一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設(shè)備；所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機(jī)械臂模型和虛擬環(huán)境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡和計數(shù)器板卡，所述的手動觸覺設(shè)備包括直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機(jī)上，并與計數(shù)器板卡連接，所述的旋轉(zhuǎn)手柄與直流電機(jī)的電機(jī)軸連接，所述的DA板卡通過電機(jī)驅(qū)動器與直流電機(jī)連接；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、實施方便、體驗感強(qiáng)等優(yōu)點。
【專利說明】一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力覺和視覺反饋【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，具有力反饋的虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了快速的發(fā)展。該技術(shù)改變了以往僅僅基于視覺、聽覺和利用鼠標(biāo)鍵盤等傳統(tǒng)的二維人機(jī)交互技術(shù)，為用戶提供了一種更加貼近真實生活環(huán)境的人機(jī)交互界面。
[0003]在軍事領(lǐng)域，通過利用30模型、力反饋、位置跟蹤以及其他視聽設(shè)備，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助士兵模擬各種各樣的戰(zhàn)場環(huán)境，可以以非常低的成本和最小的危險來不斷的重復(fù)同一個軍事訓(xùn)練項目，實現(xiàn)低成本、高效率的完成軍事人員的職業(yè)訓(xùn)練。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過建立逼真的人體器官模型和作用力反饋模型，外科醫(yī)生可以通過高度逼真的手術(shù)模擬系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)的手術(shù)操作訓(xùn)練，達(dá)到最佳的醫(yī)學(xué)訓(xùn)練效果并有效地縮短訓(xùn)練周期。
[0004]然而，當(dāng)前從商業(yè)上可獲取的基于虛擬現(xiàn)實的力反饋設(shè)備(如美國36118仙16公司的？撤階01系列力反饋交換設(shè)備)主要都是為通用目的而設(shè)計的，且價格非常昂貴。此外，此類設(shè)備的底層控制系統(tǒng)已經(jīng)被完全封閉，不能滿足用戶對虛擬現(xiàn)實力反饋系統(tǒng)的個性化要求。更甚者，這類力反饋交互設(shè)備具有較多的自由度、復(fù)雜的控制系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實函數(shù)庫，用戶需要花費大量時間學(xué)習(xí)該設(shè)備的控制方法、虛擬模型建立方法等，難以快速滿足用戶設(shè)計要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實施方便、體驗感強(qiáng)的具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設(shè)備；
[0008]所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機(jī)械臂模型和虛擬環(huán)境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的0八板卡和計數(shù)器板卡，所述的手動觸覺設(shè)備包括直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機(jī)上，并與計數(shù)器板卡連接，所述的旋轉(zhuǎn)手柄與直流電機(jī)的電機(jī)軸連接，所述的0八板卡通過電機(jī)驅(qū)動器與直流電機(jī)連接；
[0009]用戶通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)手柄，帶動直流電機(jī)的電機(jī)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，并通過編碼器記錄，所述主控制器通過讀取計數(shù)器板卡上的脈沖信號，來確定用戶操作手動觸覺設(shè)備的輸入位移量，并計算出虛擬機(jī)械臂模型運動的位移量；
[0010]同時，主控制器根據(jù)虛擬機(jī)械臂模型與虛擬環(huán)境模型的接觸位移量以及設(shè)計好的剛度值，計算出接觸力大小，并通過0八板卡將作用力信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔徒o電機(jī)驅(qū)動器的電壓值，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動器變換后，最終將驅(qū)動電流值輸送給直流電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，并帶動旋轉(zhuǎn)手柄實現(xiàn)與操作者反方向的旋轉(zhuǎn)運動，使得操作者感覺到虛擬作用力。
[0011]所述的虛擬機(jī)械臂模型為一自由度虛擬機(jī)械臂模型，可以將旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械臂的直線往復(fù)運動。
[0012]所述的一自由度虛擬機(jī)械臂模型為圓柱體，所述的虛擬環(huán)境模型為中空型圓柱體，該圓柱體表面具有彈性。
[0013]通過主控制器移動虛擬機(jī)械臂模型，使得虛擬機(jī)械臂模型與環(huán)境模型表面接觸，所述的虛擬機(jī)械臂模型末端與環(huán)境模型的表面接觸位置為虛擬機(jī)械臂模型末端起始位置，通過主控制器傳遞的反饋力判斷虛擬機(jī)械臂模型末端和虛擬環(huán)境模型是否接觸。
[0014]機(jī)械臂的往復(fù)運動可以實現(xiàn)機(jī)械臂的末端與圓柱體表面相接觸而產(chǎn)生相應(yīng)作用力；通過主控制器操作虛擬機(jī)械臂模型開始與虛擬環(huán)境模型的碰撞運動，虛擬機(jī)械臂模型的末端從起始位置移動到虛擬環(huán)境模型內(nèi)的機(jī)械臂末端目標(biāo)位置。
[0015]所述的接觸力大小通過接觸力反饋仿真模型計算得到，該接觸力反饋仿真模型具體如下:
[001 6]^^66(11330^^611(1^ 311 打11633
[0017]式中參數(shù)工―為機(jī)械臂末端終點位置，13吣為機(jī)械臂末端起點位置，匕―3為用戶設(shè)置的環(huán)境體剛度。
[0018]控制器單元中的0八板卡和計數(shù)器板卡分別實現(xiàn)對直流電機(jī)發(fā)送驅(qū)動電流和對電機(jī)末端編碼器輸出位置量進(jìn)行采集功能，觸覺設(shè)備的核心是一臺直流電機(jī)，該直流電機(jī)將虛擬機(jī)械臂與虛擬環(huán)境接觸力轉(zhuǎn)變成施加于操作者人手上的作用力信號。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0020]1)結(jié)構(gòu)簡單:相比較于商業(yè)上可購得的虛擬現(xiàn)實力反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，力反饋系統(tǒng)各個部分容易獲取，力反饋裝置容易加工制造。
[0021]2)實施方便:本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)計算量少，不必進(jìn)行復(fù)雜的多自由度機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)計算即可實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有效體驗。
[0022]3)體驗感強(qiáng):本發(fā)明可以方便用戶實踐，操作者通過操作力反饋設(shè)備，與顯示器中的圖像的變化連接起來，給使用者強(qiáng)烈的身臨其境的感覺，顯著增加操作者的體驗感。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是虛擬環(huán)境剛度值為0.6^/111111時，位置跟蹤信號曲線圖；
[0025]圖3為虛擬環(huán)境剛度值為0.6^/111111時，速度信號曲線圖；
[0026]圖4為虛擬環(huán)境剛度值為0.6^/皿時，接觸力信號曲線圖；
[0027]圖5是虛擬環(huán)境剛度值為1.0^/皿時，位置跟蹤信號曲線圖；
[0028]圖6為虛擬環(huán)境剛度值為1.0^/皿時，速度信號曲線圖；
[0029]圖7為虛擬環(huán)境剛度值為1.(^/皿時，接觸力信號曲線圖；

【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031]實施例
[0032]如圖1所示，一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，包括依次連接的視覺顯示單元
1、控制器單兀2和手動觸覺設(shè)備3 ；
[0033]所述的視覺顯示單元1包括相互連接的虛擬機(jī)械臂模型和虛擬環(huán)境模型，所述的控制器單元2包括主控制器以及分別與主控制器連接的0八板卡21和計數(shù)器板卡22，所述的手動觸覺設(shè)備3包括直流電機(jī)32、電機(jī)驅(qū)動器34、旋轉(zhuǎn)手柄31和編碼器33，所述的編碼器33安裝在直流電機(jī)32上，并與計數(shù)器板卡22連接，所述的旋轉(zhuǎn)手柄31與直流電機(jī)32的電機(jī)軸連接，所述的0八板卡21通過電機(jī)驅(qū)動器34與直流電機(jī)32連接；
[0034]用戶通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)手柄31，帶動直流電機(jī)32的電機(jī)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，并通過編碼器33記錄，所述主控制器通過讀取計數(shù)器板卡22上的脈沖信號，來確定用戶操作手動觸覺設(shè)備的輸入位移量，并計算出虛擬機(jī)械臂模型運動的位移量；
[0035]同時，主控制器根據(jù)虛擬機(jī)械臂模型與虛擬環(huán)境模型的接觸位移量以及設(shè)計好的剛度值，計算出接觸力大小，并通過0八板卡21將作用力信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔徒o電機(jī)驅(qū)動器34的電壓值，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動器34變換后，最終將驅(qū)動電流值輸送給直流電機(jī)32，實現(xiàn)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，并帶動旋轉(zhuǎn)手柄實現(xiàn)與操作者反方向的旋轉(zhuǎn)運動，使得操作者感覺到虛擬作用力。
[0036]以實現(xiàn)快速的接觸力反饋模型建立實驗為例來說明本發(fā)明。
[0037]1、構(gòu)建虛擬機(jī)械臂模型和環(huán)境模型
[0038]本實施例中一自由度虛擬機(jī)械臂模型為圓柱體，圓柱體橫截面直徑為5111111，長度為15臟。虛擬環(huán)境為直徑為10臟，長度為5臟的中空型圓柱體。采用實體造型技術(shù)構(gòu)建一自由度虛擬機(jī)械臂和虛擬環(huán)境模型。
[0039]2、確定機(jī)械臂末端起始位置
[0040]通過帶有旋轉(zhuǎn)手柄的一自由度力反饋設(shè)備移動一自由度虛擬機(jī)械臂，通過運動轉(zhuǎn)化，將旋轉(zhuǎn)手柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M機(jī)械臂的直線運動。使虛擬機(jī)械臂的末端與虛擬環(huán)境的表面相接觸，機(jī)械臂末端此時位置記為起始位置，通過操作者的視覺觀察和力反饋設(shè)備傳遞的反饋力信號來判斷機(jī)械臂末端是否與虛擬環(huán)境發(fā)生接觸。
[0041]3、接觸力反饋仿真模型建立
[0042]將虛擬環(huán)境模型的剛度值設(shè)置為0.6化^11，根據(jù)下列公式計算的接觸反饋力為:
[0044]此實施例采用連續(xù)的位置輸入信號，那么操作者獲取的接觸反饋力也是連續(xù)的力信號。
[0045]4、環(huán)境模型剛度簡單可調(diào)接觸力實驗
[0046]可以依據(jù)不同操作者對虛擬環(huán)境剛度的期望，可以通過本發(fā)明控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對虛擬環(huán)境剛度值的快速調(diào)整。圖2-圖7為在保證虛擬機(jī)械臂和環(huán)境模型造型尺寸不變的條件下，通過軟件修改環(huán)境剛度值而獲取的連續(xù)的位置信號、速度信號和接觸力信號結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的視覺顯示單元、控制器單元和手動觸覺設(shè)備； 所述的視覺顯示單元包括相互連接的虛擬機(jī)械臂模型和虛擬環(huán)境模型，所述的控制器單元包括主控制器以及分別與主控制器連接的DA板卡和計數(shù)器板卡，所述的手動觸覺設(shè)備包括直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)手柄和編碼器，所述的編碼器安裝在直流電機(jī)上，并與計數(shù)器板卡連接，所述的旋轉(zhuǎn)手柄與直流電機(jī)的電機(jī)軸連接，所述的DA板卡通過電機(jī)驅(qū)動器與直流電機(jī)連接； 用戶通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)手柄，帶動直流電機(jī)的電機(jī)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，并通過編碼器記錄，所述主控制器通過讀取計數(shù)器板卡上的脈沖信號，來確定用戶操作手動觸覺設(shè)備的輸入位移量，并計算出虛擬機(jī)械臂模型運動的位移量； 同時，主控制器根據(jù)虛擬機(jī)械臂模型與虛擬環(huán)境模型的接觸位移量以及設(shè)計好的剛度值，計算出接觸力大小，并通過DA板卡將作用力信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔徒o電機(jī)驅(qū)動器的電壓值，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動器變換后，最終將驅(qū)動電流值輸送給直流電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，并帶動旋轉(zhuǎn)手柄實現(xiàn)與操作者反方向的旋轉(zhuǎn)運動，使得操作者感覺到虛擬作用力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的虛擬機(jī)械臂模型為一自由度虛擬機(jī)械臂模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的一自由度虛擬機(jī)械臂模型為圓柱體，所述的虛擬環(huán)境模型為中空型圓柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，通過主控制器移動虛擬機(jī)械臂模型，使得虛擬機(jī)械臂模型與環(huán)境模型表面接觸，所述的虛擬機(jī)械臂模型末端與環(huán)境模型的表面接觸位置為虛擬機(jī)械臂模型末端起始位置，通過主控制器傳遞的反饋力判斷虛擬機(jī)械臂模型末端和虛擬環(huán)境模型是否接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的接觸力大小通過接觸力反饋仿真模型計算得到，該接觸力反饋仿真模型具體如下:
ffeedback(Xend Xstart) ^ ^stiffness 式中參數(shù)Xmd為機(jī)械臂末端終點位置，Xstart為機(jī)械臂末端起點位置，kstiffness為用戶設(shè)置的環(huán)境體剛度。
【文檔編號】G05B19/18GK104317245SQ201410599202
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】胡玥, 胡茂剛 申請人:胡玥