專利名稱：帶纜繩的觸覺感知接口的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于真實或虛擬系統(tǒng)的控制接口，該真實或虛擬系統(tǒng)用來提供信息反饋，例如，代表該系統(tǒng)所遇到的阻力信息(回程力)，或與該系統(tǒng)相關的其它信息。這種類型的接口被稱為觸覺感知接口。
更具體地，本發(fā)明涉及一種用于控制觸覺感知系統(tǒng)的接口，包括基部(底座)；與基部隔開距離的平臺；至少兩根纜繩(cable)，每根纜繩都具有固定至平臺上的第一端和連接至拉力致動器(unactionneur tirant)的第二端，該拉力致動器設計為將拉力施加到繩上；通過鉸接部安裝到基部上的推力裝置，該推力裝置包括推動桿，該推力桿具有與平臺接觸的第一端和連接至推力致動器(unactionneur poussant)的第二端，該推力致動器將推力桿推向平臺，致動器向平臺施加力，其代表關于系統(tǒng)的信息。
已知平臺位于兩基部之間，并且這些平臺通過纜繩而連接于基部。這些平臺在以下方面是顯著的，即，它們的簡易性(這意味著它們的成本可以降低)以及它們的非常低的慣性和在纜繩上的低摩擦(這可以為它們提供高通帶)。
然而，它們的可控制的工作空間(換句話說是，在其中任意力矢量可以施加在平臺上的空間)被限制為是經過在兩個基部上的纜繩連接點(附著點)的多面體空間。這直接導致在纜繩上必須具有嚴格的正向力。然后，將纜繩連接點分布到圍繞平臺的球體上，以使移動距離最優(yōu)化，并且這沒有為操作人員的手留下大的空間。
FR 93 13248也披露了一種包括活動件的觸覺感知接口，該活動件構成了操作人員單手握住的手柄，并且在其上安裝有用于控制系統(tǒng)的位移傳感器，該系統(tǒng)具有一個或多個安裝到活動件上并相對于該活動件可以自由移動的信息反饋部件。這樣，操作人員在其手的一部分感知信息反饋。
這樣的系統(tǒng)不使用斯圖爾特(Stewart)平臺原理。用于將信息反饋傳輸至平臺的纜繩致動器不能用來控制系統(tǒng)。另一方面，使用一個獨特的位移傳感器。由于手柄的較小尺寸，所以平臺的移動距離非常小。另外，平臺電纜的致動器沒有被安裝到形成基部的固定件上，而是通過在外殼中滑動的纜繩而被安裝到連接至手柄的偏遠支撐件(支架)上。由于所涉及的力較小，結果導致無法接受的摩擦力。
US 4,666,362也披露了一種操作器，其包括基部和與該基部隔開距離的平臺，該平臺設計為用于連接安裝工具或類似裝置。電纜將基部連接至平臺。中央桿阻止由安裝在基部上的電動機在纜繩上所施加的拉力。
這樣的裝置不能構成觸覺感知接口。它既不能用來控制系統(tǒng)也不能接收從該系統(tǒng)返回的信息。將要在該類型的應用中被傳輸的力高于在觸覺感知接口中的力。因此，纜繩傳輸技術是不合適的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有技術的缺點的活動接口。它必須能夠增加傳統(tǒng)類型纜繩平臺的可控工作空間并且能夠在不影響纜繩的情況下由工作人員對平臺進行輸入。它還必須能夠進行簡單生產以便可以以低成本制造。最后，它必須能夠使旋轉移動距離最佳化。
這些目的是通過平臺包括控制裝置的這一事實而實現(xiàn)的。
本發(fā)明的接口保留了簡易和低慣性的優(yōu)點，因此具有斯圖爾特平臺的較大通帶。包括牽引纜繩的致動器和推動推力桿的致動器在內的致動器傳輸將要到達系統(tǒng)的控制信號以及從該系統(tǒng)反饋的信息兩者。另外，由于推力桿的存在，可控制的工作空間延伸超過基部上纜繩連接點。
在一個優(yōu)選的具體實施方式
中，每一致動器包括傳感器，該傳感器能輸出代表連接至傳感器的纜繩長度的信號，而推力裝置包括傳感器，該傳感器能輸出代表與平臺接觸的推力桿的端部與它們在基部上的鉸接部之間的距離的信號，所有這些信號用來控制該系統(tǒng)。
在一個特定的具體實施方式
中，推力致動器由向纜繩施加拉力的拉力致動器和將纜繩拉力轉化為推力桿上的推力的移動轉換機構構成。
由于該特征，同樣的技術可以應用于所有致動器，包括纜繩致動器和推力桿致動器。另外，纜繩致動器能確保傳輸系統(tǒng)的低成本和低慣性。
有利地，移動轉換機構包括減力器(moufle)。
該減力器可以減小來自推力桿致動器的所需的力矩。
在一個
具體實施例方式
中，移動轉換機構被置于千斤頂中。
推力桿致動器可以安裝在千斤頂上或者可以安裝在基部上。
在一個特定的具體實施方式
中，推力桿的致動器被置于推力裝置的鉸接部下方。
通過質量分配在鉸接部每一側上，這樣的布置能夠實現(xiàn)推力裝置的靜態(tài)平衡。
有利地，推力裝置通過萬向接頭鉸接在平臺上。
優(yōu)選地，推力桿設置有幾乎與萬向接頭中心相交一點的縱軸。
還優(yōu)選地，推力桿的端部與平臺相接觸并通過球窩接頭鉸接在該平臺上。
平臺被有利地構造成，使其中心與球窩接頭的中心重合，以便操作人員手握位置位于球窩接頭的中央。
該特征能夠實現(xiàn)純旋轉運動，這種純旋轉運動使纜繩移動最小化并增大了工作空間。
根據本發(fā)明的接口可以具有6個自由度。在這種情況下，該接口包括6根纜繩，它們被有利地分成三對纜繩，這些纜繩成對地固定在平臺上的三角架的端部。


在閱讀了參照附圖給出的用于說明目的的具體實施方式
的以下描述之后，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見圖1是根據本發(fā)明的觸覺感知接口的透視圖；圖2是類似于圖1的透視圖，接口示于不同位置處。
圖3至圖6示出了推力裝置的四個不同變形具體實施方式
；圖7是在纜繩上包括彈簧的推力裝置的具體實施方式
的概括性截面圖。
具體實施例方式
圖1和圖2所示的觸覺感知接口包括用一般符號2表示的基部。該基部由矩形框架構成，該框架包括兩個長邊4和兩個短邊6。標記8、10、12、14、16和18表示的水平臂被固定至矩形框架。這些臂中的每一個都被鉆有形成纜繩導向的通孔22。也固定至長邊4之一的臂20比其它六條臂都短，同時也向框架內部突出。在該臂上鉆有形成纜繩導向的通孔23。
接口包括平臺24。在所示出的具體實施例中，平臺24為球形，但顯然，該具體實施方式
不是強制性的，其它的形狀也將是可行的。桿26被固定至球體24上。兩根纜繩32被固定至每根桿26的端部30上(出于簡化的原因，圖1和2僅示出了兩根纜繩)。在桿的另一端，纜繩32通過位于臂8至18的端部上的通孔22而穿到內部并且纏繞在由電動機驅動的致動器36的滑輪上。每一致動器設置有由圖1和2中的矩形38圖解示出的傳感器。對電動機進行定位，以便可以推導出纜繩的長度。
如在圖3至圖6以及圖7中所看到的，球體24通過球窩接頭42鉸接在推力桿40的端部。另外，可以觀察到，球窩接頭42的中心和球體24的中心重合。因此，平臺24的轉動導致桿26的端部以及六根纜繩32中的每一根的最小位移。因此，對平臺24進行操作的操作人員的手握處位于球窩接頭42上平臺鉸接部的中央。
在其下端(即與承載球窩接頭42的端部相對的端部)，剛性推力桿40被連接至推力致動器，其作用是用來平衡由6個拉力致動器36通過6根纜繩32中的每一根而施加到平臺24上的拉力。
通常，具有n個自由度的斯圖爾特平臺包括n+1根纜繩。例如，具有6個自由度的平臺包括7根纜繩。由于這些纜繩僅可以傳輸拉力，因此可控制工作空間(換句話說是其中在平臺上可以產生任意力矢量的空間)被限制為是經過位于基部上的纜繩連接點的多面體的空間。通過用剛性推力桿40代替7根纜繩中的一根，在推力致動器的對面?zhèn)龋煽刂瓶臻g偏置到多面體外部。
推力致動器可以以多種不同方式制成。它可以為液壓的或氣動的千斤頂，或可以為滾珠螺桿。在示出的示例性具體實施方式
中，它由拉力致動器44和移動轉換機構構成。在圖1和圖2中，運動轉換機構由通過萬向接頭鉸接在基部2上的托架48構成。托架的下端圍繞XX軸并相對于大U形的結構50而樞轉，該結構本身被自由安裝以在基部2的長邊4之一上圍繞YY軸樞轉。XX和YY軸相互垂直并相交在臂20的纜繩導向孔23的中心。兩個平行滑動桿52被自由安裝，以便在托架48的上端滑動。兩個滑動桿52在它們的下端設置有鉸鏈銷53，該鉸鏈銷的上面安裝有滑輪54。這兩個桿52在其上端通過橫梁56連接在一起。纜繩58在其下端纏繞到致動器44的滑輪上(圖1和圖2中未顯示)。纜繩58穿過臂20的纜繩導向23，然后到達安裝在托架上部分上的第一滑輪60上，接著到達安裝在鉸鏈銷53上的第二滑輪54上，該鉸鏈銷連接滑動桿52的兩個下端。最后，纜繩58的一端被固定至托架48的上部分。這樣造成的結果是，當纜繩被纏繞在致動器滑輪上并且推力桿40固定至遠離基部2移動的橫梁56上時，減力器通過致動器44將待施加至纜繩58下端的拉力減半。纜繩32同時延伸，致動器36中的每一個釋放必要的纜繩長度。
圖2示出了圖1中的觸覺感知接口的另一位置。在圖2中，平臺24從其在圖1中的位置被移動?？梢钥闯觯琔形支架50圍繞其鉸接軸YY樞轉，并且托架48在支架50上也圍繞其鉸接軸XX樞轉。另外，平臺24圍繞其由推力桿40具體化的旋轉軸ZZ旋轉(參見圖3)。最后，兩個導向桿52被向上移動。因此，將桿26的端部30連接至臂8、10、12、14、16和18的孔22的纜繩32的長度改變了。對于這些纜繩中的一些來說，例如圖1和圖2所示的兩根纜繩32，這種變化導致長度的增加。對于其它纜繩來說，平臺24的位置變化導致長度的減小。對于由推力桿40的中央致動器44驅動的纜繩58來說尤其為這種情況。
與周圍致動器36的每一個以及中央致動器44相關的傳感器38紀錄纜繩的不同變化并且向計算機傳輸代表這些變化的數值，該計算機用來計算平臺24的新位置。該新位置可以控制一個真實或虛擬的系統(tǒng)。反過來，致動器36和中央致動器44接收信息。該信息可以是系統(tǒng)遇到的力的反饋或者其它信息。該返回信息被致動器36利用，以便向纜繩32和58施加拉力，從而當操作人員的手放在平臺24上時，操作人員可以感覺到代表所遇到的力的一種感覺。
這樣，結果是制成了帶纜繩的具有平行結構的觸覺感知接口，其中，平臺24既構成控制裝置又構成用來返回信息的裝置。由于纜繩傳輸機構的簡易性，因此該接口具有低慣性，這賦予了該接口寬通帶。另外，這種纜繩傳輸很適于待傳輸力較小的這類應用中。
圖3至圖6示出了移動轉換裝置和推力桿40的致動器44的安裝的不同變形的具體實施方式
。在圖3中，移動轉換裝置僅由纜繩58的反向滑輪(poulie de renvoi)60構成，纜繩的端部65被固定至推力桿40的下部分67。推力桿40的上端部69被固定至球窩接頭上，該球窩接頭上鉸接有平臺24。如上所述，平臺24被構造成使得，操作人員手握處的中心與球窩接頭42的中心重合，這樣，如果平臺相對于球窩接頭42旋轉，則該接口使纜繩的位移最小化。
反向滑輪60被安裝在構成纜繩千斤頂的汽缸70的內壁上。推力桿40在千斤頂70的接觸表面72上滑動。推力桿的致動器44被安裝在千斤頂的下部分。千斤頂的下端通過圖解示出的萬向接頭74鉸接在基部2上。該萬向接頭可以類似于圖1和圖2中所描述的來制造。
在該
具體實施例方式
中，移動轉換裝置不包含減力器。因此，致動器44必須在沒有縮減系數的情況下，足夠強有力地使得由6個其它拉力致動器36中的每一個向纜繩32所施加的拉力平衡。
圖4示出了移動轉換裝置的變形具體實施方式
。它們包括安裝在汽缸70的內壁上的第一滑輪60和安裝在垂至于推力桿40的下端67的鏈接銷上的第二滑輪54。纜繩58的端部77被固定在千斤頂70的上壁上。致動器44被完全置于汽缸70的內部。另外，千斤頂70的下端通過圖解示出的萬向接頭74以與圖3中具體實施方式
相同的方式鉸接在基部2上。
在該
具體實施例方式
中(其與參照圖1和圖2描述的具體實施方式
功能上相同)，移動轉換裝置包括減力器，該減力器通過將力除以系數2來降低纜繩68上所需的拉力。這樣，致動器44的功率可以被減半。另一方面，對于推力桿40相同平移位移，致動器44必須卷起或展開雙倍的纜繩長度。
圖5中示出了移動轉換裝置的第三種變形具體實施方式
。它們包括安裝在千斤頂70上的大直徑滑輪80。兩個滑輪60被固定到汽缸70的內壁上。第四個滑輪54被安裝到推力桿40的下端67上。拉力致動器44的纜繩58被連接至大直徑滑輪80的旋轉軸上。另外，該機構包括相繼通過滑輪80、60和54的第二封閉纜繩82。在該具體實施方式
中，致動器44被安裝到千斤頂70的下端部上，但它位于萬向接頭74的下方，千斤頂70通過該萬向接頭鉸接在基部2上。因此，致動器44實現(xiàn)了推力裝置的靜態(tài)平衡。在該具體實施方式
中，質量被更好地平衡在由萬向接頭74構成的鉸接軸的每一側上，致動器44的質量部分地平衡了推力裝置其余部分的質量。
圖6示出了推力裝置的第四變形具體實施方式
。在該變形中，致動器44被安裝到基部2上，而不是像前面的具體實施方式
一樣被固定至千斤頂70的下部分上。致動器44的纜繩58穿過固定至汽缸70的下壁上的滑輪60和安裝在垂直于推力桿40的下端67的旋轉軸上的滑輪54。這樣造成的結果是形成了一個與圖4和圖5中具體實施方式
所用的減力器相當的減力器，它能夠使待施加到纜繩58上的拉力減半。纜繩58的下部分還被引導到固定于千斤頂內壁上的導輪86上，并且通過位于千斤頂下端的兩個反向滑輪88被差不多引導到萬向接頭74處。千斤頂70的下壁被開口以便纜繩可以通過。
最后，圖7示出了圖3中推力裝置的變形具體實施方式
。除了具有安裝在拉力致動器36的纜繩32周圍的壓縮彈簧92之外，該變形與圖3中的推力裝置在所有方面都相同。每個螺旋形彈簧92被限制在固定于基部2的下推力面94與固定于平臺24的上推力面96之間。彈簧92的存在使得施加在纜繩32上的拉力平衡，由此減小作用于中央致動器44的力。它還有助于使中央靜止位置(position derepos centrale)具體化。
權利要求
1.一種用于對系統(tǒng)進行控制的觸覺感知接口，所述接口包括基部(2)；與所述基部(2)隔開距離的平臺(24)；至少兩根纜繩(32)，每根所述纜繩都有固定于所述平臺(24)的第一端以及連接至拉力致動器(36)的第二端，所述拉力致動器被設計為用于向所述纜繩(32)施加拉力；推力裝置，其通過鉸接部(50，74)安裝在所述基部(2)上，所述推力裝置包括推力桿(40)，所述推力桿具有與所述平臺(24)接觸的第一端(42)和連接至推力致動器的第二端(67)，所述推力致動器將所述推力桿(40)推向所述平臺(24)，所述致動器(36，44)分別向所述平臺(24)施加力，其代表有關所述系統(tǒng)的信息，其特征在于，所述平臺(24)包括控制裝置。
2.根據權利要求1所述的接口，其特征在于，每個致動器(36，44)包括傳感器(38)，所述傳感器(38)能夠輸出代表連接至所述傳感器的所述纜繩(32，58)的長度的信號，而所述推力裝置包括傳感器(38)，所述傳感器(38)能夠輸出代表與所述平臺(24)接觸的所述推力桿(40)的端部與它們的在所述基部(2)上的鉸接部(50，74)之間的距離的信號，所有這些信號都用來控制所述系統(tǒng)。
3.根據權利要求1或2所述的接口，其特征在于，所述推力致動器由向所述纜繩(58)施加拉力的所述拉力致動器(44)以及將所述纜繩(58)的拉力轉換為作用在所述推力桿(40)上的推力的運動轉換機構(54，60)構成。
4.根據權利要求3所述的接口，其特征在于，所述運動轉換機構包括減力器(54，60)。
5.根據權利要求3或4所述的接口，其特征在于，所述運動轉換機構被置于千斤頂(70)中。
6.根據權利要求5所述的接口，其特征在于，所述推力桿(40)的所述致動器(44)被安裝在所述千斤頂(70)上。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的接口，其特征在于，所述推力桿(40)的所述致動器(44)被安裝在所述基部(2)上。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的接口，其特征在于，所述推力桿(40)的所述致動器(44)被置于所述基部(2)上的所述推力裝置的所述鉸接部(74)的下方。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的接口，其特征在于，所述推力裝置通過萬向接頭鉸接在所述平臺上。
10.根據權利要求9所述的接口，其特征在于，所述推力桿(40)設置有幾乎與所述萬向接頭的中心(23)相交一點的縱軸(ZZ)。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的接口，其特征在于，與所述平臺接觸的所述推力桿(40)的端部通過球窩接頭(42)與所述平臺鉸接。
12.根據權利要求11所述的接口，其特征在于，所述平臺(24)被構造成，使得其中心與所述球窩接頭的中心重合，從而操作人員手握處位于所述球窩接頭(42)的中央。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的接口，其特征在于，所述接口包括6根纜繩，這些纜繩有利地被分配成三對纜繩(32)，這些纜繩成對地固定在所述平臺(24)上的三角架的端部(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種觸覺感知接口，包括基部(2)；與基部(2)隔開距離的平臺(24)；至少兩根纜繩(32)，每根纜繩都有固定于所述平臺的第一端和連接至拉力致動器(36)的第二端，所述拉力致動器被設計為向纜繩(32)施加拉力。推力裝置通過鉸接部(50)安裝在基部(2)上。推力裝置包括推力桿(40)，所述推力桿具有和平臺(24)接觸的第一端和連接至推力致動器的第二端，所述推力致動器將推力桿(40)推向平臺(24)。致動器(36，44)向平臺施加力，其代表有關系統(tǒng)的信息。該平臺(24)包括控制裝置。
文檔編號G05G5/00GK101069143SQ200580041457
公開日2007年11月7日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權日2004年12月3日
發(fā)明者阿蘭·里萬 申請人:法國原子能委員會