CN101446865B - 手柄六自由度信息输入装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及手柄六自由度信息输入装置。现有装置结构复杂、造价高、功能单一、不便使用。本发明中筒形的把手限位装置固定在底座的顶面，把手限位装置筒内的螺旋弹簧的一端与底座的顶面固定连接，另一端与圆桶形的把手的内侧顶面固定连接，把手套置在把手限位装置外。螺旋弹簧上分布有多个电阻应变片组，每个电阻应变片组包括设置在螺旋弹簧同一螺旋圆周之内的三个电阻应变片对，每组中对应的电阻应变片对在螺旋圆周上的位置相同。本发明利用各测量点应变大小、方向和作用在弹簧顶端的外力之间的关系，获得弹簧顶端的外部作用力的大小、方向等物理特性，获得把手移动数据。整个装置结构简单、成本低廉、使用方便，且有较高的可靠性和稳定性。

Description

手柄六自由度信息输入装置

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种计算机人机交互输入装置，可以作为计算机的输入装置，应用于计算机控制、计算机动画、计算机虚拟现实、计算机辅助设计等领域。

背景技术

现有技术的计算机用鼠标或者游戏操纵杆，通过机械或者光学原理将操作者在工作台上移动鼠标或游戏操纵杆的位移量转换成x-y平面位移信号，传递给计算机，以驱动光标的移动，实现二维相对位移量的输入。但是对三维位移和转角量则必须通过应用软件的专门设置，并经过一系列交互操作将二维相对位移量转化为三位量，从而实现复杂的运动参数输入。现有技术的计算机用三维鼠标，通过鼠标上的信号发射器和固定在计算机周围空间位置的信号接收器构成三维位置传感系统，向计算机输入鼠标的三维位置信息，但对三维的转角量则必须通过专门的软件经过一系列人机交互操作来实现交互输入。现有技术的鼠标的使用必须具有位置恢复动作，需要在保持计算机屏幕上光标不动的情况下移动鼠标，即操作者必须将鼠标抬起的情况下移动鼠标。现有技术的计算机用三维鼠标，由于存在结构复杂、造价昂贵、功能单一、不便使用等缺点，造成这类鼠标不能普及使用。无论是计算机鼠标或者游戏操纵杆还是三维鼠标均不能实现诸如力和力矩等力学信号的输入，这就严重制约了三维类软件(计算机动画、CAD，游戏等)的人机交互操作与控制。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种手柄六自由度信息输入装置，实现沿三坐标轴移动和绕三坐标轴转动的六自由度位移量的输入以及沿三坐标轴方向的作用力和绕三坐标轴转动的作用力矩等力学量的输入。

本发明包括把手、螺旋弹簧、把手限位装置、应变信号采集装置和底座。底座为盘形结构，筒形的把手限位装置固定设置在底座的顶面。设置在把手限位装置筒内的螺旋弹簧的一端与底座的顶面固定连接，另一端与圆桶形的把手的内侧顶面固定连接。把手套置在把手限位装置外，把手的内侧壁与把手限位装置的外侧壁具有间隙，把手可以在该间隙范围内活动；把手限位装置的顶部高于把手的底部，保证把手不能移出把手限位装置外。螺旋弹簧上分布有两个电阻应变片组，每个电阻应变片组包括三个电阻应变片对，每个电阻应变片对包括对应设置的两个电阻应变片。每个电阻应变片组的三个电阻应变片对设置在螺旋弹簧同一螺旋圆周之内，并且两个电阻应变片组中对应的三个电阻应变片对在螺旋圆周上的位置相同，两个电阻应变片组间隔三个螺旋圆周。

所述的螺旋弹簧的簧丝截面为矩形；每个电阻应变片对中的两个电阻应变片中的一片为双轴应变片，粘贴于弹簧簧丝的下表面上，并且其敏感栅与簧丝轴线成±45°方向；另一片为单轴应变片，粘贴在弹簧簧丝的内侧面上，并且其敏感栅与簧丝轴线平行。一个电阻应变片组中的三个电阻应变片对在弹簧圆周平面上投影的夹角分别为135°、135°和90°。

所述的每个电阻应变片均通过信号线与设置在底座内的应变信号采集装置相连。

本发明实现将人手施加于该装置上的力、力矩和位移、转角等物理量同时输入给计算机的功能，与背景技术相比，具有的有益效果是：

(1)本发明装置具有六自由度输入和控制能力并且具有两种工作状态，即位移与转角量输入状态和力与力矩量输入状态，这两种状态可以独立工作也可以混合工作，均可以根据所驱动的软件的需要加以设定和切换。

(2)由于鼠标的位移量是一个相对运动量，可以通过软件设置，使得当把手到达运动限位边界位置时，其输出的位移和力的大小与作用力的施加时间相关，即位移和力的大小与施加时间成正比，从而达到对输入量的大小控制。

(3)通过在把手上设置开关按钮，使得当操作者释放把手时该装置可以设置成没有信号输出，即在弹簧不被施加力而通过自身弹力恢复到原始位置的过程中没有信号输出，从而避免了现有技术的鼠标的位置恢复动作，即不需要在计算机屏幕上光标不动的情况下由操作者手工移动鼠标，从而减少操作者对鼠标的操作动作。

(4)由于作用原理与现有技术鼠标不同，对大位移量的输入也无须做大的移动，在实现同样功能情况下对输入装置的操作动作数量也比现有技术的鼠标减少，因此使用该装置可以大大降低操作者手部的疲劳强度。

(5)本发明装置整个系统结构简单，制造成本低廉，使用方便，且有较高的可靠性和稳定性。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2为图1中应变片对粘贴位置示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为电阻应变片对中应变片编号方法示意图；

图5图4的A向放大图，应变片对中双轴应变片的粘贴位置示意图；

图6弹簧受轴向力和扭矩作用时的受力分析示意图；

图7弹簧受径向力时的受力分析示意图；

图8弹簧受弯矩时的受力分析示意图。

图中：1.把手，2.螺旋弹簧，3.应变片对，4.把手限位装置，5.应变信号采集装置，6.底座，7.计算机。

具体实施方式

如图1所示，手柄六自由度信息输入装置包括把手1、螺旋弹簧2、把手限位装置4、应变信号采集装置5和底座6。底座6为盘形结构，筒形4的把手限位装置固定设置在底座6的顶面。设置在把手限位装置4筒内的螺旋弹簧2的一端与底座6的顶面固定连接，另一端与圆桶形的把手1的内侧顶面固定连接。把手1套置在把手限位装置4外，把手1的内侧壁与把手限位装置4的外侧壁具有间隙，把手1可以在该间隙范围内活动；把手限位装置4的顶部高于把手1的底部，保证把手1不能移出把手限位装置4外。螺旋弹簧2采用矩形截面圆柱螺旋拉伸-压缩弹簧2，弹簧的绕线比C≥5，弹簧材料采用牌号为QSn6.5的锡青铜，应变信号采集装置5，可以采用14位的A/D转换芯片。

如图2所示，螺旋弹簧上分布有两个电阻应变片组，每个电阻应变片组包括三个电阻应变片对3，每个电阻应变片对3包括对应设置的两个电阻应变片。每个电阻应变片组的三个电阻应变片对3设置在螺旋弹簧同一螺旋圆周之内，并且两个电阻应变片组中对应的三个电阻应变片对3在螺旋圆周上的位置相同，两个电阻应变片组间隔三个螺旋圆周。电阻应变片对3采用箔式应变片。每个电阻应变片均通过信号线与设置在底座内的应变信号采集装置5相连。

如图3所示，一个电阻应变片组中的三个电阻应变片对在弹簧圆周平面上投影的夹角分别为135°、135°和90°

如图4和5所示，螺旋弹簧3的簧丝截面为矩形；每个电阻应变片对中的两个电阻应变片中的一片为双轴应变片，粘贴于弹簧簧丝的下表面上，并且其敏感栅与簧丝轴线成±45°方向；另一片为单轴应变片，粘贴在弹簧簧丝的内侧面上，并且其敏感栅与簧丝轴线平行。

操作者通过把手施加力和位移等物理量，实现将人手施加于该装置上的力、力矩和位移、转角等物理量同时输入给计算机7。通过布置在螺旋弹簧钢丝上的电阻应变片，利用数据采集模块测得弹簧各测量部位的应变值，建立各测量点应变大小、方向和作用在螺旋弹簧顶端的外力之间的关系，获得螺旋弹簧顶端的外部作用力的大小、方向等物理特性，将其转化成力、力矩和位移参数，作为计算机的输入数据。

在检测前，首先确定电阻应变片的应变信号与螺旋弹簧的簧丝截面所受力的比例系数k，可以采用有限元分析或实测标定的方法实现。将应变片贴于被测位置，被测点的应变片的电阻值变化信号由电阻应变检测阵列实时感知，由此可以获得弹簧表面多个离散点的应变数值。多个检测横截面上的电阻应变片电阻值变化信号经过信号采集装置将其转换成数字信号，并实时传输给计算机。计算机内设有将实时检测的应变信号转化为弹簧变形形状参数的识别软件。计算机识别软件根据实时采集的弹簧各检测点的应变数值，进行数学处理后计算出弹簧的变形情况，计算弹簧顶端的位移和弹簧的弯曲和扭转量。通过建立弹簧变形与螺旋弹簧所受外力的类型、大小和作用方向之间的关系，判断弹簧顶端所受外力的类型与作用方向。计算机将识别软件得到的螺旋弹簧位移和受力参数数据作为六自由度物理量输入装置系统的参数输出。计算机根据输入装置的工作状态、计算得到的螺旋弹簧受力的种类与受力方向、受力的变化情况、作用时间等数据，实时输出弹簧受力和力矩的大小和作用方向数值，或者输出位移、转角的大小和方向数值。具体实施过程如下：

1.电阻应变片的粘贴方案

电阻应变片的粘贴位置见图2、图3、图4和图5。为了便于叙述，将各测量部位的应变片进行编号，以E_ij表示。其中下标i＝1、2、3为第一组的三个应变片对，下标i＝4、5、6为第二组的三个应变片对；下标j为应变片对中应变片的编号，j＝1代表贴在下表面的电阻应变片，j＝2代表贴在内侧面上的电阻应变片。图4为第1个应变片对中两个电阻应变片的粘贴位置、粘贴方式和编号方式。

图5为图4的A向放大图，表示第1个应变片对中45度双轴电阻应变片的粘贴方式。编号为E₁₁、E₂₁、E₃₁、E₄₁、E₅₁、E₆₁的6个应变片均采用45度双轴电阻应变片，这6个应变片全部贴在簧丝下表面，且其两个敏感栅分别与簧丝轴线成正45°方向和负45°方向。其余应变片采用单轴应变片，这些应变片的敏感栅均贴成与簧丝轴线方向平行。

根据电测应变原理，采用45度双轴电阻应变片可以用来直接测量扭矩，因为这种应变片可以屏蔽掉拉伸或压缩产生的应变，而只响应切应变。

2.建立弹簧受力与变形的关系

设M_b为弹簧被测截面上所受的沿簧丝中心线的切线方向的弯矩；M_n为弹簧被测截面上所受的沿簧丝中心线的法线方向的弯矩；T_t为弹簧被测截面上所受的扭矩。

由于6个E_i2应变片贴在弹簧中性层位置，所以这6个应变片E_i2不受弯矩Mn的影响或者影响很小。虽然在弹簧横截面上的正压力和剪切力也对应变片E_i1、E_i2的应变产生影响，但根据弹簧的特殊结构、本发明的应用环境以及应变片的粘贴方位，弹簧横截面上的正压力和剪切力对这12片应变片的应变值变化的影响很小。因此，弹簧簧丝各检测部位的应变可以近似地认为只受簧丝横截面上的扭矩T_t和弯矩M_b的影响。根据以上分析，建立各弹簧检测横截面上应变与弹簧簧丝横截面受力关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{i1}=\frac{k{T}_t}{\mathrm{Gah}{b}^2}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{i2}=\frac{M_b(0.5h+z_0)}{\mathrm{SR}}---\left(2\right)$

上列2个式子中，公式中各系数的意义如下：

系数	意义	说明或计算公式
			G	弹簧材料的剪切模量	40Gpa
a	与比值h/b有关的比例系数	矩形截面杆扭转时的系数
			Z<sub>0</sub>	弹簧横截面形心到中性轴的距离	Z<sub>0</sub>＝h<sup>2</sup>/12R
h	弹簧簧丝截面的高度
			b	弹簧簧丝截面的宽度
R	弹簧中径
			S	被测位置弹簧截面到曲率中心的静	S＝矩形截面面积×Z<sub>0</sub>
k	扭转修正系数	采用有限元法或者实测方法标定

系数k为应力公式的修正系数，弹簧簧丝属于螺旋曲梁，精确计算螺旋曲梁的弯曲和扭转应变十分复杂，但由于本发明的计算只关心弹簧所受应力的方向和变化趋势，而不需要精确计算其具体结果，所以在计算模型中将弹簧簧丝做一些简化，即将连续的螺旋曲梁的弹簧簧丝进行离散简化，用一系列等截面直梁段首尾相连形成螺旋来代替，因此公式(1)需用修正系数k加以修正。经过试验表明，在本发明的弹簧所受的变形范围内，公式计算结果和实际测得的应变值之间的确呈现性关系。

以上2个公式中，下标i值分别为1、2、3、4、5、6，即以上2个公式分别代表6个检测横截面上12个应变片所在位置的应变值，故以上2个公式实际表示12个公式。这12个公式建立了6组应变片对所在的检测横截面上12个位置的应变值∈_ij和弹簧顶端受力参数之间的关系。

3.弹簧任意横截面上的受力公式。

为了推导弹簧任意截面上受到的弯矩和扭矩M_b、M_n、T_t的计算公式，必须建立坐标系。取过弹簧轴线的任意平面V所截取的上半部分弹簧为研究对象，如图6所示。在平面V与簧丝中心线的交点o处建立坐标系(o，t，n，b)，t为簧丝中心线在o点处的切线，n为簧丝中心线在o点处的法线，b为簧丝中心线在o点处的副法线。n和b组成簧丝中心线的法平面v′，即弹簧簧丝的横截面A，因此，平面v′与平面V之间的夹角就是弹簧的螺旋升角α。图中平面V、T、H分别为过弹簧轴线的任意平面、过弹簧中心线切线t的切平面和水平面，θ为平面V与x-z平面之间的夹角。

在弹簧顶端分别受到轴向力P、径向力Pr、扭矩T、弯矩M作用时，受力分析示意图分别如图6、图7、图8所示。取平面V所截取的上半部分簧丝为研究对象，将弹簧顶端受到各种力分解成沿t、n和b方向的扭矩T_t、弯矩M_n和弯矩M_b，各分量的计算公式如下表示(以下公式根据右螺旋弹簧计算的)：

表1弹簧簧丝横截面A上的各分量计算公式

4.弹簧受力情况的判断与计算

计算弹簧的受力情况的目的就是判断操作者的操作意图。由于人手操作的模糊性，在输入一种类型的力的时候，可能伴随着其它类型的力的输入，因此人手操作一般会是几种力的混合输入。在一只手操作的情况下，弹簧顶端的受力情况一般存在3种混合作用的受力情况和4种单独作用的受力情况，这3种混合受力情况分别为轴向力和径向力的混合、弯矩和径向力的混合、扭矩和轴向力的混合，4种单独作用的受力分别为轴向力、径向力、弯矩和扭矩。根据应变片所检测的应变数据，建立判断规则如下：

(1)如果6个检测部位相对应的应变片的所测数值相同或相近，即如果6个E_i1应变片和6个E_i2应变片的应变值相同或相近，则说明弹簧只受到轴向力或扭矩的单独作用或两者的混合作用。因为存在径向力和弯矩的情况下6个E_i1应变片和6个E_i2应变片的应变值不可能相近。在这一情况下，轴向力和扭矩的计算方法如下。

弹簧顶端在轴向力P和扭矩T作用下，在6个检测点的横截面处沿t轴方向所产生的扭矩为：0.5PDcosα-Tsinα，其中第一部分为轴向力产生的t轴方向的扭矩分量，第二部分为扭矩T在t轴方向的分量。根据公式(1)，6个E_i1应变片位置处的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_{i1}=\frac{k(0.5\mathrm{PD}\cos \mathrm{\α}-T\sin \mathrm{\α})}{2G{\mathrm{ahb}}^2}---\left(3\right)$

弹簧顶端在轴向力P和扭矩T作用下，在6个检测点的横截面处沿b轴方向所产生的弯矩为：-0.5PDsinα-Tcosα，其中第一部分为轴向力产生的b轴方向的弯矩分量，第二部分为扭矩T在b轴方向的弯矩分量，根据公式(2)，6个E_i2应变片位置处的应变公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{i2}=\frac{-(0.5\mathrm{PD}\sin \mathrm{\α}+T\cos \mathrm{\α})(0.5h+z_0)}{\mathrm{SR}}---\left(4\right)$

公式(3)、(4)中∈_i1和∈_i2可分别由6个E_k1应变片和6个E_k2应变片测得，联立求解为公式(3)和(4)，可以计算出轴向力和扭矩的具体数值。根据计算出的扭矩与轴向力的大小，可以判断扭矩和轴向力是否单独作用还是混合作用，从而获得操作者的操作意图。

(2)如果6组检测部位相对应的应变片的所测数值差别很大，则说明弹簧顶端的受力情况为其余4种情况之一，即：径向力单独作用、弯矩的单独作用、径向力与弯矩混合作用和轴向力与径向力的混合作用。因此首先必须计算径向力Pr、轴向力P与弯矩M的具体数值，然后根据计算结果判断弹簧实际受力情况，从而判断出人手的操作意图。

弯矩、轴向力、径向力的计算。设径向力作用方向与x轴正向的夹角为β，弯矩的矢量方向与x轴正向的夹角为γ，则根据公式(2)，在检测位置1、4的下表面的应变公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_{12}=\frac{k(P_r{l}_1\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+0.5P_{r}D\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+T_1)}{{\mathrm{Gahb}}^2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{42}=\frac{k(P_r{l}_4\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+0.5P_{r}D\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+T_1)}{{\mathrm{Gahb}}^2}---\left(6\right)$

以上两式中，P_rl₁sinβcosα+0.5P_rDcosβsinα为径向力Pr在检测位置1的簧丝横截面上产生的扭矩在t轴方向的分量，P_rl₄sinβcosα+0.5P_rDcosβsinα为径向力Pr在检测位置4的簧丝横截面上产生的扭矩在t轴方向的分量，l1和l4为相应检测点到弹簧顶端的垂直距离。T₁为弯矩或者轴向力在检测位置1、4的簧丝横截面上产生的扭矩。

同理，也可得到在检测位置2、5和检测位置3、6的下表面处的应力公式：

${\mathrm{\ϵ}}_{22}=\frac{k_1(-P_r{l}_2\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+0.5P_{r}D\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+T_2)}{{\mathrm{Gahb}}^2}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{52}=\frac{k_1(-P_r{l}_5\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+0.5P_{r}D\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+T_2)}{{\mathrm{Gahb}}^2}---\left(8\right)$

以上公式中T₂为弯矩或者轴向力在检测位置2、5的簧丝横截面上产生的扭矩分量，T₃为弯矩或者轴向力在检测位置3、6的簧丝横截面上产生的扭矩分量。为消去弯矩或者轴向力的影响，分别将公式(5)与公式(6)、公式(7)与公式(8)和公式(9)与公式(10)相减，则得到以下3个公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ϵ}}_{12}-{\mathrm{\ϵ}}_{42}=k_1\frac{\mathrm{Pr\Δ}l\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{Gah}{b}^2}---\left(11\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2={\mathrm{\ϵ}}_{22}-{\mathrm{\ϵ}}_{52}=k_1\frac{-\mathrm{Pr\Δ}l\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{Gah}{b}^2}---\left(12\right)$

以上3式中Δl为两检测点之间的距离，Δl＝l₁-l₄＝l₂-l₅＝l₃-l₆。公式(5)～公式(13)中左边数值通过应变片实测数据可以得到，因此联立任意公式(11)、(12)和公式(13)中的两个公式，均可求得径向力Pr的大小和作用方向角β。再将求得到的Pr和β值代入公式(5)或(6)、(7)或(8)、(9)或(10)，即可求得弯矩或者轴向力在簧丝横截面上产生的扭矩分量T₁、T₂、T₃的大小。

判断和计算弯矩和轴向力。当弹簧顶端存在弯矩作用时，在弹簧的不同位置的横截面上所产生的扭矩分量是不同的，因此如果求得的T₁、T₂、T₃具体数值相差较大，就可以判断弹簧存在弯矩作用。又根据轴向力和弯矩不同时存在的情况，如果T₁、T₂、T₃相差比较大，则说明弹簧只受到弯矩的作用，否则说明弹簧只受到轴向力的作用。

计算弯矩的数值和作用方向的公式：根据图6-图8，弹簧顶端作用弯矩M在检测位置1和4、2和5、3和6处的簧丝横截面上产生的扭矩分量T₁、T₂、T₃分别为：

T₁＝M cosγcosα        (14)

T₂＝M sinγcosα        (15)

T₃＝-M cos(45°-γ)cosα(16)

联立公式(14)、(15)就可以得到弯矩M大小和作用方向γ。

轴向力的计算方法：弹簧顶端作用轴向力P在检测位置1和4、2和5、3和6处的簧丝横截面上产生的扭矩分量T₁、T₂、T₃相同，其值为：

T₁＝T₂＝T₃＝0.5 PD cosα (17)

由此式可以得到轴向力的值。

判断弯矩和径向力是否混合作用。对于一只手操作的情况下，当径向力和弯矩同时存在时，则弯矩和径向力矢量的角度关系为：γ＝90+β。

Claims (1)

1.手柄六自由度信息输入装置，包括把手、螺旋弹簧、把手限位装置、应变信号采集装置和底座，其特征在于：底座为盘形结构，筒形的把手限位装置固定设置在底座的顶面；设置在把手限位装置筒内的螺旋弹簧的一端与底座的顶面固定连接，另一端与圆桶形的把手的内侧顶面固定连接；把手套置在把手限位装置外，把手的内侧壁与把手限位装置的外侧壁之间具有间隙，把手限位装置的顶部高于把手的底部；螺旋弹簧上分布有两个电阻应变片组，每个电阻应变片组包括三个电阻应变片对，每个电阻应变片对包括对应设置的两个电阻应变片；每个电阻应变片组的三个电阻应变片对设置在螺旋弹簧同一螺旋圆周之内，并且两个电阻应变片组中对应的三个电阻应变片对在螺旋圆周上的位置相同，两个电阻应变片组间隔三个螺旋圆周；

所述的螺旋弹簧的簧丝截面为矩形；每个电阻应变片对中的两个电阻应变片中的一片为双轴应变片，粘贴于弹簧簧丝的下表面上，并且其敏感栅与簧丝轴线成±45°方向；另一片为单轴应变片，粘贴在弹簧簧丝的内侧面上，并且其敏感栅与簧丝轴线平行；一个电阻应变片组中的三个电阻应变片对在弹簧圆周平面上投影的夹角分别为135°、135°和90°；

所述的每个电阻应变片均通过信号线与设置在底座内的应变信号采集装置相连。

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