重力反馈补偿方法与流程

本发明涉及虚拟技术的技术领域，尤其涉及重力反馈补偿方法。

背景技术：

虚拟现实(vr)技术是一种通过一系列输入输出设备在计算机中所构建得一个模拟现实的虚拟环境，用户能够通过输入设备在虚拟环境中进行漫游并与虚拟环境中的对象进行交互；而输出设备能够把虚拟环境中的视听触等五官感觉反馈给用户，使用户达到一种身临其境的沉浸式体验。

力/触觉交互是基于人体唯一一种具有双向信息交流通道的交互方式，因此力反馈设备是虚拟现实力/触觉交互中一种重要的交互工具。优秀的力反馈设备必须具备高透明度、高刚度、高控制带宽、低惯量、低摩擦等特征，其中透明度即与虚拟现实环境进行交互时，用户对力反馈设备存在的感知度。在虚拟现实交互过程中，越高透明的力反馈设备越能够让用户难以感觉到力反馈设备的存在，身临其境的体验越佳。在影响力反馈设备透明度的因素中，一个主要因素来源于设备的自重，因此，对力反馈设备进行重力补偿是提高其透明度的关键方法。

在现有技术中，常用的重力补偿方法有被动重力补偿和主动重力补偿。被动重力补偿即通过使用配重块、弹簧等储能器件抵消设备自重在关节上产生的力矩。主动重力补偿即通过电机输出反向力矩，以平衡设备自重在关节上产生的力矩，使设备达到平衡状态。

在被动重力补偿方法中，以配重块来平衡设备自重的方法能减轻设备自重对操作者的影响，但增加了设备惯量，降低了设备的动态性能，且配重块的重量是恒定的，不可能对处于任何位姿的力反馈实现完全重力补偿。而弹簧补偿重力的方法，其优点是弹簧质量轻便，基本不上会增加力反馈设备的重量与惯量，从而影响力反馈设备的操作性能。但是弹簧重力补偿的几种方法中，都存在一定的缺点。专利号201610015837.2的专利提出的一种力反馈设备最优弹簧重力补偿方法，其设计的重力补偿机械只采用了简单弹簧，但无论弹簧安装位置、弹簧自由长度、弹簧刚度怎么优化，在实际工程中，都是用线性弹簧代替非线性弹簧，因此不可能在力反馈设备工作空间任何位置都实现完全的重力补偿，并且弹簧很容易与力反馈设备机构产生干涉，进一步限制了力反馈设备的工作空间。专利号201610028353.1的专利提出一种基于力反馈设备的零自由长度弹簧重力补偿方法，其除了加入弹簧外，还采用了定滑轮和钢丝绳，把弹簧和定滑轮安装在固定平台上，钢丝绳一端与弹簧连接，另一端绕过钢丝绳后与力反馈设备减速机构从动轮连接。这一方法消除了弹簧与力反馈设备机构的干涉，但在实际工程中，由于定滑轮半径和滑轮的固定位置长度不可能为零，所以理论上的可以完全实现重力补偿在实际工程中仍然会产生补偿偏差。专利号201711049846.4的专利提出一种机械臂重力补偿的凸轮拉簧机构，在机械臂末端关节端安装盘形凸轮，钢丝绳一端固定在盘形凸轮边缘上，另一端与拉簧连接，实现过程为凸轮带动弹簧变形从而随着机构的运动，弹簧拉力发生相应的改变，将机械臂的重力势能转化为弹簧势能，该方法能够实现较大范围的完全重力补偿。但当力反馈设备在快速运动时，连接凸轮和弹簧的钢丝绳不会一直保持在同一平面，这就造成了弹簧和钢丝绳产生拉伸间隙，引入时延量，容易导致弹簧和钢丝绳滑落，也会降低力反馈系统的稳定性。

在主动补偿中，现有力反馈设备常基于能量守恒的角度，采用虚位移的方法建立重力补偿模型，但该方法计算的补偿力矩值在并联机构(delta机构)的运动空间内某些位置内容易产生突变，导致重力补偿失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供重力反馈补偿方法，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的力反馈中容易出现重力补偿失效，导致力反馈设备透明度低的问题。

本发明是这样实现的，提供重力反馈补偿方法，用于并联机构，所述并联机构包括固定平台、三组支链和浮动平台，各所述支链包括主动杆和被动杆组；

所述被动杆组包括呈平行四边形状的四根连接杆，各端点处为转动铰链，一条短边与所述主动杆的一端铰接，另一条短边与所述浮动平台铰接；所述主动杆的一端铰接于所述固定平台；所述重力反馈补偿方法包括以下步骤：

在所述固定平台的中心点设有世界坐标系{o}，在浮动平台的中心点设有移动坐标系{o′}；所述并联机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态，对浮动平台进行受力分析；计算所述被动杆上的力与分配到所述主动杆上的力的合力在关节上产生的力矩；计算电机施加在主动关节上的力矩；计算所述电机的输入电流。

进一步地，所述世界坐标系{o}的x轴水平向左，y轴方向竖直向上，z轴方向垂直所述固定平台指向所述浮动平台方向；所述移动坐标系{o′}的x′轴水平向左，y′轴方向竖直向上，z′轴方向垂直所述浮动平台向外；所述固定平台中心点与所述主动杆铰接点的连线与x轴的夹角分别为ηi(i＝1，2，3)；所述主动杆长度为la，重量为g1，其所在的直线与水平方向的夹角为θi(i＝1，2，3)；所述主动杆的长度为lb，重量为g2，所述浮动平台的重量为g3；所述主动杆与所述固定平台的铰接点为ai(i＝1，2，3)，与所述被动杆的铰接点为ci(i＝1，2，3)，所述被动杆与所述浮动平台的铰接点为bi(i＝1，2，3)；所述被动杆重量的1/2分配至所述浮动平台，1/2分配至所述主动杆的一端；对浮动平台进行受力分析时，被动杆对其的作用力正方向规定为bici方向；所述浮动平台达到受力平衡状态建立方程组：

a1f1+a2f2+a3f3＝0

令

c1f1+c2f2+c3f3＝0

解方程组可得：其中fi(i＝1，2，3)为杆件i上的力大小，方向沿着杆件所在的直线，正数表示bici方向，负数表示cibi方向，通过点bi，ci的坐标，可求得向量则可得到各所述被动杆上的力向量

进一步地，所述被动杆上的力与分配在所述主动杆上的力的合力为该合力与所述主动杆所在的平面有一个夹角，而合力只有在平面oaici上的分量才会对主动关节产生力矩作用；设平面oaici的单位法向量为则其中为平面oaici的法向量，合力在平面oaici法方向的分量是力与单位法向量的点乘，即则可知合力在平面oaici上的分量为则可知所述被动杆上的力在主动关节上产生的力矩为

进一步地，所述主动杆的重力在平面oaici的法方向的分量为则所述主动杆的重力在平面oaici内的分量为则可知所述主动杆的重力在主动关节上产生和力矩为其中点pi为所述主动杆重心所在的位置(i＝1，2，3)。

进一步地，求电机施加在主动关节上的力矩。在主动关节处建立力矩平衡方程，其中为电机施加在主动关节上的力矩，则可求得

进一步地，根据力矩结合所述电机的力矩常数τ，即可求得对应电机为了平衡设备自重应该输入的电流值大小

与现有技术相比，本发明中的重力反馈补偿方法，采用牛顿-欧拉法分析力反馈设备机构中各杆件上的受力以及各关节上的力矩，从而建立了力反馈设备在运动空间内任意位置与姿态下，设备自重与电机力矩之间的关系，通过电机输出指定电流以获得指定力矩，从而在线实时地平衡设备自重在关节上产生的力矩，使力反馈设备达到动态平衡的状态，以提高力反馈设备的透明度。

附图说明

图1为本发明实施例中并联机构的模型示意图

图2为本发明实施例中支链与固定坐标系{o}的x轴的夹角示意图；

图3为本发明实施例中支链被动杆组平行四边形机构简化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本实施例的实现进行详细的描述。

如图1至图3所示，本实施例中提供了一种针对并联机构(delta机构)的力反馈设备主动重力补偿的方法。该方法采用牛顿-欧拉法分析力反馈设备机构中各杆件上的受力以及各关节上的力矩，从而建立了力反馈设备在运动空间内任意位置与姿态下，设备自重与电机力矩之间的关系，通过电机输出指定电流以获得指定力矩，从而在线实时地平衡设备自重在关节上产生的力矩，使力反馈设备达到动态平衡的状态，以提高力反馈设备的透明度。

如图1所示为并联机构(delta机构)的力反馈设备模型示意图，如图所示delta机构为水平配置的模型，即浮动平台在固定平台的前方空间内运动，而其他方位的配置如竖直方向。在delta机构力反馈设备模型中，delta机构的固定平台与浮动平台之间通过三条完全一致的支链连接，每一条支链都有主动杆和被动杆，主动杆一端与固定平台通过转动铰链连接，另一端通过转动铰链与被动杆连接，被动杆为一平行四边形机构，该平行四边形四个顶点为转动铰链，被动杆另一端通过转动链接与浮动平台连接。在固定平台的中心点设有世界坐标系{o}，其x轴水平向左，y轴方向竖直向上，z轴方向垂直固定平台指向浮动平台方向。在浮动平台的中心点设有移动坐标系{o′}，其x′轴水平向左，y′轴方向竖直向上，z′轴方向垂直浮动平台向外。如图2所示，固定平台中心点与主动杆铰接点的连线与x轴的夹角分别为ηi(i＝1，2，3)。主动杆所在的直线与水平方向的夹角为θi(i＝1，2，3)。主动杆的长度为la，重量为g1，被动杆的长度为lb，重量为g2，浮动平台的重量为g3，主动杆与固定平台的铰接点为ai(i＝1，2，3)，主动杆与被动杆的铰接点为ci(i＝1，2，3)，被动杆与浮动平台的铰接点为bi(i＝1，2，3)。把被动杆重量的分配到浮动平台，分配到主动杆的一端；对浮动平台进行受力分析时，被动杆对其的作用力正方向规定为bici方向；如图3所示为支链被动杆平行四边形机构简化示意图，由于支链被动杆为平行四边形，其两组边任何时候都互相平行，因此，可以在假设在平行四边形b′ib″ic″ic′i两条短边的中点连接有一根杆bici，该杆的长度与平行四边形的长边长度相等，其重量是整个平行四边形的重量，其重心刚好是平行四边形的重心。

首先，根据空间模型坐标系，对浮动平台进行受力分析。浮动平台受重力与三根被动杆的作用力，在机构达到重力平衡状态时，浮动平台达到受力平衡状态。可建立三个方向的受力平衡方程：

x方向的受力平衡方程：

y方向的受力平衡方程：

方向的受力平衡方程：

结合以上三个方程，可建立方程组：

a1f1+a2f2+a3f3＝0

c1f1+c2f2+c3f3＝0，令

解方程组可得：其中fi(i＝1，2，3)为杆件i上的力大小，方向沿着杆件所在的直线，正数表示bici方向，负数表示cibi方向。利用点bi，ci的坐标，可求得向量则可得到各被动杆上的力向量

求被动杆上的力与分配到主动杆上的力的合力在主动关节上产生的力矩。被动杆上的力与分配以主动杆上的力的合力为由于该合力与主动杆所在的平面有一个夹角，而合力只有在平面oaici上的分量才会对主动关节产生力矩作用。设平面oaici的单位法向量为则其中为平面oaici的法向量，根据模型坐标，合力在平面oaici法方向的分量是力与单位法向量的点乘，即则可知合力在平面oaici上的分量为则可知被动杆上的力在主动关节上产生的力矩为

求主动杆的重力在主动关节上产生的力矩。主动杆的重力在平面oaici的法方向的分量为则主动杆的重力在平面oaici内的分量为则可知主动杆的重力在主动关节上产生和力矩为其中点pi为主动杆重心所在的位置(i＝1，2，3)；

求电机施加在主动关节上的力矩。在主动关节处建立力矩平衡方程，其中为电机施加在主动关节上的力矩，则可求得

求电机的输入电流。根据前述求得的力矩结合电机的力矩常数τ，即可求得对应电机为了平衡设备自重应该输入的电流值大小

与以往采用被动重力补偿或采用虚位移的主动补偿相比，本实施例采用牛顿-欧拉法进行主动重力补偿的方法，能够实时在线地补偿力反馈设备在其运动空间内处于任意位置与姿态时，设备自重在设备关节处产生的力矩，增大了力反馈设备的透明度。与被动重力补偿相比，本发明提出的方法只需要电机提供额外的力矩来补偿重力即可，不需要额外的机构与部件，因此不会造成新增部件与已有部件之间产生的机械干涉，不会增加设备惯量；与采用虚位移的主动补偿方法相比，不会造成运动空间内部分位置重力补偿力矩突变而导致补偿失效。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。