桌面型觸感交互裝置的構建與控制

王珺，宋文忠，帥雙輝

（1.金陵科技學院機電學院，江蘇南京211169;2.第二炮兵駐柳州地區軍代室，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構上分為穿戴型和桌面型，這兩種類型各有優缺點。穿戴型觸感交互裝置具有符合人手結構的支撐骨架，外形與人手相似，像一個手套，使用時佩戴在手背上，它的優點是可以直觀的進行物體的抓取等操作，但是需要操作者承擔裝置自身的質量，且無法感知抓持對象的質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，傳感器有較大的放置空間，在結構上不受人手的限制。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雜。

為了實現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，結合穿戴型主手和桌面型主手的各自的特點，本文構建了一種桌面型觸感交互裝置，該裝置體積小，結構緊湊，具有和人手相似的結構，控制方便，在進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建

針對桌面型和穿戴型這兩種結構的主操作手的特點進行優化，設計出一種桌面型觸感交互裝置，使其既具備力反饋功能，又有比較緊湊的結構空間。該裝置一共有5個手指，有著與人手相同的結構，便于操縱和控制。在Pro/E軟件中對觸感交互裝置進行結構設計，在設計時應該注意的條件是，在達到觸感交互裝置的性能要求的前提下，其結構需要盡量滿足控制簡便、安全可靠、經濟合理、外形美觀等要求，并且盡量減小體積，減輕質量，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構，使用觸感交互裝置操作時，與平時使用鼠標相似，整個手掌覆蓋在裝置上，進行抓握和觸摸等活動。該觸感交互裝置共有15個自由度，能夠實現簡單的抓取和感知物體表面材質的功能。裝置有力反饋結構，在抓取物體過程中能夠將反作用力的大小反饋給操作者，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電位計，可以測量操作者手指的各個關節在運動時轉過的角度，實時的把手指的位置姿態信息傳達給從手。

綜上所述，本文設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的結構外形，在工作時，符合現代人的操作習慣，使用舒適輕便;桌面型的結構使得操作者無需承擔裝置的自重，在采用電動機等驅動裝置進行力反饋驅動或進行其他功能擴展時，不會因為裝置質量的增加而影響操作者手指的正常運動。

2）設計的桌面型觸感交互裝置具有創新性，是由結構獨立的5個手指以及連接組件構成的，布局與人手相似，操作方便。仿人手的5個手指的結構，簡化了觸感交互裝置和從手間的映射關系。

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，可以實現將操作者的手指的位置姿態準確的傳遞給從手靈巧手。本裝置具有力反饋系統，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構簡單，容易實現實時控制。

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上，同時進行物理樣機的制作。一般用于結構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量保證在一個合理的范圍內，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動系統

2.1 位置傳感器

根據桌面型觸感交互裝置的具體結構，為了將操作者的手指的位置姿態信息準確傳遞給從手靈巧手，需要測量轉軸轉動的角度，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軸和指尖結構的橫向滾輪和豎向滾輪處，指尖結構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型旋轉位置傳感器結構緊湊，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化成電信號，可以直接對傳感器的輸出引腳的信號進行檢測和分析。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，這是因為使用了優良的電阻材料和高可靠性的滑動片，有效轉角為333.3°，有1 M的旋轉壽命。測量的角位移和輸出電壓在一定范圍內有高度的線性關系，如圖3所示。在電壓比率為50%處，順時針逆時針旋轉160°，在這一范圍內，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公司生產的撓性壓力傳感器Flexiforce Sensor進行力的測試。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良的特性。

圖4 撓性壓力傳感器外觀

Flexiforce Sensor屬于壓阻效應的應變式測力傳感器，在傳感器的前端大約直徑為9 mm左右的圓形區域，是其測力的感測區域。在沒有負載的情況下，電阻值非常大（約20 MΩ）。隨著負載的增加，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。根據不同負載時產生的電阻變化，配合使用如圖5所示的電路，轉換成電壓變化。

圖5 應變式測力傳感器轉換電路

在無負載情況下輸出為0 V，在0.4 kg/g時，輸出為2.25 V，輸出電壓與負載呈現高度的線性關系。經過試驗，得到電壓－負載關系圖如圖6所示。

圖6 應變式測力傳感器電壓－負載關系圖

2.3 驅動系統

驅動技術是機器人的動力源，它決定著機器人的整體的運行性能［2］。無論哪類伺服機構，用于機器人的驅動裝置，有著如下要求:效率高，輸出功率大，體積小，質量輕;運行平穩，盡量不產生沖擊或抖動;滯后小，反應速度快，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;對環境污染小，噪聲小，以及成本低廉;應能夠與光電碼盤、測速機和制動機構等組裝成一體，使用方便。

本文設計的桌面型觸感交互裝置采用電驅動方式進行驅動。考慮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采用主動式力反饋結構，主動式力反饋結構對力的靈活控制成為選用該結構的理由，這里選用電動機作為驅動器。在感受材質表面粗糙程度的指尖機構，則采用被動式力反饋結構的電磁鐵作為驅動器。

3 桌面型觸感交互裝置的控制系統

控制系統相當于機器人的大腦，是機器人的神經中樞。機器人的控制算法和運動策略正是通過控制系統才得以實現的，控制系統對各種信息進行綜合處理，協調各個檢測部件和執行部件的運行。在整個控制系統中，控制系統處于核心位置，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主要實現以下兩大功能:實現對操作者手指的位置姿態信息的采集與處理;實現對驅動器的有效控制，將從手靈巧手與環境作用產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主要分為以下幾個部分:控制器開發板電路，直流電動機控制電路，DA轉換電路，采樣電路，力傳感器的輔助電路。其中，控制器開發板直接220 V的交流電源;直流電動機接30 V的直流電源，直流電動機驅動電路接±9 V直流電源;采樣電路和DA轉換電路需要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，其余電路統一使用±9 V的直流，并通過三端穩壓塊7809，7909，7805來實現，，電源電路如圖7所示。

圖7 主操作手的電源電路

在設計中要求直流電動機將靈巧手感受到的力的大小轉變為扭矩輸出，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域。DSP發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，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 力反饋實驗數據

4 結語

對桌面型觸感交互裝置的設計和制作的過程，是一個將機械、電子、傳感技術、驅動技術，以及電路搭建等方面的知識進行整合，加深認識的過程。靈巧手觸感交互裝置的開發是一個循序漸進的過程，需要大量的時間和人力不斷進行試驗和改進。所研制的桌面型觸感交互裝置樣機，其性能雖然基本達到了預期的效果，但是尚有許多地方需要進一步完善。當然，本文中的觸感交互裝置只是一個實驗樣機，若要使之能夠適應工業機器人的要求，具有較好的穩定性和抗干擾能力，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:機械工業出版社，2006:25-54.

［2］龔振邦.機器人機械設計［M］.北京:電子工業出版社，1995:30-59.

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