CN104965587A - 一种双指运动跟踪及力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双指运动跟踪及力反馈装置，包括固定放置的方形框架；竖直贯穿方形框架的中心杆；在方形框架内，以中心杆为公共边，一左一右滑动设置在中心杆两侧的两个菱形滑框；两个菱形滑框与中心杆平行的侧边分别连接两个水平的光滑传动杆；传动杆伸出方形框架外，指套安装于传动杆末端；位移跟踪机构位于中心杆顶端、方形框架外；力反馈机构位于中心杆底部、方形框架外。由上位机解算出手指相对位移信息，实现双指运动跟踪。进行位置检测，判断手指是否夹持到虚拟物体。若夹持到虚拟物体，上位机控制力反馈机构输出反馈扭矩，反馈给两只手指，实现单自由度双指运动力反馈功能。

Description

一种双指运动跟踪及力反馈装置

技术领域

本发明装置属于虚拟现实中的人机交互技术领域，是一种应用于遥操作系统或虚拟仿真系统中，与远地物体或虚拟物体进行交互的力反馈设备。

背景技术

虚拟现实技术是指采用以计算机为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，互相影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。虚拟现实技术在载人航天、多兵种军事联合训练与演练、医疗手术的模拟与训练、仿生机器人等领域有着重要的应用。

遥操作是虚拟现实技术应用的一个重要领域。遥操作系统可以在诸如远程医疗、空间站、战场等非确定性环境下进行复杂的作业，对环境信息的获取能力以及真实性影响着操作者的操纵质量。虚拟现实技术的引入可以扩展操作者对环境信息的认知和感知能力，建立和谐的人机环境，实现操作者与任务环境模型的动态交互。手在人类生活中具有极其重要的地位，被用来认识、了解周围的环境、改造环境、积累认知。将基于手势的人机交互技术应用于遥操作系统中，可以大大提高系统的可操作性。

随着虚拟现实技术的蓬勃反正，各种虚拟仿真系统也相继诞生，以满足不同领域的需要。基于手势的人机交互技术在虚拟仿真系统中也有着不可比拟的重要性。例如，将其集成到模拟触诊及介入手术训练系统中，医生双手操纵多自由度的人机交互设备，借助显示设备在虚拟环境下进行手术训练。在交互式设计中，如宝石雕刻、汽车中控设计等，可以帮助设计者预知人为因素的影响，做出正确的判断。

应用于遥操作系统或虚拟仿真系统的人机交互设备的研究和开发在国内外受到广泛的关注，主要研究对象集中于视觉、空间和姿态定位等，但是提供力反馈的设备尚不多见。在遥操作系统或虚拟仿真系统中，如果操作者能够用其手部操纵远地物体或虚拟物体，并在操作的同时感受到虚拟物体的反作用力(即力觉再现)，将会大大提高系统的沉浸性和交互性，改善系统的可操作性和操作质量。

发明内容

技术问题：为解决上述技术问题，本发明提供一种充分发挥了手在交互过程中的自然性、灵活性和适应性的双指运动跟踪及力反馈装置。

技术方案：本发明的一种双指运动跟踪及力反馈装置，包括固定放置的框架；竖直贯穿框架的中心杆；在框架内，以中心杆为公共边，一左一右设置在中心杆两侧的两个可变形的菱形滑框；所述菱形滑框与所述中心杆通过套环固定连接；菱形滑框变形时，其与中心杆相连的边带动中心杆在平面内沿竖直方向运动；所述每个菱形滑框与中心杆平行的侧边分别连接一个水平的，可沿水平方向运动，使得菱形滑框变形的传动杆，所述传动杆伸出框架外，在传动杆末端安装有指套；在框架外，位于中心杆顶部设有用于记录中心杆位移的位移跟踪机构，位于中心杆底部设有用于输出反馈力的力反馈机构。

所述框架的形状为方形。

所述位移跟踪机构为线位移传感器。

所述力反馈机构包括安装在中心杆上的齿条、齿轮以及固定在框架上的电机；所述电机上有电机轴；齿轮与齿条相配合，电机轴与齿轮相配合；所述电机输出反馈力，通过齿轮将反馈力传递至齿条，进而转化为竖直方向的作用力施加于中心杆。

初始状态下，为避免菱形滑框锁死，近似水平的两边与竖直方向夹角θ＝85°。

有益效果：与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：

由于应用于遥操作系统或虚拟仿真系统的人机交互设备大多集中于视觉、空间和姿态定位等，不能提供手部与远地物体或虚拟物体接触以及进行操纵时的反馈力，难以让操作者产生真实的操作感受，影响操作质量。本发明所提供的双指运动跟踪及力反馈装置解决了这一问题，装置机构设计精简、灵活、能耗小，实现了手指运动的测量的同时为操作者提供了远地物体或虚拟物体的反作用力，充分发挥了手在交互过程中的自然性、灵活性和适应性，扩展操作者对环境信息的认知和感知能力，大大提高了系统的沉浸性和交互性，改善了系统的可操作性和操作质量。

附图说明

图1是本发明装置的示意图。

图2是本发明装置的工作示意图。

附图中标号为：1.框架，2.中心杆，3.菱形滑框，4.套环，5.传动杆，6.指套，7.线位移传感器，8.齿条，9.齿轮，10.直流电机；A.菱形滑框顶点，A’.手指运动后顶点A的位置，O.菱形滑框顶点，O’.手指运动后顶点O的位置，f(x).一只手指的移动距离，l.菱形滑框边长，x.中心杆移动距离，θ＝85°。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本发明技术方案的实施方式和具体的操作过程作详细说明，但实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的双指运动跟踪及力反馈装置包括固定放置的框架1；在本发明具体实施例中，框架1的形状为方形、长方形、圆形等其他适合的几何图形；框架1用于固定、连接其他各部分组件；竖直贯穿框架1的中心杆2；在框架1内，以中心杆2为公共边，一左一右设置在中心杆2两侧的两个可变形的菱形滑框3；菱形滑框3与中心杆2连接的边通过套环4与中心杆2固定连接，即菱形滑框3与中心杆2的公共边两端安装有套环4，且这两个套环是固定在中心杆上的；同样，菱形滑框3与中心杆2连接的边通过套环4与菱形滑框3与中心杆2平行的侧边连接；初始状态下，为避免菱形滑框3锁死，近似水平的两边与竖直方向夹角θ＝85°；菱形滑框3与中心杆2平行的侧边分别连接两个水平的光滑传动杆5，所述传动杆5可以沿水平方向运动，使得菱形滑框变形；菱形滑框变形时，其与中心杆相连的边带动中心杆在平面内沿竖直方向运动；传动杆5伸出框架1外，在传动杆5末端安装有指套6；在框架1外，位于中心杆2顶部设有用于记录中心杆2位移的位移跟踪机构，在本发明具体实施例中，位移跟踪机构为线位移传感器7；在框架1外，位于中心杆2底部设有用于输出反馈力的力反馈机构；力反馈机构包括安装在中心杆2上的齿条8，固定于框架1上的齿轮9及直流电机10，电机10上有电机轴；齿轮9与齿条8相配合，电机轴与齿轮9相配合。电机输出反馈力，通过齿轮将反馈力传递至齿条，进而转化为竖直方向的作用力施加于中心杆。

框架1限定了中心杆2和传动杆5的移动方向，中心杆2只能沿竖直方向移动，传动杆5只能沿水平方向移动。与中心杆2平行的两个侧边，一方面始终呈竖直，另一方面与传动杆5连接，保证了两个侧边沿水平方向运动。

与位移跟踪机构、力反馈机构通过通信方式连接有上位机(图中未标示)；所述上位机通过通信方式接收位移跟踪机构记录的中心杆2位移，解算出手指相对位移信息；进而判断手指是否夹持到虚拟物体，若有，所述上位机控制电机输出反馈扭矩。所述上位机为PC机，其与位移跟踪机构、力反馈机构之间以有线通信方式进行连接,包括但不仅限于串口通信、usb通信等。

装置的工作示意图如图2所示，结合图1标识。两只手指分别套入指套6，手指无相对运动时，传动杆5和齿条8的位置为图中实线部分所示。两手指在平面内沿水平方向相向运动时带动传动杆5向中心杆2运动，菱形滑框3被挤压，与中心杆2平行的菱形滑框3的侧边沿水平方向向中心杆2运动，引起菱形滑框3变形，与中心杆2相连的菱形滑框3的边带动中心杆2在平面内沿竖直方向向下运动，运动后各构成部分的位置如图2中虚线部分所示。

如图2所示，手指产生相向运动后，菱形滑框3顶点A移动到A’位置，菱形滑框3顶点O移动到O’位置。线位移传感器7测量中心杆2的位移，记为x。记一只手指的移动距离为f(x)，左侧手指以向右运动为正方向，右侧手指以向左运动为正方向。

与中心杆2相连的菱形滑框3的边近似为水平，即θ≈90°，观察直角三角形A’OO’，根据勾股定理：

x²+(l-f(x))²＝l²

其中，f(x)为一只手指的移动距离，左侧手指以向右运动为正方向，右侧手指以向左运动为正方向；l为菱形滑框3的边长；x为线位移传感器7测得的中心杆2的移动距离。

由上式可得：

$f\left(x\right)=(l-\sqrt{l^2-x^2})$

其中，f(x)为一只手指的移动距离，左侧手指以向右运动为正方向，右侧手指以向左运动为正方向；l为菱形滑框3的边长；x为线位移传感器7测得的中心杆2的移动距离。

两只手指的相对位移表示为：

$F\left(x\right)=2\·(l-\sqrt{l^2-x^2})$

其中，F(x)为两手指相向运动的相对位移。

位移跟踪机构将记录的中心杆2位移发送给上位机，上位机接收位移跟踪机构记录的中心杆2位移，解算出两手指相向运动的相对位移，实现单自由度双指运动跟踪功能。上位机通过手指相对于初始位置相对移动的距离进行位置检测，进而判断是否夹持到虚拟物体。若上位机检测到手指夹持到虚拟物体，则上位机控制电机轴输出一反馈扭矩，电机轴与齿轮9相配合，通过齿轮9将反馈扭矩传递至齿条8，进而转化为竖直方向的反馈力施加于中心杆2，中心杆2将反馈力作用于菱形滑框3进而通过传动杆5传递至指套6，实现单自由度双指运动力反馈功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双指运动跟踪及力反馈装置，其特征在于：包括固定放置的框架；竖直贯穿框架的中心杆；在框架内，以中心杆为公共边，一左一右设置在中心杆两侧的两个可变形的菱形滑框；所述菱形滑框与所述中心杆通过套环固定连接；菱形滑框变形时，其与中心杆相连的边带动中心杆在平面内沿竖直方向运动；所述每个菱形滑框与中心杆平行的侧边分别连接一个水平的，可沿水平方向运动，使得菱形滑框变形的传动杆，所述传动杆伸出框架外，在传动杆末端安装有指套；在框架外，位于中心杆顶部设有用于记录中心杆位移的位移跟踪机构，位于中心杆底部设有用于输出反馈力的力反馈机构。

2.根据权利要求1所述的双指运动跟踪及力反馈装置，其特征在于：所述框架的形状为方形。

3.根据权利要求1所述的双指运动跟踪及力反馈装置，其特征在于：所述位移跟踪机构为线位移传感器。

4.根据权利要求1所述的双指运动跟踪及力反馈装置，其特征在于：所述力反馈机构包括安装在中心杆上的齿条以及固定在框架上的齿轮、电机；所述电机上有电机轴；齿轮与齿条相配合，电机轴与齿轮相配合；所述电机输出反馈力，通过齿轮将反馈力传递至齿条，进而转化为竖直方向的作用力施加于中心杆。

5.根据权利要求1所述的双指运动跟踪及力反馈装置，其特征在于：初始状态下，为避免菱形滑框锁死，近似水平的两边与竖直方向夹角θ＝85°。