一種基於有源和無源器件的小型力觸覺再現方法與流程
2023-09-24 01:50:20 1
本發明涉及一種力觸覺再現方法，尤其涉及一種基於有源和無源器件的高精度小型力觸覺再現方法。
背景技術：
力觸覺再現是指用戶通過力觸覺再現設備觸摸、感受和操縱虛擬或遠端物體，獲得虛擬或遠端物體特性，感知虛擬或遠端物體信息的過程。通過力觸覺再現設備，操作者能夠以自然的方式與虛擬或遠端環境進行交互，從而產生與真實環境一致的沉浸感，力觸覺在虛擬實境、遙操作機器人和醫療等領域有著廣闊的應用前景。
執行器件是力觸覺再現設備的重要組成部分，是傳遞力觸覺刺激的重要環節，執行器件的特性直接影響到力觸覺再現設備的性能以及力觸覺交互的逼真度與沉浸感。目前，力觸覺再現設備中使用的比較廣泛的器件有直流電機、磁流變阻尼器以及氣動執行器等。這些執行器件各有優劣：如直流電機控制簡單，可精確控制，但力矩/體積比小；磁流變阻尼器能量密度高，體積小，出力大，但不能精確控制。
技術實現要素：
發明目的：本發明的目的是基於現有技術存在的問題，提供一種採用直流電機作為有源器件、磁流變阻尼器作為無源器件，將有源和無源器件相結合以實現小型器件輸出高精度、大範圍力/力矩的小型力觸覺再現方法。
技術方案：本發明所述的一種基於有源和無源器件的小型力觸覺再現方法，包括如下步驟：
步驟(a)：構建小型力觸覺再現設備，所述設備包括執行器件、力/力矩傳感器和力觸覺傳遞裝置，所述執行器件包括磁流變阻尼器和直流電機；對磁流變阻尼器和直流電機進行標定，獲得其輸入電流與輸出力矩之間的關係；所述磁流變阻尼器標定採用最小二乘法、神經網絡算法或者支持向量機算法；設該阻尼器標定曲線的函數為：
y1＝fb(x)
其中，y1為阻尼器輸出力矩，x為輸入電流，fb為輸入電流和磁流變阻尼器輸出力矩的映射關係；
直流電機的輸出和輸入呈線性關係，設直流電機的標定曲線的函數為：
y2＝kmx
其中，y2為電機輸出力矩，x為輸入電流，km為輸入電流和電機輸出力矩的映射關係；
步驟(b)：將預期力/力矩數值轉換成磁流變阻尼器的電流輸入信號，由磁流變阻尼器輸出相應力矩，再經力觸覺傳遞裝置作用於操作人員身體(如手指、手)，設預期力/力矩為f，力觸覺傳遞裝置輸出與執行器件輸出的映射關係是th，則磁流變阻尼器輸出理論值為th-1(f)，轉換成的磁流變阻尼器電流輸入信號為fb-1[th-1(f)]，設對應於輸入電流i，磁流變阻尼器的實際輸出為tb(i)，則磁流變阻尼器的實際輸出為tb{fb-1[th-1(f)]}，則作用在操作者身體的力/力矩為th{tb{fb-1[th-1(f)]}}；
步驟(c)安裝在力/力矩作用點的力/力矩傳感器測量實際作用的力/力矩數值，比較實際輸出與預期輸出，計算力/力矩誤差，由力/力矩傳感器反饋回的誤差可表示為：
δ＝f-th{tb{fb-1[th-1(f)]}}；
步驟(d)將力/力矩誤差轉換成直流電機的輸入信號，驅動直流電機產生誤差所對應的力矩，設由直流電機實際補償的力/力矩為δm；
步驟(e)直流電機的輸出和原先磁流變阻尼器的輸出疊加在一起，消除力/力矩誤差，實現力/力矩精確控制，最終作用在操作者身體上的力/力矩可表示為：
th(δm)+th{tb{fb-1[th-1(f)]}}。
工作原理：本發明的有源器件採用直流電機，直流電機力/力矩控制方便，可實現力/力矩的精確控制，直流電機的輸出軸和磁流變阻尼器的輸出軸相連，用於補償力/力矩的誤差；無源器件採用磁流變阻尼器，磁流變阻尼器具備體積小，出力大的優點，其力矩/體積比是直流電機的50倍以上；本發明將兩者相結合，首先利用磁流變阻尼器對力/力矩進行「粗調」，實現大範圍力/力矩輸出，然後利用力/力矩傳感器構成反饋迴路，計算磁流變阻尼器的輸出與預期輸出之間的誤差，將誤差信號轉換成直流電機的輸入信號；最後利用直流電機進行力/力矩誤差補償，補償磁流變阻尼器產生的5％～10％f.s的力/力矩誤差，實現對大範圍力/力矩的精確控制。
有益效果：本發明與現有技術相比，具有如下顯著優勢：1、和以往常用的基於單一有源器件或者無源器件的力觸覺再現方法相比，該再現方法結合磁流變阻尼器和直流電機的優點，精確控制，力矩/體積比大；2、可實現小型器件輸出大範圍、高精度力/力矩，使得力觸覺再現設備更加輕便、小巧，並且提升了力觸覺交互的逼真度與沉浸感；3、由於精度高、能力強的力反饋可以使操作者在虛擬環境中更加真實地感受剛性物體，感受機械臂遠端環境信息，故本發明可廣泛應用於虛擬實境、遙操作機器人控制、醫療等領域，尤其在虛擬手術中模擬更加豐富的人體組織、器官，如血管、肌肉、骨骼、牙齒等。
附圖說明
圖1為本發明的力觸覺再現設備結構示意圖
圖2為磁流變阻尼器和直流電機標定曲線；
圖3磁流變阻尼器和直流電機實際力矩-電流關係圖；
圖4該力觸覺再現方法流程圖；
圖5該力觸覺再現方法控制原理圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明的技術方案作進一步詳細說明。
實施例：
如圖1所示，力觸覺再現設備包括支架1、固定在支架1兩側的執行器件、與執行器件輸出軸相連的力觸覺傳遞裝置2、以及設於力觸覺傳遞裝置2末端的力/力矩傳感器3，所述力/力矩傳感器用於測量實際作用力/力矩，構成反饋迴路；所述執行器件由磁流變阻尼器4和直流電機5組成，直流電機的輸出軸和磁流變阻尼器的輸出軸相連。
一種基於有源/無源器件的高精度小型力觸覺再現方法，具體步驟如下：
步驟(a)：構建上述設備，進行磁流變阻尼器和直流電機的標定，獲得其輸入電流與輸出力矩之間的關係；磁流變阻尼器由鐵磁材料加工而成，鐵磁材料的固有特性之一就是磁滯現象，即磁感應強度的變化滯後於磁場強度的變化，反應在力矩上就是力矩滯後於電流的變化；如圖2所示，阻尼器回程力矩明顯滯後於電流，而且磁流變阻尼器存在飽和點，在飽和點之前，力矩和電流幾乎成線性關係，飽和點之後，隨著電流的增加，力矩被限制，增加緩慢，呈現明顯的非線性關係；圖中虛線為阻尼器去程和回程力矩和電流的關係，實線為應用最小二乘法的標定曲線，設該阻尼器標定曲線的函數為：
y1＝fb(x)
直流電機的輸出和輸入呈線性關係，設直流電機的標定曲線的函數為：
y2＝kmx
其中，y1和y2分別為輸出力矩(單位：牛.毫米)；x為輸入電流(單位：安培)；fb為輸入電流和磁流變阻尼器輸出力矩的映射關係；km為輸入電流和直流電機輸出力矩的映射關係；
如圖3所示為本實施例的磁流變阻尼器和直流電機實際力矩-電流關係圖，圖中，阻尼器的標定採用最小二乘法，曲線函數為：
y1＝-218.41x2+611.15x+2.0852
直流電機的輸出和輸入呈線性關係，直流電機的電機標定曲線的函數為：
y2＝100x；
步驟(b)：將預期力/力矩數值轉換成磁流變阻尼器的電流輸入信號，由磁流變阻尼器輸出相應力矩，再經力觸覺傳遞裝置作用於操作人員身體(如手指、手)，如圖4所示為該力觸覺再現方法的流程圖，圖5所示為該力觸覺再現方法的控制原理圖；設力觸覺傳遞裝置輸出與執行器件輸出的映射關係是th＝1，預期力/力矩為211.6n.mm，則轉換成的阻尼器電流輸入信號為0.4a，阻尼器的實際輸出為229.1n.mm，則作用在操作者身體的力/力矩為229.1n.mm；
步驟(c)：安裝在力/力矩作用點的力/力矩傳感器測量實際作用的力/力矩數值，比較實際輸出與預期輸出，計算力/力矩誤差，由力/力矩傳感器反饋回的誤差為-17.5n.mm；
步驟(d)：力/力矩誤差轉換成的直流電機的輸入信號為-0.175a，驅動直流電機產生誤差所對應的力矩，即-17.5n.mm；
步驟(e)：直流電機的輸出和原先磁流變阻尼器的輸出疊加，消除力/力矩誤差，實現力/力矩精確控制，最終作用在操作者身體上的力/力矩為-17.5+229.1＝211.6n.mm，即為預期的力矩。