一种基于有源和无源器件的小型力触觉再现方法与流程

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。

技术实现要素：

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＝fb(x)

其中，y1为阻尼器输出力矩，x为输入电流，fb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＝kmx

其中，y2为电机输出力矩，x为输入电流，km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th，则磁流变阻尼器输出理论值为th^-1(f)，转换成的磁流变阻尼器电流输入信号为fb^-1[th^-1(f)]，设对应于输入电流i，磁流变阻尼器的实际输出为tb(i)，则磁流变阻尼器的实际输出为tb{fb^-1[th^-1(f)]}，则作用在操作者身体的力/力矩为th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}；

步骤(c)安装在力/力矩作用点的力/力矩传感器测量实际作用的力/力矩数值，比较实际输出与预期输出，计算力/力矩误差，由力/力矩传感器反馈回的误差可表示为：

δ＝f-th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}；

步骤(d)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，设由直流电机实际补偿的力/力矩为δm；

步骤(e)直流电机的输出和原先磁流变阻尼器的输出叠加在一起，消除力/力矩误差，实现力/力矩精确控制，最终作用在操作者身体上的力/力矩可表示为：

th(δm)+th{tb{fb^-1[th^-1(f)]}}。

工作原理：本发明的有源器件采用直流电机，直流电机力/力矩控制方便，可实现力/力矩的精确控制，直流电机的输出轴和磁流变阻尼器的输出轴相连，用于补偿力/力矩的误差；无源器件采用磁流变阻尼器，磁流变阻尼器具备体积小，出力大的优点，其力矩/体积比是直流电机的50倍以上；本发明将两者相结合，首先利用磁流变阻尼器对力/力矩进行“粗调”，实现大范围力/力矩输出，然后利用力/力矩传感器构成反馈回路，计算磁流变阻尼器的输出与预期输出之间的误差，将误差信号转换成直流电机的输入信号；最后利用直流电机进行力/力矩误差补偿，补偿磁流变阻尼器产生的5％～10％f.s的力/力矩误差，实现对大范围力/力矩的精确控制。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优势：1、和以往常用的基于单一有源器件或者无源器件的力触觉再现方法相比，该再现方法结合磁流变阻尼器和直流电机的优点，精确控制，力矩/体积比大；2、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，并且提升了力触觉交互的逼真度与沉浸感；3、由于精度高、能力强的力反馈可以使操作者在虚拟环境中更加真实地感受刚性物体，感受机械臂远端环境信息，故本发明可广泛应用于虚拟现实、遥操作机器人控制、医疗等领域，尤其在虚拟手术中模拟更加丰富的人体组织、器官，如血管、肌肉、骨骼、牙齿等。

附图说明

图1为本发明的力触觉再现设备结构示意图

图2为磁流变阻尼器和直流电机标定曲线；

图3磁流变阻尼器和直流电机实际力矩-电流关系图；

图4该力触觉再现方法流程图；

图5该力触觉再现方法控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，力触觉再现设备包括支架1、固定在支架1两侧的执行器件、与执行器件输出轴相连的力触觉传递装置2、以及设于力触觉传递装置2末端的力/力矩传感器3，所述力/力矩传感器用于测量实际作用力/力矩，构成反馈回路；所述执行器件由磁流变阻尼器4和直流电机5组成，直流电机的输出轴和磁流变阻尼器的输出轴相连。

一种基于有源/无源器件的高精度小型力触觉再现方法，具体步骤如下：

步骤(a)：构建上述设备，进行磁流变阻尼器和直流电机的标定，获得其输入电流与输出力矩之间的关系；磁流变阻尼器由铁磁材料加工而成，铁磁材料的固有特性之一就是磁滞现象，即磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化，反应在力矩上就是力矩滞后于电流的变化；如图2所示，阻尼器回程力矩明显滞后于电流，而且磁流变阻尼器存在饱和点，在饱和点之前，力矩和电流几乎成线性关系，饱和点之后，随着电流的增加，力矩被限制，增加缓慢，呈现明显的非线性关系；图中虚线为阻尼器去程和回程力矩和电流的关系，实线为应用最小二乘法的标定曲线，设该阻尼器标定曲线的函数为：

y1＝fb(x)

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＝kmx

其中，y1和y2分别为输出力矩(单位：牛.毫米)；x为输入电流(单位：安培)；fb为输入电流和磁流变阻尼器输出力矩的映射关系；km为输入电流和直流电机输出力矩的映射关系；

如图3所示为本实施例的磁流变阻尼器和直流电机实际力矩-电流关系图，图中，阻尼器的标定采用最小二乘法，曲线函数为：

y1＝-218.41x²+611.15x+2.0852

直流电机的输出和输入呈线性关系，直流电机的电机标定曲线的函数为：

y2＝100x；

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)，如图4所示为该力触觉再现方法的流程图，图5所示为该力触觉再现方法的控制原理图；设力触觉传递装置输出与执行器件输出的映射关系是th＝1，预期力/力矩为211.6n.mm，则转换成的阻尼器电流输入信号为0.4a，阻尼器的实际输出为229.1n.mm，则作用在操作者身体的力/力矩为229.1n.mm；

步骤(c)：安装在力/力矩作用点的力/力矩传感器测量实际作用的力/力矩数值，比较实际输出与预期输出，计算力/力矩误差，由力/力矩传感器反馈回的误差为-17.5n.mm；

步骤(d)：力/力矩误差转换成的直流电机的输入信号为-0.175a，驱动直流电机产生误差所对应的力矩，即-17.5n.mm；

步骤(e)：直流电机的输出和原先磁流变阻尼器的输出叠加，消除力/力矩误差，实现力/力矩精确控制，最终作用在操作者身体上的力/力矩为-17.5+229.1＝211.6n.mm，即为预期的力矩。