专利名称：骨架式力觉反馈装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及计算机技术领域，是一种计算机人机交互接口，应用于虚拟现实系统中的人机接触交互接口，机器人遥操作领域中的力觉临场感系统。
背景技术：
在虚拟环境之中，能否让用户产生“沉浸感”的关键因素之一是用户能否用他的手或身体的其它能动部位去操作虚拟物体，并在操作的同时感受到虚拟物体真实的作用力。数据手套可以将操作者灵活多变的手势及空间方位信息实时地传送给虚拟现实系统，从而可以实时生成虚拟手与虚拟物体接近或远离的图像，使操作者自然而然地将自己的意识或操作方式传送至交互对象中去。数据手套如果没有提供力觉反馈功能，就很难让用户有抓握物体的真实感觉。例如，在现实生活中，当人用手握住一个水杯时，手指的形状应该与杯子的外形相一致，有时为了转移或发泄愤怒的情绪而使劲握杯子，手会感到麻木或者疼痛。在虚拟环境中，当手握住虚拟物体时，如果没有感觉到反作用力，不给用户手指的运动施加一定的约束，尽管此时在视觉显示上可能已经看到手碰到物体，用户的手还是可能会一直往里握进杯子。因此没有力觉反馈作用的系统至少有两个缺点首先是缺乏真实感；其次，为了避免手握进杯子这样不现实的图像出现，不得不在视觉计算中加上某些物理约束条件，这给视觉图像方面的计算带来了麻烦。力觉反馈装置能够有效地解决这类问题。
第一个力反馈装置是Goertz等在50年代开发的用于核环境下的遥操作系统。之后，Brooks领导的研究小组在90年代初把这种机械臂作为虚拟现实系统的力反馈接口。1992年，Burdea等开发出了一种轻便的力反馈手套“Rutgers Master”。接着出现了各种商业用途的力反馈装置，例如“PHANToMTM”(Massie，Salisbury，1994)，“Impulse Engine”(Jackson and Rosenberg，1995)，“CyberGraspTM”(Immersion，1998)。此外，最近几年来随着计算机游戏的发展，具有力反馈功能的游戏杆的应用也越来越普遍。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种力觉反馈装置，为骨架式结构，是一种用于虚拟现实系统的力觉反馈接口，具有灵巧、轻便、易用、可靠、安全、允许的活动空间大等特点。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是提供一种骨架式力觉反馈装置，用于虚拟现实系统的力觉反馈接口，包括比例电磁铁执行元件，钢丝绳-弹簧管传动机构以及安装在手部的骨架机构三个部分，比例电磁铁作为执行元件，通过钢丝绳-弹簧管传动机构和骨架机构传递驱动力至手指的指头；以及基于DSP的嵌入式闭环控制系统。
所述的力觉反馈装置，其所述的比例电磁铁执行元件，包括比例电磁铁、支架，比例电磁铁的上平面与箱式支架的底平面固连；在箱式支架的容室内设有连杆位移放大机构，连杆位移放大机构包括动铁芯、轴承、连杆、复位弹簧，其中，位于支架侧壁下部，轴承水平固设于两侧壁上，轴承上正交固连有连杆，轴承为连杆的旋转轴；由轴承的轴心线起算，在连杆的三分之一处垂设一动铁芯，动铁芯上端通过软线体与连杆相连，下端朝向比例电磁铁上方磁场；在连杆的远端头上方设有复位弹簧，复位弹簧下端与连杆上表面固接，上端与支架上盖板下表面固接，复位弹簧为拉伸弹簧，弹簧中心轴线相对的位置，在连杆与上盖板上都设有通孔。
所述的力觉反馈装置，其所述的钢丝绳-弹簧管传动机构，由弹簧管和钢丝绳组成，弹簧管套于钢丝绳的外周圆；弹簧管下端与上盖板上表面固连，上部与骨架机构固连；钢丝绳下端穿过上盖板上与连杆上的通孔，并穿过复位弹簧中心与连杆位移放大机构中的连杆动连接，另一端从弹簧管上口中伸出。
所述的力觉反馈装置，其所述的骨架机构，由骨架、调节螺母、紧固螺母、滑轮、指套和固定套组成，其中，骨架主体为口字型框体，框体两上角各有一扬起的支架，一支架上设有调节螺母，另一支架上设有滑轮；弹簧管上端穿过支架及支架上的调节螺母，由调节螺母的旋转来调节弹簧管的前后位置，并将弹簧管固定在骨架上；滑轮侧周圆上有一圈″V″型槽，从弹簧管上口中伸出的钢丝绳经由″V″型槽绕过滑轮，与滑轮动接触，其末端头与指套固接，指套与手指的指头相适配；骨架口字型框体底边为一弧形面，弧形面与手指相适配，弧形面上穿设有固定套，固定套上弧部中点连接有螺栓，螺栓穿过骨架口字型框体上边框后与紧固螺母连接。
所述的力觉反馈装置，其所述的指套为环形，环形指套的正下部为硬质垫片，硬质垫片上表面设有压力传感器，压力传感器与手指的指头相接触。
所述的力觉反馈装置，其所述的基于DSP的嵌入式闭环控制系统，它通过串行端口实时接收来自虚拟现实系统的控制指令，把指端力觉反馈装置中的力传感器的输出信号作为反馈，通过内嵌的智能PID控制算法对反馈力进行闭环控制，使得作用在操作者手指上的反馈力迅速而准确地跟踪控制指令。
所述的力觉反馈装置，它能在操作者手指末端产生力觉反馈，对手指的局部运动有一定的约束，可以有效防止虚拟手指不必要地嵌入虚拟物体中。
本实用新型具有灵巧、轻便、易用、可靠、安全、允许的活动空间大等特点。该力觉反馈装置的执行元件采用比例电磁铁，通过控制其电流可以使其产生出大小可控的驱动力；系统采用钢丝绳-弹簧管结构的传动方式把比例电磁铁的驱动力传递到指端；指端力觉反馈装置是一种安装在手指上的骨架式机构，它把反馈力作用在操作者的手指上。
本实用新型采用了基于DSP的嵌入式控制系统，内嵌的智能PID控制算法使得该力觉反馈系统能够快速准确地跟踪虚拟环境的反馈力控制指令。该系统能在为虚拟现实系统的操作者提供反馈力的同时，对手指的局部运动产生一定的约束，有效防止虚拟手指不必要地嵌入虚拟物体中，从而使操作者可以去“触摸”和“感觉”与之交互的仿真对象，体验到更加真实的反馈力，以增强虚拟现实系统的“互动性”和“沉浸感”。
图1为本实用新型骨架式力觉反馈装置示意图；图2为本实用新型比例电磁铁及连杆位移放大机构示意图；图3为本实用新型力觉反馈装置指端部结构图；图4为本实用新型控制系统的结构图。
具体实施方式
如图1、图2所示，骨架式力觉反馈装置的机械结构主要包括比例电磁铁执行元件，钢丝绳-弹簧管传动机构以及安装在手部的骨架机构三个组成部分。电磁铁执行元件包括比例电磁铁1、支架2，比例电磁铁1的上平面与箱式支架2的底平面固连；在箱式支架2的容室内设有连杆位移放大机构，连杆位移放大机构包括动铁芯21、轴承22、连杆23、复位弹簧24，其中，位于支架2侧壁下部，轴承22水平固设于两侧壁上，轴承22上正交固连有连杆23，轴承22为连杆23的旋转轴；由轴承22的轴心线起算，在连杆23的三分之一处垂设一动铁芯21，动铁芯21上端通过软线体(本实施例为钢丝绳)与连杆23相连，下端朝向比例电磁铁1上方磁场；在连杆23的远端头上方设有复位弹簧24，复位弹簧24下端与连杆23上表面固接，上端与支架2上盖板下表面固接，复位弹簧24为拉伸弹簧，弹簧中心轴线相对的位置，在连杆23与上盖板上都设有通孔。
钢丝绳-弹簧管传动机构3由弹簧管31和钢丝绳32组成，弹簧管31套于钢丝绳32的外周圆。弹簧管31下端与上盖板上表面固连，上部与骨架4固连。钢丝绳32下端穿过上盖板上与连杆23上的通孔，并穿过复位弹簧24中心与连杆位移放大机构中的连杆23动连接，另一端从弹簧管31上口中伸出。
骨架机构由骨架4、调节螺母5、紧固螺母6、滑轮7、指套8和固定套9组成。其中，骨架4主体为口字型框体，框体两上角各有一扬起的支架，一支架上设有调节螺母5，另一支架上设有滑轮7。弹簧管31上端穿过支架及支架上的调节螺母5，由调节螺母5的旋转来调节弹簧管31的前后位置，并将弹簧管31固定在骨架4上。滑轮7侧周圆上有一圈″V″型槽，从弹簧管31上口中伸出的钢丝绳32经由″V″型槽绕过滑轮7，与滑轮7动接触，其末端头与指套8固接，指套8与手指10的指头相适配。骨架4口字型框体底边为一弧形面，弧形面与手指10相适配，弧形面上穿设有固定套9，固定套9上弧部中点连接有螺栓，螺栓穿过骨架4口字型框体上边框后与紧固螺母6连接。
本实用新型中比例电磁铁1具有体积小、驱动力大、控制简单等特点，因此骨架式力觉反馈装置采用比例电磁铁1作为执行元件。骨架式采用的比例电磁铁1的额定电流为0.8A，最大位移为7mm，最大输出力为45N。如果直接采用额定的输出位移，不能很好地满足力觉反馈装置对手指动态范围的需要。而45N的额定输出力则已经超出了对反馈力的要求。因此，力觉反馈装置采用了放大机构对比例电磁铁1的位移进行放大。
本实用新型中的骨架4是整个装置中最为重要的一个部分，它固定在用户的手指10上起着支撑作用。经特殊加工过的调节螺母5的内罗纹可以与弹簧管31的外罗纹紧密配合。旋转调节螺母5可以调节钢丝绳32和弹簧管31的伸出长度L，以适应不同操作者的手的大小。钢丝绳32穿过滑轮7的″V″型槽与指套8相连，滑轮7的采用大大减小了钢丝绳32运动的摩擦力。固定套9用于将骨架4与用户的手固定在一起。调节紧固螺母6可以升降固定套9，以调节骨架4与手固定的松紧程度。这样用户就可以在无需外人帮助的情况下很方便地进行拆装。整个骨架4采用硬质合金铝经线切割加工而成，十分轻便，因而用户不会有负重感。
钢丝绳32末端与指套8相连，通过指套8把比例电磁铁1的驱动力通过钢丝绳-弹簧管传动机构3施加到用户的指端，其间的长度最大可达1米。由于所采用的钢丝绳-弹簧管传动机构3具有很好的柔性，所以不会妨碍用户手部的运动。采用这种传动方式也使得操作者手部的反馈机构与执行元件得以分离，减轻了操作者手的负重，同时也扩大了操作者的活动空间。
比例电磁铁1上方电磁场对动铁芯21作用，产生一向下的驱动力F1，因动铁芯21与连杆23相连，亦为连杆23提供一个向下的驱动力F1。连杆23的另一端与钢丝绳-弹簧管传动机构3的钢丝绳32相连。在支架2上盖板和骨架机构的骨架4之间，弹簧管31成拉伸状态。这种状态一方面可以对其中的钢丝绳32的运动起到约束作用，使其不产生弯曲褶皱；另一方面在动铁芯21上施加了一个与支架2内部复位弹簧24相一致的复位力，为电磁铁1的快速复位提供了动力。正是因为复位弹簧24复位力的存在，才使得电磁铁1能在电流的控制下做双向的往复运动。
如图2中所示，两个力臂的长度分别为L1和L2，其中L2＝3L1。比例电磁铁1对动铁芯21产生的驱动力为F1，则对钢丝绳-弹簧管传动机构3产生的拉力F2＝1/3F1。比例电磁铁1对钢丝绳-弹簧管传动机构3的钢丝绳32的驱动行程扩大了3倍，达到了21mm，使该装置具有了足够大的位移量。
在力觉反馈装置中，为了对反馈力进行闭环控制，必须检测作用于用户的反馈力的大小。一些系统通过检测电机驱动电流来间接获得反馈力，而有一些系统在传动机构中的钢丝绳上安装力传感器来测量反馈力。本实用新型的装置采用在指套中安装力传感器的方法，直接检测力觉反馈装置施加在操作者指端的作用力。如图3所示，为指套8结构示意图，钢丝绳32经滑轮7的″V″型槽绕过，与环形指套8的上部动连接，环形指套8的正下部为硬质垫片81，硬质垫片81上表面设有压力传感器82，压力传感器82与手指10的指头相接触。因为本实用新型的力传感器是在作用点处直接对反馈力进行检测，所以检测结果更加准确。本装置采用的力传感器是美国Interlink Electronics公司生产的FSR。这种厚度为0.25mm的力传感器具有良好的柔韧性和力响应特性，其测力范围为0.098N-98N。
当本实用新型的装置为操作者提供力反馈时，在比例电磁铁1的驱动下，钢丝绳32牵引着指套8在操作者的指尖上产生反馈力，压力传感器82检测反馈力的大小，并把它作为力闭环控制器的反馈量，使作用在指尖的反馈力实时跟随所期望的反馈力。
本实用新型骨架式力觉反馈装置的控制采用了基于TI公司的DSP(TMS320LF2407 Digital Signal Processor)的嵌入式控制系统，系统结构如图4所示。其高速串行通讯口可以实现高达115200bps波特率的全双工通信，它实时从运行虚拟现实仿真程序的上位机接收控制指令，该指令即为骨架式力觉反馈装置闭环控制的给定量。高分辨率的A/D转换器实时采集骨架式力觉反馈装置施加在用户指端的作用力，并计算出当前的误差量。DSP内核具有的强大运算能力，它由当前的误差根据智能PID控制算法实时计算出当前的控制量，使系统迅速而准确地跟踪控制的大小，使操作者体验到真实的反馈力。
权利要求1.一种骨架式力觉反馈装置，用于虚拟现实系统的力觉反馈接口，其特征在于包括比例电磁铁执行元件，钢丝绳-弹簧管传动机构以及安装在手部的骨架机构三个部分，其中，比例电磁铁执行元件，包括比例电磁铁、支架，比例电磁铁的上平面与箱式支架的底平面固连；支架通过钢丝绳-弹簧管传动机构与骨架机构相连；以及基于DSP的嵌入式闭环控制系统。
2.如权利要求1所述的力觉反馈装置，其特征在于所述的箱式支架，其容室内设有连杆位移放大机构，连杆位移放大机构包括动铁芯、轴承、连杆、复位弹簧，其中，位于支架侧壁下部，轴承水平固设于两侧壁上，轴承上正交固连有连杆，轴承为连杆的旋转轴；由轴承的轴心线起算，在连杆的三分之一处垂设一动铁芯，动铁芯上端通过软线体与连杆相连，下端朝向比例电磁铁上方磁场；在连杆的远端头上方设有复位弹簧，复位弹簧下端与连杆上表面固接，上端与支架上盖板下表面固接，复位弹簧为拉伸弹簧，弹簧中心轴线相对的位置，在连杆与上盖板上都设有通孔。
3.如权利要求1所述的力觉反馈装置，其特征在于所述的钢丝绳-弹簧管传动机构，由弹簧管和钢丝绳组成，弹簧管套于钢丝绳的外周圆；弹簧管下端与上盖板上表面固连，上部与骨架机构固连；钢丝绳下端穿过上盖板上与连杆上的通孔，并穿过复位弹簧中心与连杆位移放大机构中的连杆动连接，另一端从弹簧管上口中伸出。
4.如权利要求1所述的力觉反馈装置，其特征在于所述的骨架机构，由骨架、调节螺母、紧固螺母、滑轮、指套和固定套组成，其中，骨架主体为口字型框体，框体两上角各有一扬起的支架，一支架上设有调节螺母，另一支架上设有滑轮；弹簧管上端穿过支架及支架上的调节螺母，由调节螺母的旋转来调节弹簧管的前后位置，并将弹簧管固定在骨架上；滑轮侧周圆上有一圈″V″型槽，从弹簧管上口中伸出的钢丝绳经由″V″型槽绕过滑轮，与滑轮动接触，其末端头与指套固接，指套与手指的指头相适配；骨架口字型框体底边为一弧形面，弧形面与手指相适配，弧形面上穿设有固定套，固定套上弧部中点连接有螺栓，螺栓穿过骨架口字型框体上边框后与紧固螺母连接。
5.如权利要求1所述的力觉反馈装置，其特征在于所述的指套为环形，环形指套的正下部为硬质垫片，硬质垫片上表面设有压力传感器，压力传感器与手指的指头相接触。
6.如权利要求1所述的力觉反馈装置，其特征在于所述的基于DSP的嵌入式闭环控制系统，它通过串行端口与指端力觉反馈装置电连接，指端力觉反馈装置的输出端电连接至内嵌的智能PID。
专利摘要本实用新型骨架式力觉反馈装置涉及计算机技术领域，应用于虚拟现实系统中的人机接触交互接口。该装置包括比例电磁铁执行元件，钢丝绳－弹簧管传动机构以及安装在手部的骨架机构三个部分，比例电磁铁作为执行元件，通过钢丝绳－弹簧管传动机构和骨架机构传递驱动力至手指的指头；以及基于DSP的嵌入式闭环控制系统。本实用新型通过控制电流使比例电磁铁产生出大小可控的驱动力，由钢丝绳－弹簧管结构的传动方式把力传递到指端，把反馈力作用在操作者的手指上。为了对反馈力进行精确控制，本实用新型采用了基于DSP的嵌入式控制系统，能够快速准确地跟踪虚拟环境的反馈力控制指令。本实用新型对手指的局部运动产生一定的约束，有效防止虚拟手指嵌入虚拟物体中。
文档编号G06F3/00GK2731548SQ20042006600
公开日2005年10月5日 申请日期2004年6月15日 优先权日2004年6月15日
发明者朱海兵, 原魁 申请人:中国科学院自动化研究所