CN105280080A - 一种三自由度触力觉交互***及触力觉交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度触力觉交互***及装置，所述***包括计算机、三自由度触力觉交互装置、设备控制器、设备驱动器。用户操作触力觉交互装置的手柄，设备控制器实时采集设备位置、姿态信息，将其送往计算机。计算机基于虚拟现实技术实时跟踪并渲染虚拟交互设备，根据虚拟设备和场景进行碰撞检测和力渲染。计算机将反馈力等触觉信息发送到设备控制器，控制器生成控制信号经驱动器放大后驱动电机，触力觉交互装置通过绳传递方式将反馈力信息传递到手柄处，使用户感受到触力觉。本发明可用于虚拟现实和遥操作中的力触觉再现，可模拟手术仿真器中的电钻、手术刀、内窥镜等与虚拟场景交互产生的触力觉。

Description

一种三自由度触力觉交互***及触力觉交互装置

技术领域

本发明属于虚拟现实、人机交互技术领域，特别涉及在与虚拟现实交互时触力觉的再现，具体涉及一种三自由度触力觉交互***在手术仿真器中的应用。

背景技术

传统的虚拟现实技术主要涉及视频和音频的交互，缺少“触摸”感，即缺少用户与虚拟场景的双向信息交互，特别是在虚拟手术培训***中，训练人员只能依赖视觉反馈完成手术操作，使得整个培训过程缺少“手感”，也使得培训和真实手术的感觉差别较大，无法有效提高训练人员的技术水平。随着人机交互领域的不断发展，触力觉交互设备给用户提供了真实的“触感”，极大地提高了虚拟现实的沉浸感。目前，还没有用于经鼻入路手术培训***的触力觉交互设备。本发明结合经鼻入路手术中手术器械操作的特点，设计了支点固定的三自由度触力觉交互装置及其控制器、驱动器。用户通过操作手柄与虚拟手术场景交互，触力觉交互***实现触力觉的反馈，增强用户体验的沉浸感。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种三自由度触力觉交互***用于虚拟现实交互或者遥操作中的触力觉反馈。用户操作手柄可以自由旋转、前后滑动，虚拟环境将交互作用力等信息发送给触力觉交互设备，触力觉交互设备完成力的输出使用户感受到反馈力。

根据本发明一方面，其提供了一种三自由度触力觉交互***，其包括：

计算机，用于虚拟现实场景绘制、碰撞检测及碰撞响应，解算触力觉交互设备的姿态信息并渲染，向触力觉设备发送碰撞响应的触力觉信息；

触力觉交互装置，用户操作手柄，手柄通过传动机构将运动传递到电机，电机编码器实时跟踪手柄的位置、姿态；同时，触力觉交互装置通过传动机构将电机产生的作用力矩反馈到手柄；

设备控制器，实时检测手柄位置、姿态信息并将其发给计算机，同时接收计算机传来的触力觉反馈信息，并将产生的控制指令传送往设备驱动器；

设备驱动器，接收设备控制器的控制指令，将控制指令放大后驱动触力觉交互装置的电机。

根据本发明另一方面，其提供了一种三自由度触力觉交互装置，包括：基座、扇形绞盘传动机构、二自由度万向节旋转机构、滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构；

所述基座用于支撑整个触力觉交互装置，其包括底板、固定在底板左侧和后侧的第一平板和第二平板；

所述扇形绞盘传动机构所述扇形绞盘传动机构为所述二自由度万向节旋转机构的驱动机构，包括第一扇形绞盘和第二扇形绞盘，分别固定在所述第一平板和第二平板的上端内侧；

所述二自由度万向节旋转机构包括U形支架、滚轮、方形支架、第一L形连杆、第二L形连杆和旋转轴；所述第一L形连杆的一端与第二L形连杆的一端可旋转地连接，所述第一L形连杆的另一端可旋转地连接至所述方形支架下方；所述第二L形连杆的另一端连接至所述第二扇形绞盘；所述U形支架的底部连接至第一扇形绞盘，所述滚轮固定在所述旋转轴上，所述旋转轴穿过所述方形支架的前后两侧，且位于所述U形支架的开口处；

所述滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构包括导轨、滑块、大轮、小轮和同步带，所述滑块固定在所述方形支架的上方，所述导轨与所述滑块可滑动连接；所述大轮和小轮位于所述U形支架一侧的外部，大轮固定在所述旋转轴上，所述小轮固定在所述滚轮-导轨滑块机构组的电机轴上，所述大轮和小轮经所述同步带连接，所述滚轮与所述导轨通过钢丝绳连接；所述手柄套在所述导轨上。

本发明公开的触力觉交互装置，包括基座、扇形绞盘传动机构、二自由度万向节旋转机构、滚轮-导轨滑块机构组以及轮传动机构。其中，基座为整个机械结构提供支撑。扇形绞盘传动机构分别固定在万向节的两个旋转关节处，其中一个绕基座上的固定轴旋转，其另一端固定在L形连杆上；另一个同样绕基座上的轴旋转，其另一端固定在U形支架上。扇形面绞盘通过钢丝绳与电机轴相连，电机固定在基座上。使电机可以带动扇形绞盘旋转。二自由度万向节旋转机构实现手柄上下旋转和左右摆动，其包括一个U形支架、两个L形连杆。滚轮-导轨滑块机构组固定在万向节旋转中心，实现手柄的前后滑动，其包括一个方形支架、一个滚轮、一个导轨滑块组。方形支架下方与L形连杆相连，中心处通过轴和轴承固定在U形支架开口处，从而使方形支架可以绕固定轴自由旋转，同时与另一个万向节的旋转形成联动装置。滚轮装在方形支架内，滑块固定于方形支架上，导轨与滚轮通过钢丝绳相连。轮传动机构可采用齿轮同步带传动也可采用钢丝绳滚轮传动。其中小轮固定于电机轴，电机固定在U型支架底部。大轮与方形支架内的滚轮同轴，使用同步带或钢丝绳连接大小轮。本发明可用于虚拟现实和遥操作中的力触觉再现，可模拟手术仿真器中的电钻、手术刀、内窥镜等与虚拟场景交互产生的触力觉。

附图说明

图1是本发明三自由度触力觉交互装置的总体结构示意图；

图2是本发明三自由度触力觉交互装置的扇形绞盘传动机构；

图3是本发明三自由度触力觉交互装置的二自由度万向节旋转机构；

图4是本发明三自由度触力觉交互装置的滚轮-导轨滑块组和轮传动机构；

图5是本发明三自由度触力觉交互***功能示意图。

符号说明：

手柄1，基座2，扇形绞盘3，电机4，编码器5，扇形绞盘6，限位器7，电机轴绞盘8，电机9，编码器10，U形支架11，滚轮12，方形支架13，L形连杆14，L形连杆15，旋转轴16，编码器17，电机18，皮带轮19，小轮20，限位帽21，限位帽22，滑块23，导轨24，限位帽25，大轮26，用户27，触力觉交互装置28，计算机29，设备控制器30，设备驱动器31。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明提出的三自由度触力觉交互装置的总体结构示意图。

如图1所示，所述三自由度触力觉交互装置由基座2支撑，包括：

基座、扇形绞盘传动机构、二自由度万向节旋转机构、滚轮-导轨滑块机构组以及轮传动机构。

其中，基座2为整个机械结构提供支撑，基座2由三个平板组成，底部为正方形平板，正方形平板左侧为直立平板，后侧为向后倾斜的斜立平板。基座2底部的正方形平板放置在平台上，直立平板和斜立平板用于固定二自由度万向节旋转机构，滚轮-导轨滑块机构组以及轮传动机构固定在二自由度万向节旋转机构上。

图2为本发明三自由度触力觉交互装置的扇形绞盘传动机构。

如图2所示，所述扇形绞盘传动机构包括：

第一扇形绞盘3、第一电机4、第一编码器5、第二扇形绞盘6、限位器7、第二电机轴8、第二电机9、第二编码器10。

其中，第二扇形绞盘6通过轴承与基座2直立平板内侧的上端连接，可以绕扇形中心轴旋转。第二扇形绞盘6的限位器7固定在基座2的直立平板内侧，并且与第二扇形绞盘6的内弧面相切，第二扇形绞盘6的旋转角为100度。第二电机9机身固定在基座2的直立平板外侧，第二编码器10安装在第二电机9尾部，第二电机9的电机轴8伸向基座2直立平板内侧，并且与第二扇形绞盘6外弧面相切。钢丝绳一端连在第二扇形绞盘6外圆弧面的一端，紧贴外圆弧面并缠绕电机轴8一圈，紧贴外圆弧面，将钢丝绳另一端固定在第二扇形绞盘6的另一端。第二电机9通过电机轴8上的钢丝绳带动第二扇形绞盘6旋转，限位器7限制扇形的转动范围，第二编码器10记录第二电机9旋转的角度。第一扇形绞盘3通过轴承安装在基座2斜立平板内侧，且第一扇形绞盘3的旋转中心垂直于基座2的斜立平板。第一电机4安装在基座2斜立平板内侧，第一电机轴(图中未示出)垂直于基座2的斜立平板，且与第一扇形绞盘3的外圆弧面相切，第一扇形绞盘3的旋转角为80度。与第二电机9相同，第一电机4通过钢丝绳带动第一扇形绞盘3旋转，第一编码器5安装在第一电机4尾部，并记录其第一电机4旋转的角度。

图3为本发明三自由度触力觉交互装置的二自由度万向节旋转机构。

如图3所示，所述二自由度万向节旋转机构包括：

U形支架11、滚轮12、方形支架13、第一L形连杆14、第二L形连杆15、旋转轴16。

其中，第二L形连杆15一端通过螺钉固定在第二扇形绞盘6轴承的一端，另一端通过轴承与第一L形连杆14相连，连接处可相对旋转。第一L形连杆14的另一端通过轴承连接在方形支架13下方，连接处可相对旋转。旋转轴16通过轴承与U型支架11相连，旋转轴16穿过所述方形支架前后两侧而位于U形支架的开口处，且旋转轴可以自由旋转。滚轮12固定在旋转轴16上，且位于所述方形支架13的内侧，与旋转轴16一起旋转。方形支架13通过轴承与旋转轴16相连，可相对旋转。U形支架11底部外侧通过螺钉固定在第一扇形绞盘13的轴承一端。第二扇形绞盘6带动第二L形连杆15一起旋转，第二L形连杆15与第一L形连杆14构成一个旋转关节，第一L形连杆14与方形支架13构成一个旋转关节，从而第二扇形绞盘6旋转最终带动方形支架13一起旋转。第一扇形绞盘3带动整个U形支架11旋转，包括U形支架11上的旋转轴16、方形支架13、滚轮12、第一L形连杆14。

图4为本发明三自由度触力觉交互装置的滚轮-导轨滑块组和轮传动结构。

如图4所示，所述滚轮-导轨滑块组和轮传动机构包括：

第三编码器17、第三电机18、同步带19、小轮20、第三限位帽21、第二限位帽22、滑块23、第一限位帽25、导轨24、大轮26。

其中，第三电机18固定在U形支架11底部内侧，且贯穿所述U形支架11的两个侧部，第三编码器17位于U形支架11一侧的外部，固定连在第三电机18尾部，小轮20和大轮26位于U形支架11另一侧的外部，小轮20固定在第三电机18的轴上，大轮26固定在旋转轴16上。导轨滑块组的滑块23固定在方形支架13上部，第一限位帽25固定在导轨24底部，第二限位帽22固定在导轨24中部，位于滑块23的上侧，第三限位帽21位于导轨24顶部，手柄1套在导轨24上，位于第三限位帽21与第二限位帽22之间。第三电机18带动小轮20旋转，同时第三编码器17记录第三电机18旋转的角度，小轮20与大轮26经同步带19连接，大轮26旋转带动旋转轴16和滚轮12旋转，滚轮12上缠绕有钢丝绳，钢丝绳两端分别固定在第一限位帽22和第二限位帽25处，滚轮12与导轨24通过钢丝绳连接，滚轮12旋转带动导轨24在第一限位帽22和第二限位帽25之间上下滑动，手柄1随导轨24一起滑动。

图5为触力觉交互***功能示意图。

如图5所示，所述触力觉交互***包括：

计算机29，用于虚拟现实场景绘制、碰撞检测及碰撞响应，解算触力觉交互设备的姿态信息并渲染，向触力觉设备发送碰撞响应的触力觉信息；

触力觉交互装置28，用户操作手柄，手柄通过传动机构将运动传递到电机，电机编码器实时跟踪手柄的位置、姿态；同时，触力觉交互装置通过传动机构将电机产生的作用力矩反馈到手柄；

设备控制器30，实时检测手柄位置、姿态信息并将其发给计算机，同时接收计算机传来的触力觉反馈信息，并将产生的控制指令传送往设备驱动器；

设备驱动器31，接收设备控制器的控制指令，将控制指令放大后驱动触力觉交互装置的电机。

其中，用户27操作触力觉交互装置28的手柄1，设备控制器30根据编码器5、编码器10、编码器17的脉冲信号计算出手柄的位置、速度和姿态等状态信息，并将这些状态信息发送给计算机29，计算机根据虚拟环境交互将生成的反馈力和反馈力矩反馈给设备控制器30，设备控制器30生成控制指令发给设备驱动器31，设备驱动器31将驱动信号作用于触力觉交互装置28的电机。其中，第一电机4通过钢丝绳带动第一扇形绞盘3和U形支架11旋转，U形支架11带动旋转轴16左右旋转，旋转轴16带动方形支架13和滑块23一起旋转，滑块23带动导轨24和手柄1一起旋转。第二电机9通过钢丝绳带动第二扇形绞盘6和第二L形连杆15一起旋转，第二连杆15带动第二L形连杆14旋转，第一L形连杆带动方形支架13绕旋转轴16旋转，从而带动手柄1旋转。第三电机18带动小轮20旋转，小轮20通过同步带19带动大轮26和旋转轴16以及滚轮12旋转，滚轮12旋转缠绕钢丝绳带动导轨24和手柄1滑动。从而完成整个力反馈过程的力传递，用户27通过手柄1感受到触力觉反馈信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三自由度触力觉交互***，其包括：

计算机，用于虚拟现实场景绘制、碰撞检测及碰撞响应，解算触力觉交互设备的姿态信息并渲染，向触力觉设备发送碰撞响应的触力觉信息；

触力觉交互装置，用户操作手柄，手柄通过传动机构将运动传递到电机，电机编码器实时跟踪手柄的位置、姿态；同时，触力觉交互装置通过传动机构将电机产生的作用力矩反馈到手柄；

设备控制器，实时检测手柄位置、姿态信息并将其发给计算机，同时接收计算机传来的触力觉反馈信息，并将产生的控制指令传送往设备驱动器；

设备驱动器，接收设备控制器的控制指令，将控制指令放大后驱动触力觉交互装置的电机。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述触力觉交互装置包括：基座、扇形绞盘传动机构、二自由度万向节旋转机构、滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构；

所述基座用于支撑整个触力觉交互装置，其包括底板、固定在底板左侧和后侧的第一平板和第二平板；

所述扇形绞盘传动机构为所述二自由度万向节旋转机构的驱动机构，包括第一扇形绞盘和第二扇形绞盘，分别固定在所述第一平板和第二平板的上端内侧；

所述二自由度万向节旋转机构包括U形支架、滚轮、方形支架、第一L形连杆、第二L形连杆和旋转轴；所述第一L形连杆的一端与第二L形连杆的一端可旋转地连接，所述第一L形连杆的另一端可旋转地连接至所述方形支架下方；所述第二L形连杆的另一端连接至所述第二扇形绞盘；所述U形支架的底部连接至第一扇形绞盘，所述滚轮固定在所述旋转轴上，所述旋转轴穿过所述方形支架的左右两侧，且位于所述U形支架的开口处；

所述滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构包括导轨、滑块、大轮、小轮和同步带，所述滑块固定在所述方形支架的上方，所述导轨与所述滑块可滑动连接；所述大轮和小轮位于所述U形支架一侧的外部，大轮固定在所述旋转轴上，所述小轮固定在所述滚轮-导轨滑块机构组的电机轴上，所述大轮和小轮经所述同步带连接，所述滚轮与所述导轨通过钢丝绳连接；所述手柄套在所述导轨上。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述第一扇形绞盘和第二扇形绞盘分别通过电机驱动旋转，且电机尾端分别设置有编码器；所述第一扇形绞盘和第二扇形绞盘由限位器限制其旋转范围。

4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述滚轮-导轨滑块组和轮传动机构还包括三个限位帽，分别固定在导轨底部、中部和顶部，手柄位于固定在导轨中部和顶部的限位帽之间，滑块位于导轨中部和底部的限位帽之间。

5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述滚轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的两端分别固定在导轨底部和中部的限位帽处，滚轮旋转可带动导轨在其中部和底部的限位帽之间滑动。

6.一种三自由度触力觉交互装置，包括：基座、扇形绞盘传动机构、二自由度万向节旋转机构、滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构；

所述基座用于支撑整个触力觉交互装置，其包括底板、固定在底板左侧和后侧的第一平板和第二平板；

所述扇形绞盘传动机构所述扇形绞盘传动机构为所述二自由度万向节旋转机构的驱动机构，包括第一扇形绞盘和第二扇形绞盘，分别固定在所述第一平板和第二平板的上端内侧；

所述二自由度万向节旋转机构包括U形支架、滚轮、方形支架、第一L形连杆、第二L形连杆和旋转轴；所述第一L形连杆的一端与第二L形连杆的一端可旋转地连接，所述第一L形连杆的另一端可旋转地连接至所述方形支架下方；所述第二L形连杆的另一端连接至所述第二扇形绞盘；所述U形支架的底部连接至第一扇形绞盘，所述滚轮固定在所述旋转轴上，所述旋转轴穿过所述方形支架的前后两侧，且位于所述U形支架的开口处；

所述滚轮-导轨滑块机构组和轮传动机构包括导轨、滑块、大轮、小轮和同步带，所述滑块固定在所述方形支架的上方，所述导轨与所述滑块可滑动连接；所述大轮和小轮位于所述U形支架一侧的外部，大轮固定在所述旋转轴上，所述小轮固定在所述滚轮-导轨滑块机构组的电机轴上，所述大轮和小轮经所述同步带连接，所述滚轮与所述导轨通过钢丝绳连接；所述手柄套在所述导轨上。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一扇形绞盘和第二扇形绞盘分别通过电机驱动旋转，且电机尾端分别安装有编码器；所述第一扇形绞盘和第二扇形绞盘由限位器限制其旋转范围。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述滚轮-导轨滑块组和轮传动机构还包括三个限位帽，分别固定在导轨底部、中部和顶部，手柄位于固定在导轨中部和顶部的限位帽之间，滑块位于导轨中部和底部的限位帽之间。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述滚轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的两端分别固定在导轨底部和中部的限位帽处，滚轮旋转可带动导轨在其中部和底部的限位帽之间滑动。