桌面型觸感交互裝置的構(gòu)建與控制

王珺，宋文忠，帥雙輝

（1.金陵科技學(xué)院機電學(xué)院，江蘇南京211169;2.第二炮兵駐柳州地區(qū)軍代室，廣西柳州545012;3.第二炮兵駐1002廠軍代室，江蘇南京 210013）

0 引言

靈巧型觸感交互裝置無論在理論上，還是在工程上都有著重要的作用，對它的研究，顯得十分迫切。靈巧型觸感交互裝置從結(jié)構(gòu)上分為穿戴型和桌面型，這兩種類型各有優(yōu)缺點。穿戴型觸感交互裝置具有符合人手結(jié)構(gòu)的支撐骨架，外形與人手相似，像一個手套，使用時佩戴在手背上，它的優(yōu)點是可以直觀的進(jìn)行物體的抓取等操作，但是需要操作者承擔(dān)裝置自身的質(zhì)量，且無法感知抓持對象的質(zhì)量以及抓取時的反饋力。桌面型觸感交互裝置則解決了這一問題，通常放置在桌面上，或是有獨立的支撐機構(gòu)，傳感器有較大的放置空間，在結(jié)構(gòu)上不受人手的限制。但工作空間有限，難以靈活操作，往往隨著自由度的增加而變的龐大和復(fù)雜。

為了實現(xiàn)靈巧型觸感交互裝置的運動位姿測量和力觸覺反饋這兩大主要功能，結(jié)合穿戴型主手和桌面型主手的各自的特點，本文構(gòu)建了一種桌面型觸感交互裝置，該裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，具有和人手相似的結(jié)構(gòu)，控制方便，在進(jìn)行觸碰或者抓握物體時能夠感受到反饋力。

1 桌面型觸感交互裝置的構(gòu)建

針對桌面型和穿戴型這兩種結(jié)構(gòu)的主操作手的特點進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出一種桌面型觸感交互裝置，使其既具備力反饋功能，又有比較緊湊的結(jié)構(gòu)空間。該裝置一共有5個手指，有著與人手相同的結(jié)構(gòu)，便于操縱和控制。在Pro/E軟件中對觸感交互裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計時應(yīng)該注意的條件是，在達(dá)到觸感交互裝置的性能要求的前提下，其結(jié)構(gòu)需要盡量滿足控制簡便、安全可靠、經(jīng)濟合理、外形美觀等要求，并且盡量減小體積，減輕質(zhì)量，提高效率。最終確定的裝置的外形如圖1所示。桌面型觸感交互裝置的機械本體尺寸為:總長 193.8mm，總寬215.83 mm，總高88 mm。

圖1 鼠標(biāo)形桌面主操作手的機械模型

觸感交互裝置采用了桌面型結(jié)構(gòu)，使用觸感交互裝置操作時，與平時使用鼠標(biāo)相似，整個手掌覆蓋在裝置上，進(jìn)行抓握和觸摸等活動。該觸感交互裝置共有15個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的抓取和感知物體表面材質(zhì)的功能。裝置有力反饋結(jié)構(gòu)，在抓取物體過程中能夠?qū)⒎醋饔昧Φ拇笮》答伣o操作者，一般作為從手的靈巧手，每個手指的承載能力最大為4 N，相應(yīng)地，本裝置也能夠提供4 N的反饋力。在觸感交互裝置上安裝有旋轉(zhuǎn)電位計，可以測量操作者手指的各個關(guān)節(jié)在運動時轉(zhuǎn)過的角度，實時的把手指的位置姿態(tài)信息傳達(dá)給從手。

綜上所述，本文設(shè)計出的桌面型觸感交互裝置具有以下特點:

1）本裝置有著類似鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形，在工作時，符合現(xiàn)代人的操作習(xí)慣，使用舒適輕便;桌面型的結(jié)構(gòu)使得操作者無需承擔(dān)裝置的自重，在采用電動機等驅(qū)動裝置進(jìn)行力反饋驅(qū)動或進(jìn)行其他功能擴展時，不會因為裝置質(zhì)量的增加而影響操作者手指的正常運動。

2）設(shè)計的桌面型觸感交互裝置具有創(chuàng)新性，是由結(jié)構(gòu)獨立的5個手指以及連接組件構(gòu)成的，布局與人手相似，操作方便。仿人手的5個手指的結(jié)構(gòu)，簡化了觸感交互裝置和從手間的映射關(guān)系。

3）人手在運動時，通過本裝置可以采集到5個手指的各自的4個自由度，可以實現(xiàn)將操作者的手指的位置姿態(tài)準(zhǔn)確的傳遞給從手靈巧手。本裝置具有力反饋系統(tǒng)，增強了操作者在使用觸感交互裝置的沉浸感。力反饋和位置反饋結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)實時控制。

為了驗證觸感交互裝置的功能特性，在工程軟件造型的基礎(chǔ)上，同時進(jìn)行物理樣機的制作。一般用于結(jié)構(gòu)制作的材料選擇金屬材料，為了滿足足夠的強度和剛度的要求，主要材料可以選用各種碳鋼和鋁合金［1］。由于桌面型觸感交互裝置負(fù)載小，要求其自重輕，對壽命的要求不高，因此選擇鋁合金作為主要的加工材料，可以使觸感交互裝置的整體質(zhì)量保證在一個合理的范圍內(nèi)，并且可以降低制作成本。

2 桌面型觸感交互裝置的傳感和驅(qū)動系統(tǒng)

2.1 位置傳感器

根據(jù)桌面型觸感交互裝置的具體結(jié)構(gòu)，為了將操作者的手指的位置姿態(tài)信息準(zhǔn)確傳遞給從手靈巧手，需要測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度，因此需要用到角位移傳感器。

在桌面型觸感交互裝置中，具體選用的是村田制作所的SV01A型旋轉(zhuǎn)位置傳感器。因為觸感交互裝置上的傳感器是安裝在位于兩支架間的轉(zhuǎn)軸和指尖結(jié)構(gòu)的橫向滾輪和豎向滾輪處，指尖結(jié)構(gòu)處的用于固定兩滾輪的定位壁尺寸很小，為11 mm×12 mm，因此要求選用的傳感器體積盡量小。SV01A型旋轉(zhuǎn)位置傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，測量精度高，安裝方便。傳感器的高度為12 mm，寬11 mm，厚度僅有2.1 mm，其外形如圖2所示。

圖2 SV01A型旋轉(zhuǎn)位置傳感器

該傳感器使用方便，不需要搭建特殊的測量電路來將電阻的變化轉(zhuǎn)化成電信號，可以直接對傳感器的輸出引腳的信號進(jìn)行檢測和分析。圖中引腳1為地，引腳3為電源輸入，引腳2是輸出。

SV01A型旋轉(zhuǎn)位置傳感器非常薄，厚度僅為2.1 mm。使用壽命長，這是因為使用了優(yōu)良的電阻材料和高可靠性的滑動片，有效轉(zhuǎn)角為333.3°，有1 M的旋轉(zhuǎn)壽命。測量的角位移和輸出電壓在一定范圍內(nèi)有高度的線性關(guān)系，如圖3所示。在電壓比率為50%處，順時針逆時針旋轉(zhuǎn)160°，在這一范圍內(nèi)，能夠保證輸出的線性。

圖3 SV01A型傳感器輸出線性保證范圍

2.2 譯碼電路

本文采用由Tekscan公司生產(chǎn)的撓性壓力傳感器Flexiforce Sensor進(jìn)行力的測試。該傳感器屬于薄片式傳感器，外形如圖4所示。Flexiforce傳感器本身非常薄，柔韌性強，具有可撓性，能夠測量幾乎所有接觸面之間的壓力，線性好，滯后性小，漂移小，在溫度靈敏度方面也具有十分優(yōu)良的特性。

圖4 撓性壓力傳感器外觀

Flexiforce Sensor屬于壓阻效應(yīng)的應(yīng)變式測力傳感器，在傳感器的前端大約直徑為9 mm左右的圓形區(qū)域，是其測力的感測區(qū)域。在沒有負(fù)載的情況下，電阻值非常大（約20 MΩ）。隨著負(fù)載的增加，電阻值開始下降。末端輸出的三只插腳則可適用于一般的面包板或三孔插座使用。根據(jù)不同負(fù)載時產(chǎn)生的電阻變化，配合使用如圖5所示的電路，轉(zhuǎn)換成電壓變化。

圖5 應(yīng)變式測力傳感器轉(zhuǎn)換電路

在無負(fù)載情況下輸出為0 V，在0.4 kg/g時，輸出為2.25 V，輸出電壓與負(fù)載呈現(xiàn)高度的線性關(guān)系。經(jīng)過試驗，得到電壓－負(fù)載關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)變式測力傳感器電壓－負(fù)載關(guān)系圖

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動技術(shù)是機器人的動力源，它決定著機器人的整體的運行性能［2］。無論哪類伺服機構(gòu)，用于機器人的驅(qū)動裝置，有著如下要求:效率高，輸出功率大，體積小，質(zhì)量輕;運行平穩(wěn)，盡量不產(chǎn)生沖擊或抖動;滯后小，反應(yīng)速度快，控制靈活，慣量小，位移偏差和速度偏差小;可靠安全，操作和維護簡單;對環(huán)境污染小，噪聲小，以及成本低廉;應(yīng)能夠與光電碼盤、測速機和制動機構(gòu)等組裝成一體，使用方便。

本文設(shè)計的桌面型觸感交互裝置采用電驅(qū)動方式進(jìn)行驅(qū)動?？紤]來自從手靈巧手的反饋力最大為4 N，而且在觸感交互裝置的裝置中有限位軸可以保護操作者的使用安全，感受指尖正壓力的力反饋系統(tǒng)采用主動式力反饋結(jié)構(gòu)，主動式力反饋結(jié)構(gòu)對力的靈活控制成為選用該結(jié)構(gòu)的理由，這里選用電動機作為驅(qū)動器。在感受材質(zhì)表面粗糙程度的指尖機構(gòu)，則采用被動式力反饋結(jié)構(gòu)的電磁鐵作為驅(qū)動器。

3 桌面型觸感交互裝置的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)相當(dāng)于機器人的大腦，是機器人的神經(jīng)中樞。機器人的控制算法和運動策略正是通過控制系統(tǒng)才得以實現(xiàn)的，控制系統(tǒng)對各種信息進(jìn)行綜合處理，協(xié)調(diào)各個檢測部件和執(zhí)行部件的運行。在整個控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)處于核心位置，其工作性能的好壞決定了機器人的性能［3］。桌面型觸感交互裝置的控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下兩大功能:實現(xiàn)對操作者手指的位置姿態(tài)信息的采集與處理;實現(xiàn)對驅(qū)動器的有效控制，將從手靈巧手與環(huán)境作用產(chǎn)生的力信息反饋給操作者。

桌面型觸感交互裝置的控制系統(tǒng)主要分為以下幾個部分:控制器開發(fā)板電路，直流電動機控制電路，DA轉(zhuǎn)換電路，采樣電路，力傳感器的輔助電路。其中，控制器開發(fā)板直接220 V的交流電源;直流電動機接30 V的直流電源，直流電動機驅(qū)動電路接±9 V直流電源;采樣電路和DA轉(zhuǎn)換電路需要5 V直流電源，力觸感器的輔助電路接±9 V直流電源。根據(jù)這些電路的需求，仿真器和直流電機的電源另外考慮，其余電路統(tǒng)一使用±9 V的直流，并通過三端穩(wěn)壓塊7809，7909，7805來實現(xiàn)，，電源電路如圖7所示。

圖7 主操作手的電源電路

在設(shè)計中要求直流電動機將靈巧手感受到的力的大小轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵?，反饋給操作者。而直流電動機的扭矩與電流有非常好的線性關(guān)系，所以對直流伺服電機的控制就可以采用恒流源電路，如圖8所示。

圖8 恒流源電路

為了驗證該電路對直流電動機的控制效果，在觸感交互裝置的折形擺桿的前端用測力傳感器代替圓球，操作者的指尖由放在圓球上改為放在力傳感器前端的圓形區(qū)域。DSP發(fā)指令使恒流源的輸入電壓Vin從03 V之間變化，帶動電動機旋轉(zhuǎn)，操作者保持折形擺桿的前端處于初始的水平位置，此時力傳感器會測出指尖的力。圖為恒流源的輸入電壓Vin與力傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系。從圖中可以看出，使用該恒流源電路作為直流電動機的驅(qū)動電路，可以滿足桌面型觸感交互裝置的要求。

圖9 力反饋實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

對桌面型觸感交互裝置的設(shè)計和制作的過程，是一個將機械、電子、傳感技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)，以及電路搭建等方面的知識進(jìn)行整合，加深認(rèn)識的過程。靈巧手觸感交互裝置的開發(fā)是一個循序漸進(jìn)的過程，需要大量的時間和人力不斷進(jìn)行試驗和改進(jìn)。所研制的桌面型觸感交互裝置樣機，其性能雖然基本達(dá)到了預(yù)期的效果，但是尚有許多地方需要進(jìn)一步完善。當(dāng)然，本文中的觸感交互裝置只是一個實驗樣機，若要使之能夠適應(yīng)工業(yè)機器人的要求，具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，還需要解決眾多的實際問題。

［1］戈登·麥庫姆.機器人本體制作指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:25-54.

［2］龔振邦.機器人機械設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1995:30-59.

［3］劉杰，張玉茹，劉博.人手到靈巧手的運動映射實現(xiàn)［J］.機器人，2003，25（5）:444-451.