽引操作末端運(yùn)動時感受到更大的反向驅(qū)動力， 故現(xiàn)有的阻抗控制方法無法模擬較大的輸出力。在需要模擬大的輸出力，同時不需要安裝力傳感器，成本盡量低的情況下，如何確定力反饋的方法，是一個值得探索和研究的問題。彈簧是一種常見的機(jī)械零件，其變形和載荷符合胡克定律，利用它的彈性可以控制機(jī)件的運(yùn)動、儲存能量、測量力的大小等，已廣泛用于機(jī)器、儀表中。在彈簧剛度已知的情況下，控制彈簧的形變量，可以改變彈簧對兩端物體施加的力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所涉及的一種輸出可調(diào)反饋力的裝置和方法，是一種新型的力覺交互方案。本發(fā)明的裝置可集成到力覺交互設(shè)備中，為操作者提供操作設(shè)備時的反饋力，并且反饋力的大小可根據(jù)用戶設(shè)定方便調(diào)整。本發(fā)明所涉及的一種輸出可調(diào)反饋力的裝置，其包括動力源、傳動機(jī)構(gòu)、螺旋拉伸彈簧、檢測元件四部分。動力源，即伺服電機(jī)；傳動機(jī)構(gòu)，主要包括操作末端，鋼絲繩，傳動輪，減速器等，該傳動輪包括主動輪和從動輪；螺旋拉伸彈簧有兩根，其剛度、初始長度等參數(shù)完全相同；檢測元件，即兩個編碼器。其特征在于采用鋼絲繩傳動，兩根鋼絲繩分別繞在兩個傳動輪上并與傳動輪固連，鋼絲繩的兩端分別與兩根同樣剛度的螺旋拉伸彈簧相連；主動輪與操作末端固連，從動輪與減速器輸出端固連，兩個編碼器分別與主動輪及伺服電機(jī)相連，用于檢測主動輪與電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角；根據(jù)裝置的應(yīng)用場合，操作末端可以是汽車模擬方向盤、輪船模擬方向盤或者飛機(jī)模擬駕駛盤以及其他形式的操作工具。本發(fā)明所涉及的一種輸出可調(diào)反饋力的方法，具體是人牽引操作末端運(yùn)動時，在主動輪和伺服電機(jī)的相互作用下，傳動輪兩側(cè)螺旋拉伸彈簧的發(fā)生一定變形，螺旋拉伸彈簧通過鋼絲繩、主動輪最終施加到操作末端一個反作用力，從而使操作者感受到反饋力。在主動輪轉(zhuǎn)角一定的情況下，改變電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，也就是改變從動輪的轉(zhuǎn)角位置，可以改變兩側(cè)螺旋拉伸彈簧的變形量，從而調(diào)整人手感受到的反饋力的大小。人手通過操作末端施加到主動輪上驅(qū)動力矩，同時主動輪受到兩根螺旋拉伸彈簧的變形力施加的阻力矩。螺旋拉伸彈簧的變形量影響彈簧力的大小，彈簧力的大小影響主動輪受到的阻力矩。螺旋拉伸彈簧的變形量越大，主動輪受到的阻力矩越大。阻力矩通過從動輪、操作末端傳遞到人手上，使操作者感受到反饋力。所以，改變螺旋拉伸彈簧的變形量，可改變主動輪所受的阻力矩的大小，從而改變?nèi)耸指惺艿降姆答伭Φ拇笮?。螺旋拉伸彈簧的變形量的大小是由主動輪、從動輪共同作用得到的。裝置使用過程中，主動輪在人手牽引下按操作者的意圖按照一定運(yùn)動規(guī)律旋轉(zhuǎn)，從動輪在伺服電機(jī)作用下旋轉(zhuǎn)，即伺服電機(jī)帶動從動輪做位置伺服?？刂葡到y(tǒng)通過編碼器測量到瞬時主動輪的轉(zhuǎn)角，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的兩傳動輪轉(zhuǎn)角的運(yùn)動耦合關(guān)系，計算從動輪的應(yīng)轉(zhuǎn)動角度并控制伺服電機(jī)完成位置伺服。定義彈簧力對主動輪的阻力矩為M,當(dāng)主動輪力矩平衡時，M與人手受到的反饋力矩相等。定義主動輪、從動輪半徑分別為R、r，彈簧剛度為K，主動輪相對于初始平衡位置轉(zhuǎn)角分別為α、β，電機(jī)軸相對初始位置轉(zhuǎn)角為θ，減速器減速比為i，左側(cè)彈簧的變形量為 Δ1。則有Δ 1 = r β -RaM = 2KRA 1 = 2KR(r^ -Ra )由上式可見，通過改變從動輪的轉(zhuǎn)角β，可以達(dá)到改變?nèi)耸质艿降姆答伭豈的目的。β = (M/2KR+Ra)/r, θ = i β，根據(jù)要求的反饋力矩M的大小及主動輪轉(zhuǎn)角α， 可計算出伺服電機(jī)的實(shí)時的轉(zhuǎn)角θ?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)定β = f(a)的函數(shù)關(guān)系。改變β = f(a)的函數(shù)關(guān)系，即可改變?nèi)耸质艿降姆答伭豈的大小。改變電機(jī)的控制算法，可改變主動輪、傳動輪的運(yùn)動耦合關(guān)系，從而改變裝置使用過程中彈簧的變形量，改變彈簧施加到主動輪的阻力矩，進(jìn)而改變?nèi)耸指惺艿降姆答伭Φ拇笮?。本發(fā)明所涉及的一種輸出可調(diào)反饋力的裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)是1)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；2)成本低，不需要加裝力傳感器，能輸出較大的反饋力，傳統(tǒng)的方法無法在成本低的情況下實(shí)現(xiàn)較大的反饋力；3)反饋力的大小易于調(diào)整。本發(fā)明裝置可應(yīng)用到力覺交互設(shè)備中，作為力覺交互設(shè)備的力控制方案。


圖1是本發(fā)明所述的一種輸出可調(diào)反饋力的裝置的結(jié)構(gòu)示意2是圖1中從動輪部分的M向視3a、3b、3c是本發(fā)明所述的輸出可調(diào)反饋力的裝置調(diào)整反饋力大小的原理示意4是本發(fā)明所述的輸出可調(diào)反饋力的方法的原理示意圖。圖中
1.主動輪2.從動輪
3.第一鋼絲繩4.第二鋼絲繩
5.第一彈簧6.第二彈簧
7.減速器8.伺服電機(jī)
9、10.編碼器A、B,鉸鏈
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明如下圖1中1是主動輪，它與操作末端相連， 在人手牽引操作末端運(yùn)動時繞鉸鏈A轉(zhuǎn)動。圖中2是從動輪。圖2是圖1中從動輪部分的 M向視圖，從動輪2與減速器7輸出端相連，可在伺服電機(jī)8的帶動下繞鉸鏈B轉(zhuǎn)動。圖1 中3是第一鋼絲繩，繞在主動輪1上，并且與主動輪1固連在一起，不會打滑；4是第二鋼絲繩，繞在從動輪2上，并且與從動輪2固連在一起，不會打滑。第一彈簧5、第二彈簧6的兩端與第一鋼絲繩3、第二鋼絲繩4的兩端相連，可在兩根鋼絲繩的牽引下變形。在鉸鏈A處安裝有測量主動輪轉(zhuǎn)角的編碼器9，在伺服電機(jī)8上集成有測量電機(jī)轉(zhuǎn)角的編碼器10。當(dāng)操作者牽引操作末端運(yùn)動時，主動輪1繞鉸鏈A旋轉(zhuǎn)，編碼器9采集主動輪1的轉(zhuǎn)角，伺服電機(jī)8根據(jù)主動輪1的轉(zhuǎn)角信息，按照電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)定的主動輪1和從動輪2 的轉(zhuǎn)角耦合關(guān)系做角度位置伺服，從動輪2在伺服電機(jī)8的帶動下旋轉(zhuǎn)，在第一鋼絲繩3和第二鋼絲繩4的牽引下，第一彈簧5、第二彈簧6發(fā)生變形，彈簧的拉力通過鋼絲繩傳遞到主動輪1上，再傳遞到操作末端，從而使操作者感受到反饋力。
為保證裝置使用過程中第一鋼絲繩3、第二鋼絲繩4的張緊，第一彈簧5、第二彈簧 6在安裝時應(yīng)有一定的預(yù)拉伸，以保證裝置使用中兩個彈簧始終保持拉伸狀態(tài)。圖3a、3b、3c中，主動輪1與從動輪2的轉(zhuǎn)角關(guān)系會影響彈簧的變形量，從而影響裝置輸出反饋力的大小。當(dāng)電機(jī)軸保持靜止，從動輪2保持靜止，裝置的彈簧變形量受主動輪1的轉(zhuǎn)角影響，反饋力的大小為中間值，如圖3a所示；當(dāng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)角，使從動輪2轉(zhuǎn)向與主動輪1轉(zhuǎn)向相反時，彈簧的變形量增大，裝置輸出的反饋力大于中間值，如圖北所示； 當(dāng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)角，使從動輪2轉(zhuǎn)向與主動輪1轉(zhuǎn)向相同時，彈簧的變形量減小，裝置輸出的反饋力小于中間值，如圖3c所示。最終裝置輸出的反饋力由主動輪1的轉(zhuǎn)角和從動輪2的轉(zhuǎn)角共同確定，調(diào)整電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角即可方便改變裝置輸出反饋力的大小。圖4是本發(fā)明所述的輸出可調(diào)反饋力的方法的原理示意圖。通過傳動機(jī)構(gòu)，使彈簧一端間接與人手相連，另一端間接與電機(jī)軸相連，在電機(jī)端和操作末端安裝編碼器檢測電機(jī)和操作末端的轉(zhuǎn)角，從而得到彈簧實(shí)時的變形量。人手通過操作末端輸入一個角位移， 同時電機(jī)軸根據(jù)一定的轉(zhuǎn)動耦合關(guān)系轉(zhuǎn)動一定的角位移。在人手和電機(jī)的共同作用下，彈簧發(fā)生一定變形，從而使設(shè)備輸出一定的反饋力。改變電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角就可以改變彈簧的形變量，從而改變設(shè)備的輸出力。本發(fā)明可應(yīng)用于力覺交互設(shè)備中，作為其反饋力產(chǎn)生與控制方案。單獨(dú)的一套此裝置可提供一個自由度的反饋力，集成多套此裝置可提供多自由度的反饋力。根據(jù)裝置的應(yīng)用場合，操作末端可以是汽車模擬方向盤、輪船模擬方向盤或者飛機(jī)模擬駕駛盤以及其他形式的操作工具。本發(fā)明所述的裝置和方法可應(yīng)用在多種模擬駕駛設(shè)備中，模擬汽車、輪船、飛機(jī)等駕駛操作時的操縱力，并且反饋力的大小易于調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種輸出可調(diào)反饋力的裝置，其特征在于該裝置包括動力源、傳動機(jī)構(gòu)、螺旋拉伸彈簧、檢測元件四部分；動力源，即伺服電機(jī)；傳動機(jī)構(gòu)，主要包括操作末端，鋼絲繩，傳動輪，減速器，該傳動輪包括主動輪和從動輪；螺旋拉伸彈簧有兩根，其剛度、初始長度完全相同；檢測元件，即兩個編碼器；該裝置采用鋼絲繩傳動，兩根鋼絲繩分別繞在兩個傳動輪上并與傳動輪固連，鋼絲繩的兩端分別與兩根螺旋拉伸彈簧相連；主動輪與一個操作末端固連，從動輪與減速器輸出端固連，兩個編碼器分別與主動輪及伺服電機(jī)相連，用于檢測主動輪與電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輸出可調(diào)反饋力的裝置，其特征在于所述的操作末端是汽車模擬方向盤、輪船模擬方向盤或者飛機(jī)模擬駕駛盤。
3.一種輸出可調(diào)反饋力的方法，其特征在于操作者牽引操作末端運(yùn)動，在主動輪和伺服電機(jī)的相互作用下，傳動輪兩側(cè)螺旋拉伸彈簧的發(fā)生變形，螺旋拉伸彈簧通過鋼絲繩、 主動輪最終施加到操作末端一個反作用力，從而使操作者感受到反饋力；在主動輪轉(zhuǎn)角一定的情況下，改變電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，也就是改變從動輪的轉(zhuǎn)角位置，可以改變兩側(cè)螺旋拉伸彈簧的變形量，從而調(diào)整人手感受到的反饋力的大小；螺旋拉伸彈簧的變形量影響彈簧力的大小，彈簧力的大小影響主動輪受到的阻力矩；螺旋拉伸彈簧的變形量越大，主動輪受到的阻力矩越大；阻力矩通過從動輪、操作末端傳遞到人手上，使操作者感受到反饋力；所以， 改變螺旋拉伸彈簧的變形量，可改變主動輪所受的阻力矩的大小，從而改變?nèi)耸指惺艿降姆答伭Φ拇笮?；螺旋拉伸彈簧的變形量的大小是由主動輪、從動輪共同作用得到的；定義彈簧力對主動輪的阻力矩為M,當(dāng)主動輪力矩平衡時，M與人手受到的反饋力矩相等；定義主動輪、從動輪半徑分別為R、r，彈簧剛度為K，主動輪、從動輪相對于初始平衡位置轉(zhuǎn)角分別為α、β，電機(jī)軸相對初始位置轉(zhuǎn)角為θ，減速器減速比為i，左側(cè)螺旋拉伸彈簧的變形量為Δ1 ；則有Δ 1 = r β -R αM = 2KRA 1 = 2KR(r^ -Ra )由上式可見，通過改變從動輪的轉(zhuǎn)角β，可以達(dá)到改變?nèi)耸质艿降姆答伭豈的目的；β = (M/2KR+Ra)/r, θ = i β，根據(jù)要求的反饋力矩M的大小及主動輪轉(zhuǎn)角α，可計算出伺服電機(jī)的實(shí)時的轉(zhuǎn)角θ ；控制系統(tǒng)中設(shè)定β =f( α)的函數(shù)關(guān)系；改變β =f( α)的函數(shù)關(guān)系，即可改變?nèi)耸质艿降姆答伭豈的大小。
全文摘要
一種輸出可調(diào)反饋力的裝置，包括動力源、傳動機(jī)構(gòu)、螺旋拉伸彈簧、檢測元件；動力源，即伺服電機(jī)；傳動機(jī)構(gòu)，主要包括操作末端，鋼絲繩，傳動輪，減速器，該傳動輪包括主動輪和從動輪；螺旋拉伸彈簧有兩根，其剛度、初始長度完全相同；檢測元件，即兩個編碼器；該裝置采用鋼絲繩傳動，兩根鋼絲繩分別繞在兩個傳動輪上并與傳動輪固連，鋼絲繩的兩端分別與兩根螺旋拉伸彈簧相連；主動輪與一個操作末端固連，從動輪與減速器輸出端固連，兩個編碼器分別與主動輪及伺服電機(jī)相連，用于檢測主動輪與電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角。本發(fā)明工作可靠，可輸出較大反饋力，可集成到多種駕駛模擬器中，模擬汽車、輪船、飛機(jī)等交通工具駕駛時的操縱力，用于駕駛訓(xùn)練或娛樂。
文檔編號G05D15/00GK102393763SQ20111017453
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者劉冠陽, 劉斌, 宋傳濤, 張玉茹, 郭衛(wèi)東 申請人:北京航空航天大學(xué)