CN103699221A - 指尖力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指尖力反馈装置。由指尖受力面定位组件，指尖正压力反馈组件，指尖滑移摩擦力反馈组件和指尖扭矩反馈组件连接而成。指尖受力面定位组件由第一微型伺服电机驱动电机摆杆经大摆杆带动外构架的侧摆，实现指尖受力面的定位；指尖正压力反馈组件由第一牵引线和二根收缩弹簧带动外构架的展合，实现指尖正压力的反馈；指尖滑移摩擦力反馈组件经相互垂直安装的两组杠杆与抗压小弹簧带动旋转座的滑移，实现指尖滑移摩擦力的反馈；指尖扭矩反馈组件由第二微型伺服电机驱动第一齿轮经第二齿轮带动旋转盘的转动，实现指尖扭矩的反馈；本发明结构紧凑，适合佩戴在人手指尖上，可以实现指尖不同位置受力面的正压力、摩擦力和扭矩的反馈。

Description

指尖力反馈装置

技术领域

本发明涉及力反馈装置，尤其是涉及虚拟现实人机交互的一种指尖力反馈装置。

背景技术

虚拟现实技术已在工业、医学、教育、娱乐和军事等多个领域得到应用，引起世人广泛关注。

与基于鼠标、键盘和视窗等传统的交互方式不同，虚拟现实提供了一种多通道人机交互方式。它将复杂场景进行三维可视化，给用户呈现立体的交互环境。它提供类似于现实世界的视觉、听觉、力觉等多种反馈，使用户有身临其境的感觉。力觉通道是指用户通过力觉反馈硬件设备感知虚拟环境。只有在虚拟现实系统中引入力反馈，才能真正建立一个“看得见摸得着”的虚拟环境。力反馈硬件设备的主要功能是把虚拟环境中生成的力觉反馈给用户，具有重要应用价值。

在医疗领域，例如在开刀手术过程中，开刀时医生的手感非常重要。在模拟解剖手术时，医生若能感受到真实的解剖力，有助于医生增加临床经验，快速掌握开刀技术，减低手术风险，提高手术成功率；这样不仅节省了医疗资源，还提高了医疗效率。在机械设计与制造领域，若机械师在虚拟装配时能感受到真实的作用力，可将实际经验和技术融入到虚拟设计中，提高物理样机一次性设计和制造的成功率，缩短产品研发周期，减少研发成本。在航天领域，失重是航天飞行中必须克服的困难，在失重情况下对物体的运动难以预测。若在宇航员仿真训练时，能感受到真实的力，能预测到控制器的真实运动，有助于宇航员在太空中实现精确操作。

因此，研发一种指尖力反馈装置就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种指尖力反馈装置，能够反馈指尖的多种力觉。它能够定位指尖的受力面，在指尖正面和指尖侧面形成正压力反馈；指尖滑移摩擦力反馈和指尖扭矩反馈，让用户在虚拟环境人机交互过程中感知到压力、摩擦力和旋转力矩。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由指尖受力面定位组件，指尖正压力反馈组件，指尖滑移摩擦力反馈组件和指尖扭矩反馈组件连接而成。

所述的指尖受力面定位组件，包括第一微型伺服电机、电机座、电机摆杆、大摆杆和中轴；第一微型伺服电机固定安装在电机座上，第一微型伺服电机的转轴与电机摆杆的一端固接，电机摆杆的另一端与大摆杆的一端的直滑槽构成滑动副，大摆杆中部与电机座的悬梁轴构成转动副，大摆杆的另一端通过中轴与指尖滑移摩擦力反馈组件中的外构架上面的大摆杆支座构成转动副，中轴的轴线与悬梁轴的轴线垂直。

所述的指尖正压力反馈组件，包括弹簧座、两根收缩弹簧、第一牵引线和第一牵引线护套；弹簧座与电机座的悬梁轴构成转动副，两根收缩弹簧安装在弹簧座与指尖滑移摩擦力反馈组件中的外构架的弹簧槽中，第一牵引线护套固定安装在弹簧座上，第一牵引线的一端通过第一牵引线护套固定安装在指尖滑移摩擦力反馈组件中的外构架的端面槽中；第一牵引线的另一端连接到外置的拉力牵引装置中。

所述的指尖滑移摩擦力反馈组件，包括第二牵引线护套、第三牵引线护套、外构架、四根抗压小弹簧、第一牵引连接件、第二牵引连接件、第一杠杆、第二杠杆、第二牵引线、第三牵引线、大摆杆支座、两个定向轮和两个导线轮；大摆杆支座固连在外构架上，外构架的槽中装有指尖扭矩反馈组件中的旋转座，四根抗压小弹簧分别以两根为一组相互垂直安装在旋转座和外构架各自的弹簧孔中内；

在外构架内部，第一杠杆中部与外构架构成转动副，第一杠杆的一端按压在指尖扭矩反馈组件中的旋转座未安装弹簧的一个侧面上，第一杠杆的另一端内安装有第一牵引线连接件且构成转动副，装在第二牵引护套内的第二牵引线的一端固定在第一牵引线连接件上，第二牵引线的另一端经第一定向轮、第一导线轮连接到外置的拉力牵引装置中。

在外构架内部，第二杠杆中部与外构架构成转动副，第二杠杆的一端按压在指尖扭矩反馈组件中的旋转座另一侧未安装弹簧的侧面上，第二杠杆的另一端内安装有第二牵引线连接件且构成转动副，装在第三牵引护套内的第三牵引线的一端固定在第二牵引线连接件上，第三牵引线的另一端经第二定向轮、第二导线轮连接到外置的拉力牵引装置中。

所述的指尖扭矩反馈组件，包括第二微型伺服电机、旋转盘、第一齿轮、第二齿轮、旋转座和滚珠；第二微型伺服电机固定安装在旋转座上，第一齿轮固定安装在第二微型伺服电机的转轴上，第二齿轮安装在旋转座上，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与旋转盘底部的齿轮啮合，滚珠分别安装旋转座以及旋转座与旋转盘之间的滚槽内。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1、本发明可以实现指尖不同位置受力面的正压力、摩擦力和扭矩的反馈。

2、本发明体积小，结构紧凑，适合佩戴在人手指尖上。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的指尖受力面定位组件示意图。

图3是本发明指尖正压力反馈组件示意图。

图4是本发明指尖滑移摩擦力反馈组件示意图。

图5是本发明指尖滑移摩擦力反馈组件局部分解示意图。

图6是本发明指尖扭矩反馈组件示意图。

图7是本发明指尖扭矩反馈组件分解示意图。

图中：1、第一微型伺服电机，2、电机座，3、电机摆杆，4、大摆杆，5、中轴， 6、弹簧座，7、收缩弹簧，8、第一牵引线，9、第一牵引线护套，10、第三牵引线护套，11、第二牵引线护套，12、悬梁轴，13、大摆杆支座，14、指尖滑移摩擦力反馈组件，15、外构架，16、抗压小弹簧，17、第一牵引连接件，18、第一杠杆，19、第二牵引线，20、第二牵引连接件，21、第二杠杆，22、第三牵引线，23、定向轮，24、导线轮，25、旋转盘，26、第二微型伺服电机，27、旋转座，28、滚珠， 29、第一齿轮，30、第二齿轮，31、指尖扭矩反馈组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图3所示，本发明由指尖受力面定位组件，指尖正压力反馈组件，指尖滑移摩擦力反馈组件14和指尖扭矩反馈组件31连接而成。

如图1、图2所示，指尖受力面定位组件，包括：第一微型伺服电机1、电机座2、电机摆杆3、大摆杆4和中轴5；第一微型伺服电机1固定安装在电机座2上，第一微型伺服电机1的转轴与电机摆杆3的一端固接，电机摆杆3的另一端与大摆杆4的一端的直滑槽构成滑动副，大摆杆4中部与电机座2的悬梁轴12构成转动副，大摆杆4的另一端通过中轴5与指尖滑移摩擦力反馈组件14中的外构架15上面的大摆杆支座13构成转动副，中轴5的轴线与悬梁轴12的轴线垂直；第一微型伺服电机1带动电机摆杆3转动，电机摆杆3通过与大摆杆4一端长槽的滑动副配合带动大摆杆4绕电机座2的悬梁轴27摆动，从而带动外构架15摆动，调整和定位指尖的受力面，实现指尖正压力反馈组件14摆动到指尖正面或指尖侧面的不同位置。

如图1、图3所示，指尖正压力反馈组件，包括：弹簧座6、两根收缩弹簧7、第一牵引线8和第一牵引线护套9；弹簧座6与电机座2的悬梁轴12构成转动副，两根收缩弹簧7安装在弹簧座6与指尖滑移摩擦力反馈组件14中的外构架15的弹簧槽中，第一牵引线护套9固定安装在弹簧座6上，第一牵引线8的一端通过第一牵引线护套9固定安装在指尖滑移摩擦力反馈组件14中的外构架15的端面槽中；第一牵引线8的另一端连接到外置的拉力牵引装置中。当第一牵引线8拉紧时，收缩弹簧7通过指尖正压力反馈组件14放松对指尖的正压力，当第一牵引线8放松时，收缩弹簧7通过指尖正压力反馈组件14施加对指尖的正压力。

如图1、图3、图4、图5所示，指尖滑移摩擦力反馈组件14，包括：第二牵引线护套11、第三牵引线护套10、外构架15、四根抗压小弹簧16、第一牵引连接件17、第二牵引连接件20、第一杠杆18、第二杠杆21、第二牵引线19、第三牵引线22、两个定向轮23和两个导线轮24；外构架15的槽中装有指尖扭矩反馈组件31中的旋转座27，四根抗压小弹簧16分别以两根为一组相互垂直安装在旋转座27和外构架15各自的弹簧孔中内。

在外构架15内部，第一杠杆18中部与外构架15构成转动副，第一杠杆18的一端按压在指尖扭矩反馈组件31中的旋转座27未安装弹簧的一个侧面上，第一杠杆18的另一端内安装有第一牵引线连接件17且构成转动副，装在第二牵引护套11内的第二牵引线19的一端固定在第一牵引线连接件17上，第二牵引线19的另一端经第一定向轮23、第一导线轮24连接到外置的拉力牵引装置中，通过拉动第二牵引线19带动第一杠杆18推动指尖扭矩反馈组件31中的旋转座27移动，形成一侧指尖滑动摩擦力反馈。

在外构架15内部，第二杠杆21中部与外构架15构成转动副，第二杠杆21的一端按压在指尖扭矩反馈组件31中的旋转座27另一侧未安装弹簧的侧面上，第二杠杆21的另一端内安装有第二牵引线连接件20且构成转动副，装在第三牵引护套10内的第三牵引线22的一端固定在第二牵引线连接件20上，第三牵引线22的另一端经第二定向轮23、第二导线轮24连接到外置的拉力牵引装置中，通过拉动第三牵引线22带动第二杠杆21推动指尖扭矩反馈组件31的旋转座27移动，形成另一侧指尖滑动摩擦力反馈。

如图1、图6、图7所示，指尖扭矩反馈组件31包括：第二微型伺服电机26、旋转盘25、第一齿轮29、第二齿轮30、旋转座27和滚珠28；第二微型伺服电机26固定安装在旋转座27上，第一齿轮29固定安装在第二微型伺服电机26的转轴上，第二齿轮30安装在旋转座27上，第一齿轮29与第二齿轮30啮合，第二齿轮30与旋转盘25底部的齿轮啮合，滚珠28分别安装旋转座27以及旋转座27与旋转盘25之间的滚槽内；第二微型伺服电机26通过带动相互啮合的第一齿轮29与第二齿轮30，驱动旋转盘25转动，形成指尖的扭矩反馈。

本发明的工作原理如下：

当人手的指尖放入指尖扭矩反馈组件31和电机座2的空隙后，指尖面与旋转座27接触，收缩弹簧7存在预压力，经指尖滑移摩擦力反馈组件14压紧指尖。

第一微型伺服电机1带动电机摆杆3转动，电机摆杆3通过与大摆杆4一端长槽的滑动副配合带动大摆杆4绕电机座2的悬梁轴27摆动，从而带动外构架15摆动，调整和定位指尖的受力面，实现指尖正压力反馈组件14摆动到指尖正面或指尖侧面的不同位置。

当第一牵引线8拉紧时，收缩弹簧7通过指尖正压力反馈组件14放松对指尖的正压力，当第一牵引线8放松时，收缩弹簧7通过指尖正压力反馈组件14施加对指尖的正压力。

通过拉动第二牵引线19带动第一杠杆18推动指尖扭矩反馈组件31中的旋转座27移动，形成一侧指尖滑动摩擦力反馈；通过拉动第三牵引线22带动第二杠杆21推动指尖扭矩反馈组件31的旋转座27移动，形成另一侧指尖滑动摩擦力反馈。

第二微型伺服电机26通过带动相互啮合的第一齿轮29与第二齿轮30，驱动旋转盘25转动，形成指尖的扭矩反馈。

Claims (5)

1.一种指尖力反馈装置，其特征在于：由指尖受力面定位组件，指尖正压力反馈组件，指尖滑移摩擦力反馈组件（14）和指尖扭矩反馈组件（20）连接而成。

2.根据权利要求1所述的一种指尖力反馈装置，其特征在于：所述的指尖受力面定位组件，包括第一微型伺服电机（1）、电机座（2）、电机摆杆（3）、大摆杆（4）和中轴（5）；第一微型伺服电机（1）固定安装在电机座（2）上，第一微型伺服电机（1）的转轴与电机摆杆（3）的一端固接，电机摆杆（3）的另一端与大摆杆（4）的一端的直滑槽构成滑动副，大摆杆（4）中部与电机座（2）的悬梁轴（12）构成转动副，大摆杆（4）的另一端通过中轴（5）与指尖滑移摩擦力反馈组件（14）中的外构架（15）上面的大摆杆支座（13）构成转动副，中轴（5）的轴线与悬梁轴（12）的轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的一种指尖力反馈装置，其特征在于：所述的指尖正压力反馈组件，包括弹簧座（6）、两根收缩弹簧（7）、第一牵引线（8）和第一牵引线护套（9）；弹簧座（6）与电机座（2）的悬梁轴（12）构成转动副，两根收缩弹簧（7）安装在弹簧座（6）与指尖滑移摩擦力反馈组件（14）中的外构架（15）的弹簧槽中，第一牵引线护套（9）固定安装在弹簧座（6）上，第一牵引线（8）的一端通过第一牵引线护套（9）固定安装在指尖滑移摩擦力反馈组件（14）中的外构架（15）的端面槽中；第一牵引线（8）的另一端连接到外置的拉力牵引装置中。

4.根据权利要求1所述的一种指尖力反馈装置，其特征在于：所述的指尖滑移摩擦力反馈组件（14），包括第二牵引线护套（11）、第三牵引线护套（10）、外构架（15）、四根抗压小弹簧、第一牵引连接件（17）、第二牵引连接件（20）、第一杠杆（18）、第二杠杆（21）、第二牵引线（19）、第三牵引线（22）、大摆杆支座（13）、两个定向轮和两个导线轮；大摆杆支座（13）固连在外构架（15）上，外构架（15）的槽中装有指尖扭矩反馈组件（31）中的旋转座（27），四根抗压小弹簧分别以两根为一组相互垂直安装在旋转座（27）和外构架（15）各自的弹簧孔中内；

在外构架（15）内部，第一杠杆（18）中部与外构架（15）构成转动副，第一杠杆（18）的一端按压在指尖扭矩反馈组件（31）中的旋转座（27）未安装弹簧的一个侧面上，第一杠杆（18）的另一端内安装有第一牵引线连接件（17）且构成转动副，装在第二牵引护套（11）内的第二牵引线（19）的一端固定在第一牵引线连接件（17）上，第二牵引线（19）的另一端经第一定向轮、第一导线轮连接到外置的拉力牵引装置中；

在外构架（15）内部，第二杠杆（21）中部与外构架（15）构成转动副，第二杠杆（21）的一端按压在指尖扭矩反馈组件（31）中的旋转座（27）另一侧未安装弹簧的侧面上，第二杠杆（21）的另一端内安装有第二牵引线连接件（20）且构成转动副，装在第三牵引护套（10）内的第三牵引线（22）的一端固定在第二牵引线连接件（20）上，第三牵引线（22）的另一端经第二定向轮、第二导线轮连接到外置的拉力牵引装置中。

5.根据权利要求1所述的一种指尖力反馈装置，其特征在于：所述的指尖扭矩反馈组件（31），包括第二微型伺服电机（26）、旋转盘（25）、第一齿轮（29）、第二齿轮（30）、旋转座（27）和滚珠（28）；第二微型伺服电机（26）固定安装在旋转座（27）上，第一齿轮（29）固定安装在第二微型伺服电机（26）的转轴上，第二齿轮（30）安装在旋转座（27）上，第一齿轮（29）与第二齿轮（30）啮合，第二齿轮（30）与旋转盘（25）底部的齿轮啮合，滚珠（28）分别安装旋转座（27）以及旋转座（27）与旋转盘（25）之间的滚槽内。

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