技术领域
[0001] 本
发明涉及机电控制领域，具体地，涉及一种主端介入力觉临场感变阻尼控制系统。
背景技术
[0002] 主从遥操作技术近年来不断发展与应用，通过将人在主端的操作和决策发送至从端，从端
机器人按照主端控制方式实现运动和作业，越来越多的应用于一些高危、复杂、强
辐射等特殊环境下的作业，大大提高安全性。目前，主从遥操作技术已经越来越多的应用于医疗机器人领域，医生可以在远端操作主端控制系统完成手术，大大减轻了负担，避免了长期的辐射，还可通过主端控制系统实现复杂手术的学习培训，节省经济成本，减少了对时间地点的限制。
[0003] 主端操作通常依赖于从端反馈的视觉、
位置信息进行操作，而如果缺乏
力反馈信息，往往导致从端目标物受损或
机械臂受损，甚至出现危险，例如在医疗血管介入手术方面，缺乏力觉临场感会造成极大的手术
风险，因此力觉临场感在主从遥操作中显得尤为重要，实现主端的力觉临场感是一个难点。通过改变阻尼主端操作阻尼，极大增强了主端力觉临场感，实现准确的从端控制与规划，也便于掌握不同受力状况下的力觉感受，极大改善了复杂作业的培训方式。
[0004] 经检索，公开号为105662588A，103976765A的中国发明
专利，均为主从式血管介入远程
操作系统。两者均采用直线
导轨，前者通过
手柄实现两
自由度操作，只对轴向力进行反馈；后者虽然实现轴向与
扭矩的力觉反馈，但结构复杂，行程有限。
[0005] 因此，目前急需一种结构简单力觉反馈系统。
发明内容
[0006] 针对
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种主端介入力觉临场感变阻尼控制系统，通过变阻尼的线性控制，能够实时调整阻力和阻力矩，使操作者能够获得真实、准确的力觉临场感。
[0007] 根据本发明提供一种主端介入力觉临场感变阻尼控制系统，所述系统包括机械装置和控
制模块，其中：所述机械装置包括平动装置和转动装置，分别实现平动自由度和转动自由度；
[0008] 所述
控制模块包括控制板、驱动模块、第一阻尼发生器、第二阻尼发生器、第一
编码器、第二编码器；
[0009] 所述第一阻尼发生器连接所述平动装置，并与所述平动装置实现同步运动，通过调整所述第一阻尼发生器的旋转阻尼，改变所述平动装置的阻力大小；所述第一编码器连接所述第一阻尼发生器，并与所述平动装置实现同步运动，通过所述第一编码器反映所述平动装置移动的位置和/或线速度信息；
[0010] 所述第二阻尼发生器连接所述转动装置，并与所述转动装置实现同步转动，通过调整所述第二阻尼发生器的旋转阻尼，改变所述转动装置的阻力矩；所述第二编码器连接所述第二阻尼发生器，并与所述旋转装置实现同步转动，通过所述第二编码器反映所述旋转装置转动的
角度和/或
角速度信息；
[0011] 所述控制板与从端实现信息交互，所述控制板采集所述第一编码器、所述第二编码器反映的移动、转动的位置和/或速度信息
信号，并将采集的所述
信号传输至所述从端，从而实现所述从端的平动和/或转动，所述从端的平动和/或转动中所受阻力和阻力矩的力反馈信息发送回所述控制板；所述控制板根据接收所述从端的所述力反馈信息调整信号输出值大小，使所述驱动模块改变所述第一阻尼发生器和/或所述第二阻尼发生器的阻尼，从而改变所述平动装置的拉动的阻力和/或所述旋转装置转动的阻力矩，使主端操作中实现力觉临场感。
[0012] 本发明中，所述机械装置实现平动自由度和转动自由度，分别由所述第一阻尼发生器和所述第二阻尼发生器实现运动的阻尼变化，从而改变平动和转动的阻力和阻力转矩。所述控制板实现第一编码器和所述第二编码器信号采集、所述第一阻尼发生器和所述第二阻尼发生器变阻尼控制和与上位机通讯的功能。
[0013] 优选地，所述平动装置包括操作绳、主动绳轮、从动绳轮、第一张紧轮和第二张紧轮，其中，所述主动绳轮和所述从动绳轮分别设置于两端，所述操作绳绕于所述主动绳轮和所述从动绳轮，通过所述第一张紧轮和所述第二张紧轮使所述操作绳张紧，通过拉动所述操作绳实现平动自由度。
[0014] 优选地，所述转动装置包括旋
转轴、主动锥
齿轮、从动
锥齿轮、第三
轴承和弹性挡圈，其中，所述主动锥齿轮与所述
旋转轴相连并同步旋转，且与所述从动锥齿轮
啮合，将动力传入装置内，所述旋转轴与第三轴承相连，通过转动所述旋转轴的轴端实现转动自由度。
[0015] 优选地，所述旋转轴为中空结构，所述操作绳穿过内部，使平动和转动运动不互相干预。
[0016] 优选地，所述第一阻尼发生器通过第一阻尼器延长轴与所述主动绳轮相连，实现所述第一阻尼发生器与所述主动绳轮的同步转动，通过调整所述第一阻尼发生器的旋转阻尼，改变所述主动绳轮的旋转阻尼，改变平动过程的阻力大小。
[0017] 优选地，所述第二阻尼发生器通过第二阻尼器延长轴与所述从动锥齿轮相连实现同步转动，通过改变所述第二阻尼发生器的旋转阻尼，改变所述从动锥齿轮的旋转阻尼，从而改变所述主动锥齿轮和所述旋转轴的阻力矩。其中，所述从动锥齿轮通过
紧定螺钉与所述第二阻尼器延长轴相连。
[0018] 优选地，所述平动装置中还包括第一主动带轮、第一从动带轮、第一
同步带；所述第一阻尼发生器通过所述第一阻尼器延长轴与所述第一主动带轮相连，实现所述第一阻尼发生器与所述第一主动带轮的同步旋转；所述第一从动带轮与所述第一编码器通过第一编码器延长轴相连，通过所述第一同步带传动，从而实现所述第一编码器与所述第一主动带轮同步旋转，即所述第一编码器与所述第一阻尼发生器同步旋转，通过所述第一编码器获得平动的位置与线速度信息。
[0019] 优选地，所述转动装置中还包括第二主动带轮、第二从动带轮、第二同步带；所述第二阻尼发生器通过第二阻尼器延长轴与所述第二主动带轮相连，实现所述第二阻尼发生器与所述第二主动带轮的同步旋转；所述第二从动带轮与所述第二编码器通过第二编码器延长轴相连，通过所述第二同步带传动，从而实现所述第二编码器与所述第二主动带轮同步旋转，即所述第二编码器与所述第二阻尼发生器同步旋转，通过所述第二编码器获得旋转的角度与角速度信息。
[0020] 优选地，所述第一阻尼发生器、所述第二阻尼发生器选用
磁粉离合器或反馈
电机。磁粉离合器具有高线性度、高精确性、响应快的特点，适用于主从控制系统。
[0021] 优选地，所述系统还包括
外壳，所述平动装置、所述机械装置和所述控制装置设置于所述外壳内，所述外壳由上壳、中壳和下壳组成；更加优选地，所述上壳、所述中壳和所述下壳分别采用
螺纹连接，使整体结构对称美观，可依次拆除所述上壳和所述中壳维护内部机械与控制部分。
[0022] 优选地，所述第一阻尼发生器、所述第二阻尼发生器接连所述下壳，通过长
螺栓将第一编码器固定座、所述第一阻尼发生器和下壳凸台相连固定，实现第一编码器与第一阻尼发生器的固定。通过长螺栓将将第二编码器固定座、所述第二阻尼发生器和下壳凸台相连，实现第二编码器与第二阻尼发生器的固定，从而实现装置的整体固定。
[0023] 优选地，所述控制模块中还包括所述第一编码器固定座，所述第一编码器固定座套于所述第一阻尼发生器上，所述第一编码器通过螺栓连接第一编码器固定座，实现所述第一编码器与所述第一阻尼发生器的固定。
[0024] 优选地，所述控制模块中还包括第二编码器固定座，所述第二编码器固定座套于所述第二阻尼发生器上，所述二编码器通过螺栓连接第二编码器固定座，实现所述第二编码器与所述第二阻尼发生器的固定。
[0025] 优选地，所述中壳实现机械装置与所述控制模块的固定，所述中壳设置孔，用于电源线和信号线的走线；
[0026] 优选地，所述上壳为装置端盖，实现系统的密封。
[0027] 优选地，所述从动绳轮为上下对称结构，其中，上下部分别与上方第一轴承和下方第二轴承轴孔紧配合，下方第二轴承设置于中壳轴承槽内，上方第一轴承置于上壳轴承槽内。
[0028] 优选地，所述主动绳轮上部与第四轴承轴孔紧配合，所述第四轴承设置于上壳轴承槽内，所述主动绳轮下部通过紧定螺钉与所述第一阻尼器延长轴相连，实现与第一阻尼器延长轴相连的第一阻尼发生器同步转动。
[0029] 优选地，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮分别与张紧件轴孔配合后，并通过螺栓轴向固定；所述张紧件通过螺栓固定于中壳
槽口，通过所述操作绳的张紧程度调节所述张紧件在所述中壳槽口的位置。
[0030] 所述从动锥齿轮通过紧定螺钉与第二阻尼器延长轴相连，实现与第二阻尼器延长轴相连的第二阻尼发生器同步转动。
[0031] 优选地，所述控制板包括信号采集模块、信号输出模块和串口通讯模块，其中：
[0032] 所述串口通讯模块与上位机进行信息交互；
[0033] 所述信号采集模块用于采集所述第一编码器和所述第二编码器的位置和速度信息信号，并通过所述串口通讯模块将采集的所述信号发送至所述上位机；
[0034] 所述串口通讯模块将接收到的所述从端的反馈信息发送至所述信号输出模块；
[0035] 所述信号输出模块根据所述反馈信息改变信号输出值，实现所述第一阻尼发生器和所述第二阻尼发生器的变阻尼控制。
[0036] 优选地，所述控制模块还包括供电板，所述供电板包括稳压模块，所述供电板为所述第一阻尼发生器和所述第二阻尼发生器供电。
[0037] 本发明的工作原理如下：通过主端操作绳的平动带动主动绳轮同步旋转，通过第一阻尼器延长轴使得与之相连的第一主动带轮和第一阻尼发生器同步旋转；第一主动带轮通过第一同步带传动，实现第一编码器与第一主动带轮、第一主动绳轮同步旋转，第一编码器的位置和速度信息反映了操作绳的位置和速度信息；类似地，通过主端旋转轴的转动，带动主动锥齿轮旋转，带动与之相啮合的从动锥齿轮，进而带动转动部分的第二编码器同步旋转，第二编码器的位置和速度信息反映旋转轴的位置和速度信息；通过控制板采集平动和转动的位置和速度信息，通过串口通讯模块发送至上位机，实现从端的平动与转动；从端平动和转动中所受阻力和阻力矩发送给上位机后，通过串口通讯发送回控制板，通过调整信号输出值大小，改变平动和转动第一阻尼发生器和第二阻尼发生器的阻尼，改变操作绳拉动的阻力和旋转轴转动的阻力矩，在主端操作中实现力觉临场感。
[0038] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0039] 本发明通过变阻尼的线性控制，能够实时调整阻力和阻力矩，操作者能够获得真实、准确的力觉临场感，更加安全；轴向平动和旋转运动不相互干扰，且操作方式更接近实际从端运动，主端操作体验较优；
[0040] 操作绳和旋转轴可无限的连续拉动或转动，避免了行程有限时不断回调的不便；控制部分电源线和信号线分开走线，信号干扰小；本系统装置外形美观，机械装置、控制模块设置于外壳内部，并通过上壳封闭；整体装置的结构简单，便于加工和替换，制造成本和维护成本低。
附图说明
[0041] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0042] 图1为本发明一优选实施例的立体图；
[0043] 图2为本发明一优选实施例的剖视图；
[0044] 图3为本发明一优选实施例的控制部分原理
框图；
[0045] 图中：上壳1、中壳2、下壳3、第一轴承4、第二轴承5、从动绳轮6、从动锥齿轮7、主动锥齿轮8、第三轴承9、弹性挡圈10、旋转轴11、第一张紧轮12、张紧件13、第二张紧轮14、操作绳15、第四轴承16、主动绳轮17、第一阻尼器延长轴A18、第一同步带A19、第一主动带轮A20、第一从动带轮A21、第一编码器延长轴A22、第一编码器固定座A23、第一阻尼发生器A24、第一编码器A25、电源
接口26、MicroUSB接口27、控制板28、供电板29、第一排针30、第二排针31、第二编码器固定座B32、第二阻尼发生器B33、第二编码器B34、第二阻尼器延长轴B35、第二主动带轮B36、第二编码器延长轴B37、第二从动带轮B38、第二同步带B39、信号采集模块
40、串口通讯模块41、信号输出模块42、驱动模块43、稳压模块44、上位机45、从端46。
具体实施方式
[0046] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0047] 如图1-3所示，为本发明一优选实施例中一种主端介入力觉临场感变阻尼控制系统结构示意图，该系统包含装置外壳、机械装置部分和控制模块，其中：装置外壳包括上壳1、中壳2和下壳3三部分：下壳3与第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33相连，实现装置的整体固定；中壳2实现机械装置与控制模块的固定，中壳2设置两个走线孔，分别实现电源线和信号线的走线；上壳1为装置端盖，实现系统的密封；上壳1、中壳2和下壳3三部分采用
螺纹连接，整体结构对称美观，可依次拆除上壳1和中壳2维护内部机械装置与控制模块。
[0048] 机械装置包括平动装置和转动装置，实现平动自由度和转动自由度，其中：平动自由度通过操作绳15、主动绳轮17、从动绳轮6和第一张紧轮12、第二张紧轮14实现，主动绳轮17和从动绳轮6分别位于装置两端，操作绳15穿过旋转轴11，绕于两端的主动绳轮17和从动绳轮6，第一张紧轮12、第二张紧轮14使操作绳15张紧，通过拉动装置外部的操作绳15实现平动。
[0049] 转动自由度通过旋转轴11、主动锥齿轮8、从动锥齿轮7、第三轴承9和弹性挡圈10实现。旋转轴11为中空结构，内部穿过操作绳15，平动和转动运动不互相干预，主动锥齿轮8与旋转轴11相连同步旋转，且与从动锥齿轮7啮合，将动力传入装置内；旋转轴11与第三轴承9相连，置于中壳2轴承槽内，利用弹性挡圈10实现第三轴承9轴向固定，转动旋转轴11的轴端实现转动自由度。
[0050] 机械装置中实现平动自由度的平动装置，由第一阻尼发生器A24实现运动的阻尼变化，改变平动阻力，其中：第一阻尼发生器A24通过第一阻尼器延长轴A18与主动绳轮17相连实现同步转动，通过调整第一阻尼发生器A24的旋转阻尼，改变主动绳轮17的旋转阻尼，改变平动过程的阻力大小。
[0051] 其中，从动绳轮6为对称结构上下部分别于第一轴承4、第二轴承5轴孔紧配合，下方第二轴承5置于中壳2轴承槽内，上方第一轴承4置于上壳1轴承槽内。
[0052] 主动绳轮17上部与第四轴承16轴孔紧配合，置于上壳1轴承槽内，下部通过紧定螺钉与第一阻尼器延长轴A18相连，实现与第一阻尼器延长轴A18相连的第一阻尼发生器A24同步转动。
[0053] 第一张紧轮12、第二张紧轮14与张紧件13轴孔配合后，通过螺栓轴向固定；张紧件13与中壳2槽口通过螺栓固定，根据操作绳15的张紧程度调节张紧件13在中壳槽口的位置。
[0054] 第一阻尼发生器A24通过第一主动带轮A20、第一同步带A19和第一从动带轮A21，实现第一阻尼发生器A24和第一编码器A25的同步旋转，获得平动的位置与速度信息，实现从端46平动的位置和速度控制。
[0055] 第一主动带轮A20与第一阻尼发生器A24通过第一阻尼器延长轴A18与第一主动带轮A20相连实现同步旋转；第一从动带轮A21与第一编码器A25通过第一编码器延长轴A22相连，通过第一同步带A19传动，实现与第一主动带轮A20同步旋转，实现与主动绳轮17同步旋转。
[0056] 第一编码器A25与第一编码器固定座A23螺栓连接，第一编码器固定座A23套于第一阻尼发生器A24上，通过长螺栓将第一编码器固定座A23、第一阻尼发生器A24和下壳3凸台部分相连固定，实现第一编码器A25与第一阻尼发生器A24的固定。
[0057] 机械装置中实现转动自由度的转动装置，由第二阻尼发生器B33实现运动的阻尼变化，改变转动阻力矩，其中：第二阻尼发生器B33通过第二阻尼器延长轴B35与从动锥齿轮7相连实现同步转动，通过改变第二阻尼发生器B33的旋转阻尼，改变从动锥齿轮7的旋转阻尼，改变了主动锥齿轮8和旋转轴11的阻力矩。
[0058] 从动锥齿轮7通过紧定螺钉与第二阻尼器延长轴B35相连，实现与第二阻尼器延长轴B35相连的第二阻尼发生器B33的同步转动。
[0059] 主动锥齿轮8与旋转轴11轴孔配合，通过紧定螺钉相连，与从动锥齿轮7相啮合，实现旋转运动的动力传入。
[0060] 第二阻尼发生器B33通过第二主动带轮B36、第二同步带B39和第二从动带轮B38，实现第二阻尼发生器B33和第二编码器B34的同步旋转，获得旋转运动的位置与速度信息，实现从端46转动的位置和速度控制。
[0061] 第二主动带轮B36与第二阻尼发生器B33通过第二阻尼器延长轴B35与第二主动带轮B36相连实现同步旋转；第二从动带轮B38与第二编码器B34通过第二编码器延长轴B37相连，通过第二同步带B39传动，实现与第二主动带轮B36同步旋转，实现与从动锥齿轮7同步旋转。
[0062] 第二编码器B34与第二编码器固定座B32螺栓连接，第二编码器固定座B32套于第二阻尼发生器B33上，通过长螺栓将第二编码器固定座B32、第二阻尼发生器B33和下壳3凸台部分相连固定，实现第二编码器B34与第二阻尼发生器B33的固定。
[0063] 在一优选实施例中，第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33，可选用磁粉离合器或反馈电机等实现功能，磁粉离合器具有高线性、高
精度、响应速度快等特点，适用于主从控制系统。
[0064] 如图3所示，控制模块包括控制板28和供电板29：供电板29包含稳压模块44和驱动模块43，实现第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33的供电；控制板28实现第一编码器A25、第二编码器B34的信号采集、第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33变阻尼控制以及与上位机45通讯的功能。
[0065] 如图3所示，控制板28包含信号采集模块40、信号输出模块42和串口通讯模块41，其中：信号采集模块40采集第一编码器A25、第二编码器B34的位置和速度信息，通过串口通讯模块41将采集到的主端位置和速度信息发送至上位机45，上位机45将运动信号传送至从端46，控制从端46平动和转动；从端46运动反馈力信息，上位机45再将从端46的力反馈信息发送回主端，改变信号输出模块42的输出值，实现第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33的变阻尼控制。
[0066] 供电板29包含稳压模块44和驱动模块43，电源线通过中壳2走线孔与供电板29相连，并根据控制板28信号输出值，驱动第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33，改变第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33转轴阻尼，改变第一阻尼器延长轴A18、第二阻尼器延长轴B35的阻力转矩。
[0067] 在本实施例具体实施时，控制板28能够通过电源接口26连接电源；MicroUSB接口27能够实现与上位机45之间的串口通讯或供电；第二排针31能够实现第一编码器A25、第二编码器B34的信号采集和驱动信号的输出。供电板29通过第一排针30实现电源的接入以及驱动第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33产生不同大小的阻力转矩。
[0068] 上述实施例主端介入力觉临场感变阻尼控制系统整体工作原理：
[0069] 主端拉动操作绳15带动主动绳轮17和从动带轮6同步旋转，第一主动带轮A20和第一阻尼发生器A24通过第一阻尼器延长轴A18与主动绳轮17相连，实现同步旋转；第一主动带轮A20通过第一同步带A19传动，实现第一编码器A25同步旋转，第一编码器A25的位置和速度信息反映了操作绳15移动的位置和速度信息；类似地，主端旋转轴11的转动，带动主动锥齿轮8和与之相啮合的从动锥齿轮7旋转，第二主动带轮B36和第二阻尼发生器B33通过第二阻尼延长轴B35与从动锥齿轮7相连实现同步旋转；第二主动带轮B36通过第二同步带B39传动，实现第二编码器B34同步旋转，第二编码器B34的位置和速度信息反映旋转轴11的位置和速度信息；控制板28采集平动和转动的位置和速度信息，通过串口通讯模块41发送至上位机45，实现从端46的平动与转动；从端46在平动和转动中所受阻力和阻力矩信息发送给上位机45后，通过串口通讯发送回控制板28，通过调整信号输出值大小，改变平动和转动的第一阻尼发生器A24、第二阻尼发生器B33的阻尼，改变操作绳15拉动的阻力和旋转轴11转动的阻力矩，在主端操作中实现力觉临场感，更加真实安全。
[0070] 本发明中传动方式、串口通讯方式和控制
电路芯片可以按照现有技术选择和实施，只要实现上述的作用和目的即可。通过选用适用的阻尼发生器和编码器，以及优化外壳的尺寸和外形，本发明所设计的主端介入力觉临场感变阻尼控制的装置尺寸可以根据要求进行缩小。
[0071] 本发明涉及的主端介入力觉临场感变阻尼控制系统，采用阻尼发生器如磁粉离合器，具有高线性度、高精确性、响应快的特点，适用于主从控制系统；变阻尼的线性控制，能够实时调整阻力和阻力矩；轴向平动和旋转运动不相互干扰，双手操作，且能够无限拉动或转动，改善了
直线导轨滑块的行程的限制，避免了行程有限时不断回调的不便；控制部分电源线和信号线分开走线，信号干扰小；外形美观，机械部分封闭，仅有一部分操作绳和旋转轴置于装置外，且便于维护；装置尺寸小，结构简单，便于加工和替换，制造成本和维护成本低。
[0072] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
