[发明专利]一种具有力反馈的主从式控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种力觉和视觉反馈技术领域，尤其是涉及一种具有力反馈的主从式控制系统。

背景技术

近年来，具有力反馈的虚拟现实技术得到了快速的发展。该技术改变了以往仅仅基于视觉、听觉和利用鼠标键盘等传统的二维人机交互技术，为用户提供了一种更加贴近真实生活环境的人机交互界面。

在军事领域，通过利用3D模型、力反馈、位置跟踪以及其他视听设备，虚拟现实技术可以帮助士兵模拟各种各样的战场环境，可以以非常低的成本和最小的危险来不断的重复同一个军事训练项目，实现低成本、高效率的完成军事人员的职业训练。在医学领域，通过建立逼真的人体器官模型和作用力反馈模型，外科医生可以通过高度逼真的手术模拟系统进行重复的手术操作训练，达到最佳的医学训练效果并有效地缩短训练周期。

然而，当前从商业上可获取的基于虚拟现实的力反馈设备(如美国SensAble公司的PHANTOM系列力反馈交换设备)主要都是为通用目的而设计的，且价格非常昂贵。此外，此类设备的底层控制系统已经被完全封闭，不能满足用户对虚拟现实力反馈系统的个性化要求。更甚者，这类力反馈交互设备具有较多的自由度、复杂的控制系统和虚拟现实函数库，用户需要花费大量时间学习该设备的控制方法、虚拟模型建立方法等，难以快速满足用户设计要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、实施方便、体验感强的具有力反馈的主从式控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有力反馈的主从式控制系统，其特征在于，包括依次连接的视觉显示单元、控制器单元和手动触觉设备；

所述的视觉显示单元包括相互连接的虚拟机械臂模型和虚拟环境模型，所述的控制器单元包括主控制器以及分别与主控制器连接的DA板卡和计数器板卡，所述的手动触觉设备包括直流电机、电机驱动器、旋转手柄和编码器，所述的编码器安装在直流电机上，并与计数器板卡连接，所述的旋转手柄与直流电机的电机轴连接，所述的DA板卡通过电机驱动器与直流电机连接；

用户通过旋转旋转手柄，带动直流电机的电机轴发生旋转运动，并通过编码器记录，所述主控制器通过读取计数器板卡上的脉冲信号，来确定用户操作手动触觉设备的输入位移量，并计算出虚拟机械臂模型运动的位移量；

同时，主控制器根据虚拟机械臂模型与虚拟环境模型的接触位移量以及设计好的刚度值，计算出接触力大小，并通过DA板卡将作用力信号转变为输送给电机驱动器的电压值，经过电机驱动器变换后，最终将驱动电流值输送给直流电机，实现电机轴旋转，并带动旋转手柄实现与操作者反方向的旋转运动，使得操作者感觉到虚拟作用力。

所述的虚拟机械臂模型为一自由度虚拟机械臂模型，可以将旋转轴的旋转运动转变为机械臂的直线往复运动。

所述的一自由度虚拟机械臂模型为圆柱体，所述的虚拟环境模型为中空型圆柱体，该圆柱体表面具有弹性。

通过主控制器移动虚拟机械臂模型，使得虚拟机械臂模型与环境模型表面接触，所述的虚拟机械臂模型末端与环境模型的表面接触位置为虚拟机械臂模型末端起始位置，通过主控制器传递的反馈力判断虚拟机械臂模型末端和虚拟环境模型是否接触。

机械臂的往复运动可以实现机械臂的末端与圆柱体表面相接触而产生相应作用力；通过主控制器操作虚拟机械臂模型开始与虚拟环境模型的碰撞运动，虚拟机械臂模型的末端从起始位置移动到虚拟环境模型内的机械臂末端目标位置。

所述的接触力大小通过接触力反馈仿真模型计算得到，该接触力反馈仿真模型具体如下：

f_feedback＝(x_end-x_start)×k_stiffness

式中参数x_end为机械臂末端终点位置，x_start为机械臂末端起点位置，k_stiffness为用户设置的环境体刚度。

控制器单元中的DA板卡和计数器板卡分别实现对直流电机发送驱动电流和对电机末端编码器输出位置量进行采集功能，触觉设备的核心是一台直流电机，该直流电机将虚拟机械臂与虚拟环境接触力转变成施加于操作者人手上的作用力信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)结构简单：相比较于商业上可购得的虚拟现实力反馈系统，该系统具有结构简单，力反馈系统各个部分容易获取，力反馈装置容易加工制造。