CN110142759B - 一种轮式止动的力反馈控制方法、装置和可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮式止动的反馈控制方法、装置和可穿戴设备，属于智能操作技术领域，实现精细化遥控动作；操纵端通过力反馈装置采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时所述动作执行装置感应的接触压力；根据操纵压力、接触压力大小以及相互关系，使用轮式止动机构，控制力反馈装置跟随操纵动作运动或停止跟随操纵动作运动。本发明实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升。

Description

一种轮式止动的力反馈控制方法、装置和可穿戴设备

技术领域

本发明涉及智能操作技术领域，尤其是一种轮式止动的反馈控制方法、装置和可穿戴设备。

背景技术

现有随动遥操作设备通常通过采集操作端关节角度参数，实现对遥控端关节运动的控制，但在执行一些精细微关节动作时，由于操作者无法及时感知执行端的受力情况，导致无法及时准确的发出正确的控制指令，造成执行端在进行精细动作时，容易发生破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的情况。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种轮式止动的反馈控制方法、装置和可穿戴设备，基于力反馈和轮式止动对精细化遥控动作进行控制，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供了一种轮式止动的力反馈控制方法，包括：

操纵端的力反馈装置跟随操纵动作运动，采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到操纵端的控制器；

操纵端的控制器将产生包含姿态、速度及加速度在内的信息发送到执行端，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时所述动作执行装置感应的接触压力；

所述控制器根据所述操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令到所述力反馈装置的轮式止动机构，解锁所述轮式止动机构，使力反馈装置跟随操纵动作运动，或锁止所述轮式止动机构，使力反馈装置停止跟随操纵动作运动。

进一步地，所述力反馈装置包括支撑座、随动杆和轮式止动机构；

所述支撑座与所述随动杆铰接；

所述随动杆上设置有姿态、速度、加速度以及压力传感器，感应因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息；

所述轮式止动机构包括止动轮、止动推杆和推动器；

所述推动器固定在所述支撑座上，并与所述止动推杆连接，用于在锁止指令的控制下，使止动推杆伸出；在解锁指令的控制下，使止动推杆收回；

所述止动推杆，在伸出时，锁止止动轮；在收回时，释放止动轮；

所述止动轮固定在所述随动杆上，当所述止动轮处于释放状态时，所述止动轮跟随所述随动杆的转动旋转；当处于锁止状态时，所述止动轮被所述止动推杆锁止，从而限制与其固定的随动杆随操纵动作转动。

进一步地，当所述控制器接收的操纵压力小于第一压力阈值或为0时，所述遥控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出卡锁所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作转动；

当所述控制器接收的操纵压力不小于第一压力阈值时，比较所述操纵压力与因操纵产生的、对应的接触压力大小；

如果操纵压力不大于接触压力，所述控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出锁止所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作运动；如果操纵压力增大，在超过所述接触压力后，仍持续增大，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作运动。

进一步地，所述随动杆上设置的压力传感器包括A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器；所述执行端与所述随动杆对应的动作杆上对应安装有A向接触压力传感器和B向接触压力传感器，A向为与所述操纵动作运动一致的方向，B向为与所述操纵动作运动相反的方向。

进一步地，当所述A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器的压力值都小于第二压力阈值时，所述控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出锁止所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作运动。

进一步地，当所述A向操纵压力传感器的压力值大于与之对应的A向接触压力传感器的压力值，且所述B向操纵压力传感器的压力值小于第三压力阈值或为0时，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作向A向运动；

当所述对应的A向接触压力传感器的压力值增加，直至等于所述A向操纵压力传感器的压力值时，所述控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出锁止所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作运动。

进一步地，当所述A向操纵压力传感器的压力值等于与之对应的A向接触压力传感器的压力值，且所述止动轮锁止时，如果所述A向操纵压力传感器的压力值持续增大，超过之对应的A向接触压力传感器的压力值，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作继续向A向运动。

进一步地，当所述A向操纵压力传感器的压力值等于与之对应的A向接触压力传感器的压力值，且所述止动轮锁止时，如果所述B向操纵压力传感器的压力值持续增大，且所述A向操纵压力传感器的压力值减小，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作向B向运动；

在向B向运动过程中，当所述对应的B向接触压力传感器的压力值增加，直至等于所述B向操纵压力传感器的压力值时，所述控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出锁止所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作运动。

另一方面，提供了一种轮式止动式的反馈控制装置，包括操纵端和执行端；

所述操纵端，实施如上述基于轮式止动的力反馈控制方法，操纵执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作。

另一方面，还提供了一种可穿戴遥控制设备，包括至少一个上述的轮式止动式的反馈控制装置。

本发明有益效果如下：

与现有技术相比，本发明根据操纵压力、接触压力的大小以及相互关系，将遥操纵机器的受力状况反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题；

采用的轮式止动机构，体积小、重量轻，反应机敏，与联动机构契合良好，控制效率高，具有很好的实用性和便捷性，提高了人机功效。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实施例一中的轮式止动的力反馈控制方法流程图；

图2为本实施例一、二中的力反馈装置组成连接示意图；

图3为本实施例一、二中的力反馈装置组成连接示意图；

图4为本实施例一、二中的动作执行装置组成连接示意图；

图5为本实施例一、二中的动作执行装置组成连接示意图；

图6为本实施例三中的驱动装置组成连接示意图；

图7为本实施例三中的被驱动的机器肢体组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一、

本实施例公开了一种轮式止动的力反馈控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101、操纵端的力反馈装置跟随操纵动作运动，采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到操纵端的控制器；

步骤S102、操纵端的控制器将产生包含姿态、速度及加速度在内的信息发送到执行端，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时感应的接触压力；

步骤S103、操纵端的控制器根据所述操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令到所述力反馈装置的轮式止动机构，解锁所述轮式止动机构，使力反馈装置跟随操纵动作运动，或锁止所述轮式止动机构，使力反馈装置停止跟随操纵动作运动。

优选的，本实施例中的力反馈装置，如图2所示，旋转图如图3所示，包括随动杆210、支撑座220和轮式止动机构230；

支撑座220与随动杆210铰接；使随动杆210能够跟随操纵动作围绕支撑座220转动；

随动杆210上设置有姿态、速度、加速度传感器，以及压力传感器，感应因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息；轮式止动机构230包括止动轮231、止动推杆232和推动器233；

推动器233固定在支撑座220上，并与所述止动推杆232连接，在锁止指令的控制下，推动器233使止动推杆232伸出；在解锁指令的控制下，推动器233使止动推杆232收回；

止动推杆232，在伸出时，锁止止动轮231；在收回时，释放止动轮231；

止动轮231固定在随动杆210上，当止动轮231处于释放状态时，止动轮231跟随所述随动杆210的转动而旋转；当处于锁止状态时，所述止动轮231被止动推杆232锁止，不能旋转，从而限制与其固定的随动杆210随操纵动作转动。

本实施例中执行端的动作执行装置，用于执行操纵端的操纵动作，并获取执行动作时感受到的外界作用力，如图4所示，旋转图如图5所示，包括动作杆310、旋转器320和支撑杆330；

动作杆310通过旋转器320与支撑杆330连接；

旋转器320通过接收信息带动动作杆310相对支撑杆330旋转；

具体的，旋转器接收的信息，为操纵端的控制器发送的、采集自随动杆210的包含姿态、速度及加速度在内的信息；

旋转器320根据以上信息，控制动作杆310产生与随动杆210相同的旋转动作。

特殊的，在动作杆310上安装有压力传感器，用来获取执行动作时感受到的外界作用力。

在力反馈控制过程中，当操纵端的控制器接收的随动杆231压力传感器采集的操纵压力小于设定的第一压力阈值或为0时，控制器输出锁止指令到推动器233，使止动推杆232伸出卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动；即，当操纵压力小于设定的压力阈值或为0时，认为操纵端无操纵动作，因此将随动杆210锁止，保持最后一个操纵动作的状态。

当所述控制器接收的随动杆231压力传感器采集的操纵压力不小于第一压力阈值时，则比较采集的操纵压力与反馈的因操纵产生的、对应的接触压力大小；

如果操纵压力不大于接触压力，控制器输出锁止指令到推动器233，使止动推杆232伸出卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动；如果操纵压力增大，在超过所述接触压力后，仍持续增大，控制器输出解锁指令到推动器233，使所述止动推杆232收回释放止动轮231，使随动杆231随操纵动作运动。

更优选的，随动杆210上安装有A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器；A向为与随动杆210的一个旋转方向一致，B向为与A向相反的旋转方向。

A向操纵压力传感器，用于感应随动杆210随操纵动作向A向运动时的操纵压力；

B向操纵压力传感器，用于感应随动杆210随操纵动作向B向运动时的操纵压力。

与随动杆210对应的动作杆310上安装有A向接触压力传感器和B向接触压力传感器；A向接触压力传感器与随动杆210的A向操纵压力传感器感应力的方向相同，B向接触压力传感器与随动杆210的B向操纵压力传感器感应力的方向相同。

A向接触压力传感器，用于感应动作杆310随操纵动作向A向运动时感受到的外界作用力；

B向接触压力传感器，用于感应动作杆310随操纵动作向B向运动时感受到的外界作用力。

在力反馈控制过程中，当随动杆210上的A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器的压力值都小于第二压力阈值时，控制器输出锁止指令到推动器233，使止动推杆232伸出卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动；即，认为在A向和B向上均无操纵动作，将随动杆210锁止，保持最后一个操纵动作的状态。

当操纵人员向A向操纵随动杆210时，随动杆210感应到A向上有操纵动作，并且对应的动作杆310在A向上未受到阻挡，随动杆210上的A向操纵压力传感器的压力值大于与之对应的动作杆310上的A向接触压力传感器的压力值，且随动杆210上的B向操纵压力传感器的压力值小于第三压力阈值或为0；此时控制器输出解锁指令到推动器233，使所述止动推杆232收回释放止动轮231，使随动杆231随操纵动作向A向运动，相应的执行端的动作杆310同样动作向A向运动；

当动作杆310按照操纵动作在A向上运动的过程中受到物体阻挡，动作杆310上的A向接触压力传感器的压力值增加，直至等于随动杆210上的A向操纵压力传感器的压力值时，控制器输出锁止指令到推动器233，使止动推杆232伸出卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动，相应的执行端的动作杆310同样停止运动，通过卡锁止动轮231的方式，将动作杆310的受力情况反馈给操纵人员，使操纵人员感受到因物体阻挡而产生的力。

如果操纵人员在感觉到操纵动作受到阻挡后，想克服物体的阻挡，则通过继续在A向上增加压力，使随动杆210上的A向操纵压力传感器的压力值持续增大，超过对应的动作杆310上的A向接触压力传感器的压力值，控制器输出解锁指令到推动器233，使所述止动推杆232收回释放止动轮231，使随动杆231随操纵动作向A向运动，相应的执行端的动作杆310同样动作向A向运动。

如果操纵人员在感觉到操纵动作受到阻挡后，停止原有A向上的动作，则控制器输出的锁止指令持续使止动推杆232伸出，卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动，相应的执行端的动作杆310同样停止动作。

如果操纵人员在感觉到操纵动作受到阻挡后，放弃原有A向上的动作，改为与A向相对的B向运动，则随动杆210上的B向操纵压力传感器的压力值持续增大，且随动杆210上的A向操纵压力传感器的压力值减小，控制器输出解锁指令到推动器233，使所述止动推杆232收回释放止动轮231，使随动杆231随操纵动作向B向运动，相应的执行端的动作杆310同样动作向B向运动。

在向B向运动过程中，如果动作杆310受到物体的阻挡，对应的动作杆310上的B向接触压力传感器的压力值增加，直至等于随动杆210上的B向操纵压力传感器的压力值时，控制器输出锁止指令到推动器233，使止动推杆232伸出卡锁止动轮231，从而限制随动杆231转动，相应的执行端的动作杆310同样停止运动，通过卡锁止动轮231的方式，将动作杆310的受力情况反馈给操纵人员，使操纵人员感受到因物体阻挡而产生的力。

综上所述，本实施例公开的轮式止动的力反馈控制方法，根据操纵压力、接触压力的大小以及相互关系，将遥操纵机器的受力状况反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升；

采用的轮式止动机构，体积小、重量轻，反应机敏，与联动机构契合良好，控制效率高，具有很好的实用性和便捷性，提高了人机功效。

实施例二、

本实施例公开了一种基于力反馈的关节遥控制装置，包括操纵端和执行端；

操控端包括力反馈装置和控制器；

力反馈装置，用于跟随操纵动作运动，采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到操纵端的控制器；

优选的，操控端力反馈装置组成连接如图2或3所示；

控制器，用于将产生包含姿态、速度及加速度在内的信息发送到执行端，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时感应的接触压力；并根据所述操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令到所述力反馈装置的轮式止动机构，解锁所述轮式止动机构，使力反馈装置跟随操纵动作运动，或锁止所述轮式止动机构，使力反馈装置停止跟随操纵动作运动。

执行端的动作执行装置组成连接如图4或5所示。

在操控端控制执行端进行遥操纵时，采用实施例一中的基于轮式止动的力反馈控制方法，操纵执行端的动作执行装置执行操纵动作，并将力反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升。

实施例三、

本实施例公开了一种可穿戴遥控制设备，本实施例以机器手的遥控制为例，如图7所示，为可穿戴在手掌的驱动装置，在驱动装置的每一个关节都包括一个如实施例二中的力反馈装置；所有力反馈装置将驱动装置采集的手掌动作而产生的各关节包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到驱动装置的控制器；

如图7所示，为被驱动的机器肢体，即机器手掌，在机器手掌的每一个关节都包括一个如实施例二中的动作执行装置；执行可穿戴在手掌的驱动装置通过控制器发送的动作，反馈感受到的外界作用力。

在可穿戴在手掌的驱动装置控制被驱动的机器肢体进行动作时，对每一个关节的力反馈装置采样实施例一中的基于轮式止动的力反馈控制方法，操纵在机器手掌的每一个关节动作；并将力反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轮式止动的力反馈控制方法，其特征在于，包括：

操纵端的力反馈装置跟随操纵动作运动，采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到操纵端的控制器；

操纵端的控制器将产生包含姿态、速度及加速度在内的信息发送到执行端，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时所述动作执行装置感应的接触压力；

所述控制器根据所述操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令到所述力反馈装置的轮式止动机构，解锁所述轮式止动机构，使力反馈装置跟随操纵动作运动，或锁止所述轮式止动机构，使力反馈装置停止跟随操纵动作运动；

所述力反馈装置包括支撑座、随动杆和轮式止动机构；

所述支撑座与所述随动杆铰接；

所述随动杆上设置有姿态、速度、加速度以及压力传感器，感应因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息；

所述随动杆上设置的压力传感器包括A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器；所述执行端与所述随动杆对应的动作杆上对应安装有A向接触压力传感器和B向接触压力传感器，A向为与所述操纵动作运动一致的方向，B向为与所述操纵动作运动相反的方向；

所述轮式止动机构包括止动轮、止动推杆和推动器；

所述推动器固定在所述支撑座上，并与所述止动推杆连接，用于在锁止指令的控制下，使止动推杆伸出；在解锁指令的控制下，使止动推杆收回；

所述止动推杆，在伸出时，锁止止动轮；在收回时，释放止动轮；

所述止动轮固定在所述随动杆上，当所述止动轮处于释放状态时，所述止动轮跟随所述随动杆的转动旋转；当处于锁止状态时，所述止动轮被所述止动推杆锁止，从而限制与其固定的随动杆随操纵动作转动；

在力反馈控制过程中，当随动杆上的A向操纵压力传感器和B向操纵压力传感器的压力值都小于第二压力阈值时，控制器输出锁止指令到推动器，使止动推杆伸出卡锁止动轮，从而限制随动杆转动；即，认为在A向和B向上均无操纵动作，将随动杆锁止，保持最后一个操纵动作的状态；

当操纵人员向A向操纵随动杆时，随动杆感应到A向上有操纵动作，并且对应的动作杆在A向上未受到阻挡，随动杆上的A向操纵压力传感器的压力值大于与之对应的动作杆上的A向接触压力传感器的压力值，且随动杆上的B向操纵压力传感器的压力值小于第三压力阈值或为0；此时控制器输出解锁指令到推动器，使所述止动推杆收回释放止动轮，使随动杆随操纵动作向A向运动，相应的执行端的动作杆同样动作向A向运动；

当动作杆按照操纵动作在A向上运动的过程中受到物体阻挡，动作杆上的A向接触压力传感器的压力值增加，直至等于随动杆上的A向操纵压力传感器的压力值时，控制器输出锁止指令到推动器，使止动推杆伸出卡锁止动轮，从而限制随动杆转动，相应的执行端的动作杆同样停止运动，通过卡锁止动轮的方式，将动作杆的受力情况反馈给操纵人员，使操纵人员感受到因物体阻挡而产生的力。

2.根据权利要求1所述的力反馈控制方法，其特征在于，当所述A向操纵压力传感器的压力值等于与之对应的A向接触压力传感器的压力值，且所述止动轮锁止时，如果所述A向操纵压力传感器的压力值持续增大，超过之对应的A向接触压力传感器的压力值，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作继续向A向运动。

3.根据权利要求2所述的力反馈控制方法，其特征在于，当所述A向操纵压力传感器的压力值等于与之对应的A向接触压力传感器的压力值，且所述止动轮锁止时，如果所述B向操纵压力传感器的压力值持续增大，且所述A向操纵压力传感器的压力值减小，所述控制器输出解锁指令到所述推动器，使所述止动推杆收回释放所述止动轮，使所述随动杆随操纵动作向B向运动；

在向B向运动过程中，当所述对应的B向接触压力传感器的压力值增加，直至等于所述B向操纵压力传感器的压力值时，所述控制器输出锁止指令到所述推动器，使所述止动推杆伸出锁止所述止动轮，限制所述随动杆随操纵动作运动。

4.一种轮式止动式的反馈控制装置，其特征在于，包括操纵端和执行端；

所述操纵端，实施如权利要求1至3任一项所述的基于轮式止动的力反馈控制方法，操纵执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作。

5.一种可穿戴遥控制设备，其特征在于，包括至少一个如权利要求4所述的轮式止动式的反馈控制装置。

Images