一种人体头部负载的柔性助力与跟踪装置的制作方法

本实用新型属于一类人体外骨骼系统，特别地是一种为人体头部负载提供助力，改善头部负载如虚拟现实及增强现实头盔佩带舒适性和沉浸感，并跟踪佩带者头部位置及姿态的设备。

背景技术：

虚拟现实头盔是一种常见的人体头部负载，主要用于三维立体虚拟场景的显示，多用于虚拟现实及增强现实系统。当前，分辨率和对比度高、视场角大的虚拟现实头盔一般都是重量和体积大，佩戴时运动不便，有沉重感、束缚感和异物感，因而影响舒适性和沉浸感；位置跟踪器与虚拟现实头盔配合使用，用于头盔空间位置和姿态的测量和输出，以实现人机交互。然而，现有的电磁、超声等位置跟踪器受环境干扰大，在定位精度、稳定性和信号实时性方面存在不足，不能很好满足虚拟现实交互的要求。

中国专利ZL200520129164.0公开了一种虚拟现实头盔，采用两个传动软轴与虚拟现实头盔相连，头盔前端与图像显示器连接，通过两个传动软轴实现了显示画面三个转动自由度的控制。但这该设计存在两方面的局限性。一是只能检测虚拟现实头盔即佩戴者头部的三自由度转动数据，而对于另外三个自由度的平动则无能为力；二是检测精度易受软轴的弹性变形影响；三是该虚拟现实头盔在使用过程中，仍会给佩戴者造成沉重感、束缚感和异物感。

中国专利ZL201010103366.3公开了一种六自由度并联机构头盔伺服系统，采用一种刚性的Stewart平台作为执行机构，来为虚拟现实头盔提供助力和位姿跟踪。该设计存在两方面的不足——一是执行机构助力功能的本质是减轻虚拟现实头盔质量与惯性对佩戴者的影响，然而执行机构作为一种刚性并联机构，其自身的惯性与质量较大，从而影响了执行机构的控制效率和助力效果；二是执行机构具有一般Stewart平台存在缺陷——对于安装与使用空间较小的仿真环境，如座舱等来说，其安装与使用空间依然较大，且工作空间相对较小、存在奇异位置，这无疑增大了虚拟现实头盔的位姿跟踪的控制难度及其不稳定性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种具备助力功能，代替佩戴者承担负载的重量和惯性，减轻负载给佩戴者带来的沉重感、束缚感和异物感，改善佩带的舒适性，提高佩戴者与本系统之间连接的柔顺性，基座铰点位置可调节，结构型式和几何尺寸具有可重构性的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置。

本实用新型所述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，包括基座底板，六个单元支架13分别通过六个基座铰点位置调整机构设置在基座底板上；单元支架上设置伺服电机23及在伺服电机23的带动下转动的钢索绕组24，万向滑轮10可360°转动的设置在单元支架上；三个复合球铰11在周向均布在用于安装负载的负载安装平台上；复合球铰11的内耳40、外耳41各通过一根绕过万向滑轮10的钢索与钢索绕组24相连。

上述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，万向滑轮10包括转动设置在叉耳34上的定滑轮35；叉耳34绕叉耳轴线360°转动的设置在单元支架13上；在叉耳上开有沿叉耳轴线延伸的导向孔；钢索绕过定滑轮并穿过导向孔。在负载安装平台位置移动时，叉耳始终能够绕单元支架转动，同时钢索由于绕过定滑轮后穿过导向孔，所以这种简单的结构，防止了钢索相互缠绕在一起而打结。

上述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，基座铰点位置调整机构12包括用于调节单元支架13径向位置和周向位置的径向位置调整机构和周向位置调整机构。

上述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，径向位置调整机构包括转动设置在基座底板上的径向调节导轨16、通过螺纹副相互配合的径向调节螺母17和径向调节丝杠19，径向调节丝杠19转动设置在径向调节导轨16上，径向调节螺母17沿径向调节丝杠19的轴线方向与径向调节导轨16滑动配合，在径向调节导轨16上设置用于带动径向调节丝杠19转动的径向调节电机22。

上述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，周向位置调整机构包括开在基座底板14上的圆弧长孔，穿过圆弧长孔并与径向调节导轨16通过螺纹相连的预紧螺杆32，套装在预紧螺杆32上的横跨在圆弧长孔上的预紧压片33，固定在预紧螺杆32上用于对预紧压片施压的止推部；圆弧长孔的中心弧线与用于连接径向调节导轨16和基座地板的转动副轴线同心。

上述的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，用于检测钢索受力大小的关节空间力检测单元3串联在钢索上；用于检测伺服电机23转速和转角的转速和转角传感器25设置在伺服电机23上；关节空间力检测单元3和转速和转角传感器25的输出经数据采集与处理单元4与控制单元5相连，控制单元5的输出接伺服电机23。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置。一方面，具备助力功能。使用时，基座底板固定，通过伺服电机动作拉动钢索，钢索始终处于张紧状态，负载和负载安装平台通过钢索悬挂在基座底板上，因此，本系统代替佩戴者承担负载如虚拟现实头盔的重量和惯性，减轻由负载给佩戴者带来的沉重感、束缚感和异物感，改善佩带负载的舒适性、增强负载的使用逼真度。另一方面，本系统具备头部位置与姿态的检测功能，控制单元基于外骨骼机械系统的运动学和关节空间力检测单元、转速和转角传感器等相关传感器的反馈信息，完成虚拟现实系统中参与者的头部检测；第三方面，采用柔性支链，提高人-机连接的柔顺性；第四方面，基座铰点位置可调节，使系统的执行机构具备结构型式和几何尺寸的可重构性。

本实用新型提出的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，是跟踪人体头部运动、为头部负载提供助力作用的头颈部柔性外骨骼系统。该系统的有益效果有五项：一是具备规避奇异位置的功能，作为系统执行机构的六自由度柔性并联机构具有基座铰点位置调节功能，可实现执行机构结构型式和几何尺寸的实时重构，从而使负载安装平台在运动过程中能有效地避开奇异位置，提高负载安装平台的可控性和运动效率；二是节能且轻巧，采用柔性钢索作为连接基座和负载安装平台的支链，一方面减小了系统运动部件的质量和惯量，降低了对系统驱动装置即伺服电机的输出扭矩要求，提高了执行机构与人之间连接的柔顺性；另一方面，在降低了支链安装与运动对空间要求的同时，采用钢索绕组实现钢索的收放，减小了执行机构的整体高度，使整个系统更适合用于空间较小的仿真环境；三是位姿检测准又稳，根据转速和转角传感器的反馈信息来计算柔性钢索的长度，并基于并联机构的正向运动学来计算负载安装平台和使用者头部的实时位姿信息。与传统的六自由度电磁或超声位置跟踪器相比，其计算的位姿信息精度高、稳定性好、延迟小、抗干扰能力强等优势；四是基于关节空间力和执行机构动力学方程的惯性项、非线性项以及重力项来计算任务空间的人-机交互力，方案仅需六个拉力传感器，执行机构整体设计简洁、成本低且实用。五是人-机交互力期望值的计算方法，以伺服电机的各性能指标为待优化参数，以性能参数的取值范围为约束条件，以人-机交互力最小为优化目标来优化计算负载安装平台处于某一位姿时的六个伺服电机的性能参数及其对应的最小人-机交互力。

附图说明

图1是人体头部负载的柔性助力与跟踪装置的结构示意图。

图2是六自由度柔性并联机构的结构示意图。

图3是基座的结构示意图。

图4是基座铰点位置调整机构的结构示意图。

图5是机构驱动及关节空间运动参数检测单元、单元支架的结构示意图。

图6是关节空间力检测单元等的结构示意图。

图7是圆周调节锁紧部件的结构示意图。

图8是万向滑轮的结构示意图。

图9是单元支架示意图。

图10是复合球铰的结构示意图。

图11是负载安装平台及其负载的结构示意图。

图12是本系统的工作原理图。

图13是基座铰点位置调整机构等的示意图。

图1中标号名称：1. 六自由度柔性并联机构，2. 机构驱动及关节空间运动参数检测单元，3. 关节空间力检测单元，4.数据采集与处理单元，5. 控制单元，6.负载（虚拟现实头盔）。

图2中标号名称：7. 基座，8. 柔性钢索，9. 负载安装平台，10. 万向滑轮，11.复合球铰。

图3中标号名称：12. 基座铰点位置调整机构，13.单元支架。

图4、图13中标号名称：14.基座底板，圆弧长孔141；15.圆周调节锁紧部件，16.径向调节导轨，17.径向调节螺母，18.圆周调节转动副，19.径向调节丝杠，20.径向调节传动部件，21.径向调节旋转副，22.径向调节电机。

图5中标号名称：23. 伺服电机，24. 钢索绕组，25. 转速和转角传感器，26.顶板，27.底板，28.腹板，29.外侧板，30.内侧板。

图6中标号名称：31. 载荷传感器。

图7中标号名称：32.预紧螺杆，33.预紧压片；止推部321。

图8中标号名称：35.定滑轮，线槽351，34.叉耳。叉耳转轴341、导向孔342。

图9中标号名称：36.沉孔，37.叉耳安装孔，38.绕组安装孔，39.螺纹孔。

图10中标号名称：40.内耳，41.外耳，42.顶耳。

图11中标号名称：43.过渡部件。

具体实施方式

这里结合图1～12对本实用新型做进一步的详细说明，其中系统工作原理参见图12。

如图1所示的人体头部负载的柔性助力与跟踪装置，主要由六自由度柔性并联机构1、机构驱动及关节空间运动参数检测单元2、关节空间力检测单元3、数据采集与处理单元4、控制单元5组成。

如图2所示，六自由度柔性并联机构1主要由基座7、六条柔性钢索8、负载安装平台9组成。六自由度柔性并联机构1的基座7用于固定整个装置。

如图3，基座7由基座底板14、基座铰点位置调整机构12和六组单元支架13组成。六组单元支架13的顶板26分别固定安装于基座铰点位置调整机构12的径向调节螺母17底面上。

如图4，基座铰点位置调整机构11由六个圆周调节锁紧部件15、六条径向调节导轨16、六个径向调节螺母17、六组圆周调节转动副18、六根径向调节丝杠19、六组径向调节传动部件20、十二组径向调节旋转副21和六个径向调节电机22组成。基座底板14作为整个系统的基础予以固定，径向调节导轨16上表面开有一定间距的螺纹孔，其内端通过圆周调节转动副18与基座底板14连接，外端通过圆周调节锁紧部件15与基座底板14连接。

如图5所示，机构驱动及关节空间运动参数检测单元2由伺服电机23、钢索绕组24、转速和转角传感器25组成；

如图6所示，关节空间力检测单元3由串联在柔性钢索上的载荷传感器31组成；数据采集与处理单元4由信号采集卡或其它信号采集电路组成。

如图7，圆周调节锁紧部件15由预紧螺杆32、预紧压片33和固定在预紧螺杆32上端的用于对预紧压片施压的止推部321组成。预紧压片33套装在预紧螺杆32上，两者之间通过旋转副连接。预紧压片33与基座底板14是面接触，横跨于基座底板14相应的圆弧长孔141（圆弧长孔的中心弧线与圆周调节转动副18的旋转轴同心）的两端，预紧螺杆32与径向调节导轨16上表面的螺纹孔之间是螺纹连接。当预紧螺杆32旋紧时，止推部321对预紧压片33施压，由于静摩擦力的存在，预紧压片33与基座底板14无相对滑动，即实现了径向调节导轨16与基座底板14之间的固连。当松开预紧螺杆32时，径向调节导轨16可绕圆周调节转动副18沿圆弧长孔的中心弧线方向转动。径向调节丝杠两端通过径向调节旋转副21与径向调节导轨16连接，与径向调节螺母17之间采用螺旋副连接。径向调节电机22固定安装于径向调节导轨16的外端面，其驱动轴轴线与径向调节丝杠19轴线平行，并通过径向调节传动部件20驱动径向调节丝杠19绕径向调节旋转副21轴线旋转，继而带动径向调节螺母17沿基座底板14的直径方向移动，从而实现万向滑轮10空间位置的调整。

单元支架13由顶板26、底板27、腹板28、外侧板29和内侧板30组成，各组成部分之间采用螺栓连接。六个单元支架上安装有六个万向滑轮，用于支持柔性钢索的伸缩和改变钢索的移动方向。

如图8，万向滑轮10由定滑轮35和叉耳34组成，定滑轮的转轴两端分别通过转动副与叉耳相连。叉耳的转轴341与单元支架13的外侧板29上的叉耳安装孔37通过旋转副进行连接。在叉耳的转轴上开有沿叉耳轴线延伸的导向孔342；钢索绕过定滑轮并穿过导向孔。柔性钢索8由于负载安装平台9和负载6的重力作用紧紧贴靠在定滑轮的线槽351中。定滑轮34起到了改变柔性钢索8收缩方向的作用。叉耳导向孔为通孔，柔性钢索8经定滑轮导向后经叉耳导向孔缠绕于钢索绕组24上。

如图5和图9，转速和转角传感器25的转子部分与伺服电机23上端转轴通过夹紧装置进行连接。伺服电机23通过沉孔36定位于腹板28之上，并通过螺纹孔39固定于腹板28。钢索绕组24的上端部分开有圆头键槽，与伺服电机23的下端转轴通过圆头键实现刚性连接，钢索绕组24的下端为转轴，与底板27上的绕组安装孔38之间通过旋转副进行连接。

如图6，载荷传感器31安装于柔性钢索8的下部，两者之间通过螺杆和螺母进行连接。柔性钢索8的下端与复合球铰11（该复合球铰专利已授予，申请号为200710021406.8）的外耳41或内耳40之间亦通过螺杆和螺母进行连接。

如图2和图10，复合球铰11的顶耳42与负载安装平台9通过旋转副进行连接，三组复合球铰11均匀分布于负载安装平台9之上。负载安装平台可实现六自由度运动，其上可安装虚拟现实头盔等负载；如图11，负载6通过过渡部件43固定于负载安装平台9之上。

如图12，控制单元5为工业控制计算机或其它工作站级别的计算机，控制单元由柔性钢索加速度、速度和长度计算模块、六自由度柔性并联机构的正向运动学模块、六自由度柔性并联机构的任务空间与关节空间的运动学模块、头部位姿预测模块、六自由度柔性并联机构的运动部件的牛顿-欧拉方程模块、人-机交互力计算模块、人-机交互力期望值计算模块、力/位置混合控制器和负载安装平台奇异位置检查模块组成。六自由度柔性并联机构1的负载安装平台9与人体头部一起运动时（柔性钢索8时刻保持张紧状态），机构驱动及关节空间运动参数检测单元2实时对柔性钢索8收放引起的伺服电机23输出轴转角进行检测。数据采集与处理单元4将机构驱动及关节空间运动参数检测单元2反馈的伺服电机23输出轴转角的模拟信号转换为相应的数字信号，并提交给柔性钢索加速度、速度和长度计算模块，柔性钢索加速度、速度和长度计算模块根据相关部件间的传动比计算六条柔性钢索的长度、速度和加速度信息，然后分别提交给六自由度柔性并联机构的正向运动学模块和任务空间与关节空间的运动学模块，分别计算负载安装平台9即人体头部的实际位置与姿态和线（角）速度、线（角）加速度。六自由度柔性并联机构的运动部件的牛顿-欧拉方程模块以负载安装平台9的位姿、速度和加速度为输入，计算运动部件的惯性项、非线性项和重力项。人-机交互力计算模块以以上三项为补偿，根据关节空间力检测单元3的反馈值对人体头部与负载安装平台9之间的实际人-机交互力进行计算。头部位姿预测模块以人体头部的实际位姿为输入，基于头部运动模型对下一时间点或下几时间点的头部位姿进行预测。人-机交互力期望值计算模块以伺服电机的各性能指标为待优化参数，以性能参数的饱和状态为约束条件，以人-机交互力最小为优化目标来优化计算头部处于期望位姿时的六个伺服电机的性能参数及其对应的人-机交互力期望值。力/位置混合控制器根据人-机交互力实际值与期望值、头部位姿的实际值与期望值来计算伺服电机23的数字驱动信号，该信号经数据采集与处理单元4转换为相应的模拟信号并发送给机构驱动及关节空间运动参数检测单元2。六个伺服电机23收到各自的控制信号后，控制相应的柔性钢索8进行收放，继而控制负载安装平台9和人-机交互力按按各自的期望值（预测值）变化。负载安装平台奇异位置检查模块基于头部位姿的预测值来对下一时刻或下几时刻的负载安装平台9奇异性进行计算，并根据计算结果实时的向基座铰点位置调整机构12发出调整指令，后者根据指令驱动径向调节电机22来实时改变六自由度柔性并联机构1的结构型式和几何尺寸，达到规避负载安装平台9奇异位置的目的。

六自由度柔性并联机构除以上特征外，还具备对空间物体三轴平动位移和三轴转动角度（即位置与姿态信息，简称位姿）的检测功能，根据机构驱动及关节空间运动参数检测单元测的的伺服电机转角可以实时计算柔性钢索的长度，继而基于六自由度柔性并联机构的正向运动学实现对机构动平台即负载安装平台三轴位移和三轴转角的计算。此外，与其他并联机构相比，还具有三个特征——一是采用柔性钢索作为连接基座和负载安装平台的支链，既降低了机构整体的质量和惯量，保证了机构的轻巧性，又提高了六自由度柔性并联机构与负载如头盔使用者头部之间连接的柔顺性，可改善头盔等负载的使用舒适性；二是基座铰点位置调整机构可以沿基座底板径向和圆周方向来改变基座铰点即万向滑轮的位置，从而实现六自由度柔性并联机构结构型式和尺寸的改变，满足对并联机构工作空间的不同需求；三是基座铰点位置调整机构具有驱动装置，当负载安装平台位于奇异位置附近时，可通过实时自动改变万向滑轮沿基座底板径向的位置，来改变并联机构的奇异位置，从而使负载安装平台避开奇异位置，提高机构运动的可控性和运动效率。

与收缩式刚性支链相比，上述机构驱动及关节空间运动参数检测单元中的伺服电机驱动钢索绕组正、反向旋转，来实现钢索的收放。这种设计方案降低了六自由度柔性并联机构自身的重心和高度，可以减小支链安装和运动过程中的占有空间，从而降低整体系统对安装空间和使用空间的要求，适合空间较小的使用环境，如飞行仿真座舱、汽车驾驶座舱等。

关节空间力检测单元3安装于柔性钢索的下端部，如图6所示，在结构上与复合球铰、关节空间力检测单元和柔性钢索依次串联安装。其优点是：关节空间力检测单元可实时检测柔性钢索的拉力，其反馈值可用于人-机交互力（负载如头盔与使用者头部之间的力）的计算。采用合适的力控制器可以将人-机交互力控制在合适的范围内，从而减轻因头盔等负载的重力和惯性给使用这带来的异物感和疲劳感，改善头盔使用的舒适性和沉浸感。具体表现为：控制单元根据柔性钢索的拉力和六自由度柔性并联机构的动力学方程实时地计算人-机交互力，力控制器以负载安装平台处于不同位姿时的人-机交互力期望值为目标（即在伺服电机输出额定扭矩的范围内，负载安装平台处于某一具体位姿时，所允许人-机交互力达到的最小值），对机构驱动及关节空间运动参数检测单元的伺服电机进行控制，从而使头盔与其使用者之间的相互作用力最小。