CN105215992B - 用于人机交互的多自由度力觉反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，包括支架、上臂连杆机构、连杆机构连接件、下臂连杆机构、肩关节纵向力反馈电机、肩关节横向力反馈电机、肘关节纵向力反馈电机、肘关节横向力反馈电机、腕关节轴向力反馈电机、腕关节径向力反馈电机、肩关节电机固定架、腕关节轴向电机固定架、腕关节径向电机固定架和手柄，本发明用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，上臂连杆机构和下臂连杆机构通过串联方式连接，机构简单，便于加工安装和调试，同时每个机构可以单独驱动，简化了计算机的控制算法。

Description

用于人机交互的多自由度力觉反馈装置

技术领域

本发明涉及一种人机交互装置，尤其涉及一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置。

背景技术

在计算机技术发展初期，人机之间的信息交互是通过鼠标键盘以及显示器等传统输入输出设备完成的，用户只能获得视觉或者听觉的感知，而无法获得更多感官信息。随着虚拟现实技术的出现及发展，人机交互方式也在不断的发生变革，三维鼠标、立体眼镜、数据手套等新型交互设备的出现极大的提升了用户的感官体验，因此研究更多感官的交互技术十分重要。

力反馈技术是在虚拟现实技术中是对虚拟三维环境力进行真实再现的技术，研究表明，力觉对人类探索世界的重要性仅次于视觉。通过力反馈可以获得和触摸实际物体时相同的力感和运动感，从而获得更真实的沉浸感。近年来，力反馈技术已被广泛用于医学、工业、太空探索等领域，衍生出虚拟介入手术、虚拟装配等先进的计算机力反馈交互***。因此，研制一种具有多维用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，可以获得更为真实的力觉反馈效果，提高计算机虚拟训练效率，具有重要的应用价值和实际意义，而目前国内对这块的研发还是一片空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述问题，本发明提供一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，包括支架、上臂连杆机构、连杆机构连接件、下臂连杆机构、肩关节纵向力反馈电机、肩关节横向力反馈电机、肘关节纵向力反馈电机、肘关节横向力反馈电机、腕关节轴向力反馈电机、腕关节径向力反馈电机、肩关节电机固定架、腕关节轴向电机固定架、腕关节径向电机固定架和手柄，所述的肩关节电机固定架固定在支架的顶部，所述的肩关节电机固定架上设置肩关节纵向力反馈电机和肩关节横向力反馈电机，所述的肩关节纵向力反馈电机的输出轴和肩关节横向力反馈电机的输出轴垂直，所述的上臂连杆机构包括平行设置的第一上杆和第一下杆，所述的第一下杆位于第一上杆的下方，所述的肩关节纵向力反馈电机的输出轴与第一上杆的一侧铰接，所述的第一上杆相对于肩关节纵向力反馈电机的输出轴转动的方向与肩关节纵向力反馈电机的输出轴旋转的方向垂直，所述的肩关节横向力反馈的电机的输出轴与第一下杆的一侧铰接，所述的第一下杆相对于肩关节横向力反馈电机的输出轴转动的方向与肩关节横向力反馈电机的输出轴旋转的方向垂直，所述的第一上杆和第一下杆远离肩关节电机固定架的一端分别与连杆机构连接件铰接，所述的连杆机构连接件上设置肘关节纵向力反馈电机和肘关节横向力反馈电机，所述的肘关节纵向力反馈电机的输出轴和肘关节横向力反馈电机输出轴垂直，所述的下臂连杆机构包括平行设置的第二上杆和第二下杆，所述的第二下杆位于第二上杆的下方，所述的肘关节纵向力反馈电机的输出轴与第二上杆铰接，所述的第二上杆相对于肘关节纵向力反馈电机的输出轴转动的方向与肘关节纵向力反馈电机的输出轴旋转的方向垂直，所述的肘关节横向力反馈的电机的输出轴与第二下杆铰接，所述的第二下杆相对于肘关节横向力反馈电机的输出轴转动的方向与肘关节横向力反馈电机的输出轴旋转的方向垂直，所述的第二上杆和第二下杆远离连杆机构连接件的一端分别与腕关节轴向电机固定架铰接，所述的腕关节轴向电机固定架上设置腕关节轴向力反馈电机，所述的腕关节轴向力反馈电机的输出轴固定连接有第一齿轮，所述的腕关节轴向电机固定架上还设置有第二齿轮，所述的第二齿轮通过轴承固定在腕关节轴向电机固定架上，所述的第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮的轮侧面连接腕关节径向电机固定架，所述的腕关节径向电机固定架上设置腕关节径向力反馈电机，所述的腕关节径向力反馈电机的输出轴与腕关节轴向力反馈电机的输出轴垂直，所述的腕关节径向力反馈电机的输出轴与手柄固定板垂直连接，所述的手柄固定板的端部连接手柄。该装置的反馈电机将信号传输给计算机后，计算机利用模拟软件会将手臂运动轨迹等在计算机中还原、统计和计算。

为了更好的操作性，所述的下臂连杆机构上安装有用于将人的下臂与下臂连杆机构固定在一起的手臂穿戴环。

根据不同操作者的身高，方便操作者操作，所述的支架包括底座和伸缩装置，所述的伸缩装置包括中空的下伸缩杆、设置在下伸缩杆中的上伸缩杆和用于调节上伸缩杆从下伸缩杆中伸缩长度的调节栓。

为了避免重力对操作者手臂的影响，所述的第一上杆和第一下杆远离连杆机构连接件的一端均安装有配重，所述的配重呈圆柱体，两个底面中心之间开有与第一上杆和第一下杆相匹配的通孔，所述的通孔内具有内螺纹，所述的第一上杆和第一下杆远离连杆机构连接件的一侧的外壁上具有外螺纹，所述的内螺纹与外螺纹配合使用。

为了提高反馈控制精度，所述的手柄固定板与手柄之间还设置有多维力力矩传感器。

所述的肩关节纵向力反馈电机、肩关节横向力反馈电机、肘关节纵向力反馈电机、肘关节横向力反馈电机、腕关节轴向力反馈电机和腕关节径向力反馈电机均是直流电机且均安装有用于测量转动角度的光电编码盘。

具体的说，所述的第一上杆的一侧具有第一铰接件，所述的第一铰接件包括呈中空的长方体且上下开口的第一铰接部和第一转轴，所述的第一铰接部的两个短边的端部分别与第一上杆固定连接，两个长边的中心均开有第一通孔，所述的肩关节纵向力反馈电机的输出轴上具有第二通孔，所述的肩关节纵向力反馈电机的输出轴从第一铰接部的开口伸入至第二通孔与第一通孔重合后通过第一转轴***固定。

具体的说，所述的第一下杆的一侧具有第二铰接件，所述的第二铰接件包括呈中空的长方体且上下开口的第二铰接部和第二转轴，所述的第二铰接部的两个短边的端部分别与第一下杆固定连接，两个长边的中心均开有第三通孔，所述的肩关节横向力反馈电机的输出轴上具有第四通孔，所述的肩关节横向力反馈电机的输出轴从第二交接部的开口伸入至第四通孔与第三通孔重合后通过第二转轴***固定。

所述的第一铰接部和第二铰接部的长边中部上下均设置有凸起部，所述的凸起部的截面为梯形。第一铰接部和第二铰接部要起到一个支撑上臂连杆机构和下臂连杆机构的作用，因此相当于一个支点，如果周边做的过细，强度不够，但是做粗了，转角就会变小，故而在保证一定的粗度的同时，加了一个凸起部来增加强度。

本发明的有益效果是，本发明用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，

1、用于人机交互的多自由度力觉反馈装置的上臂连杆机构和下臂连杆机构通过串联方式连接，机构简单，便于加工安装和调试，同时每个机构可以单独驱动，简化了计算机的控制算法。

2、本发明高度可调，支架由底座，下伸缩杆，上伸缩杆和调节栓组成，通过调节栓调节上伸缩杆伸出的长度，从而调节整个装置的高度，以适合不同操作者的身高要求。

3、本发明采用柔性手臂穿戴环将操作者手臂与力反馈装置下臂固定，并且利用配重抵消装置的重力对操作者手臂的影响，可以保证操作过程的舒适度，提高计算机虚拟训练的真实感和沉浸感。

4、本发明的手臂末端运动空间大，可以提供多个自由度的力和力矩反馈，力和力矩的大小可以由多维力力矩传感器测得，实现反馈力和力矩大小的精确控制，从而适应多种虚拟训练项目的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明用于人机交互的多自由度力觉反馈装置的一个角度的结构示意图,

图2是本发明用于人机交互的多自由度力觉反馈装置的另一个角度的结构示意图,

图3是本发明用于人机交互的多自由度力觉反馈装置的第二铰接件的结构示意图。

图中1、支架，2、肩关节纵向力反馈电机，3、肩关节横向力反馈电机，4、肘关节纵向力反馈电机，5、肘关节横向力反馈电机，6、腕关节轴向力反馈电机，7、腕关节径向力反馈电机，8、肩关节电机固定架，9、腕关节轴向电机固定架，10、腕关节径向电机固定架，11、手柄，12、连杆机构连接件，13、第一上杆，14、第一下杆，15、第二上杆，16、第二下杆，17、第一齿轮，18、第二齿轮，19、手柄固定板，20、配重，21、多维力力矩传感器，22、第一铰接件，23、第一铰接部，24、第一转轴，25、第二铰接件，26、第二铰接部，27、第二转轴，28、凸起部。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-2所示，一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，包括支架1、上臂连杆机构、连杆机构连接件12、下臂连杆机构、肩关节纵向力反馈电机2、肩关节横向力反馈电机3、肘关节纵向力反馈电机4、肘关节横向力反馈电机5、腕关节轴向力反馈电机6、腕关节径向力反馈电机7、肩关节电机固定架8、腕关节轴向电机固定架9、腕关节径向电机固定架10、手柄固定板19和手柄11，肩关节电机固定架8固定在支架1的顶部，肩关节电机固定架8上设置肩关节纵向力反馈电机2和肩关节横向力反馈电机3，肩关节纵向力反馈电机2的输出轴和肩关节横向力反馈电机3的输出轴垂直，上臂连杆机构包括平行设置的第一上杆13和第一下杆14，肩关节纵向力反馈电机2的输出轴与第一上杆13的一侧铰接，第一上杆13相对于肩关节纵向力反馈电机2的输出轴转动的方向与肩关节纵向力反馈电机2的输出轴旋转的方向垂直，肩关节横向力反馈电机3的输出轴与第一下杆14的一侧铰接，第一下杆14相对于肩关节横向力反馈电机3的输出轴转动的方向与肩关节横向力反馈电机3的输出轴旋转的方向垂直，第一上杆13和第一下杆14远离肩关节电机固定架8的一端分别与连杆机构连接件12铰接，连杆机构连接件12上设置肘关节纵向力反馈电机4和肘关节横向力反馈电机5，肘关节纵向力反馈电机4的输出轴和肘关节横向力反馈电机5输出轴垂直，下臂连杆机构包括平行设置的第二上杆15和第二下杆16，肘关节纵向力反馈电机4的输出轴与第二上杆15铰接，第二上杆15相对于肘关节纵向力反馈电机4的输出轴转动的方向与肘关节纵向力反馈电机4的输出轴旋转的方向垂直，肘关节横向力反馈电机5的输出轴与第二下杆16铰接，第二下杆16相对于肘关节横向力反馈电机5的输出轴转动的方向与肘关节横向力反馈电机5的输出轴旋转的方向垂直，第二上杆15和第二下杆16远离连杆机构连接件12的一端分别与腕关节轴向电机固定架9铰接，腕关节轴向电机固定架9上设置腕关节轴向力反馈电机6，腕关节轴向力反馈电机6的输出轴固定连接有第一齿轮17，腕关节轴向电机固定架9上还设置有第二齿轮18，第二齿轮18通过轴承固定在腕关节轴向电机固定架9上，第二齿轮18与第一齿轮17啮合，第二齿轮18的轮侧面连接腕关节径向电机固定架10，腕关节径向电机固定架10上设置腕关节径向力反馈电机7，腕关节径向力反馈电机7的输出轴与腕关节轴向力反馈电机6的输出轴垂直，腕关节径向力反馈电机7的输出轴与手柄固定板19一端垂直连接，手柄固定板19的另一端连接手柄11。

下臂连杆机构上安装有用于将人的下臂与下臂连杆机构固定在一起的手臂穿戴环，手臂穿戴环由柔性材料制成，用于固定下臂连杆机构与人手臂，使装置能与人手臂同步运动。

支架1包括底座和伸缩装置，伸缩装置包括中空的下伸缩杆、设置在下伸缩杆中的上伸缩杆和用于调节上伸缩杆从下伸缩杆中伸缩长度的调节栓。

第一上杆13和第一下杆14远离连杆机构连接件12的一端均安装有配重20，配重20呈圆柱体，两个底面中心之间开有与第一上杆和第一下杆相匹配的通孔，通孔内具有内螺纹，第一上杆13和第一下杆14远离连杆机构连接件12的一侧的外壁上具有外螺纹，内螺纹与外螺纹配合使用，可以通过调节配重20的位置，来改变重力对操作者手臂的影响，而且配重20相当于以第一铰接件22和第二铰接件25为支点，来平衡重力对操作者手臂的影响。

手柄固定板19与手柄11之间还设置有多维力力矩传感器21。

肩关节纵向力反馈电机2、肩关节横向力反馈电机3、肘关节纵向力反馈电机4、肘关节横向力反馈电机5、腕关节轴向力反馈电机6和腕关节径向力反馈电机7均是直流电机且均安装有用于测量转动角度的光电编码盘。该装置的每个活动关节安装的电机是直流电机，并且带有光电编码盘，可以测量转动角度，进而通过各关节几何关系和尺寸计算得出用于人机交互的多自由度力觉反馈装置末端的三维空间位置。

如图3所示，第一上杆13的一侧具有第一铰接件22，第一铰接件22包括呈中空的长方体且上下开口的第一铰接部23和第一转轴24，第一铰接部23的两个短边的端部分别与第一上杆13固定连接，两个长边的中心均开有第一通孔，肩关节纵向力反馈电机2的输出轴上具有第二通孔，肩关节纵向力反馈电机2的输出轴从第一铰接部23的开口伸入至第二通孔与第一通孔重合后通过第一转轴24***固定。

第一下杆14的一侧具有第二铰接件25，第二铰接件25包括呈中空的长方体且上下开口的第二铰接部26和第二转轴27，第二铰接部26的两个短边的端部分别与第一下杆14固定连接，两个长边的中心均开有第三通孔，肩关节横向力反馈电机3的输出轴上具有第四通孔，所述的肩关节横向力反馈电机3的输出轴从第二铰接部26的开口伸入至第四通孔与第三通孔重合后通过第二转轴27***固定。

该连接方式可以使上臂连杆机构和下臂连杆机构具有两个方向的转动自由度。

第一铰接部23和第二铰接部26的长边中部上下均设置有凸起部28，凸起部28的截面为梯形。

第一铰接部23和第二铰接部26要起到一个支撑上臂连杆机构和下臂连杆机构的作用，因此相当于一个支点，如果周边做的过细，强度不够，但是做粗了，转角就会变小，故而在保证一定的粗度的同时，加了一个凸起部28来增加强度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，包括支架(1)、上臂连杆机构、连杆机构连接件(12)、下臂连杆机构、肩关节纵向力反馈电机(2)、肩关节横向力反馈电机(3)、腕关节轴向力反馈电机(6)、腕关节径向力反馈电机(7)、肩关节电机固定架(8)、腕关节轴向电机固定架(9)、腕关节径向电机固定架(10)、手柄固定板(19)和手柄(11)；所述的肩关节电机固定架(8)固定在支架(1)的顶部，所述的肩关节电机固定架(8)上设置肩关节纵向力反馈电机(2)和肩关节横向力反馈电机(3)，所述的肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴和肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴垂直，所述的腕关节轴向电机固定架(9)上设置腕关节轴向力反馈电机(6)，所述的腕关节径向电机固定架(10)上设置腕关节径向力反馈电机(7)，所述的腕关节径向力反馈电机(7)的输出轴与腕关节轴向力反馈电机(6)的输出轴垂直，所述的腕关节径向力反馈电机(7)的输出轴与手柄固定板(19)一端垂直连接，所述的手柄固定板(19)的另一端连接手柄(11)，其特征是：所述用于人机交互的多自由度力觉反馈装置还包括：肘关节纵向力反馈电机(4)和肘关节横向力反馈电机(5)，

所述的上臂连杆机构包括平行设置的第一上杆(13)和第一下杆(14)，所述的肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴与第一上杆(13)的一侧铰接，所述的第一上杆(13)相对于肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴转动的方向与肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴旋转的方向垂直，所述的肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴与第一下杆(14)的一侧铰接，所述的第一下杆(14)相对于肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴转动的方向与肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴旋转的方向垂直，所述的第一上杆(13)和第一下杆(14)远离肩关节电机固定架(8)的一端分别与连杆机构连接件(12)铰接，

所述的连杆机构连接件(12)上设置肘关节纵向力反馈电机(4)和肘关节横向力反馈电机(5)，所述的肘关节纵向力反馈电机(4)的输出轴和肘关节横向力反馈电机(5)输出轴垂直，所述的下臂连杆机构包括平行设置的第二上杆(15)和第二下杆(16)，所述的肘关节纵向力反馈电机(4)的输出轴与第二上杆(15)铰接，所述的第二上杆(15)相对于肘关节纵向力反馈电机(4)的输出轴转动的方向与肘关节纵向力反馈电机(4)的输出轴旋转的方向垂直，所述的肘关节横向力反馈电机(5)的输出轴与第二下杆(16)铰接，所述的第二下杆(16)相对于肘关节横向力反馈电机(5)的输出轴转动的方向与肘关节横向力反馈电机(5)的输出轴旋转的方向垂直，所述的第二上杆(15)和第二下杆(16)远离连杆机构连接件(12)的一端分别与腕关节轴向电机固定架(9)铰接，

所述的腕关节轴向力反馈电机(6)的输出轴固定连接有第一齿轮(17)，所述的腕关节轴向电机固定架(9)上还设置有第二齿轮(18)，所述的第二齿轮(18)通过轴承固定在腕关节轴向电机固定架(9)上，所述的第二齿轮(18)与第一齿轮(17)啮合，所述第二齿轮(18)的轮侧面连接腕关节径向电机固定架(10)。

2.根据权利要求1所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的下臂连杆机构上安装有用于将人的下臂与下臂连杆机构固定在一起的手臂穿戴环。

3.根据权利要求2所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的支架(1)包括底座和伸缩装置，所述的伸缩装置包括中空的下伸缩杆、设置在下伸缩杆中的上伸缩杆和用于调节上伸缩杆从下伸缩杆中伸缩长度的调节栓。

4.根据权利要求3所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的第一上杆(13)和第一下杆(14)远离连杆机构连接件(12)的一端均安装有配重(20)，所述的配重(20)呈圆柱体，两个底面中心之间开有与第一上杆和第一下杆相匹配的通孔，所述的通孔内具有内螺纹，所述的第一上杆(13)和第一下杆(14)远离连杆机构连接件(12)的一侧的外壁上具有外螺纹，所述的内螺纹与外螺纹配合使用。

5.根据权利要求4所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的手柄固定板(19)与手柄(11)之间还设置有多维力力矩传感器(21)。

6.根据权利要求5所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的肩关节纵向力反馈电机(2)、肩关节横向力反馈电机(3)、肘关节纵向力反馈电机(4)、肘关节横向力反馈电机(5)、腕关节轴向力反馈电机(6)和腕关节径向力反馈电机(7)均是直流电机且均安装有用于测量转动角度的光电编码盘。

7.根据权利要求6所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的第一上杆(13)的一侧具有第一铰接件(22)，所述的第一铰接件(22)包括呈中空的长方体且上下开口的第一铰接部(23)和第一转轴(24)，所述的第一铰接部(23)的两个短边的端部分别与第一上杆(13)固定连接，两个长边的中心均开有第一通孔，所述的肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴上具有第二通孔，所述的肩关节纵向力反馈电机(2)的输出轴从第一铰接部(23)的开口伸入至第二通孔与第一通孔重合后通过第一转轴(24)***固定。

8.根据权利要求7所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的第一下杆(14)的一侧具有第二铰接件(25)，所述的第二铰接件(25)包括呈中空的长方体且上下开口的第二铰接部(26)和第二转轴(27)，所述的第二铰接部(26)的两个短边的端部分别与第一下杆(14)固定连接，两个长边的中心均开有第三通孔，所述的肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴上具有第四通孔，所述的肩关节横向力反馈电机(3)的输出轴从第二铰接部(26)的开口伸入至第四通孔与第三通孔重合后通过第二转轴(27)***固定。

9.根据权利要求8所述的用于人机交互的多自由度力觉反馈装置，其特征是：所述的第一铰接部(23)和第二铰接部(26)的长边中部上下均设置有凸起部(28)，所述的凸起部(28)的截面为梯形。