專利名稱：柔性觸覺感知裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與遙操作機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，是一種人機(jī)觸覺接口裝置，尤其涉及一種柔性觸覺感知裝置。
背景技術(shù)：
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互式遙操作機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺和觸覺反饋?zhàn)饔玫娜藱C(jī)接口裝置。觸覺感知裝置就是一類重要的人機(jī)接口裝置，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，操作者通過該裝置可以觸摸虛擬環(huán)境中的虛擬物體，真實(shí)地感知虛擬物體的柔性、剛度、表面紋理等觸覺特性；在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程作業(yè)過程中，它可以將機(jī)器人末端執(zhí)行器作用對象(如遠(yuǎn)程手術(shù)中的肌肉、組織、器官、腫瘤等對象)的觸覺信息反饋給操作人員，并在操作者的指端再現(xiàn)物體的柔性和剛度，從而使操作者產(chǎn)生“身臨其境”的觸覺感知效果，仿佛自己就在現(xiàn)場用手指探索作用對象，這樣操作者就可以準(zhǔn)確地判斷物體的物理特性和分類，例如，在遠(yuǎn)程醫(yī)療過程中，根據(jù)這種觸覺感知裝置就可以判斷腫瘤的部位和大小以及是否存在包膜等重要特征。
三、技術(shù)內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明提供一種能夠提高感知真實(shí)感及感知速度且結(jié)構(gòu)簡單的柔性觸覺感知裝置。
技術(shù)方案本發(fā)明是一種用于感覺物體狀況的柔性觸覺感知裝置，包括支架，在支架上設(shè)有支承，在支承上連接有板狀彈性梁，且至少有一個支承通過設(shè)在其上的絲杠、絲輪、滑套與板狀彈性梁連接，絲杠與絲輪螺紋連接，滑套與絲輪連接，滑套與板狀彈性梁滑動連接，絲杠還與電機(jī)的輸出軸相連，在板狀彈性梁上設(shè)有感知帽。
技術(shù)效果①本發(fā)明采用的板狀彈性梁結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于加工和安裝，因此很容易實(shí)現(xiàn)三維柔性觸覺感知結(jié)構(gòu)。利用板狀彈性梁可以定量、準(zhǔn)確和快速地控制所要表達(dá)對象的剛度，這種基于板狀彈性梁的柔性觸覺感知裝置讓人感知到的柔性或剛度是一種連續(xù)變化的模擬量，所以操作者可以準(zhǔn)確地區(qū)分具有相同形狀和大小，而表面柔性不同的對象(虛擬對象或遠(yuǎn)地機(jī)器人接觸的真實(shí)對象)；而原有的觸覺感知技術(shù)只能提供開關(guān)量觸覺的感知，人們只能感知對象的表面形狀和大小，無法感知對象的真實(shí)柔性或剛度。彈性梁的剛度同與彈性梁的有效彎曲變形長度l的3次方成反比，即K∝1l3]]>而且彈性梁的剛度變化率rK=dKdt=dKdldldt=dKdlv∝vl4]]>不僅和有效彎曲變形長度l的4次方成反比，而且和l的變化速度v成正比。正因?yàn)閯偠鹊淖兓屎陀行澢冃伍L度l的4次方成反比，因此可以通過控制l來實(shí)現(xiàn)剛度的快速控制，即可以隨著遠(yuǎn)地機(jī)器人末端執(zhí)行器在接觸對象表面的快速移動(或隨著虛擬手指在虛擬對象表面的快速移動)，而實(shí)時地跟蹤對象不同接觸部位的柔性變化，使操作者能夠?qū)崟r感知這種柔性隨接觸位置改變而發(fā)生的變化。②本發(fā)明采用了一種具有雙旋轉(zhuǎn)方向螺紋的絲桿帶動兩個絲輪相對運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)以及在板狀彈性梁兩端套設(shè)分別與兩個絲輪相連的滑套的技術(shù)措施，進(jìn)一步提高了感知速度并使結(jié)構(gòu)對稱。板狀彈性梁的剛度變化率不僅和有效彎曲變形長度l的4次方成反比，而且和l的變化速度v成正比，因此采用絲桿帶動兩個絲輪相對運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)和簡支梁的結(jié)構(gòu)同采用絲桿帶動單個絲輪的傳動機(jī)構(gòu)和懸臂梁的結(jié)構(gòu)相比，可以使l的變化速度v提高1倍。結(jié)構(gòu)的對稱性，可以避免彈性架在彎曲變形過程中，感知帽發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)和位移的現(xiàn)象，而克服這種偏轉(zhuǎn)和位移需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。③板狀彈性梁結(jié)構(gòu)體系和圓柱梁結(jié)構(gòu)體系的同時采用還使本發(fā)明具有三維觸覺感知的優(yōu)點(diǎn)。圓柱梁的各向同性的性質(zhì)，使其與物體的表面柔性在水平方向上具有各向同性的性質(zhì)，而且水平方向的柔性遠(yuǎn)小于垂直方向的柔性的情形相適應(yīng)。
四

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的三維感知實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的三維感知實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明一維觸覺感知實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
五、具體實(shí)施方案實(shí)施例1本實(shí)施例是一種用于感覺物體狀況的三維柔性觸覺感知裝置，包括支架1，在支架1上設(shè)有支承11和12，在支承11和12上連接有板狀彈性梁2，支承11通過設(shè)在其上的絲杠4、絲輪51、滑套31與板狀彈性梁2連接，絲杠4與絲輪51螺紋連接，滑套31與絲輪51連接，滑套31與板狀彈性梁2滑動連接，絲杠4還與電機(jī)43的輸出軸相連，在板狀彈性梁2上設(shè)有感知帽6，絲杠4上的螺紋由正螺紋段41和反螺紋段42組成，絲輪51與其中一段螺紋41螺紋連接，另一支承12也通過絲杠4，另一絲輪52和另一滑套32與板狀彈性梁2相連，另一絲輪52與絲杠4上的另一段螺紋42螺紋連接，該另一絲輪52與另一滑套32相連接，另一滑套32與板狀彈性梁2滑動連接，在感知帽6與板狀彈性梁2之間設(shè)有圓柱梁71，在支架1上設(shè)有縱向絲桿72，縱向絲桿72與電機(jī)75的輸出軸相連，在縱向絲桿72上螺紋連接有縱向絲輪73，在圓柱梁71上設(shè)有與之滑動連接的縱向滑套74，縱向滑套74與縱向絲輪73相連。
實(shí)施例2本實(shí)施例是一種用于感覺物體狀況的三維柔性觸覺感知裝置，包括支架1，在支架1上設(shè)有支承11和12，在支承11和12上連接有板狀彈性梁2，支承11通過設(shè)在其上的絲杠4、絲輪51、滑套31與板狀彈性梁2連接，絲杠4與絲輪51螺紋連接，滑套31與絲輪51連接，滑套31與板狀彈性梁2滑動連接，絲杠4還與電機(jī)43的輸出軸相連，在板狀彈性梁2上設(shè)有感知帽6，在感知帽6與板狀彈性梁2之間設(shè)有圓柱梁71，在支架1上設(shè)有縱向絲桿72，縱向絲桿72與電機(jī)75的輸出軸相連，在縱向絲桿72上螺紋連接有縱向絲輪73，在圓柱梁71上設(shè)有與之滑動連接的縱向滑套74，縱向滑套74與縱向絲輪73相連，另一支承12與板狀彈性梁2滑動連接。
實(shí)施例3本發(fā)明是一種用于感覺物體狀況的柔性觸覺感知裝置，包括支架1，在支架1上設(shè)有支承11和12，在支承11和12上連接有板狀彈性梁2，支承11通過設(shè)在其上的絲杠4、絲輪51、滑套31與板狀彈性梁2連接，絲杠4與絲輪51螺紋連接，滑套31與絲輪51連接，滑套31與板狀彈性梁2滑動連接，絲杠4還與電機(jī)43的輸出軸相連，在板狀彈性梁2上設(shè)有感知帽6，在本實(shí)施例中，在感知帽6與板狀彈性梁2之間設(shè)有桿61，在桿61上套設(shè)固定套611，固定套611設(shè)在支架1上，上述絲杠4上的螺紋由正螺紋段41和反螺紋段42組成，絲輪51與其中一段螺紋41螺紋連接，另一支承12也通過絲杠4，另一絲輪52和另一滑套32與板狀彈性梁2相連，另一絲輪52與絲杠4上的另一段螺紋42螺紋連接，該另一絲輪52與另一滑套32相連接，另一滑套32與板狀彈性梁2滑動連接。
權(quán)利要求
1.一種用于感覺物體狀況的柔性觸覺感知裝置，包括支架(1)，其特征在于在支架(1)上設(shè)有支承(11和12)，在支承(11和12)上連接有板狀彈性梁(2)，且至少有一個支承(11)通過設(shè)在其上的絲杠(4)、絲輪(51)、滑套(31)與板狀彈性梁(2)連接，絲杠(4)與絲輪(51)螺紋連接，滑套(31)與絲輪(51)連接，滑套(31)與板狀彈性梁(2)滑動連接，絲杠(4)還與電機(jī)(43)的輸出軸相連，在板狀彈性梁(2)上設(shè)有感知帽(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性觸覺感知裝置，其特征在于絲杠(4)上的螺紋由正螺紋段(41)和反螺紋段(42)組成，絲輪(51)與其中一段螺紋(41)螺紋連接，另一支承(12)也通過絲杠(4)，另一絲輪(52)和另一滑套(32)與板狀彈性梁(2)相連，另一絲輪(52)與絲杠(4)上的另一段螺紋(42)螺紋連接，該另一絲輪(52)與另一滑套(32)相連接，另一滑套(32)與板狀彈性梁(2)滑動連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柔性觸覺感知裝置，其特征在于在感知帽(6)與板狀彈性梁(2)之間設(shè)有圓柱梁(71)，在支架(1)上設(shè)有縱向絲桿(72)，縱向絲桿(72)與電機(jī)(75)的輸出軸相連，在縱向絲桿(72)上螺紋連接有縱向絲輪(73)，在圓柱梁(71)上設(shè)有與之滑動連接的縱向滑套(74)，縱向滑套(74)與縱向絲輪(73)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性觸覺感知裝置，其特征在于另一支承(12)與板狀彈性梁(2)滑動連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于感覺物體狀況的柔性觸覺感知裝置，包括支架，在支架上設(shè)有支承，在支承上連接有板狀彈性梁，且至少有一個支承通過設(shè)在其上的絲杠、絲輪、滑套與板狀彈性梁連接，絲杠與絲輪螺紋連接，滑套與絲輪連接，滑套與板狀彈性梁滑動連接，絲杠還與電機(jī)的輸出軸相連，在板狀彈性梁上設(shè)有感知帽。本發(fā)明采用的板狀彈性梁結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于加工和安裝，因此很容易實(shí)現(xiàn)三維柔性觸覺感知結(jié)構(gòu)。板狀彈性梁結(jié)構(gòu)體系和圓柱梁結(jié)構(gòu)體系的同時采用還使本發(fā)明具有三維觸覺感知的優(yōu)點(diǎn)。圓柱梁的各向同性的性質(zhì)，使其與物體的表面柔性在水平方向上具有各向同性的性質(zhì)，而且水平方向的柔性遠(yuǎn)小于垂直方向的柔性的情形相適應(yīng)。
文檔編號B25J13/08GK1483555SQ0313176
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者宋愛國, 吳涓, 黃惟一, 王愛民, 劉威 申請人:東南大學(xué)