專(zhuān)利名稱(chēng)：臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人操作控制器，特別是機(jī)器人系統(tǒng)中具有主從操作手式的微型操作控制器。
在以往的主從式機(jī)器人控制系統(tǒng)中，這種安裝在機(jī)器人主手上的，能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為力(力矩)信號(hào)的裝置都采用直流式力矩電機(jī)來(lái)完成。直流式力矩電機(jī)具有輸出力矩大，電流的過(guò)載能力強(qiáng)，能夠在堵轉(zhuǎn)的情況下(電機(jī)的轉(zhuǎn)子只提供力矩，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作等特點(diǎn)。工業(yè)用的大型主從式機(jī)器人系統(tǒng)都是采用直流力矩電機(jī)作為主手的力(力矩)信息提供裝置。即如上所述，將從手的力(力矩)信號(hào)經(jīng)過(guò)線性的功率放大后，作為主手上力矩電機(jī)的輸入電流，力矩電機(jī)軸就會(huì)輸出與輸入電流成正比的力矩信號(hào)，使操作者能夠直接感覺(jué)到這個(gè)力矩信號(hào)。但是直流式力矩電機(jī)的缺點(diǎn)是體積比相同功率的其它類(lèi)型直流電機(jī)的體積要大，比較笨重，目前最小的直流式力矩電機(jī)的長(zhǎng)度也在800mm，電機(jī)體直徑在600mm以上，本身重量很重，而且市場(chǎng)上很難買(mǎi)到。當(dāng)研制的主從式機(jī)器人系統(tǒng)本身體積要求很小，主從式機(jī)器人所完成的工作是屬于微小操作類(lèi)型時(shí)，要求組成機(jī)器人主從手結(jié)構(gòu)的各種零部件都非常小，各種控制機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)與輸出信號(hào)的功率也很小，但是各種信號(hào)的精度都很高。由于體積所限制，控制信號(hào)與輸出信號(hào)所限制，力矩電機(jī)就不能夠使用。目前在微操作機(jī)器人研究領(lǐng)域，這是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。
本發(fā)明參考了以下發(fā)明專(zhuān)利經(jīng)過(guò)專(zhuān)利查詢(美國(guó)專(zhuān)利和世界專(zhuān)利)，關(guān)鍵詞為(臨場(chǎng)感(tele-present，tele-presence)and力感覺(jué)(force sensation，force sense))or力反饋(forcefeedback)or力矩電機(jī)(torque motor)or激勵(lì)器(actuator)or電磁(magnetic)，搜索的范圍是專(zhuān)利的全文。得到相關(guān)的專(zhuān)利有9項(xiàng)，全部是美國(guó)專(zhuān)利，國(guó)內(nèi)為0項(xiàng)。名稱(chēng)如下1、United States Patent6,437,771NameForce feedback device including flexure member between actuator and user objectInventorsRosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Jackson；Bemard G(Atherton，CA)2、United States Patent6,278,439NameMethod and apparatus for shaping force signals for a force feedback deviceInventorsRosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Braun；Adam C.(Sunnyvale，CA)3、United States Patent6,104,158NameForce feedback systemInventorsJacobus；Chares J.(Ann Arbor，MI)；Riggs；Alan J.(Ann Arbor，MI)；Taylor；Mark J.(Ann Arbor，MI)4、United States Patent6,057,828NameMethod and apparatus for providing force sensations in virtual environments in accordancewith host softwareInventorsRosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Jackson；Bernard G.(Atherton，CA)5、United Stat+es Patent5,959,613NameMethod and apparatus for shaping force signals for a force feedback deviceInventorsRosenberg；Louis B.(Pleasanton，CA)；Braun；Adam C.(Sunnyvale，CA)6、United States Patent5,844,392NameHaptic browsingInventorsPeurach；Thomas M.(Novi，MI)；Haanpaa；Douglas(Ann Arbor，MI)；Yocum；Todd(Arn Arbor，MI)；Jacobus；Charles J.(Ann Arbor，MI)7、United States Patent5,631,861NameForce feedback and texture simulating interface deviceInventorsKramer；James F.(Stanford，CA)8、United States Patent6,307,285NameActuator with repulsive magnetic forcesInventorsDelson；Nathan J.(Branford，CT)；Houston；John S(New York，NY)9、United States Patent6,437,770NameFlat-coil actuator having coil embedded in linkageInventorsVenema；Steven(Seattle，WA)；Hannaford；Blake(Seattle，WA)專(zhuān)利1是在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下提供了一種力感覺(jué)的方法和裝置(設(shè)備，apparatus)。在該設(shè)備中包括了局部微處理器(Local micro-processor)，人機(jī)接口設(shè)備(human/computerintefface)，以及用戶(user)可以操縱的手柄，該手柄可以用在多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，如游戲桿，軌跡球等器件中。局部微處理器可以與主計(jì)算機(jī)(host computer)進(jìn)行通訊，接受主計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令，對(duì)命令進(jìn)行解釋?zhuān)⑤敵隹刂菩盘?hào)到激勵(lì)器(actuator)上；同時(shí)接受位置傳感器(position sensor)反饋回來(lái)的位置信息。在使用中，位置傳感器將手柄位置誤差(當(dāng)前的位置與前一采樣時(shí)刻的位置之間的差)信息傳給局部微處理器，微處理器在上傳給主計(jì)算機(jī)。主計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)算，計(jì)算出應(yīng)該輸出的力的數(shù)值，并下傳給局部微處理器，微處理器將信號(hào)傳給激勵(lì)器，通過(guò)激勵(lì)產(chǎn)生力信號(hào)，并將力信號(hào)作用在手柄上，使操作者能夠感覺(jué)到。提供的力信號(hào)可以模擬在某種物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的阻尼現(xiàn)象，可以模擬與堅(jiān)硬物體的碰撞現(xiàn)象。該裝置可以用于計(jì)算機(jī)虛擬顯示技術(shù)，計(jì)算機(jī)游戲仿真技術(shù)等領(lǐng)域。專(zhuān)利文件對(duì)該裝置的基本結(jié)構(gòu)，局部微處理器與主計(jì)算機(jī)的通訊實(shí)現(xiàn)，局部微處理器接收位置傳感器信息的方式等都作了詳細(xì)的描述，但是由局部微處理器發(fā)出的力信號(hào)輸出到激勵(lì)器上后，激勵(lì)器是如何將這個(gè)電信號(hào)線性化地變換為力(力矩)信號(hào)的原理沒(méi)有作說(shuō)明。文獻(xiàn)中提到的一個(gè)實(shí)施例中是用直流伺服電動(dòng)機(jī)完成這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的。
專(zhuān)利2是專(zhuān)利1的繼續(xù)，專(zhuān)利1是對(duì)該裝置的硬件描述，專(zhuān)利2是對(duì)同一裝置中使用到的通訊軟件，產(chǎn)生力波形的軟件、計(jì)算參數(shù)、以及軟件編程與應(yīng)用環(huán)境的描述。該專(zhuān)利中描述定義一個(gè)力信號(hào)需要以下幾個(gè)參數(shù)信號(hào)穩(wěn)定時(shí)的幅值(steady state magnitude)，頻率值(frequency value)，持續(xù)值(duration value)。穩(wěn)定狀態(tài)幅值表示感知到的力的穩(wěn)定狀態(tài)值，頻率參數(shù)表示感知的頻率，持續(xù)值表示感知到的力的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)還提供了一組脈沖參數(shù)，包括沖擊力幅值(impulse magnitude)，作用時(shí)間(settle time)。沖擊力幅值定義了感知到的沖擊力的水平，這個(gè)力不同于穩(wěn)定狀態(tài)下的力的幅值，作用時(shí)間表示力信號(hào)從沖擊力向穩(wěn)定狀態(tài)力的過(guò)渡時(shí)間。以上被描述的參數(shù)定義了輸出力的方向和幅值，通過(guò)主計(jì)算機(jī)或局部微處理器按照以上的參數(shù)設(shè)置，可以形成力的源波形(source wave)，并通過(guò)激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)力的轉(zhuǎn)換和輸出。文獻(xiàn)中對(duì)激勵(lì)器的工作原理，電——力信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程沒(méi)有做任何說(shuō)明。
專(zhuān)利3描述了一種具有觸摸感覺(jué)的虛擬現(xiàn)實(shí)(tactile virtual reality)技術(shù)與系統(tǒng)，利用操作者的位置和朝向(position and orientation)產(chǎn)生一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的力場(chǎng)(force field)，作用于操作者上的力是這個(gè)力場(chǎng)的函數(shù)。操作者通過(guò)一個(gè)六軸控制器(six-axis manipulator)與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，感受作用力。但該專(zhuān)利對(duì)如何由計(jì)算機(jī)輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力信號(hào)的細(xì)節(jié)沒(méi)有描述，使用的激勵(lì)器的原理不詳。
專(zhuān)利4的內(nèi)容與專(zhuān)利1完全相同。
專(zhuān)利5的內(nèi)容與專(zhuān)利2完全相同。
專(zhuān)利6描述了一種在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立觸摸式力感覺(jué)(touch or haptic)的方法，通過(guò)建立力的幾何分布數(shù)據(jù)庫(kù)(geometrical databases)的方法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，但是對(duì)提供的感覺(jué)力的方法沒(méi)有作說(shuō)明。
專(zhuān)利7描述了一種能夠?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬力感覺(jué)環(huán)境的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)和設(shè)備，其中涉及到計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)，數(shù)據(jù)手套(data gloves)技術(shù)等。
專(zhuān)利8描述了一種利用磁裝置，由電信號(hào)產(chǎn)生力信號(hào)的裝置。該專(zhuān)利的內(nèi)容與本申請(qǐng)有一些相關(guān)的內(nèi)容，都是利用電—磁原理產(chǎn)生力，但是工作原理有本質(zhì)的區(qū)別。專(zhuān)利8是利用相同的磁極在靠近時(shí)產(chǎn)生相互排斥力這一原理，磁鐵1被固定在一個(gè)裝置上，磁鐵2可以在一定的范圍內(nèi)活動(dòng)，磁鐵3相對(duì)于磁鐵2的位置被固定在適當(dāng)位置上，使得磁鐵2的磁極與磁鐵3的相同磁極相接近，相同磁極之間產(chǎn)生的排斥力就由磁鐵2和磁鐵3產(chǎn)生，磁鐵1對(duì)上述的作用力起到一個(gè)調(diào)整的作用。上述的各塊磁鐵可以是永磁性的，也可以是電磁性的，如果是電磁性的，通過(guò)調(diào)整激磁電流可以改變產(chǎn)生的力的大小。這種利用相同磁極相互接近后產(chǎn)生相斥力的方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性，因?yàn)橛纱盆F(電磁鐵或永磁鐵)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間的分布很不均勻，特別是磁力在空間的作用強(qiáng)度變化很大，并不是隨著距離的增大而線性的衰減。作用力的大小幾乎是隨著距離磁極的距離增大而指數(shù)的衰減(隨著遠(yuǎn)離磁極，磁力很快的消失)。這種非線性的關(guān)系很難在精密操作系統(tǒng)中得到應(yīng)用，特別是在主從控制式機(jī)器人微操作系統(tǒng)中，要求反饋的力信號(hào)在一定的范圍內(nèi)具有比較精確的線性變化關(guān)系。另外這種激勵(lì)產(chǎn)生力信號(hào)的方法對(duì)移動(dòng)磁極的位置要求很高，特別是系統(tǒng)在初始情況下(力輸出為0的時(shí)刻)，因?yàn)橄到y(tǒng)中有永磁鐵出現(xiàn)，即使移動(dòng)的磁鐵為電磁鐵，而且此時(shí)電磁鐵中沒(méi)有激磁電流流過(guò)，電磁鐵此時(shí)并不具有磁性，但是它還是導(dǎo)磁體，在一定的距離內(nèi)位置固定的永磁體對(duì)這個(gè)導(dǎo)磁體仍存在力的作用。要消除這個(gè)力，就要求兩個(gè)磁鐵相隔足夠遠(yuǎn)，距離足夠大。這又為系統(tǒng)正常工作時(shí)設(shè)置工作初始點(diǎn)帶來(lái)很大的困難，系統(tǒng)精度受到很大的影響。
專(zhuān)利9描述了一種通過(guò)電磁原理產(chǎn)生力(或力矩)的裝置與方法。該裝置中包括一個(gè)扁平線圈(flat coil)，線圈通過(guò)某種連接形式，可以圍繞一個(gè)固定的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)磁鐵(可以是永磁鐵，或電磁鐵)平行于扁平線圈放置，一個(gè)位于線圈的上方，一個(gè)位于線圈的下方。當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，在磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，扁平線圈就圍繞旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力矩。這個(gè)原理類(lèi)似于一般直流電動(dòng)機(jī)的原理。這種裝置在某些應(yīng)用環(huán)境(針對(duì)主從式微操作機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境)中具有局限性，首先為了得到輸出力矩(轉(zhuǎn)距)的最大值，上述的扁平線圈的放置姿態(tài)要求與磁極表面垂直。這樣就限制了扁平線圈的寬度。如果線圈很寬，兩個(gè)磁極之間的磁場(chǎng)空間就要求很大，相應(yīng)的磁鐵的體積也很大，不能滿足一些細(xì)微操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。線圈的寬度很小，其輸出的力矩就很小。另一個(gè)嚴(yán)重的不足是，如同簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的原理，盡管扁平線圈中流過(guò)的電流能夠保持恒定，線圈在均勻磁場(chǎng)中產(chǎn)生的力不是恒定的，輸出的力的大小隨著線圈的旋轉(zhuǎn)角度的變化產(chǎn)生非線性的變化(依照三角函數(shù)的關(guān)系變化)，而且當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到90度時(shí)，輸出力矩為0(盡管此時(shí)的激磁電流還保持恒定值)。所以這種裝置在要求體積微小，運(yùn)動(dòng)軌跡是直線或弧線，力感覺(jué)在一定的范圍內(nèi)與激磁電流嚴(yán)格保持線性關(guān)系的環(huán)境中應(yīng)用還達(dá)不到要求。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電磁式力矩輸出裝置，該裝置能夠?qū)㈦娦盘?hào)線性地變換為力矩信號(hào)，而且體積小，重量輕，出力大，線性度好，非常適合于安裝在結(jié)構(gòu)微小，精度要求高的主從式微操作機(jī)器人系統(tǒng)中，作為主手力臨場(chǎng)感裝置。
該發(fā)明的裝置安裝在一個(gè)機(jī)器人輔助顯微手術(shù)系統(tǒng)中，機(jī)器人的主手由手術(shù)醫(yī)生操作，控制機(jī)器人的從手輔助主刀醫(yī)生完成一些人工完成比較困難的工作。機(jī)器人從手在操作時(shí)的作用力通過(guò)力傳感器變換為電信號(hào)傳到主手，安裝在機(jī)器人主手上的本裝置接受該電信號(hào)，并將這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為作用力矩，使操作者有力感覺(jué)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是1)利用高導(dǎo)磁材料制成兩對(duì)磁極，與繞組線圈配合形成具有較大強(qiáng)度的電磁式磁場(chǎng)，磁極的幾何形狀為立方體，每對(duì)磁極形成磁場(chǎng)的表面為圓柱形曲面；2)可移動(dòng)的繞組線圈的幾何形狀為圓柱曲面，導(dǎo)線沿圓柱曲面的四個(gè)邊界(其中兩個(gè)邊界為直線，另兩個(gè)邊界為圓弧形)環(huán)繞而成；3)可移動(dòng)線圈的框架被固定在擺動(dòng)桿的中間部位，移動(dòng)線圈的兩個(gè)直線形邊界延伸到線圈兩側(cè)的圓柱曲面磁場(chǎng)中；4)當(dāng)組成圓柱曲面形磁場(chǎng)的磁極線圈通過(guò)電流時(shí)，可移動(dòng)線圈的兩側(cè)形成了方向相反、空間間隙為圓柱形的磁場(chǎng)，可移動(dòng)線圈的兩個(gè)直線邊界能夠在這兩個(gè)磁場(chǎng)中作圓弧式運(yùn)動(dòng)；5)當(dāng)可移動(dòng)線圈內(nèi)通過(guò)電流時(shí)，線圈的兩個(gè)直線邊界上的導(dǎo)線流過(guò)方向相反的電流，在兩側(cè)方向相反的磁場(chǎng)作用下，線圈的兩個(gè)直線邊界上的導(dǎo)線受到電磁力的作用，且兩個(gè)作用力的方向相同，這兩個(gè)力的合力在操作柄上產(chǎn)生力矩，力矩的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與線圈的兩個(gè)直線邊界上的導(dǎo)線匝數(shù)成正比，與流過(guò)該繞組的電流成正比。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)了輸出力矩的直接控制，控制方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試工作很少；接收的控制信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，便于與上層控制單元的配合，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；系統(tǒng)的整機(jī)體積小、輸出力矩大(相對(duì)于相同體積下的力矩電機(jī))、實(shí)用性強(qiáng)。


圖12是向運(yùn)動(dòng)線圈(5)供電的電路13是向恒流電磁線圈8、9、12、13供電的控制原理框14是向恒流電磁線圈8、9、12、13供電的電路中1、本裝置框架機(jī)構(gòu)f，2、擺動(dòng)桿L，3、手指套環(huán)O，4、可移動(dòng)線圈架K0，5、移動(dòng)線圈L0，6、磁極M1，7、磁極M2，8、線圈L1，9、線圈L2，10、磁極M3，11、磁極M4，12、線圈L3，13、線圈L4，14、電位器W，15、控制信號(hào)接收與濾波部分，16、電流調(diào)節(jié)器，17、功率放大器，18、過(guò)電流保護(hù)單元，19、電流取樣與濾波放大電路，20、電流給定部分，21、電流調(diào)節(jié)器，22、功率放大器，23、過(guò)電流保護(hù)單元，24、電流取樣濾波與比例放大電路。
與中央擺動(dòng)桿L固定連接的圓柱面矩形移動(dòng)線圈L0的左邊的邊能夠在磁極M1和磁極M2之間的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，圓柱面矩形移動(dòng)線圈L0的右邊的邊能夠在磁極M3和磁極M4之間的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)磁極M1的線圈L1通過(guò)某一恒定值的電流時(shí)，磁極M1就形成了一個(gè)電磁鐵，磁極的方向如圖1所示。同樣，當(dāng)磁極M2的線圈L2也通過(guò)相同方向，相同大小的電流時(shí)，磁極M2也形成了一個(gè)強(qiáng)度大致相同的電磁鐵，如圖2所示。在磁極M1和磁極M2之間的空間內(nèi)就形成了一個(gè)分布均勻的恒定磁場(chǎng)Φ1，如圖3所示。與中央擺動(dòng)桿L固定連接的圓柱面矩形移動(dòng)線圈L0的左邊在這個(gè)恒定的磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈L0通過(guò)一個(gè)直流電流時(shí)，線圈L0的左側(cè)的邊就受到一個(gè)電磁力如圖4所示。
當(dāng)磁極M3的線圈L3通過(guò)某一恒定值的電流時(shí)，磁極M3就形成了一個(gè)電磁鐵，磁極的方向如圖5所示。同樣，當(dāng)磁極M4的線圈L4也通過(guò)相同方向，相同大小的電流時(shí)，磁極M4也形成了一個(gè)強(qiáng)度大致相同的電磁鐵，如圖6所示。在磁極M3和磁極M4之間的空間內(nèi)就形成了一個(gè)分布均勻的恒定磁場(chǎng)Φ2，如圖7所示。與中央擺動(dòng)桿L固定連接的圓柱面矩形移動(dòng)線圈L0的右邊在這個(gè)恒定的磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈L0通過(guò)一個(gè)直流電流時(shí)，線圈L0的右側(cè)的邊就受到一個(gè)電磁力如圖8所示。
所受到的電磁力的大小可以用下面的公式表示F＝n·K·L·Φ·I其中，K為比例常數(shù)，n為可移動(dòng)線圈導(dǎo)線的匝數(shù)，L為線圈位于恒定磁場(chǎng)內(nèi)部分的長(zhǎng)度，φ為恒定磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，I為流過(guò)線圈導(dǎo)線的電流。綜合以上各示意圖可以得出，移動(dòng)線圈L0的受力是該線圈的左、右兩個(gè)邊的受力的和，可以用下面的公式表示FL0＝2n·K·L·Φ·I由以上的公式可以看出，線圈L0所受的力F與可移動(dòng)線圈L0的纏繞匝數(shù)n成正比，與線圈L0中流過(guò)的電流I的大小成正比，與線圈L0在恒定磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度L成正比，與恒定磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度φ成正比。當(dāng)線圈L0的纏繞匝數(shù)n，線圈L0在恒定磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度L，恒定磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度φ都確定后，改變線圈L0中流過(guò)的電流I的大小時(shí)，移動(dòng)線圈L0的受力F就會(huì)隨電流I的變化而變化，通過(guò)中央擺動(dòng)桿L輸出的力矩Mq可以用下式表示Mq＝n·K·L·Φ·I·lL其中l(wèi)L是中央擺動(dòng)桿L的長(zhǎng)度，如圖9所示。
安裝在中央擺動(dòng)桿L的中間部位的移動(dòng)線圈L0由專(zhuān)用電路供電，該供電電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示，圖12是這個(gè)電路的詳細(xì)電路實(shí)現(xiàn)圖。這個(gè)電路有以下幾個(gè)模塊組成1)電流控制信號(hào)模塊 2)電流調(diào)節(jié)器模塊 3)控制信號(hào)功率放大模塊 4)線圈L0內(nèi)電流取樣模塊5)電流取樣濾波與信號(hào)放大模塊 6)線圈L0內(nèi)電流過(guò)載保護(hù)模塊 7)以及本電路的負(fù)載——線圈L0。下面將各模塊的功能，以及本電路的工作原理敘述如下控制信號(hào)接收與濾波部分—電流控制信號(hào)(15)，其功能是接收上層控制單元發(fā)出的電流控制信號(hào)，該控制信號(hào)的大小表示了該臨場(chǎng)力感應(yīng)操作器應(yīng)該輸出的力或力矩的大小，并對(duì)這個(gè)控制信號(hào)進(jìn)濾波處理，濾除掉在信號(hào)傳輸過(guò)程中進(jìn)入的各種干擾信號(hào)，將濾波后的信號(hào)傳送到下一級(jí)——電流調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器(16)，接受上一級(jí)發(fā)送的電流控制信號(hào)，和流過(guò)移動(dòng)線圈(5)的電流的取樣(反饋)信號(hào)，將這兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流控制信號(hào)大于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出高電壓(邏輯1)，使后一級(jí)的功率放大器正向工作，向移動(dòng)線圈(5)輸出正電壓，提高移動(dòng)線圈中的電流。當(dāng)電流控制信號(hào)小于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出低電壓(邏輯0)，使后一級(jí)的功率放大器反向工作，向移動(dòng)線圈(5)輸出負(fù)電壓，減小移動(dòng)線圈中的電流。電流取樣信號(hào)由電流取樣單元(19)發(fā)出；功率放大器(17)，是由脈寬調(diào)制控制器和H型橋式功率放大器(由4個(gè)功率MOS半導(dǎo)體管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成，如圖12所示)組成的，其功能是當(dāng)控制器輸出高電壓(邏輯1)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制H型橋式功率放大器的Q1、Q3導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出正向電壓，提高移動(dòng)線圈中的電流。當(dāng)控制器輸出低電壓(邏輯0)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制H型橋式功率放大器的Q2、Q4導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出負(fù)電壓，減小移動(dòng)線圈中的電流；過(guò)電流保護(hù)單元(18)的功能是當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，移動(dòng)線圈(5)中的電流達(dá)到一定值(大于某一安全的給定值)時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路將關(guān)掉脈寬調(diào)制控制器和H型橋式功率放大器，使移動(dòng)線圈(5)中的電流為0；電流取樣與濾波放大電路(19)通過(guò)H型橋式功率放大器中的電流取樣電阻RQ1、RQ2，對(duì)流過(guò)移動(dòng)線圈(5)中的電流進(jìn)行取樣，并經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，將混雜在信號(hào)中的高頻噪聲率除掉，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大，最后提供給電流調(diào)節(jié)器(16)。
磁極M1、M2、M3、M4上的線圈L1、L2、L3、L4的供電電路完全相同，圖13是向這些線圈供電的電路原理框圖，圖14是該電路的實(shí)現(xiàn)電路圖。這個(gè)控制電路是由以下幾個(gè)模塊組成的1)線圈電流給定模塊2)電流調(diào)節(jié)器模塊3)控制信號(hào)功率放大模塊4)線圈Li(I＝1，2，3，4)內(nèi)電流取樣模塊5)取樣電流濾波與信號(hào)放大模塊6)線圈Li(I＝1，2，3，4)內(nèi)電流過(guò)載保護(hù)模塊7)以及本電路的負(fù)載——線圈Li(I＝1，2，3，4)。下面將各模塊的功能，以及本電路的工作原理敘述如下電流給定部分(20)，其功能是由一電位器給出確定的電壓值，該值的大小確定了電磁是磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中流過(guò)的電流的大小，并對(duì)這個(gè)給定值信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除掉在信號(hào)變化(電位器旋轉(zhuǎn)變化時(shí))引入的各種干擾信號(hào)，將濾波后的信號(hào)傳送到下一級(jí)——電流調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器(21)，接受上一級(jí)發(fā)送的電流給定信號(hào)，和流過(guò)磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)的電流的取樣(反饋)信號(hào)，將這兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流控制信號(hào)大于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出高電壓(邏輯1)，使后一級(jí)的功率放大器正向工作，向磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)輸出正電壓，提高線圈中的電流。當(dāng)電流給定信號(hào)小于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出低電壓(邏輯0)，使后一級(jí)的功率放大器不工作，不向磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)輸出電壓，線圈中的電流由于電阻的作用自然減小。電流取樣信號(hào)由電流取樣單元(24)發(fā)出；功率放大器(22)，是由脈寬調(diào)制控制器和功率放大器(由功率半導(dǎo)體管T1、Q1構(gòu)成，如圖14所示)組成的，其功能是當(dāng)控制器輸出高電壓(邏輯1)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制功率放大器的T1、Q1導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出正向電壓，提高線圈中的電流。當(dāng)控制器輸出低電壓(邏輯0)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制功率放大器的T1、Q1不導(dǎo)通，使得線圈中的電流自然減?。贿^(guò)電流保護(hù)單元(23)的功能是當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流達(dá)到一定值(大于某一安全的給定值)時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路將關(guān)掉脈寬調(diào)制控制器和功率放大器，使磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流為0；電流取樣與濾波放大電路(24)通過(guò)功率放大器中的電流取樣電阻RQ1，對(duì)流過(guò)磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流進(jìn)行取樣，并經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，將混雜在信號(hào)中的高頻噪聲除掉，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大，最后提供給電流調(diào)節(jié)器(22)。
與擺動(dòng)桿L的旋轉(zhuǎn)軸同軸連接的電位器W隨著擺動(dòng)桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電位器的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷汉?+5V，-5V)，電位器的中間輸出端的電壓隨著電位器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置不同給出不同的電壓值，該電壓值與擺動(dòng)桿L的擺動(dòng)位置呈線性關(guān)系，利用該電壓值就可以線性地表示擺動(dòng)桿L或手指套環(huán)O的運(yùn)動(dòng)位置(相對(duì)于中心點(diǎn))，該信號(hào)作為位置反饋信號(hào)提供給控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器，其特征在于它包括一個(gè)操作控制器的支架(1)，其上方安裝擺動(dòng)桿(2)，下方是一個(gè)圓環(huán)形的手指套環(huán)(3)，該擺動(dòng)桿能夠沿著安裝的軸線做圓弧形運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)最大幅度不小于40度；一個(gè)電位器W(14)，安裝在擺動(dòng)桿的安裝旋轉(zhuǎn)軸上，隨擺動(dòng)桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)；一個(gè)矩形線圈支架(4)，表面為圓柱面形，固定安裝于擺動(dòng)桿的中央；一個(gè)弧形線圈(5)，用導(dǎo)線(漆包線)繞制而成，繞在矩形線圈支架(4)上；一對(duì)電磁極M1(6)、M2(7)，由高導(dǎo)磁材料制成，具有圓柱曲面形，按照一定斜度安裝在操作控制器的支架左側(cè)，上方是M1(6)，磁極的N極，下方是M2(7)，磁極的S極，在磁極M1、M2的磁柄上分別安裝了線圈L1(8)、L2(9)，兩個(gè)磁極M1、M2的面都呈現(xiàn)為圓柱面，兩個(gè)面的垂直距離不大于5mm，之間空間嵌入與擺動(dòng)桿安裝在一起的圓柱面型線圈(5)；一對(duì)電磁極M3(10)、M4(11)，由高導(dǎo)磁材料制成，具有圓柱曲面形，按照與左側(cè)對(duì)稱(chēng)的位置安裝在操作控制器的支架右側(cè)，在磁極上安裝由漆包線繞制的線圈，線圈的方向使得安裝在右側(cè)的一對(duì)磁極上方的磁極M3(11)是S極，下方的磁極M4(11)是N極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器，其特征在于電位器W(14)由標(biāo)準(zhǔn)直流電源(20，+5V，-5V)供給，電位器中間輸出端的電壓隨著電位器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置不同給出不同的電壓值，該電壓值與擺動(dòng)桿(2)的擺動(dòng)位置呈線性關(guān)系，利用該電壓值就可以線性地表示擺動(dòng)桿與手指套環(huán)(3)的運(yùn)動(dòng)位置(相對(duì)于中心點(diǎn))，該信號(hào)作為位置輸出信號(hào)提供給上層控制系統(tǒng)(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器，其特征在于矩形線圈支架(4)，其上為圓弧型線圈(5)，置于左右兩對(duì)磁極M1、M2和M3、M4形成的磁場(chǎng)N、S，S、N之間；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器，其特征在于流過(guò)移動(dòng)線圈(5)的電流是由專(zhuān)用的恒流控制電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，電流調(diào)節(jié)控制電路包括控制信號(hào)接收與濾波部分—電流控制信號(hào)(15)，接收上層控制單元發(fā)出的電流控制信號(hào)，該控制信號(hào)的大小表示了該臨場(chǎng)力感應(yīng)操作器應(yīng)該輸出的力或力矩的大小，并對(duì)這個(gè)控制信號(hào)進(jìn)濾波處理，濾除掉在信號(hào)傳輸過(guò)程中進(jìn)入的各種干擾信號(hào)，將濾波后的信號(hào)傳送到下—級(jí)—電流調(diào)節(jié)器(16)；電流調(diào)節(jié)器(16)，接受上—級(jí)發(fā)送的電流控制信號(hào)，和流過(guò)移動(dòng)線圈(5)的電流的取樣(反饋)信號(hào)，將這兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流控制信號(hào)大于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出高電壓(邏輯1)，使后一級(jí)的功率放大器(17)正向工作，向移動(dòng)線圈(5)輸出正電壓，提高移動(dòng)線圈中的電流；當(dāng)電流控制信號(hào)小于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出低電壓(邏輯0)，使后一級(jí)的功率放大器反向工作，向移動(dòng)線圈(5)輸出負(fù)電壓，減小移動(dòng)線圈中的電流；電流取樣信號(hào)由電流取樣單元(19)發(fā)出；功率放大器(17)，是由脈寬調(diào)制控制器和H型橋式功率放大器(由4個(gè)功率MOS半導(dǎo)體管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成，如圖12所示)組成的，當(dāng)控制器輸出高電壓(邏輯1)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制H型橋式功率放大器的Q1、Q3導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出正向電壓，提高移動(dòng)線圈中的電流；當(dāng)控制器輸出低電壓(邏輯0)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制H型橋式功率放大器的Q2、Q4導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出負(fù)電壓，減小移動(dòng)線圈中的電流；過(guò)電流保護(hù)單元(18)，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，移動(dòng)線圈(5)中的電流達(dá)到一定值(大于某一安全的給定值)時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路將關(guān)掉脈寬調(diào)制控制器和H型橋式功率放大器，使移動(dòng)線圈(5)中的電流為0；電流取樣與濾波放大電路(19)通過(guò)H型橋式功率放大器中的電流取樣電阻RQ1、RQ2，對(duì)流過(guò)移動(dòng)線圈(5)中的電流進(jìn)行取樣，并經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，將混雜在信號(hào)中的高頻噪聲濾除掉，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大，最后提供給電流調(diào)節(jié)器(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臨場(chǎng)力感應(yīng)操作控制器，其特征在于中央擺動(dòng)桿左、右兩側(cè)的各一對(duì)電磁式磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流由專(zhuān)用的恒流式電流控制器控制，它包括電流給定部分(20)，是由一電位器給出確定的電壓值，該值的大小確定了電磁式磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中流過(guò)的電流的大小，并對(duì)這個(gè)給定值信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除掉在信號(hào)變化(電位器旋轉(zhuǎn)變化時(shí))引入的各種干擾信號(hào)，將濾波后的信號(hào)傳送到下一級(jí)—電流調(diào)節(jié)器(21)；電流調(diào)節(jié)器(21)，接受上一級(jí)發(fā)送的電流給定信號(hào)，和流過(guò)磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)的電流的取樣(反饋)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流控制信號(hào)大于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出高電壓(邏輯1)，使后一級(jí)的功率放大器正向工作，向磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)輸出正電壓，提高線圈中的電流；當(dāng)電流控制信號(hào)小于電流取樣信號(hào)時(shí)，該電流控制器輸出低電壓(邏輯0)，使后一級(jí)的功率放大器不工作，不向磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)輸出電壓，線圈中的電流由于電阻的作用自然減?。浑娏魅有盘?hào)由電流取樣單元(24)發(fā)出；功率放大器(22)，是由脈寬調(diào)制控制器和功率放大器(由功率半導(dǎo)體管T1、Q1構(gòu)成)組成的，當(dāng)控制器輸出高電壓(邏輯1)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制功率放大器的T1、Q1導(dǎo)通，向移動(dòng)線圈(5)輸出正向電壓，提高線圈中的電流；當(dāng)控制器輸出低電壓(邏輯0)時(shí)，脈寬調(diào)制控制器控制功率放大器的T1、Q1不導(dǎo)通，使得線圈中的電流自然減??；過(guò)電流保護(hù)單元(23)，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流達(dá)到一定值(大于某一安全的給定值)時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路將關(guān)掉脈寬調(diào)制控制器和功率放大器，使磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流為0；電流取樣濾波與比例放大電路(24)，通過(guò)功率放大器中的電流取樣電阻RQ1，對(duì)流過(guò)磁極線圈(8)、(9)、(12)、(13)中的電流進(jìn)行取樣，并經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，將混雜在信號(hào)中的高頻噪聲率除掉，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大，最后提供給電流調(diào)節(jié)器(22)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人操作控制器，特別是機(jī)器人系統(tǒng)中具有主從操作手式的微型操作控制器，它包括控制器的支架，其上方安裝擺動(dòng)桿，下方是圓環(huán)形的手指套環(huán)，擺動(dòng)桿上安裝感應(yīng)線圈，兩套電磁極按照一定斜度左右對(duì)稱(chēng)安裝在支架兩側(cè)，在磁極上安裝由漆包線繞制的線圈，磁極面都呈現(xiàn)為圓柱面，兩個(gè)面的垂直距離不大于5mm，之間空間嵌入上述線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生力矩信號(hào)，控制從操作手。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，輸出的力矩信號(hào)穩(wěn)定，與相同體積的力矩電機(jī)相比，該裝置能夠輸出比較大的力矩信息，特別適合小型、微型控制設(shè)備中，為操作者提供力(力矩)反饋信息，使操作者能夠直接地感受到反饋力的臨場(chǎng)感效果。
文檔編號(hào)B25J3/00GK1453670SQ0312992
公開(kāi)日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者張建勛, 李彬, 王樹(shù)新, 安剛 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)