一种基于旋钮式力反馈手控器及机械臂遥操作控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥操作技术领域，具体来说，涉及一种基于旋钮式力反馈手控器及机 械臂遥操作控制方法，可以远程控制机械臂工作。
【背景技术】
[0002] 手控器是一种人机交互与位置测量的装置。近年来，先进的手控器加入了力反馈 功能，能够提供高度的力觉临场感。这使得手控器在核工业领域，航天领域，海洋探索以及 生物医学等领域得到更广泛的应用。手控器按照主从机械手的结构关系，可分为同构式和 异构式两种。如果主机械臂与从机械臂具有相同的结构和自由度，当主机械臂运动时，从机 械臂按比例做相同的运动，则这种结构称为同构式，否则即称为异构式。同构式机械臂结构 简采取关节一一关节的驱动方式，因此运动及控制比较容易实现。但同构式手控器比较笨 重，体积大，对运动空间要求较高，操作起来不方便。异构式机械手设计较为困难，其主从臂 的结构及运动对应关系不明确，操作者的力觉临场感效果并不好。使用异构式手控器操作 时不仅需要复杂的算法实现远端机器臂与本地手控器之间的运动映射，而且由于手控器各 关节间摩擦和运动和力耦合度很高，使得操作起来复杂且精度不高。此外，两类手控器都需 要将人手固定在一个相对复杂的装置上，当装置控制故障时人手不易迅速脱离而容易受到 伤害。
【发明内容】
[0003] 技术问题：本发明实施例提供一种基于旋钮式力反馈手控器及机械臂遥操作控制 方法，该方法简单且能精确控制机械臂在复杂环境下作业。
[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：
[0005] 一种基于旋钮式力反馈手控器，所述的手控器包括底板、扭矩传感器、外壳、传感 器法兰、距离套、编码器、电机座板、电机、设有精粗调开关的开关旋钮，外壳和底板固定连 接，形成密闭空间；距离套固定连接在电机座板和传感器法兰之间，电机座板和传感器法兰 之间形成安装空间，扭矩传感器固定连接在传感器法兰的底面，编码器位于安装空间中，且 编码器的壳体固定连接在电机座板的底面，电机固定连接在电机座板的顶面，且电机输出 轴的一端穿过电机座板，与编码器的码盘固定连接；开关旋钮位于外壳的外侧，且开关旋钮 的旋钮与电机输出轴的另一端连接。
[0006] -种基于旋钮式力反馈手控器的机械臂遥操作控制方法，该控制方法包括：
[0007] 步骤10):对电机设置初始电流，使电机产生力矩，消除开关旋钮粘滞现象；
[0008] 步骤20):控制开关旋钮上的精粗调开关，选择粗调模式或精调模式；
[0009] 步骤30):安装在机械臂端的传感器判断机械臂是否发生碰撞，如果没有发生碰 撞，人工拧动开关旋钮，实现对机械臂的控制；如果机械臂发生碰撞，则利用手控器实现力 反馈。
[0010] 作为一种优选：所述的步骤20)中，采用手动控制或者自动控制精粗调开关；当采 用自动控制精粗调开关时，当机械臂末端与目标位置距离小于机械臂末端与目标点最小安 全距离，且开关旋钮仍处于粗调模式时，自动切换至精调模式。
[0011] 作为一种优选：所述的步骤20)中：粗调模式是指：当从机械臂末端离目标点或者 障碍物距离大于或等于机械臂末端与目标点或障碍物最小安全距离时，开关旋钮默认处于 粗调模式；扭动开关旋钮，手控器端的微处理器将采集到的编码器发出的脉冲数N，传给机 械臂端的微处理器，机械臂端的微处理器根据脉冲数控制机械臂端的电机运动；同时，控制 精粗调开关处于打开状态。
[0012] 作为一种优选：所述的步骤20)中：精调模式是指：手控器端的微处理器将采集到 的编码器发出的脉冲数N除以比例系数M，且M>1，得到缩小的脉冲数；手控器端的微处理器 将缩小的脉冲数传给机械臂端的微处理器，机械臂端的微处理器根据缩小的脉冲数控制机 械臂端的电机运动；同时，控制精粗调开关处于关闭状态。
[0013] 作为一种优选：所述的步骤30)中，如果机械臂没有发生碰撞，则进行步骤301)- 步骤303):
[0014] 步骤301):拧动开关旋钮，编码器产生脉冲信号；
[0015] 步骤302):将编码器脉冲信号输入D触发器，手控器端的微处理器获得转动方向， 手控器端的微处理器对脉冲信号、方向信号以及精粗调模式进行处理，获得机械臂转动的 角度信息；
[0016] 步骤303):手控器端的微处理器将角度信息发送至机械臂端的微处理器，由机械 臂端的微处理器控制机械臂运动。
[0017] 作为一种优选：所述的角度信息包括角度大小和角度方向。
[0018] 作为一种优选：所述的步骤30)中，如果机械臂发生碰撞，则进行步骤401)-步骤 403)：
[0019] 步骤401):手控器端的微处理器根据机械臂端的传感器反馈的碰撞力矩大小，重 新设定电机的输入电流；
[0020] 步骤402):如果机械臂端传感器反馈的碰撞力矩小于碰撞力矩阈值J，那么反向 拧动开关旋钮，控制机械臂退出障碍物；
[0021] 如果机械臂端传感器反馈的碰撞力矩大于或等于碰撞力矩阈值J，电机被锁住，无 法拧动开关旋钮，扭矩传感器根据拧动开关旋钮而产生的扭矩信号，手控器端的微处理器 根据该扭矩信号判断旋转方向，如果开关旋钮继续拧动方向为碰撞方向，则电机继续保持 该电流；如果旋钮继续拧动方向为与碰撞方向相反的方向，则电机电流减小至初始状态，拧 动开关旋钮，实现机械臂碰到障碍物时，继续正向运动被限制，反向运动离开障碍物；
[0022] 步骤403)利用其他手控器，控制机械臂的其他关节，改变机械臂的原始运行路 径，直至机械臂绕开障碍物，到达目标点。
[0023] 作为一种优选：所述的步骤401)中，根据式（1)重新设定电机的输入电流：
[0024] f (x) = 1. 23x2+1. 06x+0. 09 式（1)
[0025] 其中，f(x)表示电机的电流值，x表示机械臂端传感器反馈的碰撞力矩值。
[0026] 有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
[0027] 1、易于实现精确操控。本发明涉及的手控器采用旋钮式设计，使得操作更加简单， 同时配合精粗调模式可以实现精确控制。另外，本发明采用软件控制方式实现精粗调。这 种控制方式不仅减少了硬件成本，也使得精粗调更加灵活，操作者根据需要可以设定相应 的精粗调系数，同时在控制过程中也可以实时切换精粗调模式。
[0028] 2、根据力反馈及时调整旋转方向，延长设备使用寿命。根据驱动电机在不同输入 电流时产生的静力矩不同，本发明涉及的手控器中使用驱动电机和扭矩传感器作为力反馈 装置，实现一种新的力反馈方式。使用该力反馈装置不仅可以保证操作者感受力反馈，而且 不会使操作者受到伤害。驱动电机根据不同的反馈力矩设定相应的输入电流，使得手控器 端的开关旋钮能够很好的感受到机械臂与障碍物之间的碰撞力矩的渐变过程，从而及时调 整旋转方向，减少机械臂的损伤。
[0029] 3、结构简单。本发明涉及的手控器主要元件包括旋钮、编码器、电机和扭矩传感 器，结构简单，容易操作，成本低。本发明中的手控器具备力反馈功能，而且实现精粗调功能 时只需要一个编码器就可以完成，结构简单。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例中手控器的结构图；
[0031] 图2为本发明实施例中控制方法的流程图；
[0032] 图3为本发明实施例中步进电机静力矩与输入电流关系图。
[0033] 图中有：底板1、扭矩传感器2、外壳3、传感器法兰4、距离套5、编码器6、电机座板 7、电机8、开关旋钮9、精粗调开关10。
【具体实施方式】
[0034] 下文结合附图，对本发明实施例进行详细描述。
[0035] 如图1所示，一种基于旋钮式力反馈手控器，包括底板1、扭矩传感器2、外壳3、传 感器法兰4、距离套5、编码器6、电机座板7、电机8、设有精粗调开关10的开关旋钮9,外壳 3和底板1固定连接，形成密闭空间；距离套5固定连接在电机座板7和传感器法兰4之间， 电机座板7和传感器法兰4之间形成安装空间，扭矩传感器2固定连接在传感器法兰4的 底面，编码器6位于安装空间中，且编码器6的壳体固定连接在电机座板7的底面，电机8 固定连接在电机座板7的顶面，且电机8输出轴的一端穿过电机座板7,与编码器6的码盘 固定连接；开关旋钮9位于外壳3的外侧，且开关旋钮9的旋钮与电机8输出轴的另一端连 接。
[0036] 上述结构的手控器中，底板1的作用是连接扭矩传感器2,并与外壳3构成立体空 间，将除开关旋钮9外的所有部件包含在其中。拧动开关旋钮9可使编码器6产生脉冲信 号，检测并处理该脉冲信号即可获得转动角度信息。传感器法兰4用于扭矩传感器2底座安