一種三維力反饋手控器*

吳劍鋒，宋愛國，李建清

(東南大學儀器科學與工程學院，南京210096)

在人與周圍的世界相互作用中，觸覺是僅次于視覺的重要的感覺，其中力觸覺是可以通過關節和肌肉得到的運動知覺，這種知覺能提供力、速度、位移等信息。力觸覺在現實中運用非常廣泛，在醫療、商業、教育、娛樂、軍事方面都可以有相當大的運用前景。力觸覺感知裝置能與視覺顯示設備相配合，構建力覺感知虛擬環境交互仿真實驗平臺，為人類提供力觸覺感知訓練，也可以與遠程裝置相配合，幫助人類實現遠程未知環境的有效感知。因此對力觸覺感知裝置的研究非常有必要。

目前，國內外對觸覺感知裝置的研究已取得一定的進展。現有的觸覺感知裝置主要有陣列式形狀觸覺感知裝置［1-2］、氣囊式柔性觸覺感知裝置［3］、電刺激式觸覺感知裝置［4］，它們主要是接觸狀態和物體形狀的感知裝置，功能都較為單一。手控器作為人機交互的關鍵設備而被廣泛研究［5-12］，其可以模擬與從機械手相作用的真實世界的一些力學特性，如重量、硬度、紋理、柔順性等，因此手控器對復合觸覺感知裝置的研制具有重要的意義［13～16］。

本文設計了一種具有USB接口的三維力反饋手控器，可實現物體形狀觸覺和柔性觸覺感知再現，為觸覺感知裝置提供一種新的解決方案。

1 三維力反饋手控器硬件設計

三維力反饋手控器示意圖如圖1所示。三維力反饋手控器由操作手柄、XYZ三軸機械機構、直流伺服電機及其光電編碼器、控制箱、支架和配重塊共同組成。手柄用于操作，三軸機械機構用以實現三維運動，電機用來控制力矩輸出，光電編碼器實現運行信息測量，控制箱內有電源、測控電路等，支架用于支撐整個機械結構，配重塊用于保持機械結構的平衡。

圖1 三維力反饋手控器示意圖

圖2所示為三維力反饋手控器的硬件電路框圖，圖中只顯示了X軸方向上的電路，其它方向上采用了同樣的控制原理。

圖2 三維力反饋手控器的硬件電路框圖

手控器采用了瑞典Maxon公司的電機及其配套的光電編碼器，手控器通過電機編碼器獲取人手運動產生的三維編碼信息，從而可以得到人手的位置信息，通過處理可以得到相應運動的速度和加速度。光電編碼器通過A、A、B、B差動編碼信號輸出來標識電機旋轉的方向和角度，有了差動信號可以在一定程度上避免碼盤邊緣抖動導致的干擾，我們采用75LBC175接收芯片將差動信號A、A、B、B轉換為A、B兩路信號，采用單片機對兩路信號的相位進行計數得到光電編碼器的狀態。

表1列出了各種狀態下的計數動作。當AB線上的狀態發生改變時進行計數，用A'B'表示變化前的原始信號狀態，AB表示當前的信號狀態，方向標志表示碼盤的轉向，計數用+-符號表示加減。采用的計數方法僅在AB線上有狀態變化時計數，通過分析編碼信號的狀態可知，僅處理表1中的無陰影部分就可以得到所需要的結果。為了標識手控器的原始位置，系統設計了一個歸零按鍵，當按鍵按下時所有計數值歸零，并以當前狀態開始計數。

表1 光電編碼單片機計數方法表

通過電機驅動器控制手控器的三維輸出，無阻力時可以控制運動速度和加速度，在電機堵轉時可以等效為控制輸出力矩，需要注意的是電機堵轉時間不能太長，過長時間的堵轉可能導致電機損壞。為實現反饋控制，需要檢測每個電機的工作電流。為了保證高速采集的同步和完整性，手控器控制電路采用2片MCP3204作為模擬數字轉換芯片，其具有12 bit AD轉換精度，100 ksps的轉換速率，從而能保證每個通道10 ksps以上的轉換速率。采用了2片MCP3204可以同時進行兩路模擬數字轉換和讀取，從而提高轉換部分的最大轉換速率和減少MCU的串行讀取時間。

采用TLV5630作為數字模擬轉換的芯片，其具有12 bit DA轉換精度數，最快建立時間小于1 μs，而且通過其LDAC引腳可以實現各路數字模擬轉換的同步輸出。

在為保證系統可靠性，對輸入輸出數字信號進行了光電隔離。由于串行口上下行數據帶寬有限，特別是現有新型計算機筆記本計算機大多不帶有串口，采用USB接口可以方便通用計算機控制，同時可極大提高數據通訊速率。所以為保證PC機上下行控制信號的實時性，采用一片自帶USB接口的C8051F340負責將編碼和反饋信息通過USB接口連接到PC，同時接收PC機下傳的輸出控制信息，用一個輸出51單片機專門負責模擬量的模數轉換和編碼器的編碼采集控制，另用一個輸入51單片機負責多路數字模擬量轉換輸出，在兩個單片機與C8051F340間分別采用上、下行FIFO作輸入輸出緩沖。為保證手控器功能的可擴展性，總共設計了八路控制通道，每路都具有一個數字模擬轉換通道、一個模擬數字轉換通道和一個電機編碼通道，對應所設計的力反饋手控器的三個方向只采用了三路控制通道。為了驗證手控器的觸覺感知再現功能，本文設計了基于手控器的虛擬環境有限空間彈性球運動實驗

2 虛擬環境有限空間彈性球運動實驗

該實驗模擬一個彈性球在有限剛性空間內運動的受力情況，彈性球的模型如如圖3(a)所示。當球體位于空腔內時，球體不受任何力的約束而自由運動，在手控器上的無反饋力作用;當球體與腔體內表面接觸，而繼續向腔體內表面運動時，球體受腔體表面的支持力作用，自身發生變形，此時在手控器上反饋力的大小符合式(1)，人手通過手控器能感受到腔體內表面對球體作用力的大小和方向如圖3(b)所示。虛擬環境采用OPENGL完成，操作人員可在虛擬環境中通過手控器控制彈性球運動，通過手控器上的反饋力知道墻體對球體作用力的大小和分析，通過視覺知道球體的當前所處位置。

圖3 虛擬環境有限空間彈性球運動模型及受力分析圖

圖4為虛擬環境仿真實驗圖，當彈性球體處于三維空間的右后方時，受到后側墻壁和地面的力作用，而在水平方向則沒有力的作用。

如對該模型進行簡單變換可模擬剛體球在有限彈性壁空腔運動，此時剛體球可視一個剛體，受力無形變，而空腔的彈性壁受到剛性球的擠壓發生變形產生支持力。

圖4 虛擬環境仿真實驗圖

3 系統實現

三維力反饋手控器樣機整體圖如圖5所示，操作人員通過手控器的把手操作。經江蘇省計量院測試表明:所設計的三維力反饋手控器樣機力反饋至少能達到20 N，位移范圍大于150 mm×150 mm×150 mm，具有形狀觸覺再現、紋理觸覺再現、柔性力觸覺再現三種功能。

圖5 完成系統圖

4 結束語

介紹了一種具有USB接口的手控器控制電路的解決方案，通過電機驅動器控三維制手控器的輸出，用電機編碼器獲取人手的三維運動編碼信息，采用USB接口以方便上下行控制數據的通信。測試及試驗結果表明，所設計的手控器能滿足力觸覺再現的需要，性能良好。

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