一種三維力反饋手控器*

吳劍鋒，宋愛國，李建清

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)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(guān)節(jié)和肌肉得到的運(yùn)動(dòng)知覺，這種知覺能提供力、速度、位移等信息。力觸覺在現(xiàn)實(shí)中運(yùn)用非常廣泛，在醫(yī)療、商業(yè)、教育、娛樂、軍事方面都可以有相當(dāng)大的運(yùn)用前景。力觸覺感知裝置能與視覺顯示設(shè)備相配合，構(gòu)建力覺感知虛擬環(huán)境交互仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為人類提供力觸覺感知訓(xùn)練，也可以與遠(yuǎn)程裝置相配合，幫助人類實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程未知環(huán)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(nèi)外對觸覺感知裝置的研究已取得一定的進(jìn)展?，F(xiàn)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(tài)和物體形狀的感知裝置，功能都較為單一。手控器作為人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備而被廣泛研究［5-12］，其可以模擬與從機(jī)械手相作用的真實(shí)世界的一些力學(xué)特性，如重量、硬度、紋理、柔順性等，因此手控器對復(fù)合觸覺感知裝置的研制具有重要的意義［13～16］。

本文設(shè)計(jì)了一種具有USB接口的三維力反饋手控器，可實(shí)現(xiàn)物體形狀觸覺和柔性觸覺感知再現(xiàn)，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(shè)計(jì)

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(jī)械機(jī)構(gòu)、直流伺服電機(jī)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(jī)械機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，電機(jī)用來控制力矩輸出，光電編碼器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行信息測量，控制箱內(nèi)有電源、測控電路等，支架用于支撐整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，配重塊用于保持機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)及其配套的光電編碼器，手控器通過電機(jī)編碼器獲取人手運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(yīng)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度。光電編碼器通過A、A、B、B差動(dòng)編碼信號輸出來標(biāo)識電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向和角度，有了差動(dòng)信號可以在一定程度上避免碼盤邊緣抖動(dòng)導(dǎo)致的干擾，我們采用75LBC175接收芯片將差動(dòng)信號A、A、B、B轉(zhuǎn)換為A、B兩路信號，采用單片機(jī)對兩路信號的相位進(jìn)行計(jì)數(shù)得到光電編碼器的狀態(tài)。

表1列出了各種狀態(tài)下的計(jì)數(shù)動(dòng)作。當(dāng)AB線上的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用A'B'表示變化前的原始信號狀態(tài)，AB表示當(dāng)前的信號狀態(tài)，方向標(biāo)志表示碼盤的轉(zhuǎn)向，計(jì)數(shù)用+-符號表示加減。采用的計(jì)數(shù)方法僅在AB線上有狀態(tài)變化時(shí)計(jì)數(shù)，通過分析編碼信號的狀態(tài)可知，僅處理表1中的無陰影部分就可以得到所需要的結(jié)果。為了標(biāo)識手控器的原始位置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)歸零按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)所有計(jì)數(shù)值歸零，并以當(dāng)前狀態(tài)開始計(jì)數(shù)。

表1 光電編碼單片機(jī)計(jì)數(shù)方法表

通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制手控器的三維輸出，無阻力時(shí)可以控制運(yùn)動(dòng)速度和加速度，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)可以等效為控制輸出力矩，需要注意的是電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)間不能太長，過長時(shí)間的堵轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致電機(jī)損壞。為實(shí)現(xiàn)反饋控制，需要檢測每個(gè)電機(jī)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(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其具有12 bit AD轉(zhuǎn)換精度，100 ksps的轉(zhuǎn)換速率，從而能保證每個(gè)通道10 ksps以上的轉(zhuǎn)換速率。采用了2片MCP3204可以同時(shí)進(jìn)行兩路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和讀取，從而提高轉(zhuǎn)換部分的最大轉(zhuǎn)換速率和減少M(fèi)CU的串行讀取時(shí)間。

采用TLV5630作為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的芯片，其具有12 bit DA轉(zhuǎn)換精度數(shù)，最快建立時(shí)間小于1 μs，而且通過其LDAC引腳可以實(shí)現(xiàn)各路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的同步輸出。

在為保證系統(tǒng)可靠性，對輸入輸出數(shù)字信號進(jìn)行了光電隔離。由于串行口上下行數(shù)據(jù)帶寬有限，特別是現(xiàn)有新型計(jì)算機(jī)筆記本計(jì)算機(jī)大多不帶有串口，采用USB接口可以方便通用計(jì)算機(jī)控制，同時(shí)可極大提高數(shù)據(jù)通訊速率。所以為保證PC機(jī)上下行控制信號的實(shí)時(shí)性，采用一片自帶USB接口的C8051F340負(fù)責(zé)將編碼和反饋信息通過USB接口連接到PC，同時(shí)接收PC機(jī)下傳的輸出控制信息，用一個(gè)輸出51單片機(jī)專門負(fù)責(zé)模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換和編碼器的編碼采集控制，另用一個(gè)輸入51單片機(jī)負(fù)責(zé)多路數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換輸出，在兩個(gè)單片機(jī)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(kuò)展性，總共設(shè)計(jì)了八路控制通道，每路都具有一個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換通道、一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換通道和一個(gè)電機(jī)編碼通道，對應(yīng)所設(shè)計(jì)的力反饋手控器的三個(gè)方向只采用了三路控制通道。為了驗(yàn)證手控器的觸覺感知再現(xiàn)功能，本文設(shè)計(jì)了基于手控器的虛擬環(huán)境有限空間彈性球運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2 虛擬環(huán)境有限空間彈性球運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M一個(gè)彈性球在有限剛性空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的受力情況，彈性球的模型如如圖3(a)所示。當(dāng)球體位于空腔內(nèi)時(shí)，球體不受任何力的約束而自由運(yùn)動(dòng)，在手控器上的無反饋力作用;當(dāng)球體與腔體內(nèi)表面接觸，而繼續(xù)向腔體內(nèi)表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，球體受腔體表面的支持力作用，自身發(fā)生變形，此時(shí)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(nèi)表面對球體作用力的大小和方向如圖3(b)所示。虛擬環(huán)境采用OPENGL完成，操作人員可在虛擬環(huán)境中通過手控器控制彈性球運(yùn)動(dòng)，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(dāng)前所處位置。

圖3 虛擬環(huán)境有限空間彈性球運(yùn)動(dòng)模型及受力分析圖

圖4為虛擬環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)圖，當(dāng)彈性球體處于三維空間的右后方時(shí)，受到后側(cè)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(jìn)行簡單變換可模擬剛體球在有限彈性壁空腔運(yùn)動(dòng)，此時(shí)剛體球可視一個(gè)剛體，受力無形變，而空腔的彈性壁受到剛性球的擠壓發(fā)生變形產(chǎn)生支持力。

圖4 虛擬環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

三維力反饋手控器樣機(jī)整體圖如圖5所示，操作人員通過手控器的把手操作。經(jīng)江蘇省計(jì)量院測試表明:所設(shè)計(jì)的三維力反饋手控器樣機(jī)力反饋至少能達(dá)到20 N，位移范圍大于150 mm×150 mm×150 mm，具有形狀觸覺再現(xiàn)、紋理觸覺再現(xiàn)、柔性力觸覺再現(xiàn)三種功能。

圖5 完成系統(tǒng)圖

4 結(jié)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(jī)驅(qū)動(dòng)器控三維制手控器的輸出，用電機(jī)編碼器獲取人手的三維運(yùn)動(dòng)編碼信息，采用USB接口以方便上下行控制數(shù)據(jù)的通信。測試及試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的手控器能滿足力觸覺再現(xiàn)的需要，性能良好。

［1］Bliss J C，Katcher M H，Rogers C H，et al.Optical-to-tactile Image Conversion for the Blind［J］.IEEE Trans.Man-Machine Systems，1970，11(1):58-65.

［2］Minagawa H，Ohnishi N，Sugie N.Tactile-Audio Diagram for Blind Persons［J］.IEEE Trans.on Rehabilitation Engineering，1996，4:431-437.

［3］Hiroyuki Shinoda，Naoya Asamura，Nozomu Yokoyama.Selectively Stimulating Skin Receptors for Tactile Display［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，1998，18(6):32-37.

［4］Zelek J S.Seeing by Touch(Haptics)for Wayfinding:Elsevier International Congress Series［C］//London，2005:1108-1112.

［5］崔建偉.力覺臨場感系統(tǒng)中的異構(gòu)式手控器設(shè)計(jì)［D］:［博士學(xué)位論文］.南京:東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，2004.

［6］Kim S Y.Medical Simulation with Haptic and Graphic Feedback［M］.Lecture Notes in Computer Science.Heidelberg:Springer，2006，4091:171-178.

［7］Kim S Y，Kim K Y.Interactive Racing Game with Graphic and Haptic Feedback［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop Haptic and Audio Interaction Design，Seoul，2007，4813:69-77.

［8］Wang P，Becker A A，Jones I A，et al.Virtual Reality Simulation of Surgery with Haptic Feedback Based on the Boundary Element Method ［J］. Computers＆Structures， 2007， 85(7/8):331-339.

［9］Galoppo N，Tekin S，Otaduy M A，et al.Interactive Haptic Rendering of High-Resolution Deformable Objects［C］//Proceedings of t he 2nd International Conference on Virtual Reality，Beijing，2007:215-223.

［10］Lee H P，Lin M C，F(xiàn)oskey M.Physically2based Validation of Deformable Medical Image Registration［C］//Proceedings of the 11th International Conference Medical Image Computing and Computer-Assisted，New York，2008:830-838.

［11］Zhang X R，Song A G，Sun W.A Novel Parallel Rhombus-Chain-Connected Model for Real-Time Softness Haptic Rendering［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，Bangkok，2008，2:1038-1042.

［12］黃繼偉，黃惟一，王愛民.感知機(jī)器人夾持器設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，16(4):397-400.

［13］祝欽，宋愛國，李建清.實(shí)時(shí)觸覺再現(xiàn)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(4):814-817.

［14］黃英，明小慧，向蓓.一種新型機(jī)器人三維力柔性觸覺傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(10):1695-1699.

［15］徐菲，黃英，丁俊香.一種新型三維力柔性陣列觸覺傳感器研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(11):1542-1546.

［16］鄒垂國，宋愛國，吳涓.基于DELTA手控器的紋理的力觸覺表達(dá)方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(11):2310-2314.