一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，包括手柄(2)、盤式阻尼器(3)和兩個(gè)線性阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)與手柄(2)同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄(2)轉(zhuǎn)動連接，另一端與一固定物轉(zhuǎn)動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)控制，盤式阻尼器(3)對手柄(2)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動施加旋轉(zhuǎn)阻力，線性阻尼器對手柄(2)的平移運(yùn)動施加線性阻力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有運(yùn)動范圍大、運(yùn)動靈活、易于控制、結(jié)構(gòu)靈活、重量輕、易于安裝和更換等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于觸覺反饋的操作機(jī)構(gòu)，尤其是涉及一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的、三維的、具有一定視覺、聽覺、力覺觸覺和嗅覺等感知能力的虛擬環(huán)境，用戶可通過各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。按照感覺通道的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為虛擬可視化技術(shù)、力覺觸覺反饋技術(shù)、計(jì)算機(jī)嗅覺技術(shù)等。近些年來，虛擬可視化技術(shù)發(fā)展較為迅速，同時(shí)隨著力覺觸覺反饋設(shè)備的發(fā)展，力覺觸覺反饋技術(shù)受到關(guān)注的程度也不斷提高。力覺觸覺反饋技術(shù)可以增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和交互的沉浸效果，在遙操作、外科手術(shù)訓(xùn)練、娛樂等領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，在制造業(yè)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)的的計(jì)算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)模擬環(huán)境和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真。使用戶融入到該環(huán)境中，能有觸覺、力覺等感知，甚至還包括嗅覺和味覺。到目前為止，觸覺系統(tǒng)相對視覺和聽覺反饋的研究較少。器件大部分是通過馬達(dá)產(chǎn)生與虛擬環(huán)境成比例的力或力矩。但他們過于笨重，成本高，現(xiàn)實(shí)模擬感覺差。利用磁流變液在磁場下可變粘度，剪切力大的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)靈活、運(yùn)動范圍大、運(yùn)動靈活的用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]—種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，包括手柄、盤式阻尼器和兩個(gè)線性阻尼器，所述的盤式阻尼器和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器與手柄同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄轉(zhuǎn)動連接，另一端與一固定物轉(zhuǎn)動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)控制，盤式阻尼器對手柄的自轉(zhuǎn)運(yùn)動施加旋轉(zhuǎn)阻力，線性阻尼器對手柄的平移運(yùn)動施加線性阻力，旋轉(zhuǎn)阻力和線性阻力的合力作用于手柄，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所設(shè)定的預(yù)期阻力。
[0007]所述的線性阻尼器包括外殼、沿所述外殼的內(nèi)壁做線性運(yùn)動的活塞以及設(shè)置在外殼中的線圈和磁流變液，活塞桿與手柄轉(zhuǎn)動連接，所述的線圈環(huán)繞在活塞外周，線圈中的電流大小受計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)線圈中電流變化時(shí)，磁流變液產(chǎn)生的阻尼變化，使活塞桿運(yùn)動受到的阻力變化，由于活塞桿與手柄轉(zhuǎn)動連接，該阻力直接傳遞到手柄，對手柄的平移運(yùn)動產(chǎn)生阻力。
[0008]所述的外殼上設(shè)有柱銷孔，用于與固定物轉(zhuǎn)動連接，使用時(shí)，將線性阻尼器一端通過柱銷固定在水平臺面上，使線性阻尼器可繞柱銷轉(zhuǎn)動。
[0009]所述的手柄末端套設(shè)支撐軸，所述的活塞桿一端帶有套筒或套環(huán)，所述的套筒或套環(huán)套在支撐軸上，構(gòu)成間隙配合。
[0010]所述的支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經(jīng)表面精磨處理的螺母，螺母與外界支撐物例如水平臺面之間的摩擦系數(shù)低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0011]所述的盤式阻尼器包括外罩以及設(shè)置在外罩中的線圈、磁流變液和轉(zhuǎn)盤，所述的線圈環(huán)繞在轉(zhuǎn)盤外周，所述的手柄與轉(zhuǎn)盤過盈配合，所述的手柄與外罩間隙配合。
[0012]所述的兩個(gè)線性阻尼器初始位置呈90度夾角，利于操作機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定放置。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](I)通過將盤式阻尼器與兩個(gè)線性阻尼器結(jié)合使用，使操作機(jī)構(gòu)具有三自由度，包括橫向自由度、縱向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，使操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動范圍大，運(yùn)動靈活。
[0015](2)阻尼器為磁流變阻尼器，線圈電流大小和磁場強(qiáng)度受計(jì)算機(jī)控制，磁流變液在磁場下可變粘度和剪切力大、易于控制、結(jié)構(gòu)靈活、重量輕、易于安裝和更換。
[0016](3)線性阻尼器的活塞桿與手柄轉(zhuǎn)動連接，活塞桿受到的阻力直接傳遞到手柄，對手柄的平移運(yùn)動產(chǎn)生阻力，減小線性阻尼器對手柄的自轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響。
[0017](4)線性阻尼器的外殼上設(shè)有柱銷孔，用于與固定物轉(zhuǎn)動連接，使線性阻尼器可跟隨手柄的平移而轉(zhuǎn)動，增大操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動范圍。
[0018](5)手柄末端套設(shè)支撐軸，活塞桿一端的套筒或套環(huán)套在支撐軸上，構(gòu)成間隙配合，轉(zhuǎn)動連接的部件均可更換，延長操作機(jī)構(gòu)使用壽命。
[0019](6)支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經(jīng)表面精磨處理的螺母，螺母與外界支撐物之間的摩擦系數(shù)低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0020](7)手柄與盤式阻尼器的轉(zhuǎn)盤過盈配合，與盤式阻尼器的外罩間隙配合，使盤式阻尼器中轉(zhuǎn)盤受到的阻力直接傳遞到手柄，減小外罩與手柄之間的摩擦，提高計(jì)算機(jī)電流控制的精度。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)施例三自由度操作機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本實(shí)施例三自由度操作機(jī)構(gòu)的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0024]圖4為本實(shí)施例三自由度操作機(jī)構(gòu)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為本實(shí)施例盤式阻尼器剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6為本實(shí)施例線性阻尼器剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖7為本實(shí)施柱銷結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028]圖8為本實(shí)施支撐軸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖9為圖8的A-A剖視圖；
[0030]圖10為本實(shí)施例中手柄的運(yùn)動范圍示意圖；
[0031]圖11為本實(shí)施例觸覺反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]附圖標(biāo)記:
[0033]I為第一線性阻尼器;2為手柄;21為支撐軸;22為螺母;3為盤式阻尼器;31為外罩；32為線圈；33為轉(zhuǎn)盤;4為第二線性阻尼器;5為外殼;6為活塞桿;7為線圈；8為柱銷孔;81為柱銷;9為角叉;10為計(jì)算機(jī);11為數(shù)據(jù)采集板;12為放大器;13為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例
[0036]如圖1?圖4所示，一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，包括手柄2、盤式阻尼器3、第一線性阻尼器I和第二線性阻尼器4，第一線性阻尼器1、盤式阻尼器3和第二線性阻尼器4均為磁流變阻尼器。
[0037]如圖5所示，盤式阻尼器3包括外罩31以及設(shè)置在外罩31中的線圈32、磁流變液和轉(zhuǎn)盤33，線圈32環(huán)繞在轉(zhuǎn)盤33外周，手柄2與轉(zhuǎn)盤33過盈配合，手柄2與外罩31間隙配合。
[0038]如圖6所示，第一線性阻尼器I和第二線性阻尼器4結(jié)構(gòu)大致相同，均包括外殼5、沿外殼5的內(nèi)壁做線性運(yùn)動的活塞以及設(shè)置在外殼5中的線圈7和磁流變液，活塞的活塞桿6與手柄2轉(zhuǎn)動連接，線圈7環(huán)繞在活塞外周，線圈7中的電流大小受計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)線圈7中電流變化時(shí)，磁流變液產(chǎn)生的阻尼變化，使活塞桿6運(yùn)動受到的阻力變化。外殼5—頭為端蓋，另一頭的端面設(shè)有柱銷孔8，用于與固定物轉(zhuǎn)動連接，使用時(shí)，水平臺面上的柱銷81與柱銷孔8組成旋轉(zhuǎn)副，使線性阻尼器可以繞柱銷旋轉(zhuǎn)，柱銷形狀如圖7所示。
[0039]如圖1、圖2所示，手柄2末端套設(shè)支撐軸21，如圖8、圖9所示，支撐軸21—端帶有環(huán)形面20，環(huán)形面20起到支撐盤式阻尼器3的作用，支撐軸21另一端帶有螺紋，螺紋用于連接經(jīng)表面精磨處理的螺母22，使用時(shí)，支撐軸21豎直立于水平臺面，支撐軸21底部的螺母22與水平臺面接觸，由于螺母22與水平臺面之間的摩擦系數(shù)低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0040]如圖1、圖3和圖6所示，第一線性阻尼器I的活塞桿6末端帶有角叉9，角叉9末端為套環(huán)，套環(huán)套在支撐軸21上，形成轉(zhuǎn)動連接。
[0041]與第一線性阻尼器I不同的是，第二線性阻尼器4的活塞桿6末端帶有套筒，套筒套設(shè)在支撐軸21上，形成轉(zhuǎn)動連接，兩個(gè)套環(huán)分設(shè)于套筒兩端，使兩個(gè)線性阻尼器的轉(zhuǎn)動互不影響。
[0042]如圖11所示，觸覺反饋系統(tǒng)為電控系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)10、數(shù)據(jù)采集板11、放大器12和三自由度操作機(jī)構(gòu)，三自由度操作機(jī)構(gòu)即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)13，執(zhí)行機(jī)構(gòu)13上固定一個(gè)位移傳感器以獲取操作機(jī)構(gòu)的位置。
[0043]電控系統(tǒng)工作原理:
[0044]計(jì)算機(jī)10根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，生成控制信號，傳輸給數(shù)據(jù)采集板11，由于控制信號的電流較小，增設(shè)放大器12按一定比例放大電流生成驅(qū)動電流，驅(qū)動電流傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)13的線圈中，從而產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。
[0045]執(zhí)行機(jī)構(gòu)13的手柄末端裝有位置傳感器，檢測手柄末端的位置，通過電路將位置信號傳遞給計(jì)算機(jī)10。
[0046]操作手柄2時(shí)，手柄2可同時(shí)做自轉(zhuǎn)運(yùn)動和橫移運(yùn)動，橫移運(yùn)動帶動線性阻尼器做線性運(yùn)動，纏繞在活塞桿6上的線圈7通入電控系統(tǒng)的電流，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的磁場，磁流變液流經(jīng)活塞桿6與外殼5之間的間隙時(shí)，由于在不同磁場強(qiáng)度下磁流變液阻尼不同，生成阻尼力。手柄2的運(yùn)動范圍如圖10所示，圖中虛線為手柄2的初始位置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括手柄(2)、盤式阻尼器(3)和兩個(gè)線性阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)與手柄(2)同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄(2)轉(zhuǎn)動連接，另一端與一固定物轉(zhuǎn)動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)控制，盤式阻尼器(3)對手柄(2)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動施加旋轉(zhuǎn)阻力，線性阻尼器對手柄(2)的平移運(yùn)動施加線性阻力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的線性阻尼器包括外殼、沿所述外殼的內(nèi)壁做線性運(yùn)動的活塞以及設(shè)置在外殼中的線圈和磁流變液，活塞桿與手柄(2)轉(zhuǎn)動連接，所述的線圈環(huán)繞在活塞外周，線圈中的電流大小受計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)線圈中電流變化時(shí)，磁流變液產(chǎn)生的阻尼變化，使活塞桿運(yùn)動受到的阻力變化。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的外殼上設(shè)有柱銷孔，用于與固定物轉(zhuǎn)動連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的手柄(2)末端套設(shè)支撐軸，所述的線性阻尼器一端帶有套筒或套環(huán)，所述的套筒或套環(huán)套在支撐軸上。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經(jīng)表面精磨處理的螺母。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的盤式阻尼器(3)包括外罩以及設(shè)置在外罩中的線圈、磁流變液和轉(zhuǎn)盤，所述的線圈環(huán)繞在轉(zhuǎn)盤外周，所述的手柄(2)與轉(zhuǎn)盤過盈配合，所述的手柄(2)與外罩間隙配合。
【文檔編號】G06F3/01GK106020463SQ201610323966
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】劉文濤, 羅平, 羅一平, 任洪娟, 楊斌, 陸雯, 陶超, 張東劍, 武明恩, 王振
【申請人】上海工程技術(shù)大學(xué)