CN102253717B - 平面三自由度笔式力觉交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面三自由度笔式力觉交互装置，其由四个驱动模块(1‑A，1‑B，1‑C，1‑D)和交互笔(2)组成。驱动模块由螺旋锁紧夹具、直流电机、编码器、绳轮和线绳等组成，交互笔是一笔状握持式操作手柄。该装置与平面显示设备(3)结合使用，四个驱动模块分别固定在设备的四个角边缘上，用户握持交互笔可以直接在设备屏幕上进行书写、绘图或创建、选取、平移、转动屏幕显示场景中的物体，同时能够感受到与场景交互时的反馈力和扭矩。该装置具有三个自由度的输入和输出，输入为交互笔笔尖的二维位置和笔尖转动的角度，输出为笔尖在平面两个方向上的反馈力和绕笔身的扭矩。本发明可以应用到游戏、教学、绘画练习等领域中。

Description

平面三自由度笔式力觉交互装置

技术领域

本发明涉及一种平面三自由度笔式力觉交互装置，能够被固定在各种平面显示设备上，实现与平面显示设备显示的场景进行直接交互，并输出交互时的反馈力和扭矩。

背景技术

由于笔式人机交互方式相对于鼠标、键盘的输入方式更自然、更高效，越来越受到关注，并得到广泛的应用，例如在手持PDA设备、白板、计算机外接写字板、绘图板等领域都有很多相关的产品。然而在现有的笔式交互系统中，一般只是通过捕捉交互笔笔尖在平面上的二维运动轨迹作为系统输入，没有考虑交互笔第三自由度的输入，即绕笔杆转动的输入。但是在一些应用中，转动角度的输入是必须的，或者可以极大地提高了操作效率，例如在一些二维游戏，特别是具有物理属性的游戏中。此外，Xiao jun Bi等一些研究者也讨论了交互笔的转动输入在复杂任务的完成、多参数的输入等方面的有效性，并提出了利用多摄像头跟踪实现交互笔转动自由度的输入，但系统较为复杂。

此外，力触觉是人类重要的感知通道之一，在实际生活中它是与视觉、听觉等感知相协调一致的。在人机交互系统中，力觉显示是通过各种机电装置来实现的，它能够提高用户操作效率，同时也使用户能够进行更精细的操作。早期的虚拟现实系统主要进行的都是力觉、视觉等各个信息通道独立显示的研究，近年来一些研究者开始关注视觉通道和力觉通道的融合显示研究，提出视觉和力觉同位显示的概念，并将“同位显示”作为评价多通道虚拟现实系统的一个重要指标。同位显示是指用户在操作虚拟物体时，视觉上看到的接触点空间位置和力觉上感知到的反馈力空间位置是一致的，即“所见即所触”的感觉，这是符合人类在现实世界中的自然交互方式的。目前，在三维空间交互领域，存在视觉和力觉显示融合的系统，但是还未有融合平面视觉显示和力觉显示的系统。

本发明提出的笔式力觉交互装置是一种可固定在台式显示器、笔记本电脑的显示屏幕、iPad平板电脑、桌面显示设备等各种平面显示设备上，以实现融合平面视觉和力觉显示，同时具有平面三自由度输入和三自由度力觉输出、手眼协调性好、操作自然高效、不影响视觉效果、成本低等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面三自由度笔式力觉交互装置，能够被固定在各种平面显示设备上，检测交互笔笔尖在显示屏幕表面上的位置、笔尖转动角度，以及交互笔笔身的按键状态，同时输出交互笔与显示场景内虚拟物体交互时的反馈力和力矩，实现与平面显示的计算机世界的直接交互。

该装置包括四个驱动模块和一根交互笔。

每个驱动模块包括一个螺旋锁紧夹具、一个电机座、一台直流电机、一个光电编码器、一个绳轮、一根线绳。整个驱动模块通过螺旋锁紧夹具固定在平面显示设备上，通过调节夹具螺旋杆可以适应于不同厚度的平面显示设备。电机座底座两边各有一个通孔，通过两个螺栓将其固定在螺旋锁紧夹具上。直流电机通过两个螺钉固定在电机座的孔内。绳轮套在电机轴上后，通过拧紧绳轮内槽中的顶丝将其固定在电机轴上，实现绳轮和电机同步转动。光电编码器位于直流电机尾部，与直流电机一体，并且与直流电机转轴同步转动，可检测绳轮转动的方向和角度，进而得出线绳拉出或回卷的长度。

交互笔包括笔身、笔尖细杆体、两个按键开关、信号线。笔尖细杆体横贯笔尖，细杆体两端各有一个穿孔，作为线绳节点与驱动模块的线绳相连接。两个按键开关嵌在笔身握持部位，便于用户在操作交互笔的同时也能够按压按键。信号线与两个按键相连接，并贯穿于笔身内部，从交互笔后端引出后与控制系统相连接。

本发明三自由度笔式力觉交互装置的优点在于：(1)三自由度的输入和输出，即不仅能够跟踪交互笔笔尖在屏幕表面上的二维位置，还能够获取笔尖的转动角度作为设备输入，同时能够在笔尖上输出屏幕表面上两个方向的反馈力和绕笔身中心的扭矩。(2)模块化设计，扩展性强。四个驱动模块可以固定在不同大小、不同类型的平面显示设备上。(3)通过位置标定，可以实现力觉和视觉的同位显示，即可以利用交互笔直接选取、操作显示设备显示的物体，视觉上看到的接触点位置和力觉上感知到的接触反馈力位置是一致的，从而更符合实际生活中人类的自然操纵习惯。(4)操作空间透明性强。电机通过线绳驱动交互笔，而线绳对视觉显示的影响较小。(5)造价低，安装方便，可与通用的台式显示器、笔记本显示器等相结合，实用性强。

附图说明

图1是装置工作状态下的整体结构图。

图2是驱动模块结构图。

图3是驱动模块的爆炸视图。

图4螺旋锁紧夹具结构图。

图5是电机座结构图。

图6是绳轮结构。

图7是交互笔结构图。

图中：1-A.驱动模块 1-B.驱动模块 1-C.驱动模块

1-D.驱动模块 101.光电编码器 102.直流电机

103.螺栓 104.螺栓 105.电机座

105-1.通孔 105-2.通孔 105-3.通孔

105-4.线绳穿孔 106.螺钉 107.螺钉

108.顶丝 109.绳轮 109-1.螺纹孔

109-2.线绳穿孔 110.线绳 111.螺母

112.螺母 113.螺旋锁紧夹具 113-1.夹具座

113-2.螺旋杆 113-2.螺旋杆 113-3.通孔

113-4.通孔 2.交互笔 201.笔身

202.笔尖细杆体 202-1.穿孔 202-2.穿孔

203.按键开关 204.按键开关 205.信号线

具体实施

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种平面三自由度笔式力觉交互装置，能够准确跟踪交互笔笔尖在屏幕表面上移动时水平方向、垂直方向的位移和绕笔身的转动角度，并在笔尖输出水平方向、垂直方向的反馈力以及绕笔身的转动力矩。它可以应用在游戏、教学等领域，实现虚拟物体重力、碰撞力、摩擦力等的力觉模拟，使得人机交互更加真实、自然。

参见图1所示，该装置包括四个驱动模块1-A，1-B，1-C，1-D和一根交互笔2，四个驱动模块1-A，1-B，1-C，1-D固定在平面显示设备3的四个边缘上，交互笔的笔尖与四个驱动模块的线绳相连接，用户可以握持交互笔2在屏幕表面上通过描画、选取、移动、转动等方式实现与平面显示的计算机世界的直接交互。在力觉的模拟过程中，装置工作在两种工作状态。第一种状态是自由状态，即交互笔没有选取或接触到计算机世界中的虚拟物体，装置不输出反馈力和反馈力矩，此时，各电机均输出一个较小的反向驱动力，使线绳处于较小张力的张紧状态，以便使控制系统能够精确地通过线绳长度跟踪交互笔笔尖的位置和角度。第二种状态是反馈输出状态，即用户通过交互笔选取了虚拟物体或者接触到其它物体，交互笔笔尖需要输出虚拟物体的重力或者碰撞时的反作用力或力矩，此时控制系统根据力的分解算法控制各电机输出相应的力矩，从而使各线绳张力在交互笔笔尖合成所要显示的反馈力和力矩。

参见图2，3，4，5，6所示，每个驱动模块包括光电编码器101，直流电机102，电机座105，绳轮109，线绳110，螺旋锁紧夹具113以及用于固定的螺栓103、104，螺钉106、107，顶丝108，螺母111、112等组成。直流电机102和光电编码器101是一体的，直流电机102通过螺钉106、107固定在电机座105上。绳轮109通过与其内槽螺纹孔109-1相配合的顶丝108固定在电机102的轴上，线绳110系在绳轮109的穿孔109-2上，并缠绕在其凹槽中。光电编码器101与电机、绳轮同步转动，能够检测出电机轴的转动角度，进而计算出线绳110的引出或回收长度。电机座105通过螺栓103、104和螺母111、112固定在螺旋锁紧夹具113上。通过旋转夹具113的螺旋杆113-2调整其与夹具座113-1的距离，便可以将整个模块固定在不同厚度的平面显示设备边缘上。

参见图5所示，电机座上的三个线绳穿孔105-4作为引出线绳110的导引口，防止线绳110从绳轮109的内槽中脱落。

参见图7所示，交互笔包括笔身201、笔尖细杆体202、两个按键开关203和204、信号线205。笔尖细杆体202横贯笔尖，细杆体两端有穿孔202-1、202-2，穿孔202-1系着驱动模块1-B、1-C的线绳，穿孔202-2系着驱动模块1-A、1-D的线绳。按键开关203和204嵌在笔身握持部位，便于用户在操作交互笔的同时也能够按压按键，向控制系统发出信号。信号线205与两个按键203、204相连接，并贯穿于笔身201内部，从交互笔后端引出后与控制系统相连接。

Claims (7)

1.一种平面三自由度笔式力觉交互装置，包括四个驱动模块和交互笔，其特征在于：

所述驱动模块包括：

一螺旋锁紧夹具，通过调节该夹具螺旋杆将整个驱动模块固定在不同厚度的平面显示设备边缘上；

一电机基座，其底座两边各有一个通孔，通过两个螺栓将其固定在螺旋锁紧夹具上；

一直流电机，通过螺钉固定在电机基座的孔内；

一光电编码器，位于直流电机尾部，和直流电机一体；

一绳轮，通过绳轮内槽上的顶丝将其固定在电机轴上，使绳轮和电机同步转动；

一线绳为柔性线绳，缠绕在绳轮凹槽内；

所述交互笔包括：笔身、笔尖细杆体、两个按键开关、信号线；

笔身为一笔状的操作手柄；

笔尖细杆体贯穿笔尖，细杆体两端各有一个穿孔，作为线绳节点与驱动模块的线绳相连接；

两个按键开关嵌在笔身握持部位；

信号线贯穿于笔身内部，从交互笔后端引出后与控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：输入和输出均为三个自由度，三个自由度的输入是指笔尖在屏幕表面水平、竖直两个方向上的平移和笔尖绕笔身中心轴的转动，三个自由度的输出是指屏幕表面水平、竖直两个方向上的反馈力和绕笔身中心轴的扭矩。

3.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：装置是模块化结构，四个驱动模块是独立的，可固定在不同类型、不同大小的平面显示设备上。

4.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：交互笔笔尖横贯一根细杆体，细杆体两端各有一个细小穿孔，用于与驱动模块的线绳相连接，交互笔的转动角度检测和扭矩输出都是通过细杆体实现的。

5.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：交互笔笔尖细杆体与驱动模块的线绳通过线绳结点连接，交互笔可更换为其他操作末端。

6.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：装置在初始状态时，交互笔笔尖细杆体左端穿孔与左边两个驱动模块的线绳相连，右端穿孔与右边两个驱动模块的线绳相连。

7.根据权利要求1所述的平面三自由度笔式力觉交互装置，其特征在于：交互笔笔身把持部位嵌有两个可编程按钮。