柔顺性触觉再现装置的刚度标定和误差分析

　　1　引　言

　　随着虚拟现实技术和交互式遥操作技术的广泛应用,需要大量的具有力觉和触觉反馈作用的人机接口装置。在虚拟现实系统中,操作者通过触觉再现装置可以触摸虚拟环境中的虚拟物体,正确地感知虚拟物体的柔软度、刚度、表面纹理等触觉信息;在遥操作机器人系统远程作业过程中,它可以将机器人末端执行器的作用对象的触觉信息反馈给操作人员,并在操作者的指端再现,使操作者产生身临其境的触觉感知效果,从而可以准确地判断物体触觉特性。

　　针对虚拟操作和远程操作中力感知的需要,我们和美国西北大学合作提出了一种基于弹性梁有效变形长度控制的柔顺性触觉再现方法,并研制了相应的柔顺性触觉再现装置[1,2]。该装置的优点是能够快速、准确地再现大范围的刚度。变形长度可控的悬臂梁是这种装置的核心部件,理论上,只要知道施加在悬臂梁上的力和相应产生的形变,就可以直接由胡克定律确定弹性系数,即相应的刚度值[3]。但是在实际工况下,悬臂梁有时处于大挠度状态,其刚度和施加的作用力是相关的。

　　为了消除刚度和作用力之间的非线性造成的误差,需要对该装置进行刚度标定,以确定每个位置所对应的刚度值。通过标定可以修正解析解和实际值的偏差,提高触觉感知的精度。本文首先对柔顺性触觉再现装置进行了有限元分析,接着又对其进行了实际标定,从理论和实验两方面进行了分析和评述。

　　2　柔顺性触觉再现装置及工作原理

　　触觉再现装置的结构图如图1所示,它由弹性梁、直流伺服电机、编码器、压紧装置、丝杆、导杆、指按棒、力传感器、位移传感器等组成。图2为其实物照片。弹性梁采用弹簧钢材料,全长162 mm,宽20·3 mm,厚度为0·35 mm,其杨氏弹性模量为200×109N/m2。直流伺服电机的转动轴通过弹性联轴器同丝杆相联结,电机的转动带动丝杆的转动,而丝杆的转动又带动螺母水平运动。所以通过控制电机的转动和速度,可以准确地控制弹性梁有效长度的变化和变化速度,从而使人手指在感知帽处感知到的刚度或柔性发生变化。即当手指放在触觉感知帽上时,通过主动施加压力就可以感知到虚拟物体或远程机器人作用对象的刚度或柔性。在感知帽的上表面装了一个压力传感器,用来测量人手所施加的压力。而在感知帽的下表面安装了一个霍尔位移传感器,可以测量人手施加压力时弹性梁位移。采集到的力信号f和位移信号y通过公式k=f/y可以计算当前位置下弹性梁的等效刚度,从而可以实现定量地再现遥操作机器人操作对象或虚拟环境下物体的刚度或柔性。

　　触觉再现接口装置的工作原理如图3所示,其中l就是需要控制的弹性梁有效长度。弹性梁受力情况可以等价于在端点处受力的悬臂梁模型。根据材料力学原理可知,在理想情况下(即小挠度情况下)弹性梁在人手主动施加压力f作用下的变形如下式: