CN101791159B - 一种六自由度并联机构头盔伺服系统 - Google Patents

Abstract

一种六自由度并联机构头盔伺服系统，涉及一种虚拟显示的交互设备，尤其涉及改善虚拟现实的头盔显示器。本发明的上平台的外周均匀布置六组万向支座，每组万向支座上连接一根可控伸缩杆，位于每组万向支座处设置机构驱动及运动参数检测单元，每组复合球绞上设置头盔重量检测单元，下平台上设置若干个头部运动检测单元。本发明目的是提供一种能够减轻佩带者感受到的头盔重量，减轻佩带者在运动时感觉到的头盔的阻碍作用，从而减轻沉重感、束缚感和异物感，改善佩带头盔的舒适性、增强虚拟现实的沉浸感；同时利用伺服系统的机械测量装置测定佩带者的头部位置，完成虚拟现实系统中参与者的头部跟踪功能的六自由度并联机构头盔伺服系统。

Description

一种六自由度并联机构头盔伺服系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟显示的交互设备，尤其涉及改善虚拟现实的头盔显示器。

背景技术

头盔显示器主要用于三维立体虚拟场景的显示，多用于虚拟现实及增强现实系统。当前，分辨率和对比度高、视场角大的虚拟现实头盔一般都是重量和体积大，佩戴时运动不便，有沉重感、束缚感和异物感，因而影响舒适性和沉浸感；位置跟踪器与头盔显示器配合使用，用于头盔空间位置和姿态的测量和输出，以实现人机交互。然而，现有的电磁、超声等位置跟踪器受环境干扰大，在定位精度、稳定性和信号实时性方面存在不足，不能很好满足虚拟现实交互的要求。

申请人王飞在2005年10月16日向国家知识产权局提出了一件发明名称为：虚拟现实头盔的申请，此申请已于2007年12月5日被授予专利权，专利号为：CN200520129164.0。在这份专利文件中提出了一种虚拟现实头盔，采用两个传动软轴与虚拟现实头盔相连，头盔前端与图像显示器连接，通过两个传动软轴实现了显示画面三个转动自由度的控制，如图11所示，该设备由虚拟现实头盔1、第一传动软轴2、第二传动软轴3、图像显示眼镜4、滑动滚桶5、光电鼠标6、转角控制器7和电脑输入设备8组成。但这该设计存在两方面的局限性。一是只能对头盔显示器的三自由度转动数据进行检测，而对于头盔显示器的三自由度平动数据则无能为力；二是软轴的弹性变形影响了检测精度；三是人在佩戴该头盔显示器时仍然会有沉重感、束缚感和异物感，舒适感和沉浸感并没得到提高。

发明内容

本发明目的是提供一种能够减轻佩带者感受到的头盔重量，减轻佩带者在运动时感觉到的头盔的阻碍作用，从而减轻沉重感、束缚感和异物感，改善佩带头盔的舒适性、增强虚拟现实的沉浸感；同时利用伺服系统的机械测量装置测定佩带者的头部位置，完成虚拟现实系统中参与者的头部跟踪功能的六自由度并联机构头盔伺服系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于包括机构驱动及运动参数检测单元、头部运动检测单元、头盔重量检测单元、数据采集单元、控制计算机、上平台、可控伸缩杆、下平台、万向支座、复合球铰，下平台的外周均匀布置三组复合球绞，上平台的外周均匀布置六组万向支座，每组万向支座上连接一根可控伸缩杆，位于每组万向支座处设置机构驱动及运动参数检测单元，每组复合球绞上设置头盔重量检测单元，下平台上设置若干个头部运动检测单元，机构驱动及运动参数检测单元、头部运动检测单元、头盔重量检测单元的信号输出端分别与数据采集单元的信号输入端连接，数据采集单元的信号输出端与控制计算机的信号输入端连接，控制计算机的信号输出端分别与机构驱动及运动参数检测单元、头部运动检测单元、头盔重量检测单元的信号输入端连接。

本发明的万向支座包括电机偏置式俯仰架、万向叉耳、螺栓，俯仰轴、安装孔，可控伸缩杆通过螺栓约束于电机偏置式俯仰架上，电机偏置式俯仰架上通过俯仰轴与万向叉耳一端连接，万向叉耳的另一端与上平台连接，电机偏置式俯仰架上设置安装孔。

本发明的机构驱动及运动参数检测单元包括伺服电机、传动部件、转速和转角传感器，传动部件安装于伺服电机和可控伸缩杆之间，伺服电机、转速和转角传感器依次串接在安装孔上。

本发明的头部运动检测单元包括外环、头箍、固定件、压力传感器和微动传感器、头盔本体、头箍传动杆、直线轴承、外环安装孔、外环通孔、套筒，头盔本体上设置头箍，头箍的外周设置外环，头箍上设置若干个套筒，外环上分别设置若干个与套筒相对应的外环通孔，每个套筒分别通过头箍传动杆与压力传感器和微动传感器连接，头箍传动杆穿置在外环通孔上，压力传感器和微动传感器位于外环的外侧，外环与压力传感器和微动传感器之间设置直线轴承，直线轴承套置在头箍传动杆上；外环通过外环安装孔与下平台连接；每个压力传感器和微动传感器分别通过固定件与外环连接。

本发明的固定件包括十字架、预紧平头杆、十字基座、平头传动杆、汇交空腔，十字架上设置朝向相同的凸起，与凸起相同的十字架的一侧设置十字基座，十字基座与每个凸起之间分别通过平头传动杆连接压力传感器和微动传感器，每个凸起的外端面上分别设置预紧平头杆，各平头传动杆之间形成与头箍传动杆相匹配的汇交空腔。

本发明的可控伸缩杆与复合球铰之间设置载荷传感器。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出的头盔伺服系统，是将头盔加装于六自由度运动伺服系统而形成伺服头盔。该系统的有益效果有三项：一是减轻头盔佩戴者的负荷，减轻佩戴者的沉重感和异物感；二是运动伺服，即根据头部运动趋向带动头盔伺服运动，从动力学角度看相当于减小头盔质量和惯量，也减小了头盔的线缆约束，让佩戴者感觉头盔更轻巧，减轻束缚感；三是放弃以往的六自由度电磁或超声位置跟踪器，利用六杆机械机构中伺服电机的编码器测量头盔的空间位置和姿态，可以达到很高的精度和稳定性，也减小了信号的延迟。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明的六杆并联机构的结构示意图。

图3是本发明的机构驱动及运动参数检测单元的结构示意图。

图4是本发明的头部运动检测单元的结构示意图。

图5是本发明的头盔重量检测单元的结构示意图。

图6是本发明的万向支座的结构示意图。

图7是本发明的复合球铰的机构示意图。

图8是本发明的头盔伺服系统的工作原理图。

图9是本发明的头部运动检测单元检测组的结构示意图。

图10是本发明的头部运动检测单元部分细节图。

图11是本发明的图9的剖视图。

图12是现有的虚拟现实头盔的结构示意图。

图1到图11中：1、六杆并联机构，2、机构驱动及运动参数检测单元，3、头部运动检测单元，4、头盔重量检测单元，5、数据采集单元，6、控制计算机，7、上平台，8、可控伸缩杆，9、下平台，10、万向支座，11、复合球铰，12、伺服电机，13、传动部件，14、转速和转角传感器，15、外环，16、头箍，17、固定件，18、压力传感器和微动传感器，19、头盔，20、载荷传感器，21、电机偏置式俯仰架，22、万向叉耳，23、螺栓，24、俯仰轴，25、安装孔，26.外耳，27、内耳，28、球铰叉耳，29、检测组，30、十字架，31、预紧平头杆，32、十字基座，33、平头传动杆，34.汇交空腔，35、头箍传动杆，36、直线轴承，37、外环安装孔，38、外环通孔，39、套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进详细说明：

如图1、图2所示，一种六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于包括机构驱动及运动参数检测单元2、头部运动检测单元3、头盔重量检测单元4、数据采集单元5、控制计算机6、上平台7、可控伸缩杆8、下平台9、万向支座10、复合球铰11，下平台9的外周均匀布置三组复合球绞11，上平台7的外周均匀布置六组万向支座10，每组万向支座10上连接一根可控伸缩杆8，位于每组万向支座10处设置机构驱动及运动参数检测单元2，每组复合球绞11上设置头盔重量检测单元4，下平台9上设置头部运动检测单元3，机构驱动及运动参数检测单元2、头部运动检测单元3、头盔重量检测单元4的信号输出端分别与数据采集单元5的信号输入端连接，数据采集单元5的信号输出端与控制计算机6的信号输入端连接，控制计算机6的信号输出端与机构驱动及运动参数检测单元2的信号输入端连接。

如图6所示，本发明的万向支座10包括电机偏置式俯仰架21、万向叉耳22、螺栓23，俯仰轴24、安装孔25，可控伸缩杆8通过螺栓23约束于电机偏置式俯仰架21上，电机偏置式俯仰架21上通过俯仰轴24与万向叉耳22一端连接，万向叉耳22的另一端与上平台7连接，电机偏置式俯仰架21上设置安装孔25。

如图3所示，本发明的机构驱动及运动参数检测单元2包括伺服电机12、传动部件13、转速和转角传感器14，传动部件13安装于伺服电机12和可控伸缩杆8之间，伺服电机12、转速和转角传感器14依次串接在安装孔25上。本发明的机构驱动及运动参数检测单元2中的伺服电机12采用偏置式安装。

如图4、图10所示，本发明的头部运动检测单元3包括外环15、头箍16、固定件17、压力传感器和微动传感器18、头盔本体19、头箍传动杆35、直线轴承36、外环安装孔37、外环通孔38、套筒39，头盔本体19上设置头箍16，头箍16的外周设置外环15，头箍16上设置若干个套筒39，外环15上分别设置若干个与套筒39相对应的外环通孔38，每个套筒39的外侧面与头箍传动杆35固连，各头箍传动杆35穿置于相应的直线轴承36中，每个直线轴承36一端置于相应的外环通孔38中，另一端通过固定件17与压力传感器和微动传感器18相连，各固定件17圆周均匀固定于外环(15)的外侧面，外环(15)通过外环安装孔37与下平台9固连。

如图9、图11所示，本发明的固定件17包括十字架30、预紧平头杆31、十字基座32、平头传动杆33、汇交空腔34，十字架30上设置朝向相同的凸起，与凸起相同的十字架30的一侧设置十字基座32，十字基座32与每个凸起之间分别通过平头传动杆33和预紧平头杆31连接压力传感器和微动传感器18，每个预紧平头杆31置于对应的凸起外端面上，各平头传动杆33之间形成与头箍传动杆35相匹配的汇交空腔34。

如图5所示，本发明的可控伸缩杆8与复合球铰(专利已授权，授权公告号为CN101033773)11之间设置载荷传感器20。如图7所示，复合球绞11包括外耳26、内耳27、球绞叉耳28，外耳26或内耳27与载荷传感器20螺纹连接，球绞叉耳28与下平台9螺纹连接。

如图8所示，上平台7、可控伸缩杆8、下平台9、万向支座10、复合球铰11构成了本发明的六杆并联机构1，六杆并联机构1的下平台运动信息被头盔重量检测单元4采集后得到可控伸缩杆8的轴向力并传输给数据采集单元5；六杆并联机构1的下平台运动信息被头部运动检测单元3采集后得到头部运动趋势并传输给数据采集单元5；数据采集单元5采集到上述信息后通过传感器传输到控制计算机6，控制计算机6发出的控制信号经过数据采集单元5发送到机构驱动及运动参数检测单元2，通过传动部件13完成动力传递，同时机构驱动及运动参数检测单元检测到的运动参数也通过数据采集单元5传输到控制计算机6，经过控制计算机6得到的控制信号来控制六杆并联机构1的动作。

如图2，六杆并联机构1的上平台7为基座，用于固定整个装置。万向支座10分为电机偏置式俯仰架21、万向叉耳22、螺栓23、电机俯仰轴24和安装孔25五个部分。六个万向支座10通过万向叉耳22均匀固定于上平台7的边缘。万向叉耳22绕其与上平台7的连接轴可实现旋转运动。电机偏置式俯仰架21可绕俯仰轴24完成俯仰运动。机构驱动及运动参数检测单元2通过安装孔25固定于电机偏置式俯仰架21。可控伸缩杆8上端穿越万向支座10中心点通过螺栓23约束于电机偏置式俯仰架21，下端与头盔重量检测单元4的载荷传感器20相连。下平台9通过复合球铰11实现与头盔重量检测单元4的连接与固定，下平台9上安装有头盔19，可实现六自由度运动。

如图3所示，机构驱动及运动参数检测单元2由伺服电机12、传动部件13、电机转速和转角的检测元件或伸缩杆长度和伸缩速度的检测单元14组成，以上三部分均通过安装孔25固定于电机偏置式俯仰架21。伺服电机12与可控伸缩杆8之间通过传动部件13进行动力传递，通过伺服电机自带的转速和转角传感器14来完成电机转速和转角的检测；伸缩杆长度和伸缩速度的检测单元14安装于万向支座10和可控伸缩杆8之间，用于实现可控伸缩杆8长度和伸缩速度的检测。

如图4所示，本发明的头部运动检测单元3由外环15、头箍16、安装于外环和头箍之上的固定件17、压力传感器和微动传感器18组成，主要负责佩戴者头部运动趋势的检测。如图4、图10所示，外环15通过外环安装孔37安装于下平台9，头箍16佩戴于参与者头部，安装于外环和头箍之上的固定件17主要由十字架30，预紧平头杆31，十字基座32，平头传动杆33，头箍传动杆35，直线轴承36组成。其功能是固定压力传感器和微动传感器18、传递头部运动、连接头箍和外环。如图10所示，头箍传动杆35的套筒39套连于头箍，头箍传动杆35位于直线轴承36之内，直线轴承36的一端位于外环通孔38内，另一端位于4根平头传动杆33杆端的汇交空腔34，通过限位部件来约束直线轴承36沿头箍传动杆35轴线方向的移动。如图9所示，头部运动检测单元3主要由固定件17、压力传感器和微动传感器18组成，头部运动检测单元3通过十字基座32安装于外环通孔38处。如图11所示，每个检测组在结构上可分为圆周均布的四条检测线路，以下以一条检测线路为例进行说明，直线轴承36外圈与十字基座32沿汇交空腔轴向均布的安装孔采用紧配合，平头传动杆33平头背向汇交空腔插入直线轴承36的滑动腔内，预紧平头杆31通过调节机构安装于十字架30的端面，调节机构可以是带锁的旋转副或滑动副等，主要负责调整预紧平头杆31平头与十字架30端面的相对位置，以实现压力传感器和微动传感器18的预压紧和零位设定。该单元共有八对传感器，共计十六个。对于头部的单自由度运动而言，不同方向的运动对应了不同的传感器工作状态组合(工作状态是指以预紧后的零位为基准的拉压情况，具体体现是检测数据的正负)；头部的复合运动是单自由度运动的叠加，体现在检测数据上就是不同传感器工作状态组合的叠加，且不同的复合运动对应了不同的叠加结果，因此，通过对检测结果的分析可以计算出头部的运动趋势。

如图5所示，本发明的头盔重量检测单元4主要由六个载荷传感器20组成，主要负责各根可控伸缩杆8轴向力的检测，每个载荷传感器20两端加工有螺纹孔，其上端螺纹孔与可控伸缩杆8的螺纹段连接，下端螺纹孔与复合球铰11的内耳26或外耳27的螺纹段相连。

本发明的数据采集单元5主要由信号采集卡或其它信号采集电路组成，主要负责信号的采集与发送。机构驱动及运动参数检测单元2的运动参数检测单元、头部运动检测单元3的压力传感器或微动传感器18以及头盔重量检测单元4的载荷传感器20均通过信号线路与数据采集单元5的数据采集端口相连，实现传感器数据的采集；数据采集单元5直接安装于控制计算机6，实现与控制计算机6间的数据交互；数据采集单元5的数据发送端口通过信号线路与伺服电机12驱动器的控制信号接口连接，实现控制信号的发送。

本发明的控制计算机6由工业控制计算机或其它数字计算机组成，主要负责佩戴者头部运动趋势和佩带者感受到的头盔19重量的实时计算、六杆并联机构1的运动学和动力学解算、系统控制以及信号处理等。该系统的信号延迟远小于当前主流的头盔跟踪器。

Claims (6)

1.一种六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于包括机构驱动及运动参数检测单元(2)、头部运动检测单元(3)、头盔重量检测单元(4)、数据采集单元(5)、控制计算机(6)、上平台(7)、可控伸缩杆(8)、下平台(9)、万向支座(10)、复合球铰(11)，下平台(9)的外周均匀布置三组复合球铰(11)，上平台(7)的外周均匀布置六组万向支座(10)，每组万向支座(10)上连接一根可控伸缩杆(8)，位于每组万向支座(10)处设置机构驱动及运动参数检测单元(2)，每组复合球铰(11)上设置头盔重量检测单元(4)，下平台(9)上设置头部运动检测单元(3)，机构驱动及运动参数检测单元(2)、头部运动检测单元(3)、头盔重量检测单元(4)的信号输出端分别与数据采集单元(5)的信号输入端连接，数据采集单元(5)的信号输出端与控制计算机(6)的信号输入端连接，控制计算机(6)的信号输出端与机构驱动及运动参数检测单元(2)的信号输入端连接；

机构驱动及运动参数检测单元(2)包括伺服电机(12)、传动部件(13)、转速和转角传感器(14)，传动部件(13)安装于伺服电机(12)和可控伸缩杆(8)之间，伺服电机(12)、转速和转角传感器(14)依次串接在安装孔(25)上。

2.根据权利要求1所述的六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于上述万向支座(10)包括电机偏置式俯仰架(21)、万向叉耳(22)、螺栓(23)，俯仰轴(24)、安装孔(25)，可控伸缩杆(8)通过螺栓(23)约束于电机偏置式俯仰架(21)上，电机偏置式俯仰架(21)上通过俯仰轴(24)与万向叉耳(22)一端连接，万向叉耳(22)的另一端与上平台(7)连接，电机偏置式俯仰架(21)上设置安装孔(25)。

3.根据权利要求1所述的六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于上述头部运动检测单元(3)包括外环(15)、头箍(16)、固定件(17)、压力传感器和微动传感器(18)、头盔本体(19)、头箍传动杆(35)、直线轴承(36)、外环安装孔(37)、外环通孔(38)、套筒(39)，头盔本体(19)上设置头箍(16)，头箍(16)的外周设置外环(15)，头箍(16)上设置若干个套筒(39)，外环(15)上分别设置若干个与套筒(39)相对应的外环通孔(38)，每个套筒(39)的外侧面与头箍传动杆(35)固连，各头箍传动杆(35)穿置于相应的直线轴承(36)中，每个直线轴承(36)一端置于相应的外环通孔(38)中，另一端通过固定件(17)与压力传感器和微动传感器(18)相连，各固定件(17)圆周均匀固定于外环(15)的外侧面，外环(15)通过外环安装孔(37)与下平台(9)固连。

4.根据权利要求3所述的六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于固定件(17)包括十字架(30)、预紧平头杆(31)、十字基座(32)、平头传动杆(33)、汇交空腔(34)，十字架(30)上设置朝向相同的凸起，与凸起相同的十字架(30)的一侧设置十字基座(32)，十字基座(32)与每个凸起之间分别通过平头传动杆(33)和预紧平头杆(31)连接压力传感器和微动传感器(18)，每 个预紧平头杆(31)置于对应的凸起外端面上，各平头传动杆(33)之间形成与头箍传动杆(35)相匹配的汇交空腔(34)。

5.根据权利要求1所述的六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于可控伸缩杆(8)与复合球铰(11)之间设置载荷传感器(20)。

6.根据权利要求1所述的六自由度并联机构头盔伺服系统，其特征在于机构驱动及运动参数检测单元(2)中的伺服电机(12)采用偏置式安装。

Images