[发明专利]重力反馈补偿方法

说明书

本发明涉及虚拟现实的技术领域，公开了重力反馈补偿方法，包括以下步骤：在固定平台的中心点设有世界坐标系{O}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{O′}；并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算被动杆上的力与分配到主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算电机的输入电流。本发明中的重力反馈补偿方法采用牛顿‑欧拉法分析力反馈设备机构中各杆件上的受力以及各关节上的力矩，从而建立了力反馈设备在运动空间内任意位置与姿态下设备自重与电机力矩之间的关系，使力反馈设备达到动态平衡的状态，以提高力反馈设备的透明度。

技术领域

本发明涉及虚拟技术的技术领域，尤其涉及重力反馈补偿方法。

背景技术

虚拟现实(VR)技术是一种通过一系列输入输出设备在计算机中所构建得一个模拟现实的虚拟环境，用户能够通过输入设备在虚拟环境中进行漫游并与虚拟环境中的对象进行交互；而输出设备能够把虚拟环境中的视听触等五官感觉反馈给用户，使用户达到一种身临其境的沉浸式体验。

力/触觉交互是基于人体唯一一种具有双向信息交流通道的交互方式，因此力反馈设备是虚拟现实力/触觉交互中一种重要的交互工具。优秀的力反馈设备必须具备高透明度、高刚度、高控制带宽、低惯量、低摩擦等特征，其中透明度即与虚拟现实环境进行交互时，用户对力反馈设备存在的感知度。在虚拟现实交互过程中，越高透明的力反馈设备越能够让用户难以感觉到力反馈设备的存在，身临其境的体验越佳。在影响力反馈设备透明度的因素中，一个主要因素来源于设备的自重，因此，对力反馈设备进行重力补偿是提高其透明度的关键方法。

在现有技术中，常用的重力补偿方法有被动重力补偿和主动重力补偿。被动重力补偿即通过使用配重块、弹簧等储能器件抵消设备自重在关节上产生的力矩。主动重力补偿即通过电机输出反向力矩，以平衡设备自重在关节上产生的力矩，使设备达到平衡状态。

在被动重力补偿方法中，以配重块来平衡设备自重的方法能减轻设备自重对操作者的影响，但增加了设备惯量，降低了设备的动态性能，且配重块的重量是恒定的，不可能对处于任何位姿的力反馈实现完全重力补偿。而弹簧补偿重力的方法，其优点是弹簧质量轻便，基本不上会增加力反馈设备的重量与惯量，从而影响力反馈设备的操作性能。但是弹簧重力补偿的几种方法中，都存在一定的缺点。专利号201610015837.2的专利提出的一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，其设计的重力补偿机械只采用了简单弹簧，但无论弹簧安装位置、弹簧自由长度、弹簧刚度怎么优化，在实际工程中，都是用线性弹簧代替非线性弹簧，因此不可能在力反馈设备工作空间任何位置都实现完全的重力补偿，并且弹簧很容易与力反馈设备机构产生干涉，进一步限制了力反馈设备的工作空间。专利号201610028353.1的专利提出一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，其除了加入弹簧外，还采用了定滑轮和钢丝绳，把弹簧和定滑轮安装在固定平台上，钢丝绳一端与弹簧连接，另一端绕过钢丝绳后与力反馈设备减速机构从动轮连接。这一方法消除了弹簧与力反馈设备机构的干涉，但在实际工程中，由于定滑轮半径和滑轮的固定位置长度不可能为零，所以理论上的可以完全实现重力补偿在实际工程中仍然会产生补偿偏差。专利号201711049846.4的专利提出一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，在机械臂末端关节端安装盘形凸轮，钢丝绳一端固定在盘形凸轮边缘上，另一端与拉簧连接，实现过程为凸轮带动弹簧变形从而随着机构的运动，弹簧拉力发生相应的改变，将机械臂的重力势能转化为弹簧势能，该方法能够实现较大范围的完全重力补偿。但当力反馈设备在快速运动时，连接凸轮和弹簧的钢丝绳不会一直保持在同一平面，这就造成了弹簧和钢丝绳产生拉伸间隙，引入时延量，容易导致弹簧和钢丝绳滑落，也会降低力反馈系统的稳定性。

在主动补偿中，现有力反馈设备常基于能量守恒的角度，采用虚位移的方法建立重力补偿模型，但该方法计算的补偿力矩值在并联机构(Delta机构)的运动空间内某些位置内容易产生突变，导致重力补偿失效。

发明内容