（测试计量技术及仪器专业论文）柔性环境下的触觉再现接口技术.pdf

摘要 触觉再现装置是一类重要的人机接口装置。随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器 人技术的发展，设计一个能够准确、实时地再现触觉特性的人机接口装置显得尤为重要。 本文提出了一种具有实时触觉反馈作用的人机接口装置的设计方法。该装置采用丝 杆螺母传动机构，通过对直流伺服电机的位置控制，实时、精确地控制弹性梁的有效长 度。通过改变弹性梁的有效敏感长度，快速改变弹性梁的刚度( 弹性系数) ，从而使操 作者可以感知到虚拟物体或遥操作机器人作用对象刚度或柔性的变化，保证了触觉再现 的实时性和准确性，使操作者可以产生“身临其境”的触觉感知效果。该触觉感知再现 装置最大的特点是可以定量地再现虚拟物体或遥操作物体的刚度或柔性，而现有的一些 装置只能非定量地模拟触觉信息。此外，它还具有尺寸小、刚度再现范围大、刚度( 或 弹性系数) 变化迅速等特点，可以广泛应用于虚拟现实技术以及遥操作机器人远程作业 中。 本文详细介绍了该人机接口触觉再现装置的基本原理，软、硬件系统方案设计及实 现方法。同时还设计了一系列的触觉感知实验，基于该装置针对人的触觉特性进行了研 究。 关键词：触觉再现虚拟现实遥操作传感器数据采集 a b s t r a c t h a p t i cd i s p l a yd e v i c ei sak i n do fi m p o r t a n th u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ed e v i c e b y t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n di n t e r a c t i v et e l e r o b o tt e c h n o l o g y , i ti s v e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt od e s i g nam a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，w h i c hc a nr e a l i z e r e a l _ t i m ea n dp r e c i s i o no fs t i f f n e s sd i s p l a y t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r dat o t a l l yn e wd e s i g ns c h e m eo fm a n - c o m p u t e r i n t e r f a c ed e v i c e 。w h i c hc a nr e a l i z er e a it i m es t i f f n e s sd i s p l a y t h i sd e v i c eb a s e do n t h es m a r tc o n t r o lo ft h et h i ne l a s t i cb e a m se f f e c t i v ed e f o r m a b l el e n g t h t h es t i f f n e s s o ft h et h i ne l a s t i cb e a mc a nb eq u i c k l ya n ds m o o t h l yc h a n g e db yc o n t r o l l i n gt h e d e f o r m a b l el e n g t ho ft h eb e a m t h i sh a p t i cd i s p l a yd e v i c ei n c l u d e saf e e ds c r e wa n d n u t sg e a r i n ga n dt h ep o s i t i o no fn u t si sc o n t r o l l e db yt h ed cs e r v om o t o r s o ，t h i s d e v i c ec o u l dr e p l i c a t et h es t i f f n e s so fav i r t u a lo b j e c to rr e m o t eo b j e c tw i t hw i d er a n g e t ot h ef i n g e r t i po fh u m a no p e r a t o ra s 讦h ed i r e c t l yt o u c h e sw i t ht h es o f te n v i r o n m e n t 。 a n da s s u r et h er e a l - t i m ea n dp r e c i s i o no fs t i f f n e s sd i s p l a y t h i sr e a lt i m eh a p u c d i s p l a yi n t e r f a c ed e v i c eh a sc h a r a c t e r i s t i c so fm e n s u r a b i l i t ya n dw i d er a n g eo fq u i c k s t i f f n e s sd i s p l a ya n ds m a l ld i m e n s i o n s i tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do ft e l e r o b o t a n dv i r t u a lr e a l i t y t h ep r i n c i p l eo ft h em e t h o d 。a n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e md e s i g n m e t h o d so ft h eh a p t i cd i s p l a yi n t e r f a c ed e v i c ea r ei n t r o d u c e d as e r i e so fe x p e r i m e n t s w h i c ha i ma tr e s e a r c ho nh u m a ns t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s i g n e d k e y w o r d s ：h a p t i cd i s p l a y , v i r t u a lr e a l i t y , t e l e o p e r a t i o n ，s e n s o r , d a t aa c q u i s i t i o n l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：也缝 e t期：碹：垒! ，g 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：趣缝导师签名：日期：兰：哆：；三。 第一章绪论 1 1 研究触觉再现的意义 第一章绪论 触觉再现装置是一类重要的人机接口装置。在虚拟现实系统中，操作者通过该装置可以触摸虚 拟环境中的虚拟物体。真实地感知虚拟物体的柔性、刚度、表面纹理等触觉特性；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，从而使操作者感觉到自己仿佛就在现场用手指探索作用对象，这样操作者就可以准 确地判断物体的触觉特性。随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器人技术的发展，需要大量的具有 力觉和触觉反馈作用的人机接口装置。因此，设计一个能够准确、实时地再现触觉特性的装置显得 尤为重要 触觉再现装置的应用范围非常广泛。在机器人完成复杂工作的过程中。视觉固然很重要，但是 视觉作为被动感受，有的时候已经不能满足我们的需求了，这时通过触觉再现可以帮助人们完成很 多复杂的工作。在海底打捞工作中，带有触觉再现装置的机械手可以直接接触沉在海底的物品；把 带有触觉再现装置的机器人送到外星球上，就可以感知外星球岩石的质地和强度了；在虚拟手术和 远程手术中( 如图l 一1 ) ，通过触觉再现装置，医生们可以感知到虚拟环境或远程手术现场中的肌肉、 组织，器官、肿瘤等对象0 1 2 1 ，从而方便医生进行远程诊断、手术；在远程作业过程中，我们需要 知道工件本身的刚度特性以及工件装配过程中的配合情况，用触觉再现装置可以解决这一问题；在 今后的虚拟购物或远程购物中，我们不仅可以看到我们想要买的物品的形状颜色，还可以触摸到它 的柔软性，这也是通过触觉再现装置实现的。 图1 - 1 触觉再现系统在远程手术，庙l 拟手术中的应用 1 2 国内外研究动态 早期的遥操作机器人信息流动是单向的，这种单向的信息传递使某些任务的完成非常困难。 h a n g n e rd g 在1 9 8 8 年提出“触觉遥现”( t a c t i l et e l e - p r e s e n c e ) 的概念，设计了理想的触觉遥现系 统的结构p j 。触觉遥现是指当远方机器人触摸物体时，力争以相同或类似人类真实感觉的方式向操 作者提供这种接触感觉信息反馈，其目的在于改善机器手抓取物体任务的完成质量，从而将机器人 的自主决策能力与人的智能和关键性决策作用有机融合在一起。 触觉再现从实现途径上可分为直接重构和感官替代两大类。直接重构是指直接刺激人类的皮肤 而产生触觉感知；感官替代是指用其它感觉器官替代皮肤接收触觉信号间接地判断触觉感知1 4 j 。 由于人类触觉机理的复杂性，早期的触觉再现装置多采用感官替代的思路，用图像或声音的方 式来反映接触力的大小。b r o w s er 采用在计算机屏幕上显示力的数值和图形的方法向操作者提供 触觉信息1 5 ；m a s s i m i n o m 为了克服数值显示影响操作者注意力的缺点，采用改变声音的音调高低的 方法向操作者提供机器人手指接触力信息【6 j ，这都属于感官替代方式。 随着生物心理学、神经生物学等领域对人类触觉的深入研究，人们对触感产生的机理逐渐有所 东南大学硕士学位论文 了解，触觉再现技术的研究也逐步转向直接重构方式。p a t r i c k 采用简单的两个电磁线圈套在操作者 手指上作为触觉再现装置，使遥操作性能得到了明显的改善p j 。c o h nm b 在他的遥控机器人的操纵 手端安装了具有气动结构和电磁线圈结构的触觉再现装置。c a l d w e l ld g 构造了遥控机器人数据手 套，该手套内装有双路振动式触觉再现装置，分别重现高频和低频触觉信息 s j 。k o n m r i n i sd a 提出 了高频触觉和复合触觉再现的概念，设计的系统既能反映物件表面的商低不平等低频触觉信息，又 能反映抓取过程中因物体滑动而产生的颤动等高频触觉信息1 9 1 。美国e x o s 公司开发了集成多模触觉 显示系统，不仅向拇指和食指提供力反馈，还能提供滑动触觉。s o o y o n gl e e 等人将气动式触觉再现 装置集成到机器人k 1 s t 以及图形仿真器上。用作示教机器人和虚拟显示设备i t 0 。h u l l 大学研制成功 了高密度被动触觉再现装置，它是通过电极点阵施加电场而使电流变体在要求的部位变硬。试图在 其表面重构出远地物体的轮廓日本t i n ia l l o y 公司采用s m a ( s h a p em e m o r ya l l o y ，形状记忆合金) 开发出了阵列触觉再现装置，其空间分辨率为3 m m 。美国l o u i s i a n a ，w i s c o n s i n 大学研制的硅基底静 电触觉再现装置是在硅片上制作电极阵列。当电极上施加2 0 0 v “0 0 v 电压时，对触摸该硅片的手指 产生静电吸引力，从而在相应位置感觉到接触。 上述这些现有的直接重构触觉再现装置主要可以归纳为2 类：一类是滑动触觉感知装置，另一 类是柔性( 或刚度) 触觉感知装置。滑动触觉感知装置包括基于摩擦力变化的表面纹理特性触觉感 知装置【l “、基于震动变化的表面纹理特性触觉感知装置【l2 j i l ”等；柔性( 或刚度) 触觉感知装置包括 阵列式触觉感知装置、气囊式柔性触觉感知装置、电刺激式触觉再现装置等1 1 4 1 。现有的触觉感知装 置大多数属于滑动触觉感知装置，研究柔性( 或刚度) 触觉感知装置的较少，而国内外现有的柔性 ( 刚度) 触觉感知装置存在的问题是只能感知非定量的触觉信息，无法准确地、定量地再现虚拟或 远地物体的柔性或刚度。现有的p h a n t o m 手臂和一些具有力反馈功能的数据手套，它们本身就具 有力觉再现装置，但是由于其电机输出力的限制，它们反馈的最大刚度也受到限制l l q i l 6 1 。所以，迄 今还没有一种装置能够准确地再现遥操作机器人系统或虚拟现实系统中大范围的刚度。 与国外的研究热潮相比，我国在这方面的起步较晚，实际应用的成果不多，研究基本上还停留 在原理性试验的阶段。但是随着遥操作机器人技术和虚拟现实技术的发展，对触觉再现装置的强烈 需求，必将推动我国在这一技术领域的发展 1 3 本论文的主要工作 本文介绍了一种针对遥操作机器人远程作业的需要所研制的触觉再现装置的原理与实现。该装 置能够快速、准确地再现大范围的刚度，使操作者能真实地感知到遥操作机器人操作对象的刚度或 柔性，从而产生“身临其境”的触觉感知效果。 本装置的主要特点是： ( 1 ) 采用丝杆螺母传动机构，通过对直流伺服电机的位置控制，实时、精确地控制弹性梁的有 效长度。通过改变弹性粱的有效敏感长度，快速改变弹性梁的刚度( 弹性系数) ，从而使操作者可以 感知到虚拟物体或遥操作机器人作用对象刚度或柔性的变化。 ( 2 ) 可以定量地再现虚拟或遥操作物体的刚度或柔性，而现有的一些装置只能非定量地模拟触 觉信息。 ( 3 ) 该触觉感知再现装置具有尺寸小、刚度再现范围大，刚度( 或弹性系数) 变化迅速等特点， 可以广泛应用于虚拟现实技术以及遥操作机器人远程作业和远程手术等领域中。 结合系统的要求，论文工作主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 完成了触觉再现系统硬件的设计与实现 包括触觉再现机械装置设计、力传感器和位移传感器的选型以及信号调理电路设计，直流伺服 电机控制系统设计这几个部分。设计了一套灵巧、合理的机械装置，以丝杆螺母传动结构为核心， 充分考虑到电机、传感器的安装，并在设计上最大程度地降低了摩擦带来的误差；设计了一套基于 d s p 的数字直流伺服控制系统，通过数据采集卡发出脉冲信号和方向信号控制电机的转向、转速和 运动行程，实现了精确、快速的位置伺服控制：围绕力传感器和位移传感器设计了信号采集系统， 传感器采集到的模拟信号先经过信号调理电路，再经数据采集卡进行v d 转化后传送给p c 机进行 一2 一 第一章绪论 处理。 ( 2 ) 完成了触觉再现系统软件的设计与实现 包括了与直流伺服电机位置控制有关的电机控制软件模块设计、与传感器的数据采集有关的数 据采集软件模块设计、基于o p c n g l 的虚拟环境模型的建立等等，这些软件模块连同一些其他的接 口和功能，都在系统主控软件h a p t i c d i s p l a y 中实现。该软件使用v c m 0 开发，在w i n d o w s 2 k 系统下调试成功 ( 3 ) 触觉实验 在排除视觉和听觉干扰的环境中，测试受试人员的触觉能力，得到了一些有价值的实验结果 以上的这些工作都将在后面的章节中详述。 3 东南大学硕士学位论文 第二章触觉再现系统方案论述 本章介绍了我们所提出的一种基于弹性梁有效长度控制的触觉再现方法的基本原理，并说明了 触觉再现装置的设计方案。 2 1 工作原理 触觉再现感知装置的结构组成如图2 1 所示，主要由弹性梁、丝杆、左右螺母、压紧装置、伺 服电机等部分组成。丝杆采用左、右螺纹结构，其上配有左、右螺母，分别旋合在丝杆的左、右螺 纹中，并且左、右螺母相对于丝杆中点对称。在睡个螺母上面分别固连了一个压紧装置( 安装时弹 性梁穿过这两个压紧装置) ，它们可以沿着水平方向自由运动。我们把这两个压紧装置之间的弹性梁 的长度，称为弹性粱的有效长度。操作时，操作者主动施加压力，作用在弹性梁的中点处。很明显， 当弹性粱的有效长度，较大时，在手指的按压下，弹性梁中点处的变形较大，我们感觉到所按的物 体比较柔软；反之，当，较小时，在相同作用力的按压下，弹性梁中点处的变形较小，我们感知到 的是比较硬的物体。因此，弹性梁有效长度，就是我们主要的控制对象 压紧 图2 - 1 触觉再现装置系统结构图 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 转动又带动左、右两个螺母水平运动由于丝杆上两边螺纹方向相反，所以两个螺母始终朝着相反 的方向运动，这样可以保证螺母在丝杆上一直处于对称的位置。由此可见，通过控制电机的转动圈 数，转动方向以及转动速度，就可以准确地控制弹性梁有效长度，的变化以及变化的速度，从而使 人手指在按压弹性粱中点时感知到的弹性梁的刚度或柔性发生变化。只要实时地控制弹性粱有效长 度，就能够保证人手感知到的刚度的变化同虚拟对象或远程对象的刚度变化相一致。也就是说，当 手指对弹性梁中点处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了 图2 - i 中弹性梁受力情况可以等价于一个简支梁在中点处受力的模型根据材料力学原理可知 i l ”，在人手主动施加的压力厂的作用下，弹性梁中点处的变形如下： 如：卫( 2 - i ) 4 8 e 1 其中，e 为材料的杨氏弹性模量，为弹性梁的转动惯量。 ，：生 ( 2 2 ) 1 2 b 和h 分别为弹性粱的宽度和厚度将式( 2 2 ) 式代入式( 2 - 1 ) 式得： d 第二章触觉再现系统方案论述 z ：黑( 2 - 3 ) 4 e b h 3 由上式可知该弹性梁的刚度( 为分析方便，这里的刚度是指弹性系数而非刚度系数) 为： 七：二：丁4 e b b 3 ( 2 - 4 ) zi ( 2 4 ) 式中，对于特定材料、特定形状的弹性粱来说，e ，b 和h 都是常量，所以刚度k 和弹性 梁的有效变形长度，的三次方的倒数成正比。即： 七o c 古 再把( 2 - 4 ) 式两边对时间求导可得弹性梁刚度的变化率： ( 2 - 5 ) 蹴班d l1 2 e b h 2 石2 面。瓦一丁巧 ( 2 呦 ( a ) _ i 卜- ，曲线 ( b ) 斑f 曲线 图2 - 2 刚度k 和有效长度，的关系曲线 ( 2 嘲式中，v ，是弹性梁有效长度的变化速率，它是由电机的转速决定的。从( 2 5 ) 式和( 2 - 6 ) 式可 一5 一 东南大学硕士学位论文 知，通过控制弹性粱的有效变形长度，就可以快速，准确地控制弹性粱的弹性系数i 及其变化率， 见图2 - 2 2 2 系统方案设计 由以上的叙述可知，实现触觉再现的关键是要能够实时地控制弹性梁的有效长度l 而对有效 长度，的控制，实际上就是对直流伺服电机进行精确的位置控制。 触觉再现装置的控制系统的组成如图2 - 3 所示。首先，根据从遥操作机器人操作对象或者虚拟 环境下获取的物体的刚度或柔性数据在p c 机中建立模型。在本系统中，用o p e t l g l 建立了一个简 单的小球模型，模拟虚拟环境下一个各个部位硬度不同的物体。当鼠标点击小球表面时，我们就可 以从虚拟环境中获取该点刚度数据，然后通过式( 2 - 4 ) 计算就可以得到一个相对应的弹性粱的有效长 度值，即： 图2 3 触觉再现接口控制系统的组成 ，= ( 2 7 ) 由于有限长度的弹性粱再现的最大和最小刚度是一定的，所以需要注意获取的刚度数据是不是 在现有的弹性梁的再现量程之中。下面对于我们目前使用的弹性梁的再现刚度范围进行计算： 弹性梁全长：上= 1 5 6 宽度：b = 1 8 8 m 厚度：h = 0 3 , t r i m杨氏弹性模量：e = 2 0 0 x 1 0 9 n m 2 弹性梁的最长有效长度：，_ 。= 1 2 4m i 弹性粱的最短有效长度：，_ 。- - - 2 0 r a m ( 注意，厶。和厶。是由弹性梁和触觉再现机械装置固有的结构决定的。) 由式( 2 - 4 ) 计算得： ，4 勖厅34 x 2 0 0 x 1 0 9 1 8 8 1 0 。( 0 3 x 1 0 。3 ) 3 ”“ ，珊3(o02)3(2-8) = 5 0 7 6 x 1 0 r a ， 4 e 拍3 4 2 0 0 1 0 9 x 1 8 8 1 0 4 ( 0 3 x 1 0 - 3 ) 3 k 2 瓦2 百五矿一 ( 2 - 9 ) 。“， = 2 1 2 n m 所以。只要从p c 机中获取的刚度值在( k 。，l 【皿。) 之间，就可以计算出相应的弹性梁的有效 长度，。当超出这个范围时，就需要更换弹性梁。由于不同弹性梁的杨氏模量e 是相近的，所以我 们一般就通过选择不同宽度b 和厚度h 的弹簧钢片来调节刚度量程。而通过式( 2 4 ) 可见，刚度k 和 第二章触觉再现系统方案论述 厚度h 的三次方成正比，和宽度b 的一次方成正比，所以，选择范围不同厚度的弹性梁，对刚度范 围的影响尤为明显，这也是容易理解的。实际使用中，我们选择了几条不同宽度、厚度的弹簧钢片， 以适用于不同的刚度再现范围。 从遥操作机器人操作对象或虚拟环境下获得的刚度或柔性l 通过式( 2 碲r 算得到了对应的有 效长度，之后，接下来的一个步骤就是要控制电机运动，电机运动带动丝杆转动，在电机下一次停 止时，控制弹性粱的有效长度等于，判断电机即将转动的方向和转动圈数是和目前弹性粱的有效 长度如有关系的假使电机正转是朝着有效长度变大的方向，反转朝着有效长度减小的方向运动， 那么a i ( m = l - 如) 值为正数时，电机正转，a ，值为负数时，电机反转；电机转动的圈数由i 郜i 决 定 电机的实时位置控制是通过p c 机对数据采集卡编程实现的。由程序控制数据采集卡向电机驱 动电路板发出脉冲( p u l s e ) 和方向( d i r ) 信号。电机驱动电路板接收脉冲信号和方向信号，可 以实现直流伺服电机的位置控制和速度控制：方向( d i r ) 信号决定了电机是顺时针转动还是逆时 针转动；脉冲( p u l s e ) 信号的频率决定了电机的转动速度，脉冲的个数决定了电机转动的圈数( 电 机转一圈，电机驱动电路板接收2 0 0 0 个脉冲) 由于电机输出轴与丝杆相联，控制了电机的运动就 相当于控制了丝杆上螺母的相对位置，也就实现了对弹性梁的有效长度的实时控制。光电编码器作 为接收电机的速度和位置的反馈传感器，它具有a 、b 两列输出，a 、b 序列信号在相序上不同。 同时，安装在触觉再现装置上的测力传感器、位移传感器和限位开关分别采集力信号、位移信 号以及限位信号。其中，力传感器测量的是人手主动施加在弹性梁中点处的压力见位移传感器测 量的是当人手施加压力时弹性粱中点处的位移( 形变) r 限位开关装在压紧装置上面，在其运动 过程中防止左、右螺母超过极限位置引起的机械装置损坏或者造成电机堵转力传感器和位移传感 器信号必须通过信号调理电路进行放大、滤波后以符合数据采集卡a d 输入的要求( 0 1 0 v ) ，信号 通过数据采集卡a d 转换后传递给p c 机进行处理。 采集到的力信号，和位移信号r 通过公式k = f l 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。把最终由两个传感 器测得的信号计算得到的刚度i ，和开始时从虚拟模型中得到的k 值相比较，可以验证我们的“触觉 再现”是否精确，是否具有实用价值。 东南大学硕士学位论文 第三章触觉再现系统的硬件设计 触觉再现装置是一个典型的机电一体化的测控系统，其硬件设计包括机械结构设计、传感器及 其相关的信号采集系统的设计和基于直流电机的运动伺服系统的设计 3 1 机械装置设计 我们使用的机械设计c a d 软件是s o l i d w o r k s2 0 0 4 。功能强大、易学易用和技术创新是 s o l i d w o r k s 2 0 0 4 的三大特点。该软件除具备一般c a d 软件的功能之外，在以下几个方面也非常有 特色： ( 1 ) 软件的技术背景 s o l i d w o r k s 软件是完全基于w i n d o w s 的c a d ，c a e ，c a m n d m 桌面集成系统。s o l i d w o r k s 软件 采用了与u n i g r a p h i c s 相同的先进的底层图形核心p a r a s o l i d ，它的核心技术是在w i n d o w s 环境下生 成的，充分利用和发挥了w i n d o w s 的强大威力和o l e 技术。该软件支持v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + 或其它o l e 开发语言，免费提供二次开发工具( a p l ) ；用户二次开发的应用程序，可直接挂在 s o l i d w o r k s 的菜单下，形成统一的界面。 ( 2 ) 友好的界面 用s o l i d w o r k s 资源管理器可以方便地管理c a d 文件s o l i d w o r k s 资源管理器是唯一一个同 w i n d o w s 资源管理器类似的c a d 文件管理器。s o l i d w o r k s 软件的菜单非常少，一共只有六十几个 命令，其余所有的命令与w m d o w s 的命令是相同的；下拉菜单一般只有二层( 有三层的不超过五个) ； 图形菜单设计简单明快，非常形象化，一看即知。动态导引具有智能化，一般情况下不需要用户去 修改特征树独具特色，所有的实体及光源均可在特征树中找到，使得操作特征非常方便。实体的 建模和装配完全符合于自然三维世界，特别是装配约束的概念非常简单且容易理解。对实体的放大， 缩小和旋转等操作全部是透明命令，可以在任何命令过程中使用，实体的选取非常容易和方便。 ( 3 ) 创新的特征识别技术 s o l i d w o r k s 创新的特征识别技术把智能赋予数据的转换，将静态的几何模型特征化和参数化， 可直接对标准数据格式文件( s t e p ，i g e s ，s a t ，v d a f s ，p a r a s o l i d ) 进行特征识别 ( 4 ) 零件的配置功能 在实际设计工作中，经常用到通用件或形状相似的零件，如果把这些零件逐个设计后保存，工 作量既大，管理起来也不方便。s o l i d w o r k s 软件在零件设计中提供了一个非常好的配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) 功能，这个功能允许你建立一个零件而有几个不同的配置，而这个零件在不同配置 中可以屏蔽不同的特征；或同样的特征在不同的配置情况下有不同的特征参数值，而这些不同的配 置都被保存在同一个文件内；使用时只需选择其中任意一个配置，就可以得到想要的零件。 i s l ”1 1 2 0 1 3 i 1 零件、装配体设计 图3 1 所示的是我们在s o l i d w o r k s 2 0 0 4 下设计的触觉再现装置的总装配三维立体图。该装置主 要由以下几个部分组成：丝杆螺母装配体，触觉感知棒及传感器装配体、压紧装置、直流伺服电机 以及编码器、弹簧片等。此外还有一些零件比如：底座、支架板、电路板盒、横梁、轴承、弹性联 轴器、限位开关等等都是必不可少的。这些零件、装配体组合在一起，构成了整个的触觉再现机械 装置。 一3 一 第三章触觉再现系统的硬件设计 图3 1 触觉再现装置总装配图 下面分别介绍该装置中几个重要的部分。图3 - 2 所示的是丝杆螺母装配图。丝扦的左、右两边 分别加工成左螺纹和右螺纹，左、右螺母旋合在丝杆上，并且相对于丝杆中点对称下方有一个导 杆，用于定位；两个螺母分别镶在螺母座上，这样螺母座就随着螺母一起水平运动。螺母座又和压 紧装置连接在一起，所以当电机带动丝杆转动时，丝杆上的螺母连同螺母座和压紧装置就会进行水 平运动，并且左、右螺母的运动方向始终相反。 图3 - 2 丝杆螺母装配体图3 - 3 触觉感知棒及传感器装配体 触觉感知棒及传感器装配体如图3 - 3 所示。在触觉感知棒的最下端和弹簧片接触的地方装有一 个力传感器，直接测量弹簧片中点处受到的压力。触觉感知棒通过连接板和直线位移传感器连接， 这样做使得触觉感知棒在竖直方向上的位移直接反映在直线位移传感器上。触觉感知棒穿过一个直 线轴承，既保证了感知棒在竖直方向上的准确定位，又尽可能地减少了摩擦的影响 一9 东南大学硕士学位论文 图3 - 4 和图3 - 5 所示的是压紧装置以及它的分解视图从图上可以看出，压紧装置由压紧上部、 压紧下部、压紧滚轮和压紧杆组成。由于压紧装置和图3 - 2 中的螺母座固连，所以它随着螺母座的 水平运动而平动。弹簧片的位置是固定不变的，所以随着压紧装置的运动，左右两边的压紧滚轮与 图3 - 4 压紧装置 弹簧片的接触点之间的距离也就相应改变( 注意： 效长度，) 口1 1 2 2 3 1 2 机械加工 图3 - 5 压紧装置分解视图 这个距离实际上就是我们前面提到的弹性梁的有 图3 - 6 所示的是我们加工、组装后的触觉再现装置的实物图。整个装置长约2 5 c m ( 不包括直流 伺服电机) ，宽约1 0 c m ，高约2 0 c m 。弹性梁采用弹簧钢材料，全长1 5 6 r a m ，宽1 8 8 r a m ，厚度为 o 3 m m ，其杨式弹性模量为2 0 0 1 0 9 n m 2 ；为了减轻重量，触觉感知棒和压紧滚轮的材料采用尼龙； 丝杠采用钢材料，螺母采用青铜材料制成：其他大部分零件的材料是硬铝。 图3 缶触觉再现机械装置实物图 从图上可以看出，我们在压紧装置上安装了2 个限位开关，分别用于左、右螺母间距离极小和 极大这两种极限情况的安全保护。距离极小限位开关的作用主要是防止电机失控等原因造成左、右 螺母碰撞带来的机械损伤以及电机堵转；距离极大限位开关的作用一方面同上，另一方面还用于完 成系统启动时的复位操作，详见4 2 3 节。1 2 3 1 一l o 第三章触觉再现系统的硬件设计 3 2 信号采集系统 数据采集系统的基本任务是物理信号的采集或测量。系统被检测的物理信号一般可分为数字开 关量和模拟量。所谓的开关量信号，是指信号为状态信号，如我们经常用到的继电器的吸合与断开， 光电门的导通与截止，限位开关的打开与合上等。开关量信号的特点是它的电平只有两种，即高电 平和低电平对于此种信号，我们只需进行信号的放大、整形和电平转换等简单的处理，就可直接 传输给计算机系统 模拟量信号是由传感器采集得到的连续变化的值。此类信号的幅度在任何时刻都有定义。所以， 对此类信号需要进行较为复杂的处理。在进行信号放大、滤波、量化等处理过程中还要考虑到干扰 信号的抑制、转换精度等诸多因素。 2 4 2 5 | 2 6 1 基于p c 的采集系统通常由p c 机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件这几个部分组成。 3 2 1 传感器的选型与标定方法 对被测对象状态的获取。一般都离不开传感器和敏感器件，这是因为被测对象的状态参数往往 是一种非电物理量，而计算机是一个只能识别和处理电信号的数字系统因此，利用传感器将非电 物理量转换成电信号才能完成测量和控制任务阳j 。 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件。选择传感器的总的原则是：在 传感器的性能指标满足所有技术要求的情况下，成本低廉、工作可靠和容易维修，即所谓性能价格 比要高。其中，在选择传感器时，最重要的是要满足其功能要求，传感器的性能指标主要包括： ( 1 )线性度 线性度又称非线性，是表征传感器输出输入校准曲线与所选定的拟合直线( 作为工作直线) 之 间的吻合( 或偏离) 程度的指标通常用相对误差来表示线性度或非线性误差。 ( 2 ) 灵敏度 灵敏度是指传感器输出量增量与输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率。 ( 3 ) 分辨力 分辨力是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量，有时用该值相对满 量程输入值的百分比表示，则称为分辨率 ( 4 ) 重复性 重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特 性曲线问一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好 ( 5 ) 漂移 漂移是指在一定的时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂 移包括零点漂移和灵敏度漂移零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移( 时漂) 和温度漂移( 温 漂) 。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随着时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点 或灵敏度漂移。 在本系统中我们主要用到了2 种传感器，一种是用来测量弹性梁中点处所受压力的力传感器， 另一种是用来测量弹性粱中点处位移( 形变) 的位移传感器。 由于触觉再现系统中所需的力传感器必须安装在触觉感知棒底端，所以必须具备体积小、精度 高、稳定性好等特点。我们选择的是由霍尼韦尔公司生产的f s s l 5 0 0 力传感器( 如图3 7 所示) 。 f s s 系列传感器具有紧密可靠的力传感性能。该传感器的特点是使用专门设计的精制压敏电阻硅传 感元件，并具有小功率、无放大、无补偿的惠斯顿电桥电路设计，可 在量程范围内提供稳定的毫伏级输出口q 。 力传感器的基本工作原理是埋入硅片的压电电阻，在其受到任何 外力而绕曲时，其阻值都会增加。该传感器通过不锈钢球，将施加的 力直接集中到硅微传感元件上，电阻值的变化是随着施加力的大小而 成比例的变化电路电阻的变化引起输出的电压也作相应的变化 图3 7f s s i s 0 0 力传感器 一l l 东南大学硕士学位论文 传感器的设计采用了创新的弹性技术工艺和模制的工程塑料，使过载力大小可达4 5 ，5 5 k g 不 锈钢球提供了极佳的机械稳定性，使得它适用于医疗、机器人、线焊等多种场合f s s 传感器在5 0 时，故障平均周期( m c t f ) 的可靠操作次数达到2 千万次。该传感器可以方便地安装在各种电 气接头、印制电路板上面。 f s s 传感器的一些主要的工作特性如下表所示： 表3 1f s s l 5 0 0 力传感器工作特性( 2 5 ，工作电压为5 0 - t - o 0 1 v d c 时) ；棼i ， 4 “ 最小馕。墓。典塑鬣i 纛： ：鬣太巍一一。 + 攀域纛。纛：鬟 零位偏置 1 5o + 1 5m v 工作范围 o1 5 0 0 g 灵敏度 0 1o 1 2o 1 4 m v g 线性度 0 1 5 量程 重复精度( 3 0 0 9 时) l o g 分辨力 o 0 1 g 过载力4 5 0 0 g 位移传感器我们选用的是上海天尧公司生产的w d l 2 5 直线式导电塑料电位器( 图3 8 ) 导电 塑料电位器是一种输出电压与直线位移成线性关系的非绕线电位器，其特点是精度高、寿命长、输 出平滑性好可用作位置反馈，位置检测、电平调节等，是一种理想的直线位移传感器。这种电位 器结构主要由电阻元件、轴，电刷、壳体、盖等组成，它的电信号引出采用标准航空接头形式( 接 头：y 4 - 4 t k z j b ；标准：q a 0 1 0 0 - 8 2 ) 。 表3 - 2w d l 2 5 导电塑料电位器的主要参数 麓菇一雾蕺三基。i 纛镦纛i 薹鏊攀固 标称阻值2k q 灵敏度2 0 0m v m m 线性度o 3量程 最大行程2 5 1m m 分辨力o o o l 零点漂移 0 0 1 量程 寿命3 0 0 万次 图3 8w d l 2 5 直线式导电塑料电位器 w d l 2 5 直线式导电塑料电位器的主 要参数如表3 - 2 所示 对传感器进行标定是传感器测量之前 的重要一环，通过标定能有效地提高传感 器的测量精度通常，标定是指在明确传感器的输出与输入变换对应关系的前提下，利用某种标准 或标准器具对传感器进行标度。 标定的基本方法是，利用标准仪器产生已知的非电量( 如标准力、压力、位移等1 ，作为输入量， 输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或 曲线。有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得，这时的标定实质上是待标定传感器与标 准传感器之间的比较。 针对触觉再现装置中的传感器设计的标定系统由以下几部分组成： 1 被测非电量的标准发生器砝码，游标卡尺 2 被测非电量的标准测试系统力传感器、位移传感器。 3 高精度万用表。 标定力传感器和位移传感器的过程如下： 1 将力传感器和位移传感器牢固安装在触觉再现系统机械装置上，传感器输出端与信号调理电 路板输入端相连。 2 以力传感器满量程( 1 5 0 0 9 ) 为基准，将其量程平均分成1 5 个标点，砝码加载在图3 3 中所 示的连接板上。 一1 2 一 第三章触觉再现系统的硬件设计 3 信号调理电路接上电源，逐渐加载至满载后再逐渐卸载至0 ，同时用万用表测量信号调理电 路板上力传感器输出值、位移传感器输出值，用游标卡尺测量触觉感知棒的位移( 即连接板的位移) ， 并把这些测量到的值记录下来将上述过程重复3 次，取得3 组标定原始数据供分析计算 4 记砝码的重量为x f ，力传感器的输出为y ；，触觉感知棒的位移为x p ，位移传感器的输出 为y p 用平均选点法求出x f 与y v ，) ( p 与y p 之间的回归直线方程。 具体计算过程这里就不再赘述了 3 2 2 信号调理电路的设计 力传感器工作原理图如图3 - 9 所示，需要注意的是： ( 1 ) 传感器工作电压典型值为5 v d c ，最大值为1 2 v d c ， 电源施加在力传感器引脚l 和引脚3 之间。 ( 2 )传感器输出是通过测量引脚2 和引脚4 之间的压差 ( v 尹v 2 - v 4 ) 确定的。输出是与供电电压成比例的， 供电电压的漂移会造成输出漂移。引脚2 和引脚4 不能连接到接地或供电电压上。 下面介绍f s s l 5 0 0 力传感器的信号调理电路，见图3 1 0 。 蚪 图3 - 9 力传感器工作原理图 图3 - 1 0 力传感器信号调理电路 该电路采用差分方式，可以有效抑制一些共模误差。采用两级运放电路，u i 、u 3 、u 4 放在第 一级，可以将一些误差隔离开，使它们不会影响到第二级放大级；放大器u 2 放在第二级，用作单 增益加法放大器。另外，采用两级运放电路的优点是可以起到很好的阻抗匹配作用。这是因为对于 最重要的第二级放大级来说，由于前面一级运放的输出阻抗是恒定的，它的输入阻抗也就是恒定的， 这样不管输入端阻抗如何变化，第二级的输入阻抗保持不变。 关于这个电路的计算如下： 百v , - v j = 孚圪置，见 1 心+ 置，匕+ ：= - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - - 一= = - - - - - - - - - - - - 二- 一1 3 一 风+ 局5 2 东南大学硕士学位论文 兰二旦：兰 旦j 矿：匕墨垦垦：兰i 旦 最r i 4 r + 置 2 j 圪= + ( 一巧) ( 3 - 1 ) ! ， 兰：堡当：! 益 心墨垦 j 巧2 鲁( m巧卟砉( ) j 吩巧+ 毒( ) + 冬( 纠) = 半( ) 将式( 3 - 2 ) 带入式( 3 - 1 ) 得： 匕= + 等( v 2 椰 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 其中，o 是整个电路的参考电压，它由电位器彤来调节；整个电路的增益是通过电位器岛 来调节的。 图3 1 l 位移传感器信号调理电路 w d l 2 5 直线式导电塑料电位器的信号调理电路如图3 1 l 所示。这是一个简单的放大电路，其 输入与输出的关系是： = c 糕 1 4 ( 3 4 ) 第三章触觉再现系统的硬件设计 其中，墨。是可以调节的 3 2 3 数据采集卡选型 在使用数据采集卡的时候，操作的对象主要就是模拟量输入，输出，数字量输入，输出。在选型 时，数据采集板卡的一些参数必须符合我们输入输出的模拟量、数字量的要求。 ( 1 ) 模拟量 对于模拟量，工程中通常会对如下的一些参数比较关注：输入模式( 单端输入或者差分输入) 、 分辨率、输入范围、采样速率、精度和噪声等。 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号电平较高( 大于1 v ) 、信号源 与采集端之间的距离较短( 小于5 m ) ，并且所有输入信号有一个公共接地端的情况。如果不能满足上 述条件，则需要使用差分输入。在差分输入方式下，每个输入信号可以有不同的接地参考点，并且 由于消除了共模噪声的误差，差分输入模式下的精度较高。 输入范围是指数据采集卡能够量化处理的最大、最小输入电压值。分辨率是指a d 转换所使用的 数字位数。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。增益表示输 入信号放大或缩小的倍数。输入范围、分辨率以及增益共同决定了输入信号可识别的最小模拟变化 量。此最小模拟变化量通常