專利名稱：面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及腳操縱的控制裝置，具體地說(shuō)是涉及一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，20世紀(jì)80年代未90年代初崛起了一種實(shí)用技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRVirtual Reality)，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、傳感、并行實(shí)時(shí)計(jì)算、人工智能和仿真等多門學(xué)科，被預(yù)為21世紀(jì)最具前景的計(jì)算機(jī)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)響應(yīng)的虛擬環(huán)境，使用戶直接探索虛擬物體，能讓用戶有“身臨其境”的沉浸感。多感知性是VR技術(shù)的顯著特征，它能為用戶提供視覺、聽覺、觸覺、力覺和嗅覺等多種感知反饋。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了逼真地三維圖像的視覺反饋，環(huán)繞立體聲效的聽覺反饋，給人們展現(xiàn)了一個(gè)美妙的虛擬世界。為了滿足人們對(duì)虛擬環(huán)境中觸覺和力覺反饋的需求，學(xué)者們還研發(fā)了多種觸覺和力覺反饋硬件設(shè)備。
1990年麻省理工大學(xué)首先開展觸覺反饋硬件設(shè)備的研制，當(dāng)用戶帶著一個(gè)靈巧的手模型裝置時(shí)，Patrick使用聲音振動(dòng)片能讓用戶手指產(chǎn)生振動(dòng)的感覺。目前應(yīng)用較廣泛的觸覺反饋硬件設(shè)備有“TeleactII”氣壓式數(shù)據(jù)手套、美國(guó)虛擬技術(shù)公司電子振動(dòng)式的“CyberTouch”數(shù)據(jù)手套、“FEELit Mouse”電子機(jī)械式鼠標(biāo)等。通過(guò)這些設(shè)備，用戶可以感受到虛擬物體表面粗糙度、幾何形狀、溫度、材質(zhì)、濕度等物理屬性。
自20世紀(jì)90年代，美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家研制了應(yīng)用于多種場(chǎng)合的力覺反饋硬件設(shè)備。比較有代表性的力覺反饋硬件設(shè)備有“Rutgers Master”第二代靈巧手力反饋裝置、Sensable技術(shù)公司的“PHANToM”力反饋裝置和虛擬技術(shù)公司的“CyberGrasp”多自由度靈巧手力覺反饋設(shè)備，中國(guó)中科院自動(dòng)化研究所原魁研究員研發(fā)了CAS-Grasp力覺反饋數(shù)據(jù)手套。通過(guò)這些設(shè)備，用戶可以感受到虛擬物體的重量、慣性、順從性(硬度、粘性)、運(yùn)動(dòng)約束等物理屬性。
利用Roston等學(xué)者發(fā)明的“GaitMaster”多自由度并聯(lián)腳部模擬裝置，Jungwon Yoon等學(xué)者發(fā)明的“Virtual Walking Master”的腳部行走力覺反饋裝置，用戶可以感受到在平坦的地面、沙灘或泥濘的環(huán)境上行走的感覺。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，可讓用戶主動(dòng)參與到虛擬環(huán)境中，并且感受到在虛擬空間行走的腳部力覺。該裝置還可應(yīng)用于腳部醫(yī)療、娛樂、虛擬設(shè)計(jì)、和步態(tài)分析等。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括腳墊部件、腳尖部件、腳中部件、腳跟部件和開有腳形腔的支撐架體部件；腳尖部件、腳中部件和腳跟部件依次放入開有腳形腔的支撐架體部件中，最后放入腳墊組件；其中1)腳墊部件由一只有十個(gè)反饋正壓力受力點(diǎn)的受力腳墊和十個(gè)隔離墊圈組成；隔離墊圈過(guò)盈嵌入受力腳墊反面的各自的圓形凹腔內(nèi)，每個(gè)隔離墊圈中間開有盲孔；2)腳尖部件包括兩個(gè)牽引油缸、腳尖底座、三個(gè)正壓力油缸、短螺釘、腳尖頂座和長(zhǎng)螺釘；腳尖頂座和腳尖底座由長(zhǎng)螺釘聯(lián)接，三個(gè)正壓力油缸各自布置在腳尖底座上的三個(gè)受力點(diǎn)處，三個(gè)正壓力油缸的活塞桿伸入三個(gè)受力點(diǎn)處的隔離墊圈的盲孔內(nèi)，腳尖頂座的兩個(gè)牽引油缸相互垂直布置，通過(guò)活塞桿上的螺紋與腳尖底座的四方凸臺(tái)相聯(lián)接，腳尖底座上有三個(gè)圓柱凸臺(tái)放置在支撐架體的底板上；3)腳中部件包括兩個(gè)牽引油缸、腳中底座、四個(gè)正壓力油缸、短螺釘、腳中頂座和長(zhǎng)螺釘；腳中頂座和腳中底座由長(zhǎng)螺釘聯(lián)接，四個(gè)正壓力油缸各自布置在腳中底座上的四個(gè)受力點(diǎn)處，四個(gè)正壓力油缸的活塞桿伸入四個(gè)受力點(diǎn)處的隔離墊圈的盲孔內(nèi)，腳中底座的兩個(gè)牽引油缸相互垂直布置，通過(guò)活塞桿上的螺紋與腳中底座的四方凸臺(tái)相聯(lián)接，腳中底座上有三個(gè)圓柱凸臺(tái)放置在支撐架體的底板上；4)腳跟部件包括兩個(gè)牽引油缸、腳跟底座、三個(gè)正壓力油缸、短螺釘、腳跟頂座和長(zhǎng)螺釘；腳跟頂座和腳跟底座由長(zhǎng)螺釘聯(lián)接，三個(gè)正壓力油缸各自布置在腳跟底座上的三個(gè)受力點(diǎn)處，三個(gè)正壓力油缸的活塞桿伸入三個(gè)受力點(diǎn)處的隔離墊圈的盲孔內(nèi)，腳跟底座的兩個(gè)牽引油缸相互垂直布置，通過(guò)活塞桿上的螺紋與腳跟底座的四方凸臺(tái)相聯(lián)接，腳跟底座上有四個(gè)圓柱凸臺(tái)放置在支撐架體的底板上；5)開有腳形腔的支撐架體部件包括外殼、底板和六個(gè)螺釘；外殼和底板由螺釘聯(lián)接，外殼底部與底板聯(lián)接處四周形成四個(gè)長(zhǎng)方形空腔，是正壓力油缸和牽引油缸的油管通道。
所述的受力腳墊以右腳印圖為原型，在腳印圖中，建立以腳跟外踝骨中心下沿點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以下沿點(diǎn)點(diǎn)和大腳指與第二腳趾的趾縫頂點(diǎn)j的連線為Y軸的坐標(biāo)系XaY，采樣提取最能反映腳底外形輪廓的十七個(gè)特征點(diǎn)，利用這十七個(gè)特征點(diǎn)擬合出受力腳墊的外形輪廓曲線，設(shè)計(jì)出受力腳墊正面形狀。
所述的十個(gè)反饋正壓力的受力點(diǎn)，是依據(jù)人行走時(shí)腳底正壓力分布情況，以XaY為參考坐標(biāo)系，在腳跟、五個(gè)腳趾和跖骨前端處最能反映腳底受到正壓力的十個(gè)位置采樣提取，腳跟部位布置三個(gè)受力點(diǎn)，腳中外緣部位布置一個(gè)受力點(diǎn)，腳尖部位布置六個(gè)受力點(diǎn)，依據(jù)這十個(gè)受力點(diǎn)的位置，設(shè)計(jì)出受力腳墊反面的十個(gè)圓形凹腔。
所述的腳尖部件的三個(gè)正壓力油缸、腳中模塊的四個(gè)正壓力油缸和腳跟部件的三個(gè)正壓力油缸均由活塞桿和缸體組成的，用兩位三通電磁閥控制的單向運(yùn)動(dòng)油缸。
所述的腳尖部件的兩個(gè)牽引油缸、腳中部件的兩個(gè)牽引油缸和腳跟部件的兩個(gè)牽引油缸均由活塞桿和缸體組成的，用三位四通電磁閥控制的雙向運(yùn)動(dòng)油缸。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，存在如下特點(diǎn)1、腳部力反饋裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了動(dòng)力傳遞路徑、結(jié)構(gòu)緊湊、零件易于加工、降低制造成本、裝配簡(jiǎn)便；2、以腳印圖為原型，提取腳底的外形輪廓曲線，設(shè)計(jì)出受力腳墊，該腳墊不僅能與腳底完美貼合，而且呈現(xiàn)了腳底的各個(gè)受力區(qū)域；3、依據(jù)人腳行走時(shí)腳底正壓力分布情況，在腳底的各個(gè)受力區(qū)域，采樣提取十個(gè)腳底正壓力受力點(diǎn)，設(shè)計(jì)了十個(gè)正壓力油缸，實(shí)現(xiàn)腳底正壓力的反饋。該裝置能模擬出人行走時(shí)受到正壓力的情形；4、依據(jù)人腳行走時(shí)腳底摩擦力分布情況，在腳跟、腳中和腳尖三個(gè)受力區(qū)域，分別設(shè)計(jì)了二個(gè)牽引油缸，實(shí)現(xiàn)腳底摩擦力的反饋，該裝置能模擬出人行走時(shí)受到摩擦力的情形；5、發(fā)明仿生人腳行走受力情況研發(fā)設(shè)計(jì)，由腳墊組件、腳尖模塊、腳中模塊、腳跟模塊和支撐架體組成，與人腳運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)接近，它為虛擬行走模擬的人機(jī)交互提供了合適的硬件接口。
因此，本實(shí)用新型能保證滿足腳部力覺反饋的性能要求。


圖1是腳部力覺反饋整體裝配圖；圖2是腳印輪廓特征點(diǎn)位置；
圖3是受力腳墊的正面輪廓；圖4是反饋正壓力作用點(diǎn)位置；圖5是受力腳墊的反面輪廓和腳墊組件裝配圖；圖6是腳尖模塊整體裝配圖；圖7是腳尖頂座零件結(jié)構(gòu)圖；圖8是腳尖底座零件結(jié)構(gòu)圖；圖9是腳中模塊整體裝配圖；圖10是腳中頂座零件結(jié)構(gòu)圖；圖11是腳中底座零件結(jié)構(gòu)圖；圖12是腳跟模塊整體裝配圖；圖13是腳跟頂座零件結(jié)構(gòu)圖；圖14是腳跟底座零件結(jié)構(gòu)圖；圖15是支撐架體整體裝配圖；圖16是壓力油缸裝配圖；圖17是牽引油缸裝配圖。
圖中A.腳墊部件，A1.圓形凹腔，A2.受力腳墊，A3.隔離墊圈，A4.輪廓曲線，B.腳尖部件，B1.牽引油缸，B2.腳尖底座，B3.正壓力油缸，B4.短螺釘，B5.腳尖頂座，B6.長(zhǎng)螺釘，B7.圓形凸臺(tái)，B8.油道，B9.四方凸臺(tái)，B10.圓柱凸臺(tái)，C.腳中部件，C1.牽引油缸，C2.腳中底座，C3.正壓力油缸，C4.短螺釘，C5.腳中頂座，C6.長(zhǎng)螺釘，C7.圓形凸臺(tái)，C8.油道，C9.四方凸臺(tái)，C10.圓柱凸臺(tái)，D.腳跟部件，D1.牽引油缸，D2.腳跟底座，D3.正壓力油缸，D4.短螺釘，D5.腳跟頂座，D6.長(zhǎng)螺釘，D7.圓形凸臺(tái)，D8.油道，D9.四方凸臺(tái)，D10.圓柱凸臺(tái)，E.支撐架體部件，E1.外殼，E2.底板，E3.螺釘，E4.長(zhǎng)方形空腔，E5.腳形腔，1.活塞桿，2.缸體，3.法蘭盤，4.細(xì)牙螺紋，5.活塞桿，6.缸體，7.粗牙螺紋，8.右端油道，9.左端油道，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q十七個(gè)腳印輪廓特征點(diǎn)r、s、t、u、v、w、x、y、z、za十個(gè)反饋正壓力受力點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，本實(shí)用新型的腳部力反饋裝置由腳墊部件A、腳尖部件B、腳中部件C、腳跟部件D和支撐架體部件E組成。用戶的腳直接放在腳墊部件A的上，腳尖部件B、腳中部件C和腳跟部件D支撐著腳墊部件A，最終將作用力傳給支撐架體部件E。
如圖2、3所示，本實(shí)用新型的受力腳墊A2以男性二十五號(hào)右腳印圖為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在腳印圖中，建立以腳跟外踝骨中心下沿點(diǎn)a為坐標(biāo)原點(diǎn)，以a點(diǎn)和大腳指與第二腳趾的趾縫頂點(diǎn)j的連線為Y軸的坐標(biāo)系XaY，采樣提取最能反映腳底外形輪廓的十七個(gè)特征點(diǎn)a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q，坐標(biāo)值見表1。利用這十七個(gè)特征點(diǎn)擬合出受力腳墊A2的外形輪廓曲線A4，設(shè)計(jì)出受力腳墊A2正面形狀。
如圖4、5所示，本實(shí)用新型的十個(gè)反饋正壓力的受力點(diǎn)r、s、t、u、v、w、x、y、z、za，是依據(jù)人行走時(shí)腳底正壓力分布情況，以XaY為參考坐標(biāo)系，在腳跟、五個(gè)腳趾和跖骨前端處，采樣提取最能反映腳底受到正壓力的十個(gè)位置，坐標(biāo)值見表2。腳跟部位布置三個(gè)受力點(diǎn)r、s、t，腳中外緣部位布置一個(gè)受力點(diǎn)u，腳尖部位布置六個(gè)受力點(diǎn)v、w、x、y、z、za，其中五個(gè)腳趾處三個(gè)受力點(diǎn)v、w、x，跖骨前端處三個(gè)點(diǎn)y、z、za。通常腳弓部位在行走時(shí)是懸空的，因此腳弓處不設(shè)置力反饋點(diǎn)。依據(jù)這十個(gè)受力點(diǎn)的位置，設(shè)計(jì)出受力腳墊A2反面的十個(gè)圓形凹腔A1。
如圖5所示，本實(shí)用新型的腳墊部件由一只受力腳墊A2和十個(gè)隔離墊圈A3組成。受力腳墊A2的材質(zhì)是橡膠，隔離墊圈A3材質(zhì)是硬質(zhì)塑料。隔離墊圈A3過(guò)盈嵌入受力腳墊A2背部的圓形凹腔A1內(nèi)，它增加了腳底受力點(diǎn)的接觸面積，使得腳底受力均勻，且減少受力腳墊的磨損。
如圖6、7、8、15、16、17所示，本實(shí)用新型的腳尖部件B由兩個(gè)牽引油缸B1、腳尖底座B2、三個(gè)正壓力油缸B3、八個(gè)短螺釘B4、腳尖頂座B5和四個(gè)長(zhǎng)螺釘B6組成。腳尖頂座B5和腳尖底座B2由長(zhǎng)螺釘B6聯(lián)接。三個(gè)正壓力油缸B3布置在第y、z、za受力點(diǎn)處，缸體上部設(shè)計(jì)了法蘭盤3由八個(gè)短螺釘B4固定在腳尖頂座B5的圓形凸臺(tái)B7上，缸體下部通過(guò)細(xì)牙螺紋4密封接在腳尖底座B2。腳尖底座B2設(shè)計(jì)了三個(gè)油道B8分別給三個(gè)正壓力油缸B3供油。兩個(gè)牽引油缸B1相互垂直布置，通過(guò)活塞桿5上的粗牙螺紋7與腳尖底座B2的四方凸臺(tái)B9聯(lián)接，腳尖底座B2設(shè)計(jì)了三個(gè)圓柱凸臺(tái)B10放置在底板E2上，起支撐作用。
如圖9、10、11、15、16、17所示，本實(shí)用新型的腳中部件C由兩個(gè)牽引油缸C1、腳中底座C2、四個(gè)正壓力油缸C3、九個(gè)短螺釘C4、腳中頂座C5和五個(gè)長(zhǎng)螺釘C6組成。腳中頂座C5和腳中底座C2由長(zhǎng)螺栓C6聯(lián)接。四個(gè)正壓力油缸C3布置在第u、v、w、x受力點(diǎn)處，缸體上部設(shè)計(jì)了法蘭盤3由九個(gè)短螺釘C4固定在腳中頂座C5的圓形凸臺(tái)C7上，缸體下部通過(guò)細(xì)牙螺紋4密封接在腳中底座C2。腳中底座C2設(shè)計(jì)了四個(gè)油道C8分別給四個(gè)正壓力油缸C3供油。兩個(gè)牽引油缸C1相互垂直布置，通過(guò)活塞桿5上的粗牙螺紋7與腳中底座C2的四方凸臺(tái)C9相聯(lián)接，腳中底座C2設(shè)計(jì)了三個(gè)圓柱凸臺(tái)C10放置在底板E2上，起支撐作用。
如圖12、13、14、15、16、17所示，本實(shí)用新型的腳跟模塊D由兩個(gè)牽引油缸D1、腳跟底座D2、三個(gè)正壓力油缸D3、八個(gè)短螺釘D4、腳跟頂座D5和三個(gè)長(zhǎng)螺釘D6組成。腳跟頂座D5和腳跟底座D2由長(zhǎng)螺栓D6聯(lián)接。三個(gè)正壓力油缸D3布置在第r、s、t受力點(diǎn)處，缸體上部設(shè)計(jì)了法蘭盤3由八個(gè)短螺釘D4固定在腳跟頂座D5的圓形凸臺(tái)D7上，缸體下部通過(guò)細(xì)牙螺紋4密封接在腳跟底座D2。腳跟底座D2設(shè)計(jì)了三個(gè)油道D8分別給三個(gè)正壓力油缸D3供油。兩個(gè)牽引油缸D1相互垂直布置，通過(guò)活塞桿5上的粗牙螺紋7與腳跟底座D2的四方凸臺(tái)D9相聯(lián)接，腳跟底座D2設(shè)計(jì)了四個(gè)圓柱凸臺(tái)D10放置在底板E2上，起支撐作用。
如圖15所示，本實(shí)用新型的支撐架體E由外殼E1、底板E2和六個(gè)螺釘E3組成。外殼E1和底板E2由螺釘E3聯(lián)接，四周形成四個(gè)長(zhǎng)方形空腔E4，是正壓力油缸B3、C3、D3和牽引油缸B1、C1、D1的油管通道。外殼E1設(shè)計(jì)了比受力腳墊A2略大的腳形腔E5，放置腳墊A、腳尖模塊B、腳中模塊C和腳跟模塊D。
如圖16所示，本實(shí)用新型的十個(gè)正壓力油B3、C3、D3由活塞桿1和缸體2組成，采用兩位三通電磁閥控制，是單向運(yùn)動(dòng)油缸。當(dāng)液壓泵供油時(shí)推動(dòng)活塞桿1頂向受力腳墊A2，油路切斷后，在用戶腳的自重作用下活塞桿1回位，高壓油通過(guò)電磁閥回到油箱，實(shí)現(xiàn)正壓力的反饋。
如圖17所示，本實(shí)用新型的六個(gè)牽引油缸B1、C1、D1由活塞桿5和缸體6組成，采用三位四通電磁閥控制，是雙向運(yùn)動(dòng)油缸。當(dāng)電磁閥切換到左位時(shí)，油缸左端油道9進(jìn)油，右端油道8回油，活塞桿5往右邊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁閥切換到右位時(shí)，油缸右端油道8進(jìn)油，左端油道9回油，活塞桿5往左運(yùn)動(dòng)。在電磁閥中位時(shí)閥中油路都為截止?fàn)顟B(tài)，活塞可平衡停留在油缸行程內(nèi)的任意位置。六個(gè)牽引油缸B1、C1、D1，兩兩垂直布置，分別牽引腳尖模塊B、腳中模塊C和腳跟模塊D，可給受力腳墊產(chǎn)生橫向和縱向的作用力，實(shí)現(xiàn)摩擦力的反饋。
通過(guò)腳部力反饋裝置的十個(gè)正壓力油缸、六個(gè)牽引油缸的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)腳部正壓力和摩擦力的反饋。
表1腳印輪廓特征點(diǎn)坐標(biāo)值(mm)

表2反饋正壓力作用點(diǎn)坐標(biāo)值(mm)
權(quán)利要求1.一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，其特征在于包括腳墊部件(A)、腳尖部件(B)、腳中部件(C)、腳跟部件(D)和開有腳形腔(E5)的支撐架體部件(E)；腳尖部件(B)、腳中部件(C)和腳跟部件(D)依次放入開有腳形腔(E5)的支撐架體部件(E)中，最后放入腳墊部件A)；其中1)腳墊部件(A)由一只有十個(gè)反饋正壓力受力點(diǎn)(r)、(s)、(t)、(u)、(v)、(w)、(x)、(y)、(z)、(za)的受力腳墊(A2)和十個(gè)隔離墊圈(A3)組成；隔離墊圈(A3)過(guò)盈嵌入受力腳墊(A2)反面的各自的圓形凹腔(A1)內(nèi)，每個(gè)隔離墊圈(A3)中間開有盲孔；2)腳尖部件(B)包括兩個(gè)牽引油缸(B1)、腳尖底座(B2)、三個(gè)正壓力油缸(B3)、短螺釘(B4)、腳尖頂座(B5)和長(zhǎng)螺釘(B6)；腳尖頂座(B5)和腳尖底座(B2)由長(zhǎng)螺釘(B6)聯(lián)接，三個(gè)正壓力油缸(B3)各自布置在腳尖底座(B2)上的三個(gè)受力點(diǎn)(y、z、za)處，三個(gè)正壓力油缸(B3)的活塞桿(1)伸入三個(gè)受力點(diǎn)(y、z、za)處的隔離墊圈(A3)的盲孔內(nèi)，腳尖頂座(B5)的兩個(gè)牽引油缸(B1)相互垂直布置，通過(guò)活塞桿(5)上的螺紋(7)與腳尖底座(B2)的四方凸臺(tái)(B9)相聯(lián)接，腳尖底座(B2)上有三個(gè)圓柱凸臺(tái)(B10)放置在支撐架體(E)的底板(E2)上；3)腳中部件(C)包括兩個(gè)牽引油缸(C1)、腳中底座(C2)、四個(gè)正壓力油缸(C3)、短螺釘(C4)、腳中頂座(C5)和長(zhǎng)螺釘(C6)；腳中頂座(C5)和腳中底座(C2)由長(zhǎng)螺釘(C6)聯(lián)接，四個(gè)正壓力油缸(C3)各自布置在腳中底座(C2)上的四個(gè)受力點(diǎn)(u、v、w、x)處，四個(gè)正壓力油缸(C3)的活塞桿(1)伸入四個(gè)受力點(diǎn)(u、v、w、x)處的隔離墊圈(A3)的盲孔內(nèi)，腳中底座(C2)的兩個(gè)牽引油缸(C1)相互垂直布置，通過(guò)活塞桿(5)上的螺紋(7)與腳中底座(C2)的四方凸臺(tái)(C9)相聯(lián)接，腳中底座(C2)上有三個(gè)圓柱凸臺(tái)(C10)放置在支撐架體(E)的底板(E2)上；4)腳跟部件(D)包括兩個(gè)牽引油缸(D1)、腳跟底座(D2)、三個(gè)正壓力油缸(D3)、短螺釘(D4)、腳跟頂座(D5)和長(zhǎng)螺釘(D6)；腳跟頂座(D5)和腳跟底座(D2)由長(zhǎng)螺釘(D6)聯(lián)接，三個(gè)正壓力油缸(D3)各自布置在腳跟底座(D2)上的三個(gè)受力點(diǎn)(r、s、t)處，三個(gè)正壓力油缸(D3)的活塞桿(1)伸入三個(gè)受力點(diǎn)(r、s、t)處的隔離墊圈(A3)的盲孔內(nèi)，腳跟底座(D2)的兩個(gè)牽引油缸(D1)相互垂直布置，通過(guò)活塞桿(5)上的螺紋(7)與腳跟底座(D2)的四方凸臺(tái)(D9)相聯(lián)接，腳跟底座(D2)上有四個(gè)圓柱凸臺(tái)(D10)放置在支撐架體(E)的底板(E2)上；5)開有腳形腔(E5)的支撐架體(E)部件包括外殼(E1)、底板(E2)和六個(gè)螺釘(E3)；外殼(E1)和底板(E2)由螺釘(E3)聯(lián)接，外殼(E1)底部與底板(E2)聯(lián)接處四周形成四個(gè)長(zhǎng)方形空腔(E4)，是正壓力油缸和牽引油缸的油管通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，其特征在于所述的受力腳墊(A2)以右腳印圖為原型，在腳印圖中，建立以腳跟外踝骨中心下沿點(diǎn)(a)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以下沿點(diǎn)(a)點(diǎn)和大腳指與第二腳趾的趾縫頂點(diǎn)(j)的連線為Y軸的坐標(biāo)系XaY，采樣提取最能反映腳底外形輪廓的十七個(gè)特征點(diǎn)(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)、(n)、(o)、(p)、(q)，利用這十七個(gè)特征點(diǎn)擬合出受力腳墊(A2)的外形輪廓曲線(A4)，設(shè)計(jì)出受力腳墊(A2)正面形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，其特征在于所述的十個(gè)反饋正壓力的受力點(diǎn)(r)、(s)、(t)、(u)、(v)、(w)、(x)、(y)、(z)、(za)，是依據(jù)人行走時(shí)腳底正壓力分布情況，以XaY為參考坐標(biāo)系，在腳跟、五個(gè)腳趾和跖骨前端處最能反映腳底受到正壓力的十個(gè)位置采樣提取，腳跟部位布置三個(gè)受力點(diǎn)(r)、(s)、(t)，腳中外緣部位布置一個(gè)受力點(diǎn)(u)，腳尖部位布置六個(gè)受力點(diǎn)(v)、(w)、(x)、(y)、(z)、(za)，依據(jù)這十個(gè)受力點(diǎn)的位置，設(shè)計(jì)出受力腳墊(A2)反面的十個(gè)圓形凹腔(A1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，其特征在于所述的腳尖部件(B)的三個(gè)正壓力油缸(B3)、腳中模塊(C)的四個(gè)正壓力油缸(C3)和腳跟部件(D)的三個(gè)正壓力油缸(D3)均由活塞桿(1)和缸體(2)組成的，用兩位三通電磁閥控制的單向運(yùn)動(dòng)油缸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，其特征在于所述的腳尖部件(B)的兩個(gè)牽引油缸(B1)、腳中部件(C)的兩個(gè)牽引油缸(C1)和腳跟部件(D)的兩個(gè)牽引油缸(D1)均由活塞桿(5)和缸體(6)組成的，用三位四通電磁閥控制的雙向運(yùn)動(dòng)油缸。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種面向人機(jī)交互的腳部力反饋裝置，包括腳墊部件、腳尖部件、腳中部件、腳跟部件和支撐架體部件。腳尖部件、腳中部件和腳跟部件依次放入支撐架體部件，最后放入腳墊部件。依據(jù)行走時(shí)腳底受力情況，裝置設(shè)有十個(gè)豎直向上的正壓力油缸頂向受力腳墊且作用到腳底，可模擬出行走時(shí)受到正壓力的情形，設(shè)有六個(gè)平放且兩兩垂直的牽引油缸，分別牽引腳尖部件、腳中部件和腳跟部件，使得受力腳墊產(chǎn)生切向力且作用到腳底，可模擬出行走時(shí)受到摩擦力的情形。依據(jù)腳印圖提取的腳底外形輪廓曲線設(shè)計(jì)的受力腳墊，能符貼腳底且呈現(xiàn)了腳底的各個(gè)受力區(qū)域。本實(shí)用新型仿生腳行走受力情況研發(fā)設(shè)計(jì)，與人腳運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)接近，為模擬虛擬行走的人機(jī)交互提供了硬件接口。
文檔編號(hào)G06F3/01GK2886661SQ20062010058
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
發(fā)明者楊文珍, 李劍敏, 胡培均, 謝超偉 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)