專利名稱：一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬顯示的交互設(shè)備，尤其涉及改善虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔顯示器。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器主要用于三維立體虛擬場(chǎng)景的顯示，多用于虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。當(dāng)前，分辨率和對(duì)比度高、視場(chǎng)角大的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔一般都是重量和體積大，佩戴時(shí)運(yùn)動(dòng)不便，有沉重感、束縛感和異物感，因而影響舒適性和沉浸感；位置跟蹤器與頭盔顯示器配合使用，用于頭盔空間位置和姿態(tài)的測(cè)量和輸出，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。然而，現(xiàn)有的電磁、超聲等位置跟蹤器受環(huán)境干擾大，在定位精度、穩(wěn)定性和信號(hào)實(shí)時(shí)性方面存在不足，不能很好滿足虛擬現(xiàn)實(shí)交互的要求。 申請(qǐng)人:王飛在2005年10月16日向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出了 一件發(fā)明名稱為虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的申請(qǐng)，此申請(qǐng)已于2007年12月5日被授予專利權(quán)，專利號(hào)為CN200520129164. 0。在這份專利文件中提出了一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，采用兩個(gè)傳動(dòng)軟軸與虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔相連，頭盔前端與圖像顯示器連接，通過(guò)兩個(gè)傳動(dòng)軟軸實(shí)現(xiàn)了顯示畫面三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的控制，如圖11所示，該設(shè)備由虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔1、第一傳動(dòng)軟軸2、第二傳動(dòng)軟軸3、圖像顯示眼鏡4、滑動(dòng)滾桶5、光電鼠標(biāo)6、轉(zhuǎn)角控制器7和電腦輸入設(shè)備8組成。但這該設(shè)計(jì)存在兩方面的局限性。 一是只能對(duì)頭盔顯示器的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于頭盔顯示器的三自由度平動(dòng)數(shù)據(jù)則無(wú)能為力；二是軟軸的彈性變形影響了檢測(cè)精度；三是人在佩戴該頭盔顯示器時(shí)仍然會(huì)有沉重感、束縛感和異物感，舒適感和沉浸感并沒(méi)得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能夠減輕佩帶者感受到的頭盔重量，減輕佩帶者在運(yùn)動(dòng)時(shí)感覺(jué)到的頭盔的阻礙作用，從而減輕沉重感、束縛感和異物感，改善佩帶頭盔的舒適性、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感；同時(shí)利用伺服系統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量裝置測(cè)定佩帶者的頭部位置，完成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中參與者的頭部跟蹤功能的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 —種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于包括機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元、頭盔重量檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制計(jì)算機(jī)、上平臺(tái)、可控伸縮桿、下平臺(tái)、萬(wàn)向支座、復(fù)合球鉸，下平臺(tái)的外周均勻布置三組復(fù)合球絞，上平臺(tái)的外周均勻布置六組萬(wàn)向支座，每組萬(wàn)向支座上連接一根可控伸縮桿，位于每組萬(wàn)向支座處設(shè)置機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元，每組復(fù)合球絞上設(shè)置頭盔重量檢測(cè)單元，下平臺(tái)上設(shè)置若干個(gè)頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元、頭盔重量檢測(cè)單元的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集單元的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集單元的信號(hào)輸出端與控制計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端連接，控制計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸出端分別與機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元、頭盔重量檢測(cè)單元的信號(hào)輸入端連接。 本發(fā)明的萬(wàn)向支座包括電機(jī)偏置式俯仰架、萬(wàn)向叉耳、螺栓，俯仰軸、安裝孔，可控伸縮桿通過(guò)螺栓約束于電機(jī)偏置式俯仰架上，電機(jī)偏置式俯仰架上通過(guò)俯仰軸與萬(wàn)向叉耳
一端連接，萬(wàn)向叉耳的另一端與上平臺(tái)連接，電機(jī)偏置式俯仰架上設(shè)置安裝孔。 本發(fā)明的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元包括伺服電機(jī)、傳動(dòng)部件、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳
感器，傳動(dòng)部件安裝于伺服電機(jī)和可控伸縮桿之間，伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器依次串接
在安裝孔上。 本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元包括外環(huán)、頭箍、固定件、壓力傳感器和微動(dòng)傳感器、 頭盔本體、頭箍傳動(dòng)桿、直線軸承、外環(huán)安裝孔、外環(huán)通孔、套筒，頭盔本體上設(shè)置頭箍，頭箍 的外周設(shè)置外環(huán)，頭箍上設(shè)置若干個(gè)套筒，外環(huán)上分別設(shè)置若干個(gè)與套筒相對(duì)應(yīng)的外環(huán)通 孔，每個(gè)套筒分別通過(guò)頭箍傳動(dòng)桿與壓力傳感器和微動(dòng)傳感器連接，頭箍傳動(dòng)桿穿置在外 環(huán)通孔上，壓力傳感器和微動(dòng)傳感器位于外環(huán)的外側(cè)，外環(huán)與壓力傳感器和微動(dòng)傳感器之 間設(shè)置直線軸承，直線軸承套置在頭箍傳動(dòng)桿上；外環(huán)通過(guò)外環(huán)安裝孔與下平臺(tái)連接；每 個(gè)壓力傳感器和微動(dòng)傳感器分別通過(guò)固定件與外環(huán)連接。 本發(fā)明的固定件包括十字架、預(yù)緊平頭桿、十字基座、平頭傳動(dòng)桿、匯交空腔，十字
架上設(shè)置朝向相同的凸起，與凸起相同的十字架的一側(cè)設(shè)置十字基座，十字基座與每個(gè)凸
起之間分別通過(guò)平頭傳動(dòng)桿連接壓力傳感器和微動(dòng)傳感器，每個(gè)凸起的外端面上分別設(shè)置
預(yù)緊平頭桿，各平頭傳動(dòng)桿之間形成與頭箍傳動(dòng)桿相匹配的匯交空腔。 本發(fā)明的可控伸縮桿與復(fù)合球鉸之間設(shè)置載荷傳感器。 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明提出的頭盔伺服系統(tǒng)，是將頭盔加裝于六自由度運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)而形成伺服 頭盔。該系統(tǒng)的有益效果有三項(xiàng)一是減輕頭盔佩戴者的負(fù)荷，減輕佩戴者的沉重感和異物 感；二是運(yùn)動(dòng)伺服，即根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)趨向帶動(dòng)頭盔伺服運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)力學(xué)角度看相當(dāng)于減小頭 盔質(zhì)量和慣量，也減小了頭盔的線纜約束，讓佩戴者感覺(jué)頭盔更輕巧，減輕束縛感；三是放 棄以往的六自由度電磁或超聲位置跟蹤器，利用六桿機(jī)械機(jī)構(gòu)中伺服電機(jī)的編碼器測(cè)量頭 盔的空間位置和姿態(tài)，可以達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性，也減小了信號(hào)的延遲。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本發(fā)明的頭盔重量檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本發(fā)明的萬(wàn)向支座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是本發(fā)明的復(fù)合球鉸的機(jī)構(gòu)示意圖。 圖8是本發(fā)明的頭盔伺服系統(tǒng)的工作原理圖。 圖9是本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元檢測(cè)組的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖10是本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元部分細(xì)節(jié)圖。 圖11是本發(fā)明的圖9的剖視圖。 圖12是現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖1到圖11中1、六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，2、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元，3、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元，4、頭盔重量檢測(cè)單元，5、數(shù)據(jù)采集單元，6、控制計(jì)算機(jī)，7、上平臺(tái)，8、可控伸縮桿，9、下平臺(tái)，10、萬(wàn)向支座，11、復(fù)合球鉸，12、伺服電機(jī)，13、傳動(dòng)部件，14、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器，15、外環(huán)，16、頭箍，17、固定件，18、壓力傳感器和微動(dòng)傳感器，19、頭盔，20、載荷傳感器，21、電機(jī)偏置式俯仰架，22、萬(wàn)向叉耳，23、螺栓，24、俯仰軸，25、安裝孔，26.外耳，27、內(nèi)耳，28、球鉸叉耳，29、檢測(cè)組，30、十字架，31、預(yù)緊平頭桿，32、十字基座，33、平頭傳動(dòng)桿，34.匯交空腔，35、頭箍傳動(dòng)桿，36、直線軸承，37、外環(huán)安裝孔，38、外環(huán)通孔，39、套筒。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)詳細(xì)說(shuō)明 如圖1、圖2所示，一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于包括機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3、頭盔重量檢測(cè)單元4、數(shù)據(jù)采集單元5、控制計(jì)算機(jī)6、上平臺(tái)7、可控伸縮桿8、下平臺(tái)9、萬(wàn)向支座10、復(fù)合球鉸ll，下平臺(tái)9的外周均勻布置三組復(fù)合球絞ll，上平臺(tái)7的外周均勻布置六組萬(wàn)向支座IO，每組萬(wàn)向支座10上連接一根可控伸縮桿8，位于每組萬(wàn)向支座10處設(shè)置機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2，每組復(fù)合球絞11上設(shè)置頭盔重量檢測(cè)單元4，下平臺(tái)9上設(shè)置頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3、頭盔重量檢測(cè)單元4的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集單元5的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集單元5的信號(hào)輸出端與控制計(jì)算機(jī)6的信號(hào)輸入端連接，控制計(jì)算機(jī)6的信號(hào)輸出端與機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2的信號(hào)輸入端連接。
如圖6所示，本發(fā)明的萬(wàn)向支座10包括電機(jī)偏置式俯仰架21、萬(wàn)向叉耳22、螺栓23，俯仰軸24、安裝孔25，可控伸縮桿8通過(guò)螺栓23約束于電機(jī)偏置式俯仰架21上，電機(jī)偏置式俯仰架21上通過(guò)俯仰軸24與萬(wàn)向叉耳22 —端連接，萬(wàn)向叉耳22的另一端與上平臺(tái)7連接，電機(jī)偏置式俯仰架21上設(shè)置安裝孔25。 如圖3所示，本發(fā)明的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2包括伺服電機(jī)12、傳動(dòng)部件13、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器14，傳動(dòng)部件13安裝于伺服電機(jī)12和可控伸縮桿8之間，伺服電機(jī)12、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器14依次串接在安裝孔25上。本發(fā)明的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2中的伺服電機(jī)12采用偏置式安裝。 如圖4、圖10所示，本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3包括外環(huán)15、頭箍16、固定件17、壓力傳感器和微動(dòng)傳感器18、頭盔本體19、頭箍傳動(dòng)桿35、直線軸承36、外環(huán)安裝孔37、外環(huán)通孔38、套筒39，頭盔本體19上設(shè)置頭箍16，頭箍16的外周設(shè)置外環(huán)15，頭箍16上設(shè)置若干個(gè)套筒39，外環(huán)15上分別設(shè)置若干個(gè)與套筒39相對(duì)應(yīng)的外環(huán)通孔38，每個(gè)套筒39的外側(cè)面與頭箍傳動(dòng)桿35固連，各頭箍傳動(dòng)桿35穿置于相應(yīng)的直線軸承36中，每個(gè)直線軸承36 —端置于相應(yīng)的外環(huán)通孔38中，另一端通過(guò)固定件17與壓力傳感器和微動(dòng)傳感器18相連，各固定件17圓周均勻固定于外環(huán)(15)的外側(cè)面，外環(huán)(15)通過(guò)外環(huán)安裝孔37與下平臺(tái)9固連。 如圖9、圖11所示，本發(fā)明的固定件17包括十字架30、預(yù)緊平頭桿31、十字基座32、平頭傳動(dòng)桿33、匯交空腔34，十字架30上設(shè)置朝向相同的凸起，與凸起相同的十字架30的一側(cè)設(shè)置十字基座32，十字基座32與每個(gè)凸起之間分別通過(guò)平頭傳動(dòng)桿33和預(yù)緊平頭桿31連接壓力傳感器和微動(dòng)傳感器18，每個(gè)預(yù)緊平頭桿31置于對(duì)應(yīng)的凸起外端面上，各平頭傳動(dòng)桿33之間形成與頭箍傳動(dòng)桿35相匹配的匯交空腔34。
如圖5所示，本發(fā)明的可控伸縮桿8與復(fù)合球鉸(專利已授權(quán)，授權(quán)公告號(hào)為 CN101033773) 11之間設(shè)置載荷傳感器20。如圖7所示，復(fù)合球絞11包括外耳26、內(nèi)耳27、 球絞叉耳28，外耳26或內(nèi)耳27與載荷傳感器20螺紋連接，球絞叉耳28與下平臺(tái)9螺紋連 接。 如圖8所示，上平臺(tái)7、可控伸縮桿8、下平臺(tái)9、萬(wàn)向支座10、復(fù)合球鉸11構(gòu)成了 本發(fā)明的六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)l，六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)信息被頭盔重量檢測(cè)單元4采集后 得到可控伸縮桿8的軸向力并傳輸給數(shù)據(jù)采集單元5 ;六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)信息 被頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3采集后得到頭部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)并傳輸給數(shù)據(jù)采集單元5 ;數(shù)據(jù)采集單元 5采集到上述信息后通過(guò)傳感器傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)6，控制計(jì)算機(jī)6發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù) 據(jù)采集單元5發(fā)送到機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2，通過(guò)傳動(dòng)部件13完成動(dòng)力傳遞，同時(shí) 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)也通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元5傳輸?shù)娇刂朴?jì)算 機(jī)6，經(jīng)過(guò)控制計(jì)算機(jī)6得到的控制信號(hào)來(lái)控制六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的動(dòng)作。
如圖2，六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的上平臺(tái)7為基座，用于固定整個(gè)裝置。萬(wàn)向支座10分為 電機(jī)偏置式俯仰架21、萬(wàn)向叉耳22、螺栓23、電機(jī)俯仰軸24和安裝孔25五個(gè)部分。六個(gè)萬(wàn) 向支座10通過(guò)萬(wàn)向叉耳22均勻固定于上平臺(tái)7的邊緣。萬(wàn)向叉耳22繞其與上平臺(tái)7的 連接軸可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)偏置式俯仰架21可繞俯仰軸24完成俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及 運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2通過(guò)安裝孔25固定于電機(jī)偏置式俯仰架21?？煽厣炜s桿8上端穿越 萬(wàn)向支座10中心點(diǎn)通過(guò)螺栓23約束于電機(jī)偏置式俯仰架21，下端與頭盔重量檢測(cè)單元4 的載荷傳感器20相連。下平臺(tái)9通過(guò)復(fù)合球鉸11實(shí)現(xiàn)與頭盔重量檢測(cè)單元4的連接與固 定，下平臺(tái)9上安裝有頭盔19，可實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。 如圖3所示，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2由伺服電機(jī)12、傳動(dòng)部件13、電機(jī)轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件或伸縮桿長(zhǎng)度和伸縮速度的檢測(cè)單元14組成，以上三部分均通過(guò)安 裝孔25固定于電機(jī)偏置式俯仰架21。伺服電機(jī)12與可控伸縮桿8之間通過(guò)傳動(dòng)部件13 進(jìn)行動(dòng)力傳遞，通過(guò)伺服電機(jī)自帶的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器14來(lái)完成電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的檢測(cè)； 伸縮桿長(zhǎng)度和伸縮速度的檢測(cè)單元14安裝于萬(wàn)向支座10和可控伸縮桿8之間，用于實(shí)現(xiàn) 可控伸縮桿8長(zhǎng)度和伸縮速度的檢測(cè)。 如圖4所示，本發(fā)明的頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3由外環(huán)15、頭箍16、安裝于外環(huán)和頭 箍之上的固定件17、壓力傳感器和微動(dòng)傳感器18組成，主要負(fù)責(zé)佩戴者頭部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的檢 測(cè)。如圖4、圖10所示，外環(huán)15通過(guò)外環(huán)安裝孔37安裝于下平臺(tái)9，頭箍16佩戴于參與者 頭部，安裝于外環(huán)和頭箍之上的固定件17主要由十字架30，預(yù)緊平頭桿31，十字基座32， 平頭傳動(dòng)桿33，頭箍傳動(dòng)桿35，直線軸承36組成。其功能是固定壓力傳感器和微動(dòng)傳感器 18、傳遞頭部運(yùn)動(dòng)、連接頭箍和外環(huán)。如圖10所示，頭箍傳動(dòng)桿35的套筒39套連于頭箍， 頭箍傳動(dòng)桿35位于直線軸承36之內(nèi)，直線軸承36的一端位于外環(huán)通孔38內(nèi)，另一端位于 4根平頭傳動(dòng)桿33桿端的匯交空腔34，通過(guò)限位部件來(lái)約束直線軸承36沿頭箍傳動(dòng)桿35 軸線方向的移動(dòng)。如圖9所示，頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3主要由固定件17、壓力傳感器和微動(dòng) 傳感器18組成，頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3通過(guò)十字基座32安裝于外環(huán)通孔38處。如圖11所 示，每個(gè)檢測(cè)組在結(jié)構(gòu)上可分為圓周均布的四條檢測(cè)線路，以下以一條檢測(cè)線路為例進(jìn)行 說(shuō)明，直線軸承36外圈與十字基座32沿匯交空腔軸向均布的安裝孔采用緊配合，平頭傳動(dòng) 桿33平頭背向匯交空腔插入直線軸承36的滑動(dòng)腔內(nèi)，預(yù)緊平頭桿31通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于十字架30的端面，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以是帶鎖的旋轉(zhuǎn)副或滑動(dòng)副等，主要負(fù)責(zé)調(diào)整預(yù)緊平頭桿31平頭與十字架30端面的相對(duì)位置，以實(shí)現(xiàn)壓力傳感器和微動(dòng)傳感器18的預(yù)壓緊和零位設(shè)定。該單元共有八對(duì)傳感器，共計(jì)十六個(gè)。對(duì)于頭部的單自由度運(yùn)動(dòng)而言，不同方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)了不同的傳感器工作狀態(tài)組合(工作狀態(tài)是指以預(yù)緊后的零位為基準(zhǔn)的拉壓情況，具體體現(xiàn)是檢測(cè)數(shù)據(jù)的正負(fù))；頭部的復(fù)合運(yùn)動(dòng)是單自由度運(yùn)動(dòng)的疊加，體現(xiàn)在檢測(cè)數(shù)據(jù)上就是不同傳感器工作狀態(tài)組合的疊加，且不同的復(fù)合運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)了不同的疊加結(jié)果，因此，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析可以計(jì)算出頭部的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 如圖5所示，本發(fā)明的頭盔重量檢測(cè)單元4主要由六個(gè)載荷傳感器20組成，主要負(fù)責(zé)各根可控伸縮桿8軸向力的檢測(cè)，每個(gè)載荷傳感器20兩端加工有螺紋孔，其上端螺紋孔與可控伸縮桿8的螺紋段連接，下端螺紋孔與復(fù)合球鉸11的內(nèi)耳26或外耳27的螺紋段相連。 本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集單元5主要由信號(hào)采集卡或其它信號(hào)采集電路組成，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與發(fā)送。機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2的運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元3的壓力傳感器或微動(dòng)傳感器18以及頭盔重量檢測(cè)單元4的載荷傳感器20均通過(guò)信號(hào)線路與數(shù)據(jù)采集單元5的數(shù)據(jù)采集端口相連，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)采集單元5直接安裝于控制計(jì)算機(jī)6，實(shí)現(xiàn)與控制計(jì)算機(jī)6間的數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)采集單元5的數(shù)據(jù)發(fā)送端口通過(guò)信號(hào)線路與伺服電機(jī)12驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)接口連接，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的發(fā)送。
本發(fā)明的控制計(jì)算機(jī)6由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字計(jì)算機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)佩戴者頭部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和佩帶者感受到的頭盔19重量的實(shí)時(shí)計(jì)算、六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解算、系統(tǒng)控制以及信號(hào)處理等。該系統(tǒng)的信號(hào)延遲遠(yuǎn)小于當(dāng)前主流的頭盔跟蹤器。
權(quán)利要求
一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于包括機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元(3)、頭盔重量檢測(cè)單元(4)、數(shù)據(jù)采集單元(5)、控制計(jì)算機(jī)(6)、上平臺(tái)(7)、可控伸縮桿(8)、下平臺(tái)(9)、萬(wàn)向支座(10)、復(fù)合球鉸(11)，下平臺(tái)(9)的外周均勻布置三組復(fù)合球絞(11)，上平臺(tái)(7)的外周均勻布置六組萬(wàn)向支座(10)，每組萬(wàn)向支座(10)上連接一根可控伸縮桿(8)，位于每組萬(wàn)向支座(10)處設(shè)置機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)，每組復(fù)合球絞(11)上設(shè)置頭盔重量檢測(cè)單元(4)，下平臺(tái)(9)上設(shè)置頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元(3)，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)、頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元(3)、頭盔重量檢測(cè)單元(4)的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集單元(5)的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集單元(5)的信號(hào)輸出端與控制計(jì)算機(jī)(6)的信號(hào)輸入端連接，控制計(jì)算機(jī)(6)的信號(hào)輸出端與機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)的信號(hào)輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于上述萬(wàn)向支座 (10)包括電機(jī)偏置式俯仰架(21)、萬(wàn)向叉耳(22)、螺栓(23)，俯仰軸(24)、安裝孔(25)，可 控伸縮桿(8)通過(guò)螺栓(23)約束于電機(jī)偏置式俯仰架(21)上，電機(jī)偏置式俯仰架(21)上 通過(guò)俯仰軸(24)與萬(wàn)向叉耳(22) —端連接，萬(wàn)向叉耳(22)的另一端與上平臺(tái)(7)連接， 電機(jī)偏置式俯仰架(21)上設(shè)置安裝孔(25)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)包括伺服電機(jī)(12)、傳動(dòng)部件(13)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器(14)，傳動(dòng) 部件(13)安裝于伺服電機(jī)(12)和可控伸縮桿(8)之間，伺服電機(jī)(12)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器(14) 依次串接在安裝孔(25)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于上述頭部運(yùn)動(dòng) 檢測(cè)單元(3)包括外環(huán)(15)、頭箍(16)、固定件(17)、壓力傳感器和微動(dòng)傳感器(1S)、頭盔 本體(19)、頭箍傳動(dòng)桿(35)、直線軸承(36)、外環(huán)安裝孔(37)、外環(huán)通孔(3S)、套筒(39)， 頭盔本體(19)上設(shè)置頭箍(16)，頭箍(16)的外周設(shè)置外環(huán)(15)，頭箍(16)上設(shè)置若干 個(gè)套筒(39)，外環(huán)(15)上分別設(shè)置若干個(gè)與套筒(39)相對(duì)應(yīng)的外環(huán)通孔(38)，每個(gè)套筒 (39)的外側(cè)面與頭箍傳動(dòng)桿(35)固連，各頭箍傳動(dòng)桿(35)穿置于相應(yīng)的直線軸承(36) 中，每個(gè)直線軸承(36) —端置于相應(yīng)的外環(huán)通孔(38)中，另一端通過(guò)固定件(17)與壓力 傳感器和微動(dòng)傳感器(18)相連，各固定件(17)圓周均勻固定于外環(huán)(15)的外側(cè)面，外環(huán)(15) 通過(guò)外環(huán)安裝孔(37)與下平臺(tái)(9)固連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于固定件(17)包 括十字架(30)、預(yù)緊平頭桿(31)、十字基座(32)、平頭傳動(dòng)桿(33)、匯交空腔(34)，十字架 (30)上設(shè)置朝向相同的凸起，與凸起相同的十字架(30)的一側(cè)設(shè)置十字基座(32)，十字基 座(32)與每個(gè)凸起之間分別通過(guò)平頭傳動(dòng)桿(33)和預(yù)緊平頭桿(31)連接壓力傳感器和 微動(dòng)傳感器(18)，每個(gè)預(yù)緊平頭桿(31)置于對(duì)應(yīng)的凸起外端面上，各平頭傳動(dòng)桿(33)之間 形成與頭箍傳動(dòng)桿(35)相匹配的匯交空腔(34)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于可控伸縮桿 (8)與復(fù)合球鉸(11)之間設(shè)置載荷傳感器(20)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，其特征在于機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn) 動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元(2)中的伺服電機(jī)(12)采用偏置式安裝。
全文摘要
一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，涉及一種虛擬顯示的交互設(shè)備，尤其涉及改善虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔顯示器。本發(fā)明的上平臺(tái)的外周均勻布置六組萬(wàn)向支座，每組萬(wàn)向支座上連接一根可控伸縮桿，位于每組萬(wàn)向支座處設(shè)置機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元，每組復(fù)合球絞上設(shè)置頭盔重量檢測(cè)單元，下平臺(tái)上設(shè)置若干個(gè)頭部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)單元。本發(fā)明目的是提供一種能夠減輕佩帶者感受到的頭盔重量，減輕佩帶者在運(yùn)動(dòng)時(shí)感覺(jué)到的頭盔的阻礙作用，從而減輕沉重感、束縛感和異物感，改善佩帶頭盔的舒適性、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感；同時(shí)利用伺服系統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量裝置測(cè)定佩帶者的頭部位置，完成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中參與者的頭部跟蹤功能的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A42B3/04GK101791159SQ20101010336
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者劉暉, 李鵬, 顧宏斌, 馬永曉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)