本發(fā)明涉及一種使用氣囊作為接觸媒介并提供力反饋的手動(dòng)控制器，用于對(duì)機(jī)械爪進(jìn)行抓取動(dòng)作的遙操控，屬于臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)械爪是一種靈活的抓取工具，應(yīng)用廣泛。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，控制機(jī)械爪的力覺接口設(shè)備不斷出現(xiàn)，力覺接口設(shè)備能夠感知人手對(duì)機(jī)械爪的控制動(dòng)作，同時(shí)模擬出機(jī)械爪與遠(yuǎn)程環(huán)境的力覺交互，為操作者提供臨場(chǎng)感。

力覺接口設(shè)備主要有力反饋數(shù)據(jù)手套、手控器、操縱桿等，其中力反饋數(shù)據(jù)手套發(fā)展較快，數(shù)據(jù)手套是一種基于類似手套的結(jié)構(gòu)，測(cè)量人手的姿態(tài)、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度、并對(duì)每個(gè)手指等施加力反饋?zhàn)饔茫軌蛱峁┚唧w到單關(guān)節(jié)的交互式控制，外骨架式數(shù)據(jù)手套主要采用金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過電動(dòng)、氣動(dòng)等施加反饋力。數(shù)據(jù)手套能夠提供三維的、具體到單關(guān)節(jié)的交互式控制，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，成本高昂，限定目標(biāo)機(jī)械爪種類和結(jié)構(gòu)，通用性不夠強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種氣囊式力反饋手控器，操作者用手握住手控器的氣囊，遠(yuǎn)程控制目標(biāo)機(jī)械爪完成簡單的抓取工作，手控器測(cè)量操作者控制氣囊的速度，控制目標(biāo)機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)根據(jù)機(jī)械爪與抓取物體的作用力，為操作者提供對(duì)應(yīng)的力反饋。這個(gè)手控器對(duì)目標(biāo)機(jī)械爪沒有特定的品種限制和結(jié)構(gòu)限制，可在多種機(jī)械爪控制中通用，機(jī)械爪只需具備基本的開合角度運(yùn)動(dòng)和接觸力覺檢測(cè)功能。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種氣囊式力反饋手控器，其內(nèi)部核心部分包括一個(gè)普通人可抓握的氣囊、導(dǎo)氣管道、氣壓傳感器、雙向流量計(jì)、電控蝶閥和單片機(jī)控制器，帶有力傳感器的機(jī)械爪在手控器外部，其電路以有線或無線的方式與手控器相連。氣囊通過導(dǎo)氣管道與外界大氣相通，氣壓傳感器裝在氣囊內(nèi)部末端位置，流量計(jì)和蝶閥依次安裝在導(dǎo)氣管道上，氣壓傳感器、流量計(jì)的電路與蝶閥的電動(dòng)馬達(dá)控制線連接在單片機(jī)上。

氣壓傳感器測(cè)量氣囊內(nèi)部的壓強(qiáng)，雙向流量計(jì)Zephyr_ HAF測(cè)量管道內(nèi)氣體的流量大小和流動(dòng)方向，蝶閥控制氣體流出管道的出口大小，機(jī)械爪的力傳感器測(cè)量被抓取物與機(jī)械爪的平均接觸力，單片機(jī)采集氣壓傳感器、流量計(jì)和機(jī)械爪上力傳感器的數(shù)據(jù)，控制蝶閥和機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)。

雙向流量計(jì)測(cè)量從氣囊流出或流入的氣體的流量大小和流動(dòng)方向，單片機(jī)獲取操作人員手部的動(dòng)作信息，控制機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)流量大小可以獲取氣體的流動(dòng)速度，控制機(jī)械爪的關(guān)節(jié)的平均線速度，根據(jù)流動(dòng)方向可以控制機(jī)械爪的關(guān)節(jié)收攏或者放松。

氣壓傳感器測(cè)量氣囊內(nèi)氣體壓強(qiáng)，單片機(jī)從而計(jì)算出氣囊對(duì)人手的平均反作用力，與機(jī)械爪上力傳感器測(cè)量得到的接觸力數(shù)值比較，當(dāng)導(dǎo)氣管的出氣口大小變化時(shí)，氣體流通受到的阻力會(huì)發(fā)生變化，氣囊內(nèi)平均氣壓會(huì)變化，因此單片機(jī)通過蝶閥控制出氣口的大小，調(diào)整氣囊對(duì)人手的反作用力，實(shí)現(xiàn)柔性握力反饋。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪動(dòng)作控制的方案是，手控器測(cè)量操作者控制氣囊的速度，控制目標(biāo)機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)速度。操作人員用手握住氣囊，當(dāng)手掌握緊并擠壓氣囊時(shí)，氣囊中的空氣流入導(dǎo)氣管；當(dāng)手掌放松張開，氣囊恢復(fù)原形狀，空氣通過導(dǎo)氣管流回氣囊中，導(dǎo)氣管中的雙向流量計(jì)測(cè)量氣流的流量和方向。當(dāng)手掌握緊并擠壓氣囊時(shí)，氣體從氣囊中通過導(dǎo)氣管流向外部，氣體方向?yàn)檎?，流量?jì)的模擬輸出電壓為正值，同時(shí)測(cè)量出此時(shí)導(dǎo)氣管的氣體流量，單片機(jī)采集、轉(zhuǎn)換、分析流量計(jì)數(shù)據(jù)，控制機(jī)械爪收攏，抓取目標(biāo)物體，機(jī)械爪關(guān)節(jié)的平均線速度與導(dǎo)氣管中氣流速度成正比；同理，當(dāng)手掌放松張開時(shí)，氣體從外部通過導(dǎo)氣管流回氣囊中，氣體方向?yàn)樨?fù)，流量計(jì)的模擬輸出電壓為負(fù)值，單片機(jī)控制機(jī)械爪張開，放開目標(biāo)物體，機(jī)械爪關(guān)節(jié)的平均線速度與導(dǎo)氣管中氣流速度成正比。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)力反饋的方案是，操作人員用手握住氣囊開始控制機(jī)械爪抓取物體，當(dāng)機(jī)械爪碰到物體時(shí)，力傳感器的值增加，蝶閥應(yīng)緩慢關(guān)閉，氣體流動(dòng)時(shí)受到的阻力變大，使氣囊內(nèi)氣壓對(duì)人手的反饋力與機(jī)械爪的接觸力平衡；同理，當(dāng)操作人員松開氣囊時(shí)，氣體流動(dòng)時(shí)受到的阻力變小，氣囊內(nèi)氣壓下降，蝶閥應(yīng)重新打開，同時(shí)機(jī)械爪放開物體。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和功效在于：操作者抓握手控器的氣囊，控制機(jī)械爪關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)簡單的抓取任務(wù)，同時(shí)手控器通過氣囊向操作者反饋力作用，反饋機(jī)械爪與目標(biāo)物體的接觸力。與現(xiàn)有的其他力覺接口設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，舒適安全等優(yōu)點(diǎn)，以此新型的手控器作為力覺接口和輸入設(shè)備的人機(jī)交互系統(tǒng)，將在虛擬裝配、機(jī)器人控制、游戲娛樂等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是氣囊式力反饋手控器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是手控器系統(tǒng)電路示意圖。

圖1中具體標(biāo)號(hào)如下：1是氣囊；2是氣壓傳感器；3是整流柵格；4是雙向氣體流量計(jì)；5是蝶閥閥門；6是電動(dòng)蝶閥的電機(jī)；7是導(dǎo)氣管；8是手控器機(jī)箱的通氣孔；9是手控器機(jī)箱。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖1。其內(nèi)部核心部分包括一個(gè)普通人可抓握的氣囊、導(dǎo)氣管道、氣壓傳感器、雙向流量計(jì)、電控蝶閥。1為橡膠材質(zhì)的氣囊，露在手控箱機(jī)箱9的外部；7為氣囊下連通的導(dǎo)氣管，橫截面為圓形，粗細(xì)均勻，內(nèi)壁光滑，隱藏在手控箱的內(nèi)部，氣囊通過導(dǎo)氣管道與外界大氣相通。氣壓傳感器、流量計(jì)和蝶閥依次安裝在導(dǎo)氣管道上，氣壓傳感器2安裝在氣囊內(nèi)部末端，敏感區(qū)域正面朝上，整體占管道截面積十分之一，測(cè)量氣囊內(nèi)部氣體壓強(qiáng)；整流柵格3安裝在導(dǎo)氣管中氣體流量計(jì)4的上方和下方，整流柵格選用窩蜂芯板整流網(wǎng)，調(diào)整導(dǎo)氣管斷面風(fēng)速的梯度和方向，流量計(jì)處的風(fēng)速保持豎直方向；雙向氣體流量計(jì)選用Zephyr_ HAF系列中的長接口型，敏感區(qū)處于導(dǎo)氣管截面中央，測(cè)量從氣囊流出或流入的氣體的流量大小和流動(dòng)方向；蝶閥安裝在導(dǎo)氣管末尾處，閥瓣可以0-90度開合，調(diào)整導(dǎo)氣管出氣口為任意大小。

本發(fā)明的系統(tǒng)電路示意見圖2。手控器機(jī)箱內(nèi)有一個(gè)單片機(jī)，單片機(jī)采集氣壓傳感器、流量計(jì)和機(jī)械爪上力傳感器的數(shù)據(jù)，控制蝶閥和機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械爪和蝶閥均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。遠(yuǎn)程機(jī)械爪的傳感器和電機(jī)均不在手控箱內(nèi)部。傳感器和流量計(jì)的輸出的模擬量經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，輸入單片機(jī)IO口。信號(hào)調(diào)理包括采樣保持、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)雙向流量計(jì)測(cè)量得到的從氣囊流出或流入的氣體流量大小和流動(dòng)方向，獲取操作人員手部的動(dòng)作信息從而控制機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)流量大小可以獲取氣體的流動(dòng)速度，控制機(jī)械爪的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速率，根據(jù)流動(dòng)方向可以控制機(jī)械爪的關(guān)節(jié)收攏或者放松。氣壓傳感器測(cè)量氣囊內(nèi)氣體壓強(qiáng)，單片機(jī)從而計(jì)算出氣囊對(duì)人手的平均反作用力，與機(jī)械爪上力傳感器測(cè)量得到的接觸力數(shù)值比較，當(dāng)導(dǎo)氣管的出氣口大小變化時(shí)，氣體流通受到的阻力會(huì)發(fā)生變化，氣囊內(nèi)平均氣壓會(huì)變化，因此單片機(jī)通過蝶閥控制出氣口的大小，調(diào)整氣囊對(duì)人手的反作用力，實(shí)現(xiàn)柔性握力反饋。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪動(dòng)作控制的具體實(shí)施方式是，操作人員用手握住氣囊，當(dāng)手掌握緊并擠壓氣囊時(shí)，氣囊中的空氣流入導(dǎo)氣管；當(dāng)手掌放松張開，氣囊恢復(fù)原形狀，空氣通過導(dǎo)氣管流回氣囊中，導(dǎo)氣管中的雙向流量計(jì)測(cè)量氣流的流量和方向。當(dāng)手掌握緊并擠壓氣囊時(shí)，氣體從氣囊中通過導(dǎo)氣管流向外部，氣體方向?yàn)檎?，流量?jì)的模擬輸出電壓為正值，同時(shí)測(cè)量出此時(shí)導(dǎo)氣管的氣體流量，單片機(jī)采集、轉(zhuǎn)換、分析流量計(jì)數(shù)據(jù)，控制機(jī)械爪收攏，抓取目標(biāo)物體，機(jī)械爪關(guān)節(jié)的平均線速度與導(dǎo)氣管中氣流速度成正比；同理，當(dāng)手掌放松張開時(shí)，氣體從外部通過導(dǎo)氣管流回氣囊中，氣體方向?yàn)樨?fù)，流量計(jì)的模擬輸出電壓為負(fù)值，單片機(jī)控制機(jī)械爪張開，放開目標(biāo)物體，機(jī)械爪關(guān)節(jié)的平均線速度與導(dǎo)氣管中氣流速度成正比。

氣流速度與流量的關(guān)系是：Q=S*v，其中Q是單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面的氣體量，S為流量計(jì)敏感區(qū)處管道截面積，v為流量計(jì)敏感區(qū)處的風(fēng)速。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)力反饋的具體實(shí)施方式是，操作人員用手握住氣囊開始控制機(jī)械爪抓取物體，當(dāng)機(jī)械爪碰到物體時(shí)，力傳感器的值增加，蝶閥應(yīng)緩慢關(guān)閉，氣體流動(dòng)時(shí)受到的阻力變大，使氣囊內(nèi)氣壓對(duì)人手的反饋力與機(jī)械爪的接觸力平衡；同理，當(dāng)操作人員松開氣囊時(shí)，氣體流動(dòng)時(shí)受到的阻力變小，氣囊內(nèi)氣壓下降，蝶閥應(yīng)重新打開，同時(shí)機(jī)械爪放開物體。

單片機(jī)建立兩個(gè)線程，第一個(gè)線程運(yùn)行機(jī)械爪動(dòng)作控制程序，第二個(gè)線程運(yùn)行力反饋程序。

力反饋程序中，首先單片機(jī)獲取機(jī)械爪的力傳感器的值F₁，若F₁不為零，單片機(jī)采集氣囊的氣壓數(shù)值P并計(jì)算氣囊內(nèi)氣體對(duì)氣囊壁的平均作用力F₂，F(xiàn)₂=P*S，S為氣囊內(nèi)表面面積。當(dāng)操作人員的手對(duì)氣囊施加力作用時(shí)，取某一瞬間，手靜止，忽略氣囊材料的張力，氣壓作用在氣囊上的力的法向分量與手作用在氣囊表面的力的法向分量平衡，根據(jù)作用力與反作用力定理，人手作用在氣囊上的力與氣囊作用在手上的力大小相等，因此將F₂作為反饋力的近似計(jì)算值，可以通過實(shí)驗(yàn)得到修正比例系數(shù)，進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性。

單片機(jī)比較F₁值與F₂值，如果F₁等于F₂，說明反饋力與機(jī)械手接觸力平衡，程序返回第一步；如果F₁小于F₂，說明反饋力過大，單片機(jī)打開蝶閥，增大導(dǎo)氣管進(jìn)氣口，允許更多氣體進(jìn)入氣囊，減小氣壓；如果F₁大于F₂，說明反饋力不足，單片機(jī)進(jìn)一步判斷導(dǎo)氣管中氣體流向，如果氣體流向?yàn)檎怏w流出導(dǎo)氣管），操作人員正在操控機(jī)械手抓取物體，則此時(shí)應(yīng)該縮小出氣口，增加氣體流通的阻力，增加氣囊內(nèi)氣壓，增加力反饋；如果氣體流向?yàn)樨?fù)或者不流通，表明操作人員正在操控機(jī)械手松開物體，此時(shí)應(yīng)該增大進(jìn)氣口，當(dāng)操作人員擠壓氣囊后松開它時(shí)，氣囊使用彈性材料，有恢復(fù)原狀的趨勢(shì)，內(nèi)部氣壓變小，如果氣體不流通表明蝶閥已完全關(guān)閉，則此時(shí)應(yīng)該增大進(jìn)氣口，允許更多氣體進(jìn)入氣囊。