專利名稱：骨架式力覺反饋裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算機技術領域，是一種計算機人機交互接口，應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機接觸交互接口，機器人遙操作領域中的力覺臨場感系統(tǒng)。
背景技術：
在虛擬環(huán)境之中，能否讓用戶產生“沉浸感”的關鍵因素之一是用戶能否用他的手或身體的其它能動部位去操作虛擬物體，并在操作的同時感受到虛擬物體真實的作用力。數(shù)據(jù)手套可以將操作者靈活多變的手勢及空間方位信息實時地傳送給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，從而可以實時生成虛擬手與虛擬物體接近或遠離的圖像，使操作者自然而然地將自己的意識或操作方式傳送至交互對象中去。數(shù)據(jù)手套如果沒有提供力覺反饋功能，就很難讓用戶有抓握物體的真實感覺。例如，在現(xiàn)實生活中，當人用手握住一個水杯時，手指的形狀應該與杯子的外形相一致，有時為了轉移或發(fā)泄憤怒的情緒而使勁握杯子，手會感到麻木或者疼痛。在虛擬環(huán)境中，當手握住虛擬物體時，如果沒有感覺到反作用力，不給用戶手指的運動施加一定的約束，盡管此時在視覺顯示上可能已經看到手碰到物體，用戶的手還是可能會一直往里握進杯子。因此沒有力覺反饋作用的系統(tǒng)至少有兩個缺點首先是缺乏真實感；其次，為了避免手握進杯子這樣不現(xiàn)實的圖像出現(xiàn)，不得不在視覺計算中加上某些物理約束條件，這給視覺圖像方面的計算帶來了麻煩。力覺反饋裝置能夠有效地解決這類問題。
第一個力反饋裝置是Goertz等在50年代開發(fā)的用于核環(huán)境下的遙操作系統(tǒng)。之后，Brooks領導的研究小組在90年代初把這種機械臂作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的力反饋接口。1992年，Burdea等開發(fā)出了一種輕便的力反饋手套“Rutgers Master”。接著出現(xiàn)了各種商業(yè)用途的力反饋裝置，例如“PHANToMTM”(Massie，Salisbury，1994)，“Impulse Engine”(Jackson and Rosenberg，1995)，“CyberGraspTM”(Immersion，1998)。此外，最近幾年來隨著計算機游戲的發(fā)展，具有力反饋功能的游戲桿的應用也越來越普遍。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種力覺反饋裝置，為骨架式結構，是一種用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的力覺反饋接口，具有靈巧、輕便、易用、可靠、安全、允許的活動空間大等特點。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種骨架式力覺反饋裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的力覺反饋接口，包括比例電磁鐵執(zhí)行元件，鋼絲繩-彈簧管傳動機構以及安裝在手部的骨架機構三個部分，比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，通過鋼絲繩-彈簧管傳動機構和骨架機構傳遞驅動力至手指的指頭；以及基于DSP的嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)。
所述的力覺反饋裝置，其所述的比例電磁鐵執(zhí)行元件，包括比例電磁鐵、支架，比例電磁鐵的上平面與箱式支架的底平面固連；在箱式支架的容室內設有連桿位移放大機構，連桿位移放大機構包括動鐵芯、軸承、連桿、復位彈簧，其中，位于支架側壁下部，軸承水平固設于兩側壁上，軸承上正交固連有連桿，軸承為連桿的旋轉軸；由軸承的軸心線起算，在連桿的三分之一處垂設一動鐵芯，動鐵芯上端通過軟線體與連桿相連，下端朝向比例電磁鐵上方磁場；在連桿的遠端頭上方設有復位彈簧，復位彈簧下端與連桿上表面固接，上端與支架上蓋板下表面固接，復位彈簧為拉伸彈簧，彈簧中心軸線相對的位置，在連桿與上蓋板上都設有通孔。
所述的力覺反饋裝置，其所述的鋼絲繩-彈簧管傳動機構，由彈簧管和鋼絲繩組成，彈簧管套于鋼絲繩的外周圓；彈簧管下端與上蓋板上表面固連，上部與骨架機構固連；鋼絲繩下端穿過上蓋板上與連桿上的通孔，并穿過復位彈簧中心與連桿位移放大機構中的連桿動連接，另一端從彈簧管上口中伸出。
所述的力覺反饋裝置，其所述的骨架機構，由骨架、調節(jié)螺母、緊固螺母、滑輪、指套和固定套組成，其中，骨架主體為口字型框體，框體兩上角各有一揚起的支架，一支架上設有調節(jié)螺母，另一支架上設有滑輪；彈簧管上端穿過支架及支架上的調節(jié)螺母，由調節(jié)螺母的旋轉來調節(jié)彈簧管的前后位置，并將彈簧管固定在骨架上；滑輪側周圓上有一圈″V″型槽，從彈簧管上口中伸出的鋼絲繩經由″V″型槽繞過滑輪，與滑輪動接觸，其末端頭與指套固接，指套與手指的指頭相適配；骨架口字型框體底邊為一弧形面，弧形面與手指相適配，弧形面上穿設有固定套，固定套上弧部中點連接有螺栓，螺栓穿過骨架口字型框體上邊框后與緊固螺母連接。
所述的力覺反饋裝置，其所述的指套為環(huán)形，環(huán)形指套的正下部為硬質墊片，硬質墊片上表面設有壓力傳感器，壓力傳感器與手指的指頭相接觸。
所述的力覺反饋裝置，其所述的基于DSP的嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過串行端口實時接收來自虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的控制指令，把指端力覺反饋裝置中的力傳感器的輸出信號作為反饋，通過內嵌的智能PID控制算法對反饋力進行閉環(huán)控制，使得作用在操作者手指上的反饋力迅速而準確地跟蹤控制指令。
所述的力覺反饋裝置，它能在操作者手指末端產生力覺反饋，對手指的局部運動有一定的約束，可以有效防止虛擬手指不必要地嵌入虛擬物體中。
本發(fā)明具有靈巧、輕便、易用、可靠、安全、允許的活動空間大等特點。該力覺反饋裝置的執(zhí)行元件采用比例電磁鐵，通過控制其電流可以使其產生出大小可控的驅動力；系統(tǒng)采用鋼絲繩-彈簧管結構的傳動方式把比例電磁鐵的驅動力傳遞到指端；指端力覺反饋裝置是一種安裝在手指上的骨架式機構，它把反饋力作用在操作者的手指上。
本發(fā)明采用了基于DSP的嵌入式控制系統(tǒng)，內嵌的智能PID控制算法使得該力覺反饋系統(tǒng)能夠快速準確地跟蹤虛擬環(huán)境的反饋力控制指令。該系統(tǒng)能在為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的操作者提供反饋力的同時，對手指的局部運動產生一定的約束，有效防止虛擬手指不必要地嵌入虛擬物體中，從而使操作者可以去“觸摸”和“感覺”與之交互的仿真對象，體驗到更加真實的反饋力，以增強虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的“互動性”和“沉浸感”。


圖1為本發(fā)明骨架式力覺反饋裝置示意圖；圖2為本發(fā)明比例電磁鐵及連桿位移放大機構示意圖；圖3為本發(fā)明力覺反饋裝置指端部結構圖；圖4為本發(fā)明控制系統(tǒng)的結構圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，骨架式力覺反饋裝置的機械結構主要包括比例電磁鐵執(zhí)行元件，鋼絲繩-彈簧管傳動機構以及安裝在手部的骨架機構三個組成部分。電磁鐵執(zhí)行元件包括比例電磁鐵1、支架2，比例電磁鐵1的上平面與箱式支架2的底平面固連；在箱式支架2的容室內設有連桿位移放大機構，連桿位移放大機構包括動鐵芯21、軸承22、連桿23、復位彈簧24，其中，位于支架2側壁下部，軸承22水平固設于兩側壁上，軸承22上正交固連有連桿23，軸承22為連桿23的旋轉軸；由軸承22的軸心線起算，在連桿23的三分之一處垂設一動鐵芯21，動鐵芯21上端通過軟線體(本實施例為鋼絲繩)與連桿23相連，下端朝向比例電磁鐵1上方磁場；在連桿23的遠端頭上方設有復位彈簧24，復位彈簧24下端與連桿23上表面固接，上端與支架2上蓋板下表面固接，復位彈簧24為拉伸彈簧，彈簧中心軸線相對的位置，在連桿23與上蓋板上都設有通孔。
鋼絲繩-彈簧管傳動機構3由彈簧管31和鋼絲繩32組成，彈簧管31套于鋼絲繩32的外周圓。彈簧管31下端與上蓋板上表面固連，上部與骨架4固連。鋼絲繩32下端穿過上蓋板上與連桿23上的通孔，并穿過復位彈簧24中心與連桿位移放大機構中的連桿23動連接，另一端從彈簧管31上口中伸出。
骨架機構由骨架4、調節(jié)螺母5、緊固螺母6、滑輪7、指套8和固定套9組成。其中，骨架4主體為口字型框體，框體兩上角各有一揚起的支架，一支架上設有調節(jié)螺母5，另一支架上設有滑輪7。彈簧管31上端穿過支架及支架上的調節(jié)螺母5，由調節(jié)螺母5的旋轉來調節(jié)彈簧管31的前后位置，并將彈簧管31固定在骨架4上?；?側周圓上有一圈″V″型槽，從彈簧管31上口中伸出的鋼絲繩32經由″V″型槽繞過滑輪7，與滑輪7動接觸，其末端頭與指套8固接，指套8與手指10的指頭相適配。骨架4口字型框體底邊為一弧形面，弧形面與手指10相適配，弧形面上穿設有固定套9，固定套9上弧部中點連接有螺栓，螺栓穿過骨架4口字型框體上邊框后與緊固螺母6連接。
本發(fā)明中比例電磁鐵1具有體積小、驅動力大、控制簡單等特點，因此骨架式力覺反饋裝置采用比例電磁鐵1作為執(zhí)行元件。骨架式采用的比例電磁鐵1的額定電流為0.8A，最大位移為7mm，最大輸出力為45N。如果直接采用額定的輸出位移，不能很好地滿足力覺反饋裝置對手指動態(tài)范圍的需要。而45N的額定輸出力則已經超出了對反饋力的要求。因此，力覺反饋裝置采用了放大機構對比例電磁鐵1的位移進行放大。
本發(fā)明中的骨架4是整個裝置中最為重要的一個部分，它固定在用戶的手指10上起著支撐作用。經特殊加工過的調節(jié)螺母5的內羅紋可以與彈簧管31的外羅紋緊密配合。旋轉調節(jié)螺母5可以調節(jié)鋼絲繩32和彈簧管31的伸出長度L，以適應不同操作者的手的大小。鋼絲繩32穿過滑輪7的″V″型槽與指套8相連，滑輪7的采用大大減小了鋼絲繩32運動的摩擦力。固定套9用于將骨架4與用戶的手固定在一起。調節(jié)緊固螺母6可以升降固定套9，以調節(jié)骨架4與手固定的松緊程度。這樣用戶就可以在無需外人幫助的情況下很方便地進行拆裝。整個骨架4采用硬質合金鋁經線切割加工而成，十分輕便，因而用戶不會有負重感。
鋼絲繩32末端與指套8相連，通過指套8把比例電磁鐵1的驅動力通過鋼絲繩-彈簧管傳動機構3施加到用戶的指端，其間的長度最大可達1米。由于所采用的鋼絲繩-彈簧管傳動機構3具有很好的柔性，所以不會妨礙用戶手部的運動。采用這種傳動方式也使得操作者手部的反饋機構與執(zhí)行元件得以分離，減輕了操作者手的負重，同時也擴大了操作者的活動空間。
比例電磁鐵1上方電磁場對動鐵芯21作用，產生一向下的驅動力F1，因動鐵芯21與連桿23相連，亦為連桿23提供一個向下的驅動力F1。連桿23的另一端與鋼絲繩-彈簧管傳動機構3的鋼絲繩32相連。在支架2上蓋板和骨架機構的骨架4之間，彈簧管31成拉伸狀態(tài)。這種狀態(tài)一方面可以對其中的鋼絲繩32的運動起到約束作用，使其不產生彎曲褶皺；另一方面在動鐵芯21上施加了一個與支架2內部復位彈簧24相一致的復位力，為電磁鐵1的快速復位提供了動力。正是因為復位彈簧24復位力的存在，才使得電磁鐵1能在電流的控制下做雙向的往復運動。
如圖2中所示，兩個力臂的長度分別為L1和L2，其中L2＝3L1。比例電磁鐵1對動鐵芯21產生的驅動力為F1，則對鋼絲繩-彈簧管傳動機構3產生的拉力F2＝1/3F1。比例電磁鐵1對鋼絲繩-彈簧管傳動機構3的鋼絲繩32的驅動行程擴大了3倍，達到了21mm，使該裝置具有了足夠大的位移量。
在力覺反饋裝置中，為了對反饋力進行閉環(huán)控制，必須檢測作用于用戶的反饋力的大小。一些系統(tǒng)通過檢測電機驅動電流來間接獲得反饋力，而有一些系統(tǒng)在傳動機構中的鋼絲繩上安裝力傳感器來測量反饋力。本發(fā)明的裝置采用在指套中安裝力傳感器的方法，直接檢測力覺反饋裝置施加在操作者指端的作用力。如圖3所示，為指套8結構示意圖，鋼絲繩32經滑輪7的″V″型槽繞過，與環(huán)形指套8的上部動連接，環(huán)形指套8的正下部為硬質墊片81，硬質墊片81上表面設有壓力傳感器82，壓力傳感器82與手指10的指頭相接觸。因為本發(fā)明的力傳感器是在作用點處直接對反饋力進行檢測，所以檢測結果更加準確。本裝置采用的力傳感器是美國Interlink Electronics公司生產的FSR。這種厚度為0.25mm的力傳感器具有良好的柔韌性和力響應特性，其測力范圍為0.098N-98N。
當本發(fā)明的裝置為操作者提供力反饋時，在比例電磁鐵1的驅動下，鋼絲繩32牽引著指套8在操作者的指尖上產生反饋力，壓力傳感器82檢測反饋力的大小，并把它作為力閉環(huán)控制器的反饋量，使作用在指尖的反饋力實時跟隨所期望的反饋力。
本發(fā)明骨架式力覺反饋裝置的控制采用了基于T工公司的DSP(TMS320LF2407 Digital Signal Processor)的嵌入式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖4所示。其高速串行通訊口可以實現(xiàn)高達115200bps波特率的全雙工通信，它實時從運行虛擬現(xiàn)實仿真程序的上位機接收控制指令，該指令即為骨架式力覺反饋裝置閉環(huán)控制的給定量。高分辨率的A/D轉換器實時采集骨架式力覺反饋裝置施加在用戶指端的作用力，并計算出當前的誤差量。DSP內核具有的強大運算能力，它由當前的誤差根據(jù)智能PID控制算法實時計算出當前的控制量，使系統(tǒng)迅速而準確地跟蹤控制的大小，使操作者體驗到真實的反饋力。
權利要求
1.一種骨架式力覺反饋裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的力覺反饋接口，其特征在于包括比例電磁鐵執(zhí)行元件，鋼絲繩-彈簧管傳動機構以及安裝在手部的骨架機構三個部分，比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，通過鋼絲繩-彈簧管傳動機構和骨架機構傳遞驅動力至手指的指頭；以及基于DSP的嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，所述的比例電磁鐵執(zhí)行元件，包括比例電磁鐵、支架，比例電磁鐵的上平面與箱式支架的底平面固連；在箱式支架的容室內設有連桿位移放大機構，連桿位移放大機構包括動鐵芯、軸承、連桿、復位彈簧，其中，位于支架側壁下部，軸承水平固設于兩側壁上，軸承上正交固連有連桿，軸承為連桿的旋轉軸；由軸承的軸心線起算，在連桿的三分之一處垂設一動鐵芯，動鐵芯上端通過軟線體與連桿相連，下端朝向比例電磁鐵上方磁場；在連桿的遠端頭上方設有復位彈簧，復位彈簧下端與連桿上表面固接，上端與支架上蓋板下表面固接，復位彈簧為拉伸彈簧，彈簧中心軸線相對的位置，在連桿與上蓋板上都設有通孔。
3.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，所述的鋼絲繩-彈簧管傳動機構，由彈簧管和鋼絲繩組成，彈簧管套于鋼絲繩的外周圓；彈簧管下端與上蓋板上表面固連，上部與骨架機構固連；鋼絲繩下端穿過上蓋板上與連桿上的通孔，并穿過復位彈簧中心與連桿位移放大機構中的連桿動連接，另一端從彈簧管上口中伸出。
4.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，所述的骨架機構，由骨架、調節(jié)螺母、緊固螺母、滑輪、指套和固定套組成，其中，骨架主體為口字型框體，框體兩上角各有一揚起的支架，一支架上設有調節(jié)螺母，另一支架上設有滑輪；彈簧管上端穿過支架及支架上的調節(jié)螺母，由調節(jié)螺母的旋轉來調節(jié)彈簧管的前后位置，并將彈簧管固定在骨架上；滑輪側周圓上有一圈″V″型槽，從彈簧管上口中伸出的鋼絲繩經由″V″型槽繞過滑輪，與滑輪動接觸，其末端頭與指套固接，指套與手指的指頭相適配；骨架口字型框體底邊為一弧形面，弧形面與手指相適配，弧形面上穿設有固定套，固定套上弧部中點連接有螺栓，螺栓穿過骨架口字型框體上邊框后與緊固螺母連接。
5.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，所述的指套為環(huán)形，環(huán)形指套的正下部為硬質墊片，硬質墊片上表面設有壓力傳感器，壓力傳感器與手指的指頭相接觸。
6.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，所述的基于DSP的嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過串行端口實時接收來自虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的控制指令，把指端力覺反饋裝置中的力傳感器的輸出信號作為反饋，通過內嵌的智能PID控制算法對反饋力進行閉環(huán)控制，使得作用在操作者手指上的反饋力迅速而準確地跟蹤控制指令。
7.如權利要求1所述的力覺反饋裝置，其特征在于，它能在操作者手指末端產生力覺反饋，對手指的局部運動有一定的約束，可以有效防止虛擬手指不必要地嵌入虛擬物體中。
全文摘要
本發(fā)明骨架式力覺反饋裝置涉及計算機技術領域，應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機接觸交互接口。該裝置包括比例電磁鐵執(zhí)行元件，鋼絲繩－彈簧管傳動機構以及安裝在手部的骨架機構三個部分，比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，通過鋼絲繩－彈簧管傳動機構和骨架機構傳遞驅動力至手指的指頭；以及基于DSP的嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明通過控制電流使比例電磁鐵產生出大小可控的驅動力，由鋼絲繩－彈簧管結構的傳動方式把力傳遞到指端，把反饋力作用在操作者的手指上。為了對反饋力進行精確控制，本發(fā)明采用了基于DSP的嵌入式控制系統(tǒng)，能夠快速準確地跟蹤虛擬環(huán)境的反饋力控制指令。本發(fā)明對手指的局部運動產生一定的約束，有效防止虛擬手指嵌入虛擬物體中。
文檔編號G06F3/00GK1713114SQ200410048230
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者朱海兵, 原魁 申請人:中國科學院自動化研究所