一种多用途三自由度力反馈末端装置的制作方法

本发明属于虚拟技术领域，尤其涉及一种多用途三自由度力反馈末端装置。

背景技术：

力反馈是指在人机交互的过程中，操作设备、计算机对操作者指令做出响应，再通过力反馈设备作用于操作者的过程。作为虚拟现实系统中操作者和虚拟环境的交互接口，力反馈设备将操作者的行为(包括位置、加速度和角度等)通过传感器实时监测，把数据输入到计算机，然后将虚拟环境生成的力感反馈给操作者，使操作者获得真实的力感知，实现临场感。反馈设备末端负责获取操作者姿态，是力反馈设备的一个重要结构。目前，市面上的力反馈设备末端大多数是固定的结构，一般为圆柱型手持长杆，能够获取三个方向的角度信息；由于他们的末端结构固定，无法再和其他的交互设备连接，只能应用于固定的场景，无法开发更多的应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种适用场景广泛的多用途三自由度力反馈末端装置。

一种多用途三自由度力反馈末端装置，包括连接盖、十字连接件、第一连接件、第二连接件、数字陀螺仪、拓展配件，十字连接件具有两对安装端，两对安装端所在方向互相垂直，连接盖与十字连接件的一对安装端铰接，第一连接件上端与十字连接件的另一对安装端铰接，第一连接件下端和第二连接件上端转动式连接，数字陀螺仪安装于第二连接件内，拓展配件和第二连接件下端可拆卸式连接。

进一步的，十字连接件呈十字架形，十字连接件包括中心部、杆部，两对杆部分别对称设于中心部的两个互相垂直方向上；十字连接件的一对杆部通过轴承和连接盖上的轴承孔连接，十字连接件的另一对杆部通过轴承和第一连接件上端的轴承孔连接。

进一步的，第一连接件下端的轴承孔通过轴承和第二连接件上端的凸起连接。

进一步的，第一连接件包括底板和侧板，底板两端分别和两侧板下端连接，侧板对称设于底板两端；侧板上端开设有对称的轴承孔，底板下端开设有轴承孔。

进一步的，第二连接件上端设有凸起，第二连接件中部开设有凹槽以安装数字陀螺仪，第二连接件下端设有拓展安装部，拓展安装部呈圆筒状。

进一步的，连接盖包括左连接盖、右连接盖，左连接盖和右连接盖固定连接，右连接盖下端设有一对对称的延伸板，延伸板上开设有一对对称的轴承孔。

进一步的，所述拓展部件为力反馈数据手套、手术钳、扳手、注射器、方向盘、数据手套、微型电钻、手术刀、签字笔中的一种。

进一步的，数字陀螺仪与外部电脑采用有线连接或无线连接方式连接。

进一步的，无线连接方式为wifi连接、蓝牙连接或zigbee连接的一种，通过虚拟串口和外部电脑进行通讯。

进一步的，有线连接为先将数字陀螺仪与mcu电连接，再将mcu与外部电脑通过串口通讯。

本发明的有益效果：通过十字连接件的配合连接，使得本装置能够做绕z轴方向的转动、能够绕y轴方向转动，再通过第一连接件和第二连接件的转动式连接，使得本装置能够绕x轴方向转动，由于具有三个自由度，运动范围大，因此本装置能在多个应用场景和其他设备配合使用；并且，可更换的拓展配件，使得本发明具有更多地用途,具有简单、高效、多用途的特点；本发明中采用数字陀螺仪，相对于采用三个霍尔角度传感器的装置，使用时无需每次校准，因此简化了使用流程，且数字陀螺仪芯片体积小，减小了装置体积；本发明结构紧凑、质量轻，操作产生的惯性力小，有利于增大设备刚度。

附图说明

图1为本发明的爆炸图。

图2为本发明第一视角的立体结构示意图。

图3为本发明第二视角的立体结构示意图。

图4为第二连接件的结构示意图。

图5为数字陀螺仪采用无线连接方式的通讯示意图。

图6为数字陀螺仪采用有线连接方式的通讯示意图。

图7为装置绕y轴旋转角度范围。

图8为装置绕x轴旋转角度范围。

图9为拓展配件为扳手时的示意图。

图10为拓展配件为手术钳时的示意图。

图11为拓展配件为牙钻时的结构示意图。

图12为拓展配件为手持笔时的结构示意图。

其中，1、左连接盖；2、右连接盖；3、十字连接件；4、轴承；5、轴承孔；6、第一连接件；7、数字陀螺仪；8、第二连接件；9、拓展配件；10、轴承安装位；11、拓展安装部；12、传感器安装位。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

实施例一：

一种多用途三自由度力反馈末端装置，包括连接盖、十字连接件、第一连接件、第二连接件、数字陀螺仪、拓展配件。十字连接件具有两对安装端，两对安装端所在方向互相垂直，连接盖与十字连接件的一对安装端铰接，第一连接件上端与十字连接件的另一对安装端铰接，第一连接件下端和第二连接件上端转动式连接，数字陀螺仪安装于第二连接件内，拓展配件和第二连接件下端可拆卸式连接。

在本实施例中，十字连接件呈十字架形，十字连接件包括中心部、杆部，两对杆部分别对称设于中心部的两个互相垂直方向上；也即一对杆部对称设置于中心部的z轴方向，另一对杆部设置于中心部的y轴方向。两对杆部形成十字连接件的两队安装端。

在本实施例中，连接盖包括左连接盖、右连接盖，左连接盖和右连接盖固定连接，右连接盖下端设有一对对称的延伸板，延伸板上开设有一对对称的轴承孔。

在本实施例中，第一连接件包括底板和侧板，底板两端分别和两侧板下端连接，侧板对称设于底板两端；侧板上端开设有对称的轴承孔，底板下端开设有轴承孔。

十字连接件安装时，先将十字连接件z轴方向的一对杆部(z轴方向设置的杆部)通过轴承和连接盖上的轴承孔连接，从而将连接盖和十字连接件连接，进而装置可以进行绕z轴方向的转动运动；十字连接件的另一对杆部(x轴方向设置的杆部)通过轴承和第一连接件上端的轴承孔连接，从而将十字连接件和第一连接件连接，进而装置可以绕y轴方向转动。

在本实施例中，第二连接件上端设有凸起，凸起为轴承安装位，第二连接件中部开设有凹槽，凹槽内设有传感器安装位，凹槽用于安装数字陀螺仪，通过传感器安装位安装数字陀螺仪，第二连接件下端设有拓展安装部，拓展安装部呈圆筒状。数字陀螺仪可以获取多种数据，包括如下数据：三轴角度、三轴角加速度、三轴加速度、旋转矩阵、四元数、速度、磁场、海拔等。

安装第二连接件时，第一连接件下端的轴承孔通过轴承和第二连接件上端的轴承安装位连接。拓展配件安装于第二连接件下端，本实施例中通过拓展配件上端的外螺纹和拓展安装部内的内螺纹实现连接，采用螺纹连接也便于拆卸拓展配件。拓展配件和拓展安装部连接也可采用卡扣紧固连接等其他可拆卸连接方式。

在本实施例中，数字陀螺仪与外部电脑采用无线连接方式连接。

无线连接方式为wifi连接、蓝牙连接或zigbee连接的一种，通过虚拟串口和外部电脑进行通讯。蓝牙连接时，通过蓝牙适配器与外部电脑连接，直接通过虚拟串口向电脑发送数据，以及接收电脑发送的数据。wifi连接时，通过wifi模块将信号发送至外部电脑接收端，以及接收电脑发送的数据。zigbee连接时，将信号发送至电脑接收端，以及接收电脑发送的数据。

拓展部件可为力反馈数据手套、手术钳、扳手、注射器、方向盘、数据手套、微型电钻、手术刀、签字笔等。手术钳配件可以开发虚拟手术应用场景，力反馈数据手套可以开发虚拟抓取或者虚拟物体感知等应用场景。本发明可以用于开发多领域应用场景，如：虚拟手术、虚拟装配、虚拟训练、虚拟驾驶、遥操作等领域。当然，拓展配件也不限上述方法，只要能够拓展加工并安装到第二连接件的配件并能开发相应的虚拟应用场景，都适用于本发明。

如图7图8所示，其中，θ1为34°，θ2为78°，θ3、θ4均为26°，在本实施例中，第一连接件绕y轴旋转角度为(-145°～78°)，第一连接件绕x轴旋转角度为(-26°～206°)，第二连接件绕z轴旋转角度为(-180°～180°)。当然，第一连接件和第二连接件旋转角度范围不限制于上述范围，只要连接件的尺寸更改，旋转角度方位即能更改，只要是能绕三轴旋转均适用于本发明。

本发明提供的多用途三自由度力反馈末端装置，多用途性的设计使得本发明可替换的拓展配件满足多种应用场景的使用需求，无需更换末端装置，就可以使用原有末端开发新的应用场景，具有简单高效多用途的特点。利用两两互相垂直的十字结构，以及连接体自转，获得三个方向的旋转。结构紧凑、质量轻，操作产生的惯性力小，有利于增大设备刚度。

实施例二：

在本实施例中，数字陀螺仪与外部电脑采用有线连接方式连接，其他均与实施例一相同，对相同之处不再赘述。

有线连接为先将数字陀螺仪与mcu电连接，再将mcu与外部电脑通过串口通讯，微控单元mcu与电脑通过串口通讯。微控单元mcu也可以是arduino、51单片机或者stm32，陀螺仪传感器通过uart与微控单元mcu连接。当然，微控单元mcu不限于上述方法，只要能实现相同功能的微控单元均可适用于本发明。

在本实施例中，由于数字陀螺仪和外部电脑有线连接，在数字陀螺仪与微控单元mcu之间通过串口通讯或者i2c通讯，串口通讯时，数字陀螺仪的vcc、rx、tx、gnd分别连接微控单元mcu中的5v/3.3v、tx、rx、gnd；i2c通讯时，数字陀螺仪的vcc、scl、sda、gnd分别连接微控单元mcu中的5v/3.3v、scl、sda、gnd，其中scl、sda连接时需要通过一个4.7k的电阻上拉到vcc。微控单元mcu通过usb连接外部电脑，将数据传输给电脑，使力反馈设备能够获得三个自由度。

上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。