CN101069143A

CN101069143A - 带缆绳的触觉感知接口

Info

Publication number: CN101069143A
Application number: CN200580041457.6A
Authority: CN
Inventors: 阿兰·里万
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-11-07
Also published as: EP1820079A1; FR2878987A1; WO2006059039A1; FR2878987B1; US20080184836A1; JP2008521733A

Abstract

本发明涉及一种触觉感知接口，包括：基部(2)；与基部(2)隔开距离的平台(24)；至少两根缆绳(32)，每根缆绳都有固定于所述平台的第一端和连接至拉力致动器(36)的第二端，所述拉力致动器被设计为向缆绳(32)施加拉力。推力装置通过铰接部(50)安装在基部(2)上。推力装置包括推力杆(40)，所述推力杆具有和平台(24)接触的第一端和连接至推力致动器的第二端，所述推力致动器将推力杆(40)推向平台(24)。致动器(36，44)向平台施加力，其代表有关系统的信息。该平台(24)包括控制装置。

Description

带缆绳的触觉感知接口

背景技术

本发明涉及一种用于真实或虚拟系统的控制接口，该真实或虚拟系统用来提供信息反馈，例如，代表该系统所遇到的阻力信息(回程力)，或与该系统相关的其它信息。这种类型的接口被称为触觉感知接口。

更具体地，本发明涉及一种用于控制触觉感知系统的接口，包括：基部(底座)；与基部隔开距离的平台；至少两根缆绳(cable)，每根缆绳都具有固定至平台上的第一端和连接至拉力致动器(unactionneur tirant)的第二端，该拉力致动器设计为将拉力施加到绳上；通过铰接部安装到基部上的推力装置，该推力装置包括推动杆，该推力杆具有与平台接触的第一端和连接至推力致动器(unactionneur poussant)的第二端，该推力致动器将推力杆推向平台，致动器向平台施加力，其代表关于系统的信息。

已知平台位于两基部之间，并且这些平台通过缆绳而连接于基部。这些平台在以下方面是显著的，即，它们的简易性(这意味着它们的成本可以降低)以及它们的非常低的惯性和在缆绳上的低摩擦(这可以为它们提供高通带)。

然而，它们的可控制的工作空间(换句话说是，在其中任意力矢量可以施加在平台上的空间)被限制为是经过在两个基部上的缆绳连接点(附着点)的多面体空间。这直接导致在缆绳上必须具有严格的正向力。然后，将缆绳连接点分布到围绕平台的球体上，以使移动距离最优化，并且这没有为操作人员的手留下大的空间。

FR 93 13248也披露了一种包括活动件的触觉感知接口，该活动件构成了操作人员单手握住的手柄，并且在其上安装有用于控制系统的位移传感器，该系统具有一个或多个安装到活动件上并相对于该活动件可以自由移动的信息反馈部件。这样，操作人员在其手的一部分感知信息反馈。

这样的系统不使用斯图尔特(Stewart)平台原理。用于将信息反馈传输至平台的缆绳致动器不能用来控制系统。另一方面，使用一个独特的位移传感器。由于手柄的较小尺寸，所以平台的移动距离非常小。另外，平台电缆的致动器没有被安装到形成基部的固定件上，而是通过在外壳中滑动的缆绳而被安装到连接至手柄的偏远支撑件(支架)上。由于所涉及的力较小，结果导致无法接受的摩擦力。

US 4,666,362也披露了一种操作器，其包括基部和与该基部隔开距离的平台，该平台设计为用于连接安装工具或类似装置。电缆将基部连接至平台。中央杆阻止由安装在基部上的电动机在缆绳上所施加的拉力。

这样的装置不能构成触觉感知接口。它既不能用来控制系统也不能接收从该系统返回的信息。将要在该类型的应用中被传输的力高于在触觉感知接口中的力。因此，缆绳传输技术是不合适的。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点的活动接口。它必须能够增加传统类型缆绳平台的可控工作空间并且能够在不影响缆绳的情况下由工作人员对平台进行输入。它还必须能够进行简单生产以便可以以低成本制造。最后，它必须能够使旋转移动距离最佳化。

这些目的是通过平台包括控制装置的这一事实而实现的。

本发明的接口保留了简易和低惯性的优点，因此具有斯图尔特平台的较大通带。包括牵引缆绳的致动器和推动推力杆的致动器在内的致动器传输将要到达系统的控制信号以及从该系统反馈的信息两者。另外，由于推力杆的存在，可控制的工作空间延伸超过基部上缆绳连接点。

在一个优选的具体实施方式中，每一致动器包括传感器，该传感器能输出代表连接至传感器的缆绳长度的信号，而推力装置包括传感器，该传感器能输出代表与平台接触的推力杆的端部与它们在基部上的铰接部之间的距离的信号，所有这些信号用来控制该系统。

在一个特定的具体实施方式中，推力致动器由向缆绳施加拉力的拉力致动器和将缆绳拉力转化为推力杆上的推力的移动转换机构构成。

由于该特征，同样的技术可以应用于所有致动器，包括缆绳致动器和推力杆致动器。另外，缆绳致动器能确保传输系统的低成本和低惯性。

有利地，移动转换机构包括减力器(moufle)。

该减力器可以减小来自推力杆致动器的所需的力矩。

在一个具体实施方式中，移动转换机构被置于千斤顶中。

推力杆致动器可以安装在千斤顶上或者可以安装在基部上。

在一个特定的具体实施方式中，推力杆的致动器被置于推力装置的铰接部下方。

通过质量分配在铰接部每一侧上，这样的布置能够实现推力装置的静态平衡。

有利地，推力装置通过万向接头铰接在平台上。

优选地，推力杆设置有几乎与万向接头中心相交一点的纵轴。

还优选地，推力杆的端部与平台相接触并通过球窝接头铰接在该平台上。

平台被有利地构造成，使其中心与球窝接头的中心重合，以便操作人员手握位置位于球窝接头的中央。

该特征能够实现纯旋转运动，这种纯旋转运动使缆绳移动最小化并增大了工作空间。

根据本发明的接口可以具有6个自由度。在这种情况下，该接口包括6根缆绳，它们被有利地分成三对缆绳，这些缆绳成对地固定在平台上的三角架的端部。

附图说明

在阅读了参照附图给出的用于说明目的的具体实施方式的以下描述之后，本发明的其它特征和优点将变得显而易见：

图1是根据本发明的触觉感知接口的透视图；

图2是类似于图1的透视图，接口示于不同位置处。

图3至图6示出了推力装置的四个不同变形具体实施方式；

图7是在缆绳上包括弹簧的推力装置的具体实施方式的概括性截面图。

具体实施方式

图1和图2所示的触觉感知接口包括用一般符号2表示的基部。该基部由矩形框架构成，该框架包括两个长边4和两个短边6。标记8、10、12、14、16和18表示的水平臂被固定至矩形框架。这些臂中的每一个都被钻有形成缆绳导向的通孔22。也固定至长边4之一的臂20比其它六条臂都短，同时也向框架内部突出。在该臂上钻有形成缆绳导向的通孔23。

接口包括平台24。在所示出的具体实施例中，平台24为球形，但显然，该具体实施方式不是强制性的，其它的形状也将是可行的。杆26被固定至球体24上。两根缆绳32被固定至每根杆26的端部30上(出于简化的原因，图1和2仅示出了两根缆绳)。在杆的另一端，缆绳32通过位于臂8至18的端部上的通孔22而穿到内部并且缠绕在由电动机驱动的致动器36的滑轮上。每一致动器设置有由图1和2中的矩形38图解示出的传感器。对电动机进行定位，以便可以推导出缆绳的长度。

如在图3至图6以及图7中所看到的，球体24通过球窝接头42铰接在推力杆40的端部。另外，可以观察到，球窝接头42的中心和球体24的中心重合。因此，平台24的转动导致杆26的端部以及六根缆绳32中的每一根的最小位移。因此，对平台24进行操作的操作人员的手握处位于球窝接头42上平台铰接部的中央。

在其下端(即与承载球窝接头42的端部相对的端部)，刚性推力杆40被连接至推力致动器，其作用是用来平衡由6个拉力致动器36通过6根缆绳32中的每一根而施加到平台24上的拉力。

通常，具有n个自由度的斯图尔特平台包括n+1根缆绳。例如，具有6个自由度的平台包括7根缆绳。由于这些缆绳仅可以传输拉力，因此可控制工作空间(换句话说是其中在平台上可以产生任意力矢量的空间)被限制为是经过位于基部上的缆绳连接点的多面体的空间。通过用刚性推力杆40代替7根缆绳中的一根，在推力致动器的对面侧，可控制空间偏置到多面体外部。

推力致动器可以以多种不同方式制成。它可以为液压的或气动的千斤顶，或可以为滚珠螺杆。在示出的示例性具体实施方式中，它由拉力致动器44和移动转换机构构成。在图1和图2中，运动转换机构由通过万向接头铰接在基部2上的托架48构成。托架的下端围绕XX轴并相对于大U形的结构50而枢转，该结构本身被自由安装以在基部2的长边4之一上围绕YY轴枢转。XX和YY轴相互垂直并相交在臂20的缆绳导向孔23的中心。两个平行滑动杆52被自由安装，以便在托架48的上端滑动。两个滑动杆52在它们的下端设置有铰链销53，该铰链销的上面安装有滑轮54。这两个杆52在其上端通过横梁56连接在一起。缆绳58在其下端缠绕到致动器44的滑轮上(图1和图2中未显示)。缆绳58穿过臂20的缆绳导向23，然后到达安装在托架上部分上的第一滑轮60上，接着到达安装在铰链销53上的第二滑轮54上，该铰链销连接滑动杆52的两个下端。最后，缆绳58的一端被固定至托架48的上部分。这样造成的结果是，当缆绳被缠绕在致动器滑轮上并且推力杆40固定至远离基部2移动的横梁56上时，减力器通过致动器44将待施加至缆绳58下端的拉力减半。缆绳32同时延伸，致动器36中的每一个释放必要的缆绳长度。

图2示出了图1中的触觉感知接口的另一位置。在图2中，平台24从其在图1中的位置被移动。可以看出，U形支架50围绕其铰接轴YY枢转，并且托架48在支架50上也围绕其铰接轴XX枢转。另外，平台24围绕其由推力杆40具体化的旋转轴ZZ旋转(参见图3)。最后，两个导向杆52被向上移动。因此，将杆26的端部30连接至臂8、10、12、14、16和18的孔22的缆绳32的长度改变了。对于这些缆绳中的一些来说，例如图1和图2所示的两根缆绳32，这种变化导致长度的增加。对于其它缆绳来说，平台24的位置变化导致长度的减小。对于由推力杆40的中央致动器44驱动的缆绳58来说尤其为这种情况。

与周围致动器36的每一个以及中央致动器44相关的传感器38纪录缆绳的不同变化并且向计算机传输代表这些变化的数值，该计算机用来计算平台24的新位置。该新位置可以控制一个真实或虚拟的系统。反过来，致动器36和中央致动器44接收信息。该信息可以是系统遇到的力的反馈或者其它信息。该返回信息被致动器36利用，以便向缆绳32和58施加拉力，从而当操作人员的手放在平台24上时，操作人员可以感觉到代表所遇到的力的一种感觉。

这样，结果是制成了带缆绳的具有平行结构的触觉感知接口，其中，平台24既构成控制装置又构成用来返回信息的装置。由于缆绳传输机构的简易性，因此该接口具有低惯性，这赋予了该接口宽通带。另外，这种缆绳传输很适于待传输力较小的这类应用中。

图3至图6示出了移动转换装置和推力杆40的致动器44的安装的不同变形的具体实施方式。在图3中，移动转换装置仅由缆绳58的反向滑轮(poulie de renvoi)60构成，缆绳的端部65被固定至推力杆40的下部分67。推力杆40的上端部69被固定至球窝接头上，该球窝接头上铰接有平台24。如上所述，平台24被构造成使得，操作人员手握处的中心与球窝接头42的中心重合，这样，如果平台相对于球窝接头42旋转，则该接口使缆绳的位移最小化。

反向滑轮60被安装在构成缆绳千斤顶的汽缸70的内壁上。推力杆40在千斤顶70的接触表面72上滑动。推力杆的致动器44被安装在千斤顶的下部分。千斤顶的下端通过图解示出的万向接头74铰接在基部2上。该万向接头可以类似于图1和图2中所描述的来制造。

在该具体实施方式中，移动转换装置不包含减力器。因此，致动器44必须在没有缩减系数的情况下，足够强有力地使得由6个其它拉力致动器36中的每一个向缆绳32所施加的拉力平衡。

图4示出了移动转换装置的变形具体实施方式。它们包括安装在汽缸70的内壁上的第一滑轮60和安装在垂至于推力杆40的下端67的链接销上的第二滑轮54。缆绳58的端部77被固定在千斤顶70的上壁上。致动器44被完全置于汽缸70的内部。另外，千斤顶70的下端通过图解示出的万向接头74以与图3中具体实施方式相同的方式铰接在基部2上。

在该具体实施方式中(其与参照图1和图2描述的具体实施方式功能上相同)，移动转换装置包括减力器，该减力器通过将力除以系数2来降低缆绳68上所需的拉力。这样，致动器44的功率可以被减半。另一方面，对于推力杆40相同平移位移，致动器44必须卷起或展开双倍的缆绳长度。

图5中示出了移动转换装置的第三种变形具体实施方式。它们包括安装在千斤顶70上的大直径滑轮80。两个滑轮60被固定到汽缸70的内壁上。第四个滑轮54被安装到推力杆40的下端67上。拉力致动器44的缆绳58被连接至大直径滑轮80的旋转轴上。另外，该机构包括相继通过滑轮80、60和54的第二封闭缆绳82。在该具体实施方式中，致动器44被安装到千斤顶70的下端部上，但它位于万向接头74的下方，千斤顶70通过该万向接头铰接在基部2上。因此，致动器44实现了推力装置的静态平衡。在该具体实施方式中，质量被更好地平衡在由万向接头74构成的铰接轴的每一侧上，致动器44的质量部分地平衡了推力装置其余部分的质量。

图6示出了推力装置的第四变形具体实施方式。在该变形中，致动器44被安装到基部2上，而不是像前面的具体实施方式一样被固定至千斤顶70的下部分上。致动器44的缆绳58穿过固定至汽缸70的下壁上的滑轮60和安装在垂直于推力杆40的下端67的旋转轴上的滑轮54。这样造成的结果是形成了一个与图4和图5中具体实施方式所用的减力器相当的减力器，它能够使待施加到缆绳58上的拉力减半。缆绳58的下部分还被引导到固定于千斤顶内壁上的导轮86上，并且通过位于千斤顶下端的两个反向滑轮88被差不多引导到万向接头74处。千斤顶70的下壁被开口以便缆绳可以通过。

最后，图7示出了图3中推力装置的变形具体实施方式。除了具有安装在拉力致动器36的缆绳32周围的压缩弹簧92之外，该变形与图3中的推力装置在所有方面都相同。每个螺旋形弹簧92被限制在固定于基部2的下推力面94与固定于平台24的上推力面96之间。弹簧92的存在使得施加在缆绳32上的拉力平衡，由此减小作用于中央致动器44的力。它还有助于使中央静止位置(position derepos centrale)具体化。

Claims

1.一种用于对系统进行控制的触觉感知接口，所述接口包括：基部(2)；与所述基部(2)隔开距离的平台(24)；至少两根缆绳(32)，每根所述缆绳都有固定于所述平台(24)的第一端以及连接至拉力致动器(36)的第二端，所述拉力致动器被设计为用于向所述缆绳(32)施加拉力；推力装置，其通过铰接部(50，74)安装在所述基部(2)上，所述推力装置包括推力杆(40)，所述推力杆具有与所述平台(24)接触的第一端(42)和连接至推力致动器的第二端(67)，所述推力致动器将所述推力杆(40)推向所述平台(24)，所述致动器(36，44)分别向所述平台(24)施加力，其代表有关所述系统的信息，其特征在于，所述平台(24)包括控制装置。

2.根据权利要求1所述的接口，其特征在于，每个致动器(36，44)包括传感器(38)，所述传感器(38)能够输出代表连接至所述传感器的所述缆绳(32，58)的长度的信号，而所述推力装置包括传感器(38)，所述传感器(38)能够输出代表与所述平台(24)接触的所述推力杆(40)的端部与它们的在所述基部(2)上的铰接部(50，74)之间的距离的信号，所有这些信号都用来控制所述系统。

3.根据权利要求1或2所述的接口，其特征在于，所述推力致动器由向所述缆绳(58)施加拉力的所述拉力致动器(44)以及将所述缆绳(58)的拉力转换为作用在所述推力杆(40)上的推力的运动转换机构(54，60)构成。

4.根据权利要求3所述的接口，其特征在于，所述运动转换机构包括减力器(54，60)。

5.根据权利要求3或4所述的接口，其特征在于，所述运动转换机构被置于千斤顶(70)中。

6.根据权利要求5所述的接口，其特征在于，所述推力杆(40)的所述致动器(44)被安装在所述千斤顶(70)上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的接口，其特征在于，所述推力杆(40)的所述致动器(44)被安装在所述基部(2)上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的接口，其特征在于，所述推力杆(40)的所述致动器(44)被置于所述基部(2)上的所述推力装置的所述铰接部(74)的下方。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的接口，其特征在于，所述推力装置通过万向接头铰接在所述平台上。

10.根据权利要求9所述的接口，其特征在于，所述推力杆(40)设置有几乎与所述万向接头的中心(23)相交一点的纵轴(ZZ)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的接口，其特征在于，与所述平台接触的所述推力杆(40)的端部通过球窝接头(42)与所述平台铰接。

12.根据权利要求11所述的接口，其特征在于，所述平台(24)被构造成，使得其中心与所述球窝接头的中心重合，从而操作人员手握处位于所述球窝接头(42)的中央。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的接口，其特征在于，所述接口包括6根缆绳，这些缆绳有利地被分配成三对缆绳(32)，这些缆绳成对地固定在所述平台(24)上的三角架的端部(30)。