一种力反馈装置的温度误差补偿系统及方法
阅读说明：本技术 一种力反馈装置的温度误差补偿系统及方法 (Temperature error compensation system and method of force feedback device ) 是由 张军 陈柳辰 宋爱国 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种力反馈装置的温度误差补偿系统及方法,包括力反馈装置、温度监测单元、温度处理单元,以及温度误差补偿方法；所述的力反馈装置包括三个平动自由度、三个转动自由度、一个开关自由度,以及控制箱；所述的温度监测单元包括温度传感器、采集处理模块和数据发送模块,所述的温度监测单元中温度传感器包括六个,分别安装在所述力反馈装置三个平动自由度和三个转动自由度的驱动电机机身表面；所述的温度处理单元与所述的温度监测单元连接；所述的温度处理单元还与所述的控制箱相连；所述的温度误差补偿方法包括反馈力与温度关系标定、温度实时检测,以及反馈力补偿。本发明力反馈装置的温度误差补偿系统和方法提高了装置的力反馈精度。(The invention discloses a temperature error compensation system and a temperature error compensation method for a force feedback device, wherein the temperature error compensation system comprises the force feedback device, a temperature monitoring unit, a temperature processing unit and a temperature error compensation method; the force feedback device comprises three translational degrees of freedom, three rotational degrees of freedom, one switch degree of freedom and a control box; the temperature monitoring unit comprises six temperature sensors, an acquisition processing module and a data sending module, and the six temperature sensors are respectively arranged on the surfaces of the bodies of the driving motors of the three translational degrees of freedom and the three rotational degrees of freedom of the force feedback device; the temperature processing unit is connected with the temperature monitoring unit; the temperature processing unit is also connected with the control box; the temperature error compensation method comprises the steps of feedback force and temperature relation calibration, temperature real-time detection and feedback force compensation. The temperature error compensation system and method of the force feedback device improve the force feedback precision of the device.)
技术领域
本发明属于机器人学、控制科学、计算机科学、人机交互技术、传感技术的交叉领域，特别是涉及一种力反馈装置的温度误差补偿系统及方法。
背景技术
力反馈装置，是一种带力觉感知的人机接口装置，能够提高操作人员控制作业的临场感。一方面，它能通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令控制机器人或者虚拟现实中的虚拟机器人跟踪人手的运动。另一方面，将机器人反馈回来的力触觉信息作为输入，控制电机输出力/力矩，使操作者感受到反馈力。从而产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力触觉临场感效果，实现带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感觉。
因此，力反馈的精度会很大程度上影响力触觉的真实感。现有对力反馈装置的研究多集中在机构及控制方法，如6自由度通用型异构式机器人手控器(发明专利申请号：02138700.1)，对于温度变化引起的力反馈精度变化的研究较少。而实际上多数力反馈装置在经过一段时间运行后，由于电机会产生热能，从而导致其温度变化。特别是如打磨作业这类需要持续性力反馈输出的动作，温度变化会非常明显。而温度的变化会导致电机在相同输入的情况下有不同的输出力矩，若不对反馈力进行温度误差补偿，则实际的反馈力会与输入的设定值有偏差。
发明内容
力反馈装置在经过一段时间运行后，由于持续性力反馈输出导致的反馈力误差问题。针对以上问题，本发明旨在提供一种高易用性、高通用性的力反馈装置的温度误差补偿系统及方法，实现力反馈装置在不同温度情况下均提供高精度反馈力。
本发明提供一种力反馈装置的温度误差补偿系统，包括力反馈装置、温度监测单元、温度处理单元：
所述的力反馈装置包括三个平动自由度、三个转动自由度、一个开关自由度和控制箱，所述的力反馈装置中三个平动自由度、三个转动自由度、一个开关自由度均由电机实现；电机均通过控制箱进行驱动；
所述的温度监测单元包括温度传感器、采集处理模块和数据发送模块，所述的温度监测单元中温度传感器，安装在三个平动自由度和三个转动自由度的电机外表面，从而可以获得电机表面温度；
所述的温度处理单元包括数据接收模块、补偿值计算模块和补偿值发送模块；
所述的温度监测单元还与所述的温度处理单元相连，所述的温度处理单元还与所述的控制箱相连；
所述的温度监测单元中采集处理模块采集温度传感器的数据，通过数据发送模块将温度数据发送到温度处理单元，温度处理单元通过数据接收模块进行接收，温度处理单元再通过补偿值计算模块计算出补偿值，温度处理单元再通过补偿值发送模块将补偿值发送到力反馈装置中控制箱，力反馈装置中控制箱进行电机驱动，实现力反馈装置的温度误差补偿。
作为本发明进一步改进，所述力反馈装置包括底座，与底座相连的支撑架，设在支撑架上的连接架二，设在连接架二上的连接架一，设在连接架一上的平动电机二和平动电机三，与平动电机二和平动电机三的输出轴相连的平行连杆机构，设在平行连杆机构头部的配重，与平行连杆机构末端相连的平行机构末端，设在平行机构末端的平动电机一，与平动电机一的输出轴相连的菱形机构，与菱形机构相连的菱形机构末端，设在菱形机构末端上的转动电机一，与转动电机一的输出轴通过菱形机构末端内的齿轮结构传动相连的转动机构一，与转动机构一相连的转动电机二，与转动电机二的输出轴相连的转动机构二，通过输出轴与转动机构二相连的转动电机三，与转动电机三相连的开关电机支架，设在开关电机支架上的开关电机，与开关电机输出轴相连的开关。
本发明提供一种力反馈装置的温度误差补偿方法，具体步骤如下：包括反馈力与温度关系标定、温度实时检测，以及反馈力补偿；
所述力反馈装置的温度误差补偿方法中反馈力与温度关系标定，具体步骤如下：
步骤1，安装力传感器，用于测量力学量信息i，i＝Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz；
步骤2，保持环境温度不变，控制三维平动运动驱动电机理论反馈力快速从0牛直接增大到n牛，这里n的范围为1、2、3、……、N，N为力反馈装置的平动运动最大反馈力值；或者控制三维转动运动驱动电机反馈力矩快速从0牛·米直接增大到m牛·米，这里m的范围为1、2、3、……、M，M为力反馈装置的转动运动最大反馈力矩值；
步骤3，设定反馈力/力矩在n牛/m牛·米情况下，保持时间为T分钟，电机表面到达一定温度后反馈力/力矩置零。过程中，同步采集力传感器的反馈力/力矩数据，以及电机表面上温度的数据；
步骤4，以反馈力/力矩减去初始温度时反馈力/力矩作为因变量，以反馈力/力矩设定值及温度作为自变量，进行曲面拟合，得到反馈力/力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz与温度关系式；
所述力反馈装置的温度误差补偿方法中温度实时检测，具体步骤如下：
步骤5，温度监测单元中采集处理模块采集温度传感器当前数据，进行数据处理，转换出温度数据。
步骤6，温度监测单元中数据发送模块将温度数据进行打包，然后发送；
重复以上步骤，周期性的进行电机表面温度的采集与发送；
所述力反馈装置的温度误差补偿方法中反馈力/力矩补偿，通过温度处理单元进行补偿力/力矩的计算，包括如下步骤：
步骤7，温度处理单元中数据接收模块接收数据，进行数据处理，解包出温度数据。
步骤8，温度处理单元中补偿值计算模块进行计算，将当前温度及反馈力/力矩设定值作为输入，由如权力8中步骤4中反馈力/力矩与温度关系式计算出补偿力。
步骤9，温度处理单元中补偿值发送模块将补偿值进行打包，然后发送。
重复以上步骤，进行反馈力/力矩的实时补偿。
有益效果：
本发明的一种力反馈装置的温度误差补偿系统和方法，使用温度传感器安装在电机表面，不改变力反馈装置原有结构，容易使用，易于维护；本发明采用的反馈力/力矩与温度关系标定方法可适用于多数力反馈装置，具有通用性；本发明力反馈装置的温度误差补偿系统和方法提高了装置的力反馈精度。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的力反馈装置机构简图一；
图3为本发明的力反馈装置机构简图二；
图4为本发明的反馈力与温度关系标定实验传感器安装简图；
图5为本发明的温度误差补偿方法流程图；
图6为本发明的反馈力与温度关系标定实验结果；
图7为本发明的温度实时检测与反馈力的补偿实验无补偿结果；
图8为本发明的温度实时检测与反馈力的补偿实验有补偿结果。
图中：1、力反馈装置；1-1-1、平动电机一；1-1-2、平动电机二；1-1-3、平动电机三；1-2、菱形机构，1-3、配重；1-4、平行连杆机构；1-5-1、连接架一；1-5-2、连接架二；1-5-3、支撑架；1-5-4、底座；1-6、平动机构末端；1-7菱形机构末端；1-8-1、转动电机一；1-8-2、转动电机二；1-8-3、转动电机三；1-9、开关电机支架；1-10、开关；1-11-1、转动机构一；1-11-2、转动机构二；1-12、开关电机；2、温度监测单元；2-1-1、温度传感器一；2-1-2、温度传感器二；2-1-3、温度传感器三；2-1-4、温度传感器四；2-1-5、温度传感器五；2-1-6、温度传感器六；2-2、采集处理模块；2-3、数据发送模块；3、温度处理单元；3-1、数据接收模块；3-2、补偿值计算模块；3-3、补偿值发送模块；4、菱形机构末端连接件；5、力传感器；6、固定连接件；7、固定件。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明旨在提供一种高易用性、高通用性的力反馈装置的温度误差补偿系统及方法，实现力反馈装置在不同温度情况下均提供高精度反馈力。
参照附图1，在一个具体应用实例中，本发明的一种力反馈装置的温度误差补偿系统，包括力反馈装置1、温度监测单元2、温度处理单元3；所述的力反馈装置包括三个平动电机，分别为平动电机一1-1-1、平动电机二1-1-2、平动电机三1-1-3，三个转动电机，分别为转动电机一1-8-1、转动电机二1-8-2、转动电机三1-8-3，一个开关电机1-12，以及控制箱1-13；所述的温度监测单元包括六个温度传感器，分别为温度传感器一2-1-1、温度传感器二2-1-2、温度传感器三2-1-3、温度传感器四2-1-4、温度传感器五2-1-5、温度传感器六2-1-6、采集处理模块2-2和数据发送模块2-3；所述的温度处理单元3包括数据接收模块3-1、补偿值计算模块3-2、补偿值发送模块3-3。
参照附图2、附图3，所述力反馈装置1包括底座1-5-4，与底座1-5-4相连的支撑架1-5-3，设在支撑架1-5-3上的连接架二1-5-2，设在连接架二1-5-2上的连接架一1-5-1，设在连接架一1-5-1上的平动电机二1-1-2、平动电机三1-1-3，与平动电机二1-1-2、平动电机三1-1-3的输出轴相连的平行连杆机构1-4，设在平行连杆机构1-4头部的配重1-5，与平行连杆机构1-4末端相连的平行机构末端1-6，设在平行机构末端1-6的平动电机一1-1-1，与平动电机一1-1-1的输出轴相连的菱形机构1-2，与菱形机构1-2相连的菱形机构末端1-7，设在菱形机构末端1-7上的转动电机一1-8-1，与转动电机一1-8-1的输出轴通过菱形机构末端1-7内的齿轮结构传动相连的转动机构一1-11-1，与转动机构一1-11-1相连的转动电机二1-8-2，与转动电机二1-8-2的输出轴相连的转动机构二1-11-2，通过输出轴与转动机构二1-11-1相连的转动电机三1-8-3，与转动电机三1-8-3相连的开关电机支架1-9，设在开关电机支架1-9上的开关电机1-12，与开关电机1-12输出轴相连的开关1-10。
进一步地，参照附图1，电机均通过控制箱1-13进行驱动。
进一步地，参照附图1，所述的温度监测单元2中有六个温度传感器,所述温度传感器分别为温度传感器一2-1-1、温度传感器二2-1-2、温度传感器三2-1-3、温度传感器四2-1-4、温度传感器五2-1-5、温度传感器六2-1-6，安装在对应电机表面，从而可以获得对应电机表面温度；所述的温度监测单元2还与所述的温度处理单元3相连；所述的温度处理单元3还与所述的控制箱1-13相连。
进一步地，参照附图1，所述的温度监测单元2中采集处理模块2-2采集对应温度传感器的数据，通过数据发送模块2-3将温度数据发送到温度处理单元3，温度处理单元3通过数据接收模块3-1进行接收，温度处理单元3再通过补偿值计算模块3-2计算出补偿值，温度处理单元3再通过补偿值发送模块3-3将补偿值发送到力反馈装置1中控制箱1-13，力反馈装置1中控制箱1-13进行对应电机驱动，实现力反馈装置的温度误差补偿。
参照附图5，一种力反馈装置的温度误差补偿方法，在对平动电机二1-1-2进行补偿的应用实例中，包括反馈力与温度关系标定S1，温度实时检测S11，以及反馈力补偿S15。
所述温度关系标定S1，包括如下步骤：
S2：参照附图4，将菱形机构末端连接件4安装在菱形机构末端1-7上，将力传感器5安装在菱形机构末端连接件4上，在力传感器5另一端安装固定连接件6，固定件7与固定连接件6相连；此时菱形机构末端1-7被固定，可通过力传感器5测量力学量信息i，i＝Fy。
S3：力反馈设定值y初始置为0。
S4：保持环境温度在25摄氏度不变，设定电机理论反馈力快速从0牛直接增大到y牛。
S5：采集力传感器的实际反馈力数据。
S6：采集平动电机二1-1-2表面上温度的数据。
S7：判断温度是否达到46℃，若未达到46℃则进入步骤S5，继续进行周期性采集；若达到46℃则结束此轮采集，进入步骤S8。
S8：将力反馈设定值y增大1。
S9：判断力反馈设定值y是否超过15，若未超过15则恢复电机温度至与环境温度相同进入步骤S4，进行下一轮采集；若超过15则进入步骤S10。
S10：以实际反馈力减去初始温度时实际反馈力作为因变量z，以反馈力设定值y及温度x作为自变量，进行曲面拟合，得到反馈力与温度关系式。
所述温度实时检测S11，包括如下步骤：
S12：采集处理模块2-2采集温度传感器2-1-2当前数据。
S13：采集处理模块2-2进行数据处理，转换出温度数据。
S14：数据发送模块2-3将温度数据进行打包，然后发送；进入步骤S12继续进行实时采集。
所述反馈力补偿S15，包括如下步骤：
S16：数据接收模块3-1接收数据，解包出温度数据。
S17：补偿值计算模块3-2进行计算，将当前温度及反馈力设定值作为输入，由所述步骤S10中得到的反馈力与温度关系式计算出补偿力。
S18：补偿值发送模块3-3将补偿值进行打包，然后发送；进入步骤S16继续进行实时补偿。
参照附图6，15轮标定数据如图所示，随着温度升高，实际反馈力逐渐下降，同时下降速率也逐渐下降。
进一步地，力反馈设定值n越大，经过相同的温度上升，实际反馈力下降越多。
进一步地，经过曲面拟合得到反馈力与温度关系式：
归一化：x＝(x-38.53)/5.596；y＝(y-5.17)/3.706。
拟合公式：
z＝p00+p10*x+p01*y+p20*x^2+p11*x*y+p02*y^2+p30*x^3+p21*x^2*y+p12*x*y^2+p03*y^3+p40*x^4+p31*x^3*y+p22*x^2*y^2+p13*x*y^3+p04*y^4+p50*x^5+p41*x^4*y+p32*x^3*y^2+p23*x^2*y^3+p14*x*y^4+p05*y^5
拟合系数：
p00＝0.1119(0.1118,0.1119)
p10＝0.02602(0.02598,0.02607)
p01＝0.06871(0.06865,0.06878)
p20＝-0.01681(-0.01688,-0.01674)
p11＝0.02836(0.0283,0.02842)
p02＝0.03527(0.03518,0.03535)
p30＝-0.002808(-0.002845,-0.002771)
p21＝-0.00728(-0.007322,-0.007238)
p12＝0.009211(0.009167,0.009255)
p03＝0.01718(0.01712,0.01724)
p40＝0.007621(0.007587,0.007655)
p31＝-0.01347(-0.0135,-0.01344)
p22＝0.01278(0.01274,0.01282)
p13＝-0.002126(-0.002172,-0.00208)
p04＝-0.02811(-0.02818,-0.02804)
p50＝0.003139(0.003126,0.003153)
p41＝-0.004447(-0.00446,-0.004435)
p32＝0.003814(0.003801,0.003827)
p23＝-0.002322(-0.002335,-0.002309)
p14＝-0.001062(-0.001075,-0.001048)
p05＝0.006869(0.006852,0.006886)
如附图7、附图8所示，经过本发明的一种力反馈装置的温度误差补偿系统及方法的补偿之后，力反馈装置的力反馈精度有明显提升，反馈力基本不再随温度上升而下降。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
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