CN107643143A - 一种龙门式力反馈设备输出力测量平台及输出力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种龙门式力反馈设备输出力测量平台，包括底座、平行设置在所述底座上的两滑轨、通过滑块横跨设置在所述两滑轨之间的底板、竖直平行地固定设置在所述底板两端的两竖直圆杆、两端与两竖直圆杆滑动连接并通过拧紧夹持装置锁紧的水平连杆，水平连杆通过两个拧紧夹持装置与竖直圆杆固定，拧紧后的摩擦力保证了水平连杆不会发生滑移，所述的水平连杆上连接设置有连接三维力传感器的传感器连接机构，所述底座和底板之间连接设置有用于驱动底板沿所述滑轨来回移动的螺纹丝杠传动机构。本发明还公开了一种力反馈设备输出力补偿方法。本发明设计严密，具有结构精简，操作简单，精度较高等优点；输出力补偿方法可靠、有效。

Description

一种龙门式力反馈设备输出力测量平台及输出力补偿方法

技术领域

本发明涉及力反馈系统领域，尤其涉及一种龙门式力反馈设备输出力测量平台及基于多元函数拟合输出力补偿方法。

背景技术

虚拟现实技术，通常是指通过立体显示设备、数据手套、机械臂等人机交互设备与计算机连接而构造出的一种与人体视觉、听觉、触/力觉等感官类似的虚拟环境，在其中用户可以通过各种输入设备向计算机输入各种命令，从而计算机能向用户反馈在视觉、听觉以及触/力觉等多种感官上的信息，让用户获得逼真度极高的多种感官上体验的人机界面技术，使用户有身临其境的感受。力反馈交互设备是虚拟现实技术中一种重要的硬件设备，其本质是一种全新的输入输出设备，将是当今以及未来的研究热点。力反馈设备与其他感官比如听觉、视觉、嗅觉的不同之处在于，其他感官的信息只能单向传递，而力/触觉的感官信息可以在人体与虚拟环境之间双向传递，力反馈设备便起着这样一种传递信息的作用。虽然力反馈设备能够将虚拟世界的力传递给用户，但是目前对于力反馈设备的实际输出力，并没有针对其准确性的相关研究，这导致了大多数时候力反馈设备的输出力并不准确。为了力反馈设备能够得到改进，就必须设计出一款能够测量输出力的力觉测量平台及相应的测量方案，并对实验数据进行处理获得输出力补偿模型，，从而对力反馈设备的实际输出力加以校准，只有当力反馈设备的输出力能够保证一定的精准性后，才能应用于医学、航空航天等专业性较强的领域。

目前国内外已经有不少高校和研究所在从事力反馈设备的研究开发工作，但针对力反馈设备而研发的输出力测量系统则尚未出现。

发明内容

本发明的目的是针对现有力反馈设备输出力测量技术的空缺，提供一种结构精简、操作简单、精度较高的三自由度测量平台，同时提出了一种根据实际测量数据获得符合输出力变化规律的拟合函数，并应用于力反馈设备实现对执行末端反馈力的补偿。

本发明所采用的技术方案是：

一种龙门式力反馈设备输出力测量平台，包括底座、平行设置在所述底座上的两滑轨、通过滑块横跨设置在所述两滑轨之间的底板、竖直平行地固定设置在所述底板两端的两竖直圆杆、两端与两竖直圆杆滑动连接并通过拧紧夹持装置锁紧的水平连杆，水平连杆通过两个拧紧夹持装置与竖直圆杆固定，拧紧后的摩擦力保证了水平连杆不会发生滑移，所述的水平连杆上连接设置有连接三维力传感器的传感器连接机构，所述底座和底板之间连接设置有用于驱动底板沿所述滑轨来回移动的螺纹丝杠传动机构。

进一步地，所述的竖直圆杆底端通过卧式支架及螺栓竖直固定在所述底板两端。

进一步地，所述的传感器连接机构包括连接器、设置有小孔的连接片、铅锤，所述连接器通过螺丝与螺母之间的拧紧与水平连杆滑动连接；所述连接片通过螺钉竖直固定在连接器上，所述铅锤通过细绳系在连接片顶部凸起的铅锤悬系端处，同时穿过所述小孔后自然垂下。水平连杆的水平度依靠铅锤进行判断。

进一步地，所述的螺纹丝杠传动机构包括旋转手柄、固定轴承、连接件、螺纹丝杠、驱动螺母，所述驱动螺母固定在底板中部，所述的连接件轴向定位地转动设置在所述固定轴承上，其一端与旋转手柄固定连接，另一端与螺纹丝杠固定连接，所述螺纹丝杠与所述驱动螺母螺纹连接。

进一步地，所述的驱动螺母包括直角形固定件、凸字形铁板螺母，所述铁板螺母通过螺栓固定在固定件上，所述固定件通过螺栓固定在底板中部。

一种基于所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的力反馈设备输出力补偿方法，所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的三维力传感器与力反馈设备的执行末端扩展连接，包括以下步骤：

(1)根据力反馈设备运动范围及输出力范围因素，制订相应数据测量方案；

(2)校验审核所得数据，根据数据画出图表以初步推断拟合函数形式；

(3)对于三维力传感器所检测的三个方向的实测输出力，根据自变量之间的不同相关情况，列举若干拟合函数假想表达式；

(4)分别利用MATLAB进行函数拟合，拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式；

(5)依据所得拟合函数式，通过对三个方向输出力的函数表达式进行联立计算,代入期望输出力值及空间坐标值，求解出力反馈设备理论输出力值；

(6)根据计算结果，对力反馈设备的输出力进行补偿校准。

进一步地，步骤(4)中，所述拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式的步骤之后，还包括对拟合出的函数表达式进行置信度检验，选取置信度最高的函数表达式的步骤。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

1、本发明为实现与力反馈设备执行末端的扩展配合，自主设计了具有三个自由度平动的测量平台，可以满足目前市场上的大部分力反馈设备输出力的测量需求。它具有运动空间大，定位精度较高，结构精简，操作简单等优点；

2、利用滑轨辅助位移和利用拧紧夹持装置来固定位置等设计，简化了操作，减少了操作时的移动阻力，节约了时间和人力成本，同时也能够保证了测量数据的精度；

3、能够计算出设备理论输出力与坐标及实际输出力之间的函数关系式，并应用到设备控制程序中，对力反馈设备的输出力进行补偿，使其能够准确的输出所需的力值。

附图说明

图1是本发明实施例的一种龙门式力反馈设备输出力测量平台的总体示意图。

图2是所述螺纹丝杆传动机构的旋转手柄、固定轴承、连接件的装配示意图。

图3是所述螺纹丝杆传动机构的固定件、铁板螺母装配示意图。

图4是所述传感器连接机构各个具体装配示意图。

图中：1.底座；2.滑轨；3.底板；4.竖直圆杆；5.螺纹丝杠传动机构；5-1.旋转手柄；5-2.固定轴承；5-3.连接件；5-4.螺纹丝杠；5-5.固定件 5-6.铁板螺母；6.水平连杆； 7.传感器连接机构；7-1.连接器；7-2.连接片；7-3.铅锤悬系端；7-4.连接孔；8.卧式支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种龙门式力反馈设备输出力测量平台，可与力反馈设备扩展连接、具有三个自由度的空间平动及可在工作空间任意位置锁定的测量平台，具体包括底座1、平行设置在所述底座上的两滑轨、通过滑块横跨设置在所述两滑轨之间的底板3、通过卧式支架8及螺栓竖直平行地固定设置在所述底板3两端的两竖直圆杆4、两端与两竖直圆杆4滑动连接并通过拧紧夹持装置锁紧的水平连杆6，水平连杆6与竖直圆杆4间的相对移动即可产生竖直方向的位移，同时，水平连杆通过两个拧紧夹持装置与竖直圆杆固定，拧紧后的摩擦力保证了水平连杆不会发生滑移，所述的水平连杆6上连接设置有连接三维力传感器的传感器连接机构7，所述底座1和底板3之间连接设置有用于驱动底板3沿所述滑轨来回移动的螺纹丝杠传动机构5。

所述底座1通过两根高精度的滑轨2相互固定，形成一个合乎规格的矩形；滑轨2配套的滑块与底板3固定,使得底板3的运动更加轻便；

如图4所示，所述的传感器连接机构7包括连接器7-1、设置有小孔的连接片7-2、铅锤，所述连接器7-1通过螺丝与螺母之间的拧紧与水平连杆滑动连接，；所述连接片7-2通过螺钉竖直固定在连接器上，所述铅锤通过细绳系在连接片7-2顶部凸起的铅锤悬系端处，同时穿过所述小孔后自然垂下。水平连杆的水平度依靠铅锤进行判断。所述水平连杆6从连接器7-1通孔中穿过并在连接器7-1预留的通孔中移动，产生水平方向的位移。

如图2和图3所示，所述的螺纹丝杠传动机构5包括旋转手柄5-1、固定轴承5-2、连接件5-3、螺纹丝杠5-4、驱动螺母，所述驱动螺母固定在底板3中部，所述的连接件5-3轴向定位地转动设置在所述固定轴承5-2上，其一端与旋转手柄5-1固定连接，另一端与螺纹丝杠5-4固定连接，所述螺纹丝杠5-4与所述驱动螺母螺纹连接。

所述的驱动螺母包括直角形固定件5-5、凸字形铁板螺母5-6，所述铁板螺母5-6通过螺栓固定在固定件5-5上，所述固定件5-5通过螺栓固定在底板3中部。

一种基于所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的力反馈设备输出力补偿方法，所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的三维力传感器与力反馈设备的执行末端扩展连接，包括以下步骤：

(1)根据力反馈设备运动范围及输出力范围因素，制订相应数据测量方案；

(2)校验审核所得数据，根据数据画出图表以初步推断拟合函数形式；

(3)对于三维力传感器所检测的三个方向的实测输出力，根据自变量之间的不同相关情况，列举若干拟合函数假想表达式；

(4)分别利用MATLAB进行函数拟合，拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式；

(5)依据所得拟合函数式，通过对三个方向输出力的函数表达式进行联立计算,代入期望输出力值及空间坐标值，求解出力反馈设备理论输出力值；

(6)根据计算结果，对力反馈设备的输出力进行补偿校准, 使其趋近理论值。

步骤(4)中，所述拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式的步骤之后，还包括对拟合出的函数表达式进行置信度检验，选取置信度最高的函数表达式的步骤。

本实施例在空间不同位置及不同理论输出力的情况下，测量设备实际的输出力。对所得的测量数据筛选并处理后，将三个方向的输出力分别加以计算。每个方向的理论输出力都有可能对实际输出力产生影响，通过对每种可能性分别进行分析和计算，选取误差最小的函数拟合模型，拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式。三个方向的输出力都计算出拟合函数，构建方程组，代入设备实际输出力值和位置，从而求解出设备理论输出力，在设备控制程序中应用该补偿模型，从而实现对力反馈设备输出力的补偿。

本发明的目的是针对现有力反馈设备输出力测量技术的空缺，提供一种结构精简，操作简单，精度较高的三自由度测力平台；并根据实验数据，经过多元函数拟合获得反馈力补偿模型，实现对力反馈设备输出力进行补偿。其工作原理是：

1、依靠传动机构、夹持装置等，利用测量平台获得设备工作空间中不同位置的实际输出力数据并加以统计；

2、拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式。通过对三个方向输出力的函数表达式进行联立计算，代入相关参数值，求解相对应的设备理论输出力值。将该补偿模型应用于力反馈设备控制程序中，实现对力反馈设备输出力进行补偿；

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动而不脱离本发明的设计范围。倘若这些改动属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种龙门式力反馈设备输出力测量平台，其特征在于：包括底座1、平行设置在所述底座上的两滑轨、通过滑块横跨设置在所述两滑轨之间的底板(3)、竖直平行地固定设置在所述底板(3)两端的两竖直圆杆(4)、两端与两竖直圆杆(4)滑动连接并通过拧紧夹持装置锁紧的水平连杆(6)，所述的水平连杆(6)上连接设置有连接三维力传感器的传感器连接机构(7)，所述底座(1)和底板(3)之间连接设置有用于驱动底板(3)沿所述滑轨来回移动的螺纹丝杠传动机构(5)。

2.根据权利要求1所述的龙门式力反馈设备输出力测量平台，其特征在于：所述的竖直圆杆(4)底端通过卧式支架(8)及螺栓竖直固定在所述底板(3)两端。

3.根据权利要求1所述的龙门式力反馈设备输出力测量平台，其特征在于：所述的传感器连接机构(7)包括连接器(7-1)、设置有小孔的连接片(7-2)、铅锤，所述连接器(7-1)通过螺丝与螺母之间的拧紧与水平连杆滑动连接；所述连接片(7-2)通过螺钉竖直固定在连接器上，所述铅锤通过细绳系在连接片(7-2)顶部凸起的铅锤悬系端处，同时穿过所述小孔后自然垂下。

4.根据权利要求1所述的龙门式力反馈设备输出力测量平台，其特征在于：所述的螺纹丝杠传动机构(5)包括旋转手柄(5-1)、固定轴承(5-2)、连接件(5-3)、螺纹丝杠(5-4)、驱动螺母，所述驱动螺母固定在底板(3)中部，所述的连接件(5-3)轴向定位地转动设置在所述固定轴承(5-2)上，其一端与旋转手柄(5-1)固定连接，另一端与螺纹丝杠(5-4)固定连接，所述螺纹丝杠(5-4)与所述驱动螺母螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的龙门式力反馈设备输出力测量平台，其特征在于：所述的驱动螺母包括直角形固定件(5-5)、凸字形铁板螺母(5-6)，所述铁板螺母(5-6)通过螺栓固定在固定件(5-5)上，所述固定件(5-5)通过螺栓固定在底板(3)中部。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的力反馈设备输出力补偿方法，所述龙门式力反馈设备输出力测量平台的三维力传感器与力反馈设备的执行末端扩展连接，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据力反馈设备运动范围及输出力范围因素，制订相应数据测量方案；

(2)校验审核所得数据，根据数据画出图表以初步推断拟合函数形式；

(3)对于三维力传感器所检测的三个方向的实测输出力，根据自变量之间的不同相关情况，列举若干拟合函数假想表达式；

(4)分别利用MATLAB进行函数拟合，拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式；

(5)依据所得拟合函数式，通过对三个方向输出力的函数表达式进行联立计算,代入期望输出力值及空间坐标值，求解出力反馈设备理论输出力值；

(6)根据计算结果，对力反馈设备的输出力进行补偿校准。

7.根据权利要求6所述的力反馈设备输出力补偿方法，其特征在于，步骤(4)中，所述拟合出实际输出力与坐标及设备理论输出力之间的函数表达式的步骤之后，还包括对拟合出的函数表达式进行置信度检验，选取置信度最高的函数表达式的步骤。