随动支撑锁定关节装置的制作方法

本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是一种能够支持使用者随意运动且结构简单、成本低廉的随动支撑锁定关节装置。

背景技术：

目前虚拟现实产业刚刚兴起，在发展过程中，针对如何更好的让用户自由运动成为了困扰广大内容开发团队的一道难题。传统解决方案有两种，第一种是通过空间定位技术让使用者在真实空间运动，但是这种方式对使用空间有很多要求且占地面积较大。所以出现了第二种使用环形跑步机为基础，限制用户在一个固定位置并可以运动的方式，在这种方式中，环形跑步机主要使用悬挂系统控固定使用者腰部，或者是护栏围绕用户腰部，将用户限制在一个具体的位置，并提供一个光滑的底盘(脚盘)，使用者可以裸脚或者穿着带有滑柱或者滑轮的定制鞋，在光滑的底盘上移动。

第二种方案的核心目的就是将用户控制在具体位置的同时，支持使用者作出基本的走、跑、跳、蹲、坐等姿态。但是用户在运动过程中，上半身始终处于对外展开的姿态，很快会进入疲倦状态，陷入“猩猩臂”效应。下半身在开放环境下在进出系统时，容易发生侧滑等危险。整体运动时，缺乏力反馈提醒，身体不能在虚拟现实世界中对外部环境进行基于躯体运动的交互。所以第一种方案对空间有过于苛刻和昂贵的要求，第二种方案则只能满足短时间内体验性的使用，在这种情况下虚拟现实产业很难进一步得到推广和普及，更妄谈成为下一代互联网的展示方式。

本发明主要解决在虚拟现实中在固定位置的情况下可以支持使用者随意运动，并提供力反馈，让用户可以和虚拟现实中的虚拟物品进行交互这一问题。

传统的机械外骨骼系统主要为了医疗、工业使用，所以核心设计方向为提供支架支撑的时候，帮助使用者在运动时获得额外的助力。所以大多数机械外骨骼系统都有额外的助力系统，这种助力系统一般使用微型电机来实现。电机在提供像某个方向的扭力时使用者停止运动，会将电机电压瞬时加大，在判断使用者是需要支撑还是加强助力后，可选择电机停止或加大扭力提供更强的助力。在需要的情况下，微型电机在提供助力的同时也提供了锁止。例如Maxon的EC90 float无刷电机等。

使用电机可以满足体外骨骼的需要，但是电机价格昂贵，完成整个框架系统会导致成品价格飙升。同时电机在电压升高过程中会发热，多个电机持续发热会造成一定安全隐患。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够支持使用者随意运动且结构简单、成本低廉的随动支撑锁定关节装置。

本发明解决其技术问题所采用技术方案是：随动支撑锁定关节装置，包括小臂连杆和大臂连杆，所述的小臂连杆和大臂连杆通过轴铰链连接，在该连接处配合有碟刹机构，所述的碟刹机构配合有相应的制动驱动装置，在所述的大臂连杆上配合有PCB控制电路板；在所述的小臂连杆上设置有永磁铁块，所述的PCB控制电路板上设置有微动开关控制模块和磁角度传感器，该磁角度传感器与永磁铁块磁性配合；所述的小臂连杆表面上对称安装有两个微动开关，所述的微动开关与PCB控制电路板连接；所述的碟刹机构配合有联动盘，该联动盘的自由端与微动开关的位置对应。

进一步的，所述的联动盘的中部设置有与碟刹机构同轴的第一通孔，所述的联动盘的盘缘位置均匀设置有多个圆缺，所述的圆缺与碟刹机构连接。

进一步的，所述的微动开关包括触动片，所述的联动盘的自由端上设置有与该触动片位置对应的触动块。

进一步的，在所述的小臂连杆的连接端设置有与轴配合的第二通孔所述的小臂连杆上对称设置有靠近碟刹机构的一组限位槽，所述的联动盘的自由端上设置有与该限位槽间隙配合的限位块。

进一步的，所述的大臂连杆的一端设置有与轴配合的第三通孔，另一端连接有竖直的安装板，在大臂连杆上开设有贯穿且止于安装板的通槽；所述的制动驱动装置包括杠杆固定座、杠杆以及电磁铁，在大臂连杆的上表面和下表面位于通槽的两侧均设置有杠杆固定座，大臂连杆同一表面上的两个杠杆固定座之间通过销轴连接有杠杆；在所述的安装板上安装有电磁铁，所述的杠杆一端与电磁铁配合，另一端与碟刹机构的刹车片传动。

进一步的，所述的杠杆的中部设置有与销轴配合的第四通孔，一端设置有电磁铁受力拍，另一端设置有刹车片推动杆；所述的电磁铁受力拍与电磁铁配合，所述的刹车片推杆与刹车片连接。

进一步的，所述的限位槽中设置有与限位块配合的弹簧。

进一步的，所述的大臂连杆上设置有刹车片固定柱，该固定柱与碟刹机构的刹车片上的安装孔对应，用于固定刹车片。

进一步的，所述的大臂连杆上设置有PCB控制电路板连接孔。

进一步的，所述的小臂连杆和大臂连杆均采用碳纤维材料制作而成。

本发明的有益效果是：本发明的随动支撑锁定关节装置，通过大臂连杆、小臂连杆、碟刹机构以及PCB控制电路板等的配合，能够支持使用者随意运动，而且具有结构简单、成本低廉的特点。在本系统中，大臂连杆、小臂连杆、碟刹机构三个结构件连接在一起，大臂连杆和小臂连杆分别连接运动肢体活动部分，三个结构件在碟刹轴杆未锁定的状况下和连接的关节保持同步运动，在刹车轴杆锁定的情况下停止关节运动。小臂连杆上有两个微动开关，分别对应关节的两个运动方向，联动盘自由端的触动块与小臂连杆上的的这两个微动开关保持关联状态。在虚拟世界运动时，当肢体运动时，小臂连杆将首先挤压微动开关，PCB控制电路板只要获取微动开关的开关状态的改变，就可以获取到肢体运动的方向，同时集成在PCB控制电路板上的磁角度传感器通过与永磁铁块的磁感发生变化，可以获知运动的角度。我们可以在虚拟世界建立使用者运动的姿态。

当在虚拟世界的使用者的运动姿态和虚拟世界的其他实体发生碰撞互动时，我们通过碟刹机构来模拟不同的碰撞效果。当使用者在虚拟世界碰撞其他虚拟实体，导致运动停止，集成在PCB控制电路板上的感知系统控制电磁铁10推动杠杆，用刹车盘抱死刹车片，来实现停止关节像某个方向的运动。如果使用者可以在虚拟世界缓慢的推动虚拟实体，那么碟刹机构可以使用半锁定的方式模拟在一定受力条件下的关节像某个方向的运动。如果使用者解除了虚拟实体并继续肢体运动，那么碟刹机构将再抱死后解锁，实现从锁定到开锁的过程。所以使用者的关节像某个方向运动受到限制后，相反方向运动，则微动开关开关状态发生变化，整个关节系统再一次开始整个运动状态的判断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的随动支撑锁定关节装置的一种方位示意图；

图2是本发明的随动支撑锁定关节装置的另一种方位示意图；

图3是本发明的随动支撑锁定关节装置的大臂连杆的结构示意图；

图4是本发明的随动支撑锁定关节装置的联动盘的结构示意图；

图5是本发明的随动支撑锁定关节装置的小臂连杆的结构示意图；

图6是本发明的随动支撑锁定关节装置的杠杆的结构示意图；

图中，1—小臂连杆；2—大臂连杆；3—PCB控制电路板；4—微动开关；5—触动块；6—限位槽；7—弹簧；8—安装板；9—杠杆；10—电磁铁；11—碟刹机构；12—刹车片安装座；13—轴；14—第三通孔；15—PCB控制电路板连接孔；16—杠杆固定座；17—刹车片固定柱；18—圆缺；19—限位块；20—第二通孔；21—电磁铁受力拍；22—第四通孔；23—刹车片推杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一面分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1至图6所示，本发明的随动支撑锁定关节装置，包括小臂连杆1和大臂连杆2，所述的小臂连杆1和大臂连杆2通过轴13铰链连接，在该连接处配合有碟刹机构11，所述的碟刹机构11配合有相应的制动驱动装置，在所述的大臂连杆2上配合有PCB控制电路板3；在所述的小臂连杆1上设置有永磁铁块，所述的PCB控制电路板3上设置有微动开关控制模块和磁角度传感器，该磁角度传感器与永磁铁块磁性配合；所述的小臂连杆1表面上对称安装有两个微动开关4，所述的微动开关4与PCB控制电路板3连接；所述的碟刹机构11配合有联动盘，该联动盘的自由端与微动开关4的位置对应。本发明的随动支撑锁定关节装置，通过大臂连杆2、小臂连杆1、碟刹机构11以及PCB控制电路板3等的配合，能够支持使用者随意运动，而且具有结构简单、成本低廉的特点。在本系统中，大臂连杆2、小臂连杆1、碟刹机构11三个结构件连接在一起，大臂连杆2和小臂连杆1分别连接运动肢体活动部分，三个结构件在碟刹轴杆未锁定的状况下和连接的关节保持同步运动，在刹车轴杆锁定的情况下停止关节运动。小臂连杆1上有两个微动开关4，分别对应关节的两个运动方向，联动盘自由端与小臂连杆1上的的这两个微动开关4保持关联状态。在虚拟世界运动时，当肢体运动时，小臂连杆1将首先挤压微动开关4，PCB控制电路板3只要获取微动开关4的开关状态的改变，就可以获取到肢体运动的方向，同时集成在PCB控制电路板3上的磁角度传感器与永磁铁块的磁感发生变化就可以获知运动的角度。我们可以在虚拟世界建立使用者运动的姿态。

作为优选的，所述的联动盘的中部设置有与碟刹机构11同轴的第一通孔24，所述的联动盘的盘缘位置均匀设置有多个圆缺18，所述的圆缺18与碟刹机构11连接。值得注意的是，所述的盘缘是指，联动盘的盘面边缘。圆缺18的作用是用于和碟刹机构11相应的销轴或者螺柱配合，实现稳定固定的作用，提高稳定性能，而且可以方便拆卸和维护。

作为优选的，所述的微动开关4包括触动片，所述的联动盘的自由端上设置有与该触动片位置对应的触动块5。值得注意的是，这种结构的微动开关4为机械式触动开关，通过触动块5来触动触动片实现开关的通断；在实际生产过程中，还可以采用光敏开关或者磁动开关等。

作为优选的，在所述的小臂连杆1的连接端设置有与轴13配合的第二通孔20所述的小臂连杆1上对称设置有靠近碟刹机构11的一组限位槽6，所述的联动盘的自由端上设置有与该限位槽6间隙配合的限位块19。通过限位槽6和限位块19的配合，能够起到一定的角度限制作用，即大臂连杆2和小臂连杆1的活动角度，在设计时，一般考虑限制角度最大为150°至160°，与人体的关节伸展角度匹配。

作为优选的，所述的大臂连杆2的一端设置有与轴13配合的第三通孔14，另一端连接有竖直的安装板8，在大臂连杆2上开设有贯穿且止于安装板8的通槽；所述的制动驱动装置包括杠杆固定座16、杠杆9以及电磁铁10，在大臂连杆2的上表面和下表面位于通槽的两侧均设置有杠杆固定座16，大臂连杆2同一表面上的两个杠杆固定座16之间通过销轴连接有杠杆9；在所述的安装板8上安装有电磁铁10，所述的杠杆9一端与电磁铁10配合，另一端与碟刹机构11的刹车片传动。值得注意的是，所述的杠杆9在电磁铁10的配合下，能够方便地带动碟刹机构11中的刹车片实现半锁、抱死以及其他状态，通槽的设置给杠杆9提供了充足的空间，方便了杠杆9的运动。PCB控制电路板3包括电磁铁控制模块，微动开关控制模块和磁角度传感器，磁角度传感器的功能是获取当前关节开合角度，微动开关控制模块接收微动开关传来的信号，配合此角度传感器获得的角度信息能够准确地知道使用者的位置状态，通过电磁铁控制模块控制电磁铁10的动作，促使杠杆9动作，对碟刹机构采取相应的制动效果。

作为优选的，所述的杠杆9的中部设置有与销轴配合的第四通孔22，一端设置有电磁铁受力拍21，另一端设置有刹车片推动杆23；所述的电磁铁受力拍21与电磁铁10配合，所述的刹车片推杆23与刹车片连接。当电磁铁10通电或者断电的时候，所述的电磁铁受力拍21吸附或者弹开，带动刹车片推杆23动作，从而带动刹车片实现半锁、抱死以及其他状态。

作为优选的，所述的限位槽6中设置有与限位块19配合的弹簧7。弹簧7的设置，方便了复位，当整个装置不使用时，可以快速复位。

作为优选的，所述的大臂连杆2上设置有刹车片固定柱17，该固定柱17与碟刹机构11的刹车片上的安装孔对应，用于固定刹车片。刹车片固定柱17的设置方便了碟刹机构11的安装固定。

作为优选的，所述的大臂连杆2上设置有PCB控制电路板连接孔15。PCB控制电路板连接孔15的设置能够方便PCB控制电路板3的安装，PCB控制电路板连接孔15可以为螺纹孔。

作为优选的，所述的小臂连杆1和大臂连杆2均采用碳纤维材料制作而成，具有强度高、质量轻的优点。当然还可以采用强度高的金属材料如不锈钢，也可以采用强度高的其他非金属材料，如柏木头等。随着技术的进步，还可以采用其他性能优越的复合材料。

值得注意的是，所述的碟刹机构11，还配合有相应的刹车片安装座。所述的对称是指沿中线镜像对称，如沿小臂连杆1的中线镜相对称设置的微动开关4、限位槽6。

作为一种优选的实施方式，当在虚拟世界的使用者的运动姿态和虚拟世界的其他实体发生碰撞互动时，我们通过碟刹机构11来模拟不同的碰撞效果。当使用者在虚拟世界碰撞其他虚拟实体，导致运动停止，集成在PCB控制电路板3上的感知系统控制电磁铁10推动杠杆9，用刹车盘抱死刹车片，来实现停止关节像向某个方向的运动。如果使用者可以在虚拟世界缓慢的推动虚拟实体，那么碟刹机构11可以使用半锁定的方式模拟在一定受力条件下的关节像向某个方向的运动。如果使用者解除了虚拟实体并继续肢体运动，那么碟刹机构11将再抱死后解锁，实现从锁定到开锁的过程。所以使用者的关节像向某个方向运动受到限制后，向相反方向运动，则微动开关4开关状态发生变化，整个关节系统再一次开始整个运动状态的判断。

值得注意的是，本发明的随动支撑锁定关节装置适用范围包括不限于肘关节，可使用在所有支撑状态下，体外骨骼系统和身体关联的可动位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。