本實(shí)用新型屬于一類人體外骨骼系統(tǒng)，特別地是一種為人體頭部負(fù)載提供助力，改善頭部負(fù)載如虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔佩帶舒適性和沉浸感，并跟蹤佩帶者頭部位置及姿態(tài)的設(shè)備。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔是一種常見(jiàn)的人體頭部負(fù)載，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；位置跟蹤器與虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔配合使用，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。

中國(guó)專利ZL200520129164.0公開了一種虛擬現(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。但這該設(shè)計(jì)存在兩方面的局限性。一是只能檢測(cè)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔即佩戴者頭部的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而對(duì)于另外三個(gè)自由度的平動(dòng)則無(wú)能為力；二是檢測(cè)精度易受軟軸的彈性變形影響；三是該虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔在使用過(guò)程中，仍會(huì)給佩戴者造成沉重感、束縛感和異物感。

中國(guó)專利ZL201010103366.3公開了一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)頭盔伺服系統(tǒng)，采用一種剛性的Stewart平臺(tái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)為虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔提供助力和位姿跟蹤。該設(shè)計(jì)存在兩方面的不足——一是執(zhí)行機(jī)構(gòu)助力功能的本質(zhì)是減輕虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔質(zhì)量與慣性對(duì)佩戴者的影響，然而執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為一種剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其自身的慣性與質(zhì)量較大，從而影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制效率和助力效果；二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有一般Stewart平臺(tái)存在缺陷——對(duì)于安裝與使用空間較小的仿真環(huán)境，如座艙等來(lái)說(shuō)，其安裝與使用空間依然較大，且工作空間相對(duì)較小、存在奇異位置，這無(wú)疑增大了虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的位姿跟蹤的控制難度及其不穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種具備助力功能，代替佩戴者承擔(dān)負(fù)載的重量和慣性，減輕負(fù)載給佩戴者帶來(lái)的沉重感、束縛感和異物感，改善佩帶的舒適性，提高佩戴者與本系統(tǒng)之間連接的柔順性，基座鉸點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸具有可重構(gòu)性的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置。

本實(shí)用新型所述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，包括基座底板，六個(gè)單元支架13分別通過(guò)六個(gè)基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在基座底板上；單元支架上設(shè)置伺服電機(jī)23及在伺服電機(jī)23的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼索繞組24，萬(wàn)向滑輪10可360°轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)置在單元支架上；三個(gè)復(fù)合球鉸11在周向均布在用于安裝負(fù)載的負(fù)載安裝平臺(tái)上；復(fù)合球鉸11的內(nèi)耳40、外耳41各通過(guò)一根繞過(guò)萬(wàn)向滑輪10的鋼索與鋼索繞組24相連。

上述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，萬(wàn)向滑輪10包括轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在叉耳34上的定滑輪35；叉耳34繞叉耳軸線360°轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)置在單元支架13上；在叉耳上開有沿叉耳軸線延伸的導(dǎo)向孔；鋼索繞過(guò)定滑輪并穿過(guò)導(dǎo)向孔。在負(fù)載安裝平臺(tái)位置移動(dòng)時(shí)，叉耳始終能夠繞單元支架轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鋼索由于繞過(guò)定滑輪后穿過(guò)導(dǎo)向孔，所以這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，防止了鋼索相互纏繞在一起而打結(jié)。

上述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)12包括用于調(diào)節(jié)單元支架13徑向位置和周向位置的徑向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和周向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)。

上述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，徑向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在基座底板上的徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16、通過(guò)螺紋副相互配合的徑向調(diào)節(jié)螺母17和徑向調(diào)節(jié)絲杠19，徑向調(diào)節(jié)絲杠19轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16上，徑向調(diào)節(jié)螺母17沿徑向調(diào)節(jié)絲杠19的軸線方向與徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16滑動(dòng)配合，在徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16上設(shè)置用于帶動(dòng)徑向調(diào)節(jié)絲杠19轉(zhuǎn)動(dòng)的徑向調(diào)節(jié)電機(jī)22。

上述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，周向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括開在基座底板14上的圓弧長(zhǎng)孔，穿過(guò)圓弧長(zhǎng)孔并與徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16通過(guò)螺紋相連的預(yù)緊螺桿32，套裝在預(yù)緊螺桿32上的橫跨在圓弧長(zhǎng)孔上的預(yù)緊壓片33，固定在預(yù)緊螺桿32上用于對(duì)預(yù)緊壓片施壓的止推部；圓弧長(zhǎng)孔的中心弧線與用于連接徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16和基座地板的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線同心。

上述的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，用于檢測(cè)鋼索受力大小的關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3串聯(lián)在鋼索上；用于檢測(cè)伺服電機(jī)23轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器25設(shè)置在伺服電機(jī)23上；關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器25的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元4與控制單元5相連，控制單元5的輸出接伺服電機(jī)23。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置。一方面，具備助力功能。使用時(shí)，基座底板固定，通過(guò)伺服電機(jī)動(dòng)作拉動(dòng)鋼索，鋼索始終處于張緊狀態(tài)，負(fù)載和負(fù)載安裝平臺(tái)通過(guò)鋼索懸掛在基座底板上，因此，本系統(tǒng)代替佩戴者承擔(dān)負(fù)載如虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的重量和慣性，減輕由負(fù)載給佩戴者帶來(lái)的沉重感、束縛感和異物感，改善佩帶負(fù)載的舒適性、增強(qiáng)負(fù)載的使用逼真度。另一方面，本系統(tǒng)具備頭部位置與姿態(tài)的檢測(cè)功能，控制單元基于外骨骼機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器等相關(guān)傳感器的反饋信息，完成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中參與者的頭部檢測(cè)；第三方面，采用柔性支鏈，提高人-機(jī)連接的柔順性；第四方面，基座鉸點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸的可重構(gòu)性。

本實(shí)用新型提出的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，是跟蹤人體頭部運(yùn)動(dòng)、為頭部負(fù)載提供助力作用的頭頸部柔性外骨骼系統(tǒng)。該系統(tǒng)的有益效果有五項(xiàng)：一是具備規(guī)避奇異位置的功能，作為系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有基座鉸點(diǎn)位置調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸的實(shí)時(shí)重構(gòu)，從而使負(fù)載安裝平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能有效地避開奇異位置，提高負(fù)載安裝平臺(tái)的可控性和運(yùn)動(dòng)效率；二是節(jié)能且輕巧，采用柔性鋼索作為連接基座和負(fù)載安裝平臺(tái)的支鏈，一方面減小了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和慣量，降低了對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置即伺服電機(jī)的輸出扭矩要求，提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)與人之間連接的柔順性；另一方面，在降低了支鏈安裝與運(yùn)動(dòng)對(duì)空間要求的同時(shí)，采用鋼索繞組實(shí)現(xiàn)鋼索的收放，減小了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體高度，使整個(gè)系統(tǒng)更適合用于空間較小的仿真環(huán)境；三是位姿檢測(cè)準(zhǔn)又穩(wěn)，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器的反饋信息來(lái)計(jì)算柔性鋼索的長(zhǎng)度，并基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)計(jì)算負(fù)載安裝平臺(tái)和使用者頭部的實(shí)時(shí)位姿信息。與傳統(tǒng)的六自由度電磁或超聲位置跟蹤器相比，其計(jì)算的位姿信息精度高、穩(wěn)定性好、延遲小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)；四是基于關(guān)節(jié)空間力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的慣性項(xiàng)、非線性項(xiàng)以及重力項(xiàng)來(lái)計(jì)算任務(wù)空間的人-機(jī)交互力，方案僅需六個(gè)拉力傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、成本低且實(shí)用。五是人-機(jī)交互力期望值的計(jì)算方法，以伺服電機(jī)的各性能指標(biāo)為待優(yōu)化參數(shù)，以性能參數(shù)的取值范圍為約束條件，以人-機(jī)交互力最小為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)優(yōu)化計(jì)算負(fù)載安裝平臺(tái)處于某一位姿時(shí)的六個(gè)伺服電機(jī)的性能參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的最小人-機(jī)交互力。

附圖說(shuō)明

圖1是人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是基座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元、單元支架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元等的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是圓周調(diào)節(jié)鎖緊部件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是萬(wàn)向滑輪的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是單元支架示意圖。

圖10是復(fù)合球鉸的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是負(fù)載安裝平臺(tái)及其負(fù)載的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12是本系統(tǒng)的工作原理圖。

圖13是基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)等的示意圖。

圖1中標(biāo)號(hào)名稱：1. 六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)，2. 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元，3. 關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元，4.數(shù)據(jù)采集與處理單元，5. 控制單元，6.負(fù)載（虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔）。

圖2中標(biāo)號(hào)名稱：7. 基座，8. 柔性鋼索，9. 負(fù)載安裝平臺(tái)，10. 萬(wàn)向滑輪，11.復(fù)合球鉸。

圖3中標(biāo)號(hào)名稱：12. 基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，13.單元支架。

圖4、圖13中標(biāo)號(hào)名稱：14.基座底板，圓弧長(zhǎng)孔141；15.圓周調(diào)節(jié)鎖緊部件，16.徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，17.徑向調(diào)節(jié)螺母，18.圓周調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副，19.徑向調(diào)節(jié)絲杠，20.徑向調(diào)節(jié)傳動(dòng)部件，21.徑向調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)副，22.徑向調(diào)節(jié)電機(jī)。

圖5中標(biāo)號(hào)名稱：23. 伺服電機(jī)，24. 鋼索繞組，25. 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器，26.頂板，27.底板，28.腹板，29.外側(cè)板，30.內(nèi)側(cè)板。

圖6中標(biāo)號(hào)名稱：31. 載荷傳感器。

圖7中標(biāo)號(hào)名稱：32.預(yù)緊螺桿，33.預(yù)緊壓片；止推部321。

圖8中標(biāo)號(hào)名稱：35.定滑輪，線槽351，34.叉耳。叉耳轉(zhuǎn)軸341、導(dǎo)向孔342。

圖9中標(biāo)號(hào)名稱：36.沉孔，37.叉耳安裝孔，38.繞組安裝孔，39.螺紋孔。

圖10中標(biāo)號(hào)名稱：40.內(nèi)耳，41.外耳，42.頂耳。

圖11中標(biāo)號(hào)名稱：43.過(guò)渡部件。

具體實(shí)施方式

這里結(jié)合圖1～12對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，其中系統(tǒng)工作原理參見(jiàn)圖12。

如圖1所示的人體頭部負(fù)載的柔性助力與跟蹤裝置，主要由六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)1、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2、關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3、數(shù)據(jù)采集與處理單元4、控制單元5組成。

如圖2所示，六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)1主要由基座7、六條柔性鋼索8、負(fù)載安裝平臺(tái)9組成。六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的基座7用于固定整個(gè)裝置。

如圖3，基座7由基座底板14、基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)12和六組單元支架13組成。六組單元支架13的頂板26分別固定安裝于基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)12的徑向調(diào)節(jié)螺母17底面上。

如圖4，基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)11由六個(gè)圓周調(diào)節(jié)鎖緊部件15、六條徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16、六個(gè)徑向調(diào)節(jié)螺母17、六組圓周調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副18、六根徑向調(diào)節(jié)絲杠19、六組徑向調(diào)節(jié)傳動(dòng)部件20、十二組徑向調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)副21和六個(gè)徑向調(diào)節(jié)電機(jī)22組成?；装?4作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)予以固定，徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16上表面開有一定間距的螺紋孔，其內(nèi)端通過(guò)圓周調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副18與基座底板14連接，外端通過(guò)圓周調(diào)節(jié)鎖緊部件15與基座底板14連接。

如圖5所示，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2由伺服電機(jī)23、鋼索繞組24、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器25組成；

如圖6所示，關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3由串聯(lián)在柔性鋼索上的載荷傳感器31組成；數(shù)據(jù)采集與處理單元4由信號(hào)采集卡或其它信號(hào)采集電路組成。

如圖7，圓周調(diào)節(jié)鎖緊部件15由預(yù)緊螺桿32、預(yù)緊壓片33和固定在預(yù)緊螺桿32上端的用于對(duì)預(yù)緊壓片施壓的止推部321組成。預(yù)緊壓片33套裝在預(yù)緊螺桿32上，兩者之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)副連接。預(yù)緊壓片33與基座底板14是面接觸，橫跨于基座底板14相應(yīng)的圓弧長(zhǎng)孔141（圓弧長(zhǎng)孔的中心弧線與圓周調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副18的旋轉(zhuǎn)軸同心）的兩端，預(yù)緊螺桿32與徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16上表面的螺紋孔之間是螺紋連接。當(dāng)預(yù)緊螺桿32旋緊時(shí)，止推部321對(duì)預(yù)緊壓片33施壓，由于靜摩擦力的存在，預(yù)緊壓片33與基座底板14無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16與基座底板14之間的固連。當(dāng)松開預(yù)緊螺桿32時(shí)，徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16可繞圓周調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副18沿圓弧長(zhǎng)孔的中心弧線方向轉(zhuǎn)動(dòng)。徑向調(diào)節(jié)絲杠兩端通過(guò)徑向調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)副21與徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16連接，與徑向調(diào)節(jié)螺母17之間采用螺旋副連接。徑向調(diào)節(jié)電機(jī)22固定安裝于徑向調(diào)節(jié)導(dǎo)軌16的外端面，其驅(qū)動(dòng)軸軸線與徑向調(diào)節(jié)絲杠19軸線平行，并通過(guò)徑向調(diào)節(jié)傳動(dòng)部件20驅(qū)動(dòng)徑向調(diào)節(jié)絲杠19繞徑向調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)副21軸線旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)徑向調(diào)節(jié)螺母17沿基座底板14的直徑方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向滑輪10空間位置的調(diào)整。

單元支架13由頂板26、底板27、腹板28、外側(cè)板29和內(nèi)側(cè)板30組成，各組成部分之間采用螺栓連接。六個(gè)單元支架上安裝有六個(gè)萬(wàn)向滑輪，用于支持柔性鋼索的伸縮和改變鋼索的移動(dòng)方向。

如圖8，萬(wàn)向滑輪10由定滑輪35和叉耳34組成，定滑輪的轉(zhuǎn)軸兩端分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與叉耳相連。叉耳的轉(zhuǎn)軸341與單元支架13的外側(cè)板29上的叉耳安裝孔37通過(guò)旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行連接。在叉耳的轉(zhuǎn)軸上開有沿叉耳軸線延伸的導(dǎo)向孔342；鋼索繞過(guò)定滑輪并穿過(guò)導(dǎo)向孔。柔性鋼索8由于負(fù)載安裝平臺(tái)9和負(fù)載6的重力作用緊緊貼靠在定滑輪的線槽351中。定滑輪34起到了改變?nèi)嵝凿撍?收縮方向的作用。叉耳導(dǎo)向孔為通孔，柔性鋼索8經(jīng)定滑輪導(dǎo)向后經(jīng)叉耳導(dǎo)向孔纏繞于鋼索繞組24上。

如圖5和圖9，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角傳感器25的轉(zhuǎn)子部分與伺服電機(jī)23上端轉(zhuǎn)軸通過(guò)夾緊裝置進(jìn)行連接。伺服電機(jī)23通過(guò)沉孔36定位于腹板28之上，并通過(guò)螺紋孔39固定于腹板28。鋼索繞組24的上端部分開有圓頭鍵槽，與伺服電機(jī)23的下端轉(zhuǎn)軸通過(guò)圓頭鍵實(shí)現(xiàn)剛性連接，鋼索繞組24的下端為轉(zhuǎn)軸，與底板27上的繞組安裝孔38之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行連接。

如圖6，載荷傳感器31安裝于柔性鋼索8的下部，兩者之間通過(guò)螺桿和螺母進(jìn)行連接。柔性鋼索8的下端與復(fù)合球鉸11（該復(fù)合球鉸專利已授予，申請(qǐng)?zhí)枮?00710021406.8）的外耳41或內(nèi)耳40之間亦通過(guò)螺桿和螺母進(jìn)行連接。

如圖2和圖10，復(fù)合球鉸11的頂耳42與負(fù)載安裝平臺(tái)9通過(guò)旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行連接，三組復(fù)合球鉸11均勻分布于負(fù)載安裝平臺(tái)9之上。負(fù)載安裝平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，其上可安裝虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔等負(fù)載；如圖11，負(fù)載6通過(guò)過(guò)渡部件43固定于負(fù)載安裝平臺(tái)9之上。

如圖12，控制單元5為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或其它工作站級(jí)別的計(jì)算機(jī)，控制單元由柔性鋼索加速度、速度和長(zhǎng)度計(jì)算模塊、六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的任務(wù)空間與關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、頭部位姿預(yù)測(cè)模塊、六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件的牛頓-歐拉方程模塊、人-機(jī)交互力計(jì)算模塊、人-機(jī)交互力期望值計(jì)算模塊、力/位置混合控制器和負(fù)載安裝平臺(tái)奇異位置檢查模塊組成。六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的負(fù)載安裝平臺(tái)9與人體頭部一起運(yùn)動(dòng)時(shí)（柔性鋼索8時(shí)刻保持張緊狀態(tài)），機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2實(shí)時(shí)對(duì)柔性鋼索8收放引起的伺服電機(jī)23輸出軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)采集與處理單元4將機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2反饋的伺服電機(jī)23輸出軸轉(zhuǎn)角的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并提交給柔性鋼索加速度、速度和長(zhǎng)度計(jì)算模塊，柔性鋼索加速度、速度和長(zhǎng)度計(jì)算模塊根據(jù)相關(guān)部件間的傳動(dòng)比計(jì)算六條柔性鋼索的長(zhǎng)度、速度和加速度信息，然后分別提交給六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊和任務(wù)空間與關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，分別計(jì)算負(fù)載安裝平臺(tái)9即人體頭部的實(shí)際位置與姿態(tài)和線（角）速度、線（角）加速度。六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件的牛頓-歐拉方程模塊以負(fù)載安裝平臺(tái)9的位姿、速度和加速度為輸入，計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的慣性項(xiàng)、非線性項(xiàng)和重力項(xiàng)。人-機(jī)交互力計(jì)算模塊以以上三項(xiàng)為補(bǔ)償，根據(jù)關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3的反饋值對(duì)人體頭部與負(fù)載安裝平臺(tái)9之間的實(shí)際人-機(jī)交互力進(jìn)行計(jì)算。頭部位姿預(yù)測(cè)模塊以人體頭部的實(shí)際位姿為輸入，基于頭部運(yùn)動(dòng)模型對(duì)下一時(shí)間點(diǎn)或下幾時(shí)間點(diǎn)的頭部位姿進(jìn)行預(yù)測(cè)。人-機(jī)交互力期望值計(jì)算模塊以伺服電機(jī)的各性能指標(biāo)為待優(yōu)化參數(shù)，以性能參數(shù)的飽和狀態(tài)為約束條件，以人-機(jī)交互力最小為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)優(yōu)化計(jì)算頭部處于期望位姿時(shí)的六個(gè)伺服電機(jī)的性能參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的人-機(jī)交互力期望值。力/位置混合控制器根據(jù)人-機(jī)交互力實(shí)際值與期望值、頭部位姿的實(shí)際值與期望值來(lái)計(jì)算伺服電機(jī)23的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元4轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)并發(fā)送給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元2。六個(gè)伺服電機(jī)23收到各自的控制信號(hào)后，控制相應(yīng)的柔性鋼索8進(jìn)行收放，繼而控制負(fù)載安裝平臺(tái)9和人-機(jī)交互力按按各自的期望值（預(yù)測(cè)值）變化。負(fù)載安裝平臺(tái)奇異位置檢查模塊基于頭部位姿的預(yù)測(cè)值來(lái)對(duì)下一時(shí)刻或下幾時(shí)刻的負(fù)載安裝平臺(tái)9奇異性進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)的向基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)12發(fā)出調(diào)整指令，后者根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)徑向調(diào)節(jié)電機(jī)22來(lái)實(shí)時(shí)改變六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸，達(dá)到規(guī)避負(fù)載安裝平臺(tái)9奇異位置的目的。

六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)除以上特征外，還具備對(duì)空間物體三軸平動(dòng)位移和三軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度（即位置與姿態(tài)信息，簡(jiǎn)稱位姿）的檢測(cè)功能，根據(jù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元測(cè)的的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角可以實(shí)時(shí)計(jì)算柔性鋼索的長(zhǎng)度，繼而基于六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)即負(fù)載安裝平臺(tái)三軸位移和三軸轉(zhuǎn)角的計(jì)算。此外，與其他并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，還具有三個(gè)特征——一是采用柔性鋼索作為連接基座和負(fù)載安裝平臺(tái)的支鏈，既降低了機(jī)構(gòu)整體的質(zhì)量和慣量，保證了機(jī)構(gòu)的輕巧性，又提高了六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)與負(fù)載如頭盔使用者頭部之間連接的柔順性，可改善頭盔等負(fù)載的使用舒適性；二是基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)可以沿基座底板徑向和圓周方向來(lái)改變基座鉸點(diǎn)即萬(wàn)向滑輪的位置，從而實(shí)現(xiàn)六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式和尺寸的改變，滿足對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的不同需求；三是基座鉸點(diǎn)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)具有驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)負(fù)載安裝平臺(tái)位于奇異位置附近時(shí)，可通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)改變?nèi)f向滑輪沿基座底板徑向的位置，來(lái)改變并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異位置，從而使負(fù)載安裝平臺(tái)避開奇異位置，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可控性和運(yùn)動(dòng)效率。

與收縮式剛性支鏈相比，上述機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼索繞組正、反向旋轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼索的收放。這種設(shè)計(jì)方案降低了六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)自身的重心和高度，可以減小支鏈安裝和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的占有空間，從而降低整體系統(tǒng)對(duì)安裝空間和使用空間的要求，適合空間較小的使用環(huán)境，如飛行仿真座艙、汽車駕駛座艙等。

關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元3安裝于柔性鋼索的下端部，如圖6所示，在結(jié)構(gòu)上與復(fù)合球鉸、關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元和柔性鋼索依次串聯(lián)安裝。其優(yōu)點(diǎn)是：關(guān)節(jié)空間力檢測(cè)單元可實(shí)時(shí)檢測(cè)柔性鋼索的拉力，其反饋值可用于人-機(jī)交互力（負(fù)載如頭盔與使用者頭部之間的力）的計(jì)算。采用合適的力控制器可以將人-機(jī)交互力控制在合適的范圍內(nèi)，從而減輕因頭盔等負(fù)載的重力和慣性給使用這帶來(lái)的異物感和疲勞感，改善頭盔使用的舒適性和沉浸感。具體表現(xiàn)為：控制單元根據(jù)柔性鋼索的拉力和六自由度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程實(shí)時(shí)地計(jì)算人-機(jī)交互力，力控制器以負(fù)載安裝平臺(tái)處于不同位姿時(shí)的人-機(jī)交互力期望值為目標(biāo)（即在伺服電機(jī)輸出額定扭矩的范圍內(nèi)，負(fù)載安裝平臺(tái)處于某一具體位姿時(shí)，所允許人-機(jī)交互力達(dá)到的最小值），對(duì)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)單元的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而使頭盔與其使用者之間的相互作用力最小。