模块化外骨骼力反馈控制器的制造方法
【专利说明】
[0001]本发明的
技术领域
[0002]本发明总体上涉及力反馈控制器的领域。具体地，本发明针对模块化外骨骼力反馈控制器。
【背景技术】
[0003]力反馈控制器(FFC)是一种通过人操作者感测运动并对那个操作者给予力的人/机界面(human/computer interface)。FFC能利用对操作者给予的力来获得(engage)操作者的触觉感知。与非计算机任务连接的用户通常利用视觉和触觉反馈的组合(看见任务的一方面，同时感觉另一方面)。将这个感觉组合到人机界面中能具有各种好处，包括使得这样的界面更高效并且对于用户更直观，让操作者沉浸在计算机模拟中发生的事件中，并且使得这样的模拟感觉更逼真。
[0004]通常，FFC能是外部环境的一部分(例如，力反馈操纵杆)或者由人操作者穿戴(例如，力反馈手套)。利用可穿戴的并且便携式的FFC、以及能给予更丰富的一系列力以产生具有更细微差别的触觉感知的FFC能实现很多好处。然而，现有的便携式FFC在各个方面存在不足，包括重、体积大、不舒服、制造成本高、在它们能提供的感觉反馈方面受限制、以及不能将所给予的力准确地定位在操作者的身体上的具体位置处。
[0005]本公开的概要
[0006]在一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器。该力反馈控制器包括腕部模块以及手柄模块，所述腕部模块包括第一肢体附接件，该第一肢体附接件被配置为将所述力反馈控制器耦接至用户的手臂，所述手柄模块耦接至所述腕部模块，所述手柄模块能相对于所述腕部模块在第一方向和第二方向上移动，所述第一方向基本垂直于所述第二方向，所述手柄模块包括具有手柄附接件的线性滑动机构，所述手柄附接件被限制为在基本垂直于所述第一方向和所述第二方向中的至少一者的第三方向上的线性运动，并且其中，所述手柄附接件被配置为将手柄耦接至所述手柄模块。
[0007]在另一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器。该力反馈控制器包括腕部模块、前臂模块以及外骨架构件，所述腕部模块包括第一肢体附接件，该第一肢体附接件被配置为耦接至用户的手臂的第一部分，所述前臂模块包括第二肢体附接件，该第二肢体附接件被配置为耦接至用户的手臂的第二部分，所述外骨架构件具有第一端和第二端，所述前臂模块耦接至所述第一端，并且所述腕部模块耦接至所述第二端，所述外骨架构件包括扭转模块，所述扭转模块具有扭转元件，该扭转元件被配置为允许所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对扭转运动，并且基本防止所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对轴向运动。
[0008]在又一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器外骨架。该力反馈控制器外骨架包括前臂模块、腕部模块、以及手柄模块，所述前臂模块和所述腕部模块被设计并配置为能移除地耦接在一起以形成所述力反馈外骨架控制器，并且所述手柄模块能移动地耦接至所述腕部模块并且相对于所述腕部模块具有至少一个运动自由度；并且所述手柄模块包括线性滑动机构以及耦接至所述线性滑动机构的手柄，所述手柄被限制为相对于所述腕部模块在线性方向上运动。
[0009]附图的简要说明
[0010]为了阐明本发明，附图示出了本发明的一个或多个实施方式的各个方面。然而，应当理解的是，本发明不限于在附图中示出的精确布置和手段，其中:
[0011]图1示出了示例性模块化的且便携式的力反馈控制器；
[0012]图2示出了另一个示例性模块化的且便携式的力反馈控制器；
[0013]图3是肢体附接件的立体图；
[0014]图4示出了旋转驱动模块；
[0015]图5是线性驱动部件的立体图；
[0016]图6是下臂扭转模块的立体图；
[0017]图7示出了肘部模块；
[0018]图8示出了使用中的示例腕部模块和手柄模块；
[0019]图9示出了使用中的耦接至手柄模块的人体工程学把手形式的手柄；
[0020]图10示出了使用中的耦接至手柄模块的手枪把手形式的手柄；
[0021]图11示出了示例性下臂扭转模块；
[0022]图12示出了下臂扭转模块的另一实例；
[0023]图13示出了具有多中心铰链的肘部模块；
[0024]图14示出了手柄和腕部模块配置；
[0025]图15示出了前臂、肘部和上臂模块配置；
[0026]图16是示例力反馈控制器系统架构的框图；
[0027]图17是图16的系统架构的示例实施方式；
[0028]图18是电机驱动部件的实例的电路图；
[0029]图19示出了图2的模块化的且便携式的力反馈控制器的腕部模块和手柄模块的一部分的立体图。
[0030]详细说明
[0031]本发明的一些方面包括用于改进的人机界面和计算机模拟控制的各种便携式FFC(PFFC)装置以及系统。本文中描述的PFFC能用于各种应用中，包括用于增加人操作者的精确度和/或力量，并且用于在诸如计算机模拟、数据探查和游戏的应用中提高操作者和合成环境之间的交互的效率和质量。本文中描述的PFFC还可用于帮助测量、引导、训练、或者加强人操作者运动，以用于这样的尝试，诸如物理疗法、职业治疗、体育训练、以及其他治疗和训练使用。并且还可用于在具有远程环境的遥控操作和遥控机器人交互中向人操作者提供增加的感官意识以及使用的简易性。例如，本文中描述的PFFC可允许对遥控机械手的运动的更自然的且直观的控制，以通过反馈远程感应的力而允许人操作者更精细地和/或更迅速地执行远程操作任务，并且因此，使通过远程机械手的不期望的碾压或碰撞最小化。
[0032]如以下更充分地描述的，本文中描述的PFFC通过提供对操作者的运动的精确跟踪、施加高保真度力、成为能源高效的、体积最小的、成为重量轻的、以及成为舒适的且人体工程学的以允许长时间使用来向诸如以上描述的应用提供改进的解决方案。
[0033]示例PFFC实施方式包括模块化PFFC，该模块化PFFC可通过添加物理模块和部件而提供依次添加功能和/或结构的能力。本文中描述的模块化PFFC包括可附接至其他模块并且可从其他模块移除的模块，其中，每个模块可适合于穿戴在人体的特定解剖学部分上。该模块可包括用于可移除地附接至相邻的模块或者横跨相邻的模块的结构、或者用于接合两个模块的可移除的中间接合部件。这样的模块化提供了可为了各种不同的应用和使用情形迅速地并容易地改变的PFFC系统。例如，开放性手术模拟可由仅获得腕部和手的PFFC最好地服务，而包括虚拟工具的装置组件模拟可需要获得手、腕部和前臂的PFFC。作为另一实例，可期望在游戏或模拟中获得人操作者的手、腕部、前臂、以及肘部和/或肩部，例如，以提供对虚拟对象的重量的更逼真的感觉，并且提供对复杂的运动(诸如投掷和抓握)的更高保真度控制。这样的模块化较特定的现有技术控制器提供了显著好处，其中，定制的外骨骼控制器为特定的使用情形而设计。操作者通常将必须做出应有的次优控制器配置以供使用，而不是设计特定的一个控制器，因为定制控制器的开发是一个费时且昂贵的过程。
[0034]考虑到本文中描述的PFFC的各种方面的广泛适用性，图1示出了示例性模块化外骨架PFFC系统100，该系统被设计并且被配置为穿戴在操作者的手臂上。示例PFFC 100具有六个模块，包括肩部模块110、上臂模块112、肘部模块114、前臂模块116、腕部模块118以及手柄模块120。模块110-120中的每个能可移除地连接至相邻的模块，使得每个模块可迅速地并容易地机械和电连接至其他模块。模块110-120中的每个是具有用于将模块附接至特定解剖学位置的舒适的且人体工程学的零件(feature)的轻重量结构，同时还具有用于广泛系列的应用的合适的结构完整性。模块110-120还可具有用于将PFFC 100的大小调节至特定用户的尺寸的调节机构。
[0035]模块110-120中的一个或多个可具有一个或多个自由度并且被配置为相对于其他模块运动，使得PFFC 100可遵循(follow)用户的手臂的自然运动，并且如以下描述的，可在各个方向和位置上对用户给予力。例如，肘部模块114被配置为绕枢轴点122枢转，使得第一侧向构件124可相对于第二侧向构件126在由箭头IA示出的方向上枢转。前臂模块116可被配置为相对于腕部模块118在箭头IB的方向上进行扭转运动。相似地，腕部模块118可被配置为相对于前臂模块116和手柄模块120中的一者或两者在箭头IC的方向上进行扭转运动。在一些实施方式中，当模块116和118可被配置为进行相对扭转运动时，PFFC 100可具有基本防止在其他方向上的相对运动(例如，在由箭头ID示出的方向上的相对线性运动)的结构零件，这可提供PFFC的操作所需要的结构完整性。手柄模块120可配置有一个或多个自由度，以遵循用户的手相对于用户的腕