[发明专利]一种具有力觉临场感的2-DOF机器人遥操作装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种主-从机器人遥操作技术，具体为一种具有力觉临场感的2-DOF机器人遥操作装置，尤其适用于高温、高压、强辐射等极限作业环境的遥操纵机器人作业和虚拟现实系统中的人机交互和操纵。

背景技术

机器人遥操作技术在空间探索、海洋开发、原子能应用、军事、抢险救助、远程医疗、宏微操作等领域具有非常广泛而重要的用途，目前已经有较多的应用实例。为了缩小遥操作与现场直接操作品质的差距，进一步提高遥操作的作业效率和质量，不仅需要为操作者提供清晰的视觉信息，而且还需要为其提供作业反力大小及运动干涉等信息，因此，研究开发具有力觉临场感的机器人遥操作装置具有非常重要的理论与现实意义。实现力觉临场感的遥操作装置是机器人遥操作技术中对各种感官再现的一个重要组成部分，用于再现人对于未知环境中力觉的感知。

在实际操作过程中，基于力觉临场感技术的主-从式机器人遥操作系统可以很大程度上提高从端机器人的作业能力。一般说来，只有增加力觉的反馈，实现了力觉的模拟，人机交互才能更加真实、自然。

机器人力觉临场感系统要解决的实质问题主要包括两个方面，一是将操作者手部的位置和姿态信息实时准确地传送给远端机器人；二是将从机器人与环境的相互作用力/力矩信息反馈给操作者，从而更加准确高效的完成特定任务（特别是让机器人代替人从事极限环境作业的工作）。近年来，在主-从遥操作机器人系统中，有多种类型的力觉反馈交互装置被研究开发出来。操控手感的流畅真实与反馈力大小的准确稳定，已成为力觉临场感设备追求的更高目标，操作人员操作的顺滑流畅感与装置所采用的特定结构密切相关，反馈力效果的真实准确性则受控制系统的直接影响。

传统的遥操作装置一般都能够较为准确地对远程机械手的抓取等动作进行控制，但不具有力反馈功能。先进的力反馈遥操作装置大多采用国外设备厂商自制的控制系统，例如罗技、微软等知名厂商生产的专用力反馈操作装置。这些国外厂家生产的设备或价格昂贵，或存在诸多不符合真实工程应用的因素，无法满足国内工程实际中的特定需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种具有力觉临场感的2-DOF机器人遥操作装置。该遥操作装置遵循模块化设计思想，采用模块化设计，系统集成度高，功能多，并具有简便的机械接口和通讯接口，可与各种类型的机器人组合，实现力觉临场感功能，不但操作手感顺滑，而且能够提供准确的力觉反馈。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种具有力觉临场感的2-DOF机器人遥操作装置，其特征在于该遥操作装置主要包括箱体、操作手柄、支撑结构、液晶显示模块、控制面板、直流电机、集成电路板和角位移传感器；所述箱体除了上板之外，其它各面均完整、密封，箱体上板上安装有液晶显示模块和控制面板，并有一个用于安装操作手柄的孔；所述操作手柄包括小弯轴、上滑槽、大弯轴、下滑槽、手柄轴、轴上球体、紧固盖、方形定位块和手柄开关按钮；手柄开关按钮位于手柄轴的顶端；所述支撑结构包括大弯轴电机支架、小弯轴电机支架、小弯轴支撑板、大弯轴支撑板和支撑球壳；所述支撑结构位于箱体内部，小弯轴支撑板和大弯轴支撑板各两个，在箱体内呈四边形排列，四边形对边为相同类型的支撑板，弯轴电机支架位于相应弯轴支撑板上，两个直流电机分别位于两个弯轴电机支架上，支撑球壳位于箱体上板的内侧；所述支撑球壳为拥有轴上球体最大直径且上下通透的不完整空球壳；小弯轴两端的轴柄、分别安装在支撑结构中的两块小弯轴支撑板上的轴孔中，大弯轴两端的轴柄、分别安装在支撑结构中的两块大弯轴支撑板的轴孔中，两弯轴各自两端的轴柄连线呈垂直相交状态，交点位于手柄轴的中心线上；每个弯轴两端的轴柄，一端轴柄上安装有角位移传感器，另一端轴柄下方安装有直流电机；所述两个直流电机分别位于大弯轴和小弯轴上的大弯轴电机支架和小弯轴电机支架上；所述直流电机转动的角度分别由安装在同一根弯轴轴柄的另一端的角位移传感器检测；支撑球壳套在手柄轴上并对手柄轴起到支撑作用，轴上球体与支撑球壳之间以类似于球副形式的方式连接；

所述手柄轴与小弯轴及大弯轴的三轴线成空间互相垂直相交，交点为轴上球体的球心与小弯轴、大弯轴半圆环体的圆心的三点重合处，手柄轴底端安装方形定位块；只有在操作手柄不工作时三轴线成空间互相垂直相交，操作手柄工作后三轴线成空间相交，小弯轴与大弯轴两轴线始终垂直相交；小弯轴与大弯轴的半圆环体上加工有圆环形滑槽，操作手柄摆动时，手柄轴的下端可以在圆环形滑槽内滑动；