CN105189050A - 模块化外骨骼力反馈控制器 - Google Patents
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Abstract
设计成穿戴在用户的肢体上的便携式力反馈控制器(PFFC)，跟踪用户的肢体的运动并且提供力反馈能力。在一些实施方式中，PFFC可包括能迅速地并容易地连接和断开的可交换模块，使得PFFC可容易地为了特定应用而改变。在其他实施方式中，各种PFFC模块可移动地耦接并且具有至少一个自由度，使得PFFC能准确地遵循用户的肢体的自然运动。
Description
本发明的技术领域
本发明总体上涉及力反馈控制器的领域。具体地，本发明针对模块化外骨骼力反馈控制器。
背景技术
力反馈控制器(FFC)是一种通过人操作者感测运动并对那个操作者给予力的人/机界面(human/computerinterface)。FFC能利用对操作者给予的力来获得(engage)操作者的触觉感知。与非计算机任务连接的用户通常利用视觉和触觉反馈的组合(看见任务的一方面，同时感觉另一方面)。将这个感觉组合到人机界面中能具有各种好处，包括使得这样的界面更高效并且对于用户更直观，让操作者沉浸在计算机模拟中发生的事件中，并且使得这样的模拟感觉更逼真。
通常，FFC能是外部环境的一部分(例如，力反馈操纵杆)或者由人操作者穿戴(例如，力反馈手套)。利用可穿戴的并且便携式的FFC、以及能给予更丰富的一系列力以产生具有更细微差别的触觉感知的FFC能实现很多好处。然而，现有的便携式FFC在各个方面存在不足，包括重、体积大、不舒服、制造成本高、在它们能提供的感觉反馈方面受限制、以及不能将所给予的力准确地定位在操作者的身体上的具体位置处。
本公开的概要
在一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器。该力反馈控制器包括腕部模块以及手柄模块，所述腕部模块包括第一肢体附接件，该第一肢体附接件被配置为将所述力反馈控制器耦接至用户的手臂，所述手柄模块耦接至所述腕部模块，所述手柄模块能相对于所述腕部模块在第一方向和第二方向上移动，所述第一方向基本垂直于所述第二方向，所述手柄模块包括具有手柄附接件的线性滑动机构，所述手柄附接件被限制为在基本垂直于所述第一方向和所述第二方向中的至少一者的第三方向上的线性运动，并且其中，所述手柄附接件被配置为将手柄耦接至所述手柄模块。
在另一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器。该力反馈控制器包括腕部模块、前臂模块以及外骨架构件，所述腕部模块包括第一肢体附接件，该第一肢体附接件被配置为耦接至用户的手臂的第一部分，所述前臂模块包括第二肢体附接件，该第二肢体附接件被配置为耦接至用户的手臂的第二部分，所述外骨架构件具有第一端和第二端，所述前臂模块耦接至所述第一端，并且所述腕部模块耦接至所述第二端，所述外骨架构件包括扭转模块，所述扭转模块具有扭转元件，该扭转元件被配置为允许所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对扭转运动，并且基本防止所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对轴向运动。
在又一个实施方式中，本公开针对一种力反馈控制器外骨架。该力反馈控制器外骨架包括前臂模块、腕部模块、以及手柄模块，所述前臂模块和所述腕部模块被设计并配置为能移除地耦接在一起以形成所述力反馈外骨架控制器，并且所述手柄模块能移动地耦接至所述腕部模块并且相对于所述腕部模块具有至少一个运动自由度；并且所述手柄模块包括线性滑动机构以及耦接至所述线性滑动机构的手柄，所述手柄被限制为相对于所述腕部模块在线性方向上运动。
附图的简要说明
为了阐明本发明，附图示出了本发明的一个或多个实施方式的各个方面。然而，应当理解的是，本发明不限于在附图中示出的精确布置和手段，其中：
图1示出了示例性模块化的且便携式的力反馈控制器；
图2示出了另一个示例性模块化的且便携式的力反馈控制器；
图3是肢体附接件的立体图；
图4示出了旋转驱动模块；
图5是线性驱动部件的立体图；
图6是下臂扭转模块的立体图；
图7示出了肘部模块；
图8示出了使用中的示例腕部模块和手柄模块；
图9示出了使用中的耦接至手柄模块的人体工程学把手形式的手柄；
图10示出了使用中的耦接至手柄模块的手枪把手形式的手柄；
图11示出了示例性下臂扭转模块；
图12示出了下臂扭转模块的另一实例；
图13示出了具有多中心铰链的肘部模块；
图14示出了手柄和腕部模块配置；
图15示出了前臂、肘部和上臂模块配置；
图16是示例力反馈控制器系统架构的框图；
图17是图16的系统架构的示例实施方式；
图18是电机驱动部件的实例的电路图；
图19示出了图2的模块化的且便携式的力反馈控制器的腕部模块和手柄模块的一部分的立体图。
详细说明
本发明的一些方面包括用于改进的人机界面和计算机模拟控制的各种便携式FFC(PFFC)装置以及系统。本文中描述的PFFC能用于各种应用中，包括用于增加人操作者的精确度和/或力量，并且用于在诸如计算机模拟、数据探查和游戏的应用中提高操作者和合成环境之间的交互的效率和质量。本文中描述的PFFC还可用于帮助测量、引导、训练、或者加强人操作者运动，以用于这样的尝试，诸如物理疗法、职业治疗、体育训练、以及其他治疗和训练使用。并且还可用于在具有远程环境的遥控操作和遥控机器人交互中向人操作者提供增加的感官意识以及使用的简易性。例如，本文中描述的PFFC可允许对遥控机械手的运动的更自然的且直观的控制，以通过反馈远程感应的力而允许人操作者更精细地和/或更迅速地执行远程操作任务，并且因此，使通过远程机械手的不期望的碾压或碰撞最小化。
如以下更充分地描述的，本文中描述的PFFC通过提供对操作者的运动的精确跟踪、施加高保真度力、成为能源高效的、体积最小的、成为重量轻的、以及成为舒适的且人体工程学的以允许长时间使用来向诸如以上描述的应用提供改进的解决方案。
示例PFFC实施方式包括模块化PFFC，该模块化PFFC可通过添加物理模块和部件而提供依次添加功能和/或结构的能力。本文中描述的模块化PFFC包括可附接至其他模块并且可从其他模块移除的模块，其中，每个模块可适合于穿戴在人体的特定解剖学部分上。该模块可包括用于可移除地附接至相邻的模块或者横跨相邻的模块的结构、或者用于接合两个模块的可移除的中间接合部件。这样的模块化提供了可为了各种不同的应用和使用情形迅速地并容易地改变的PFFC系统。例如，开放性手术模拟可由仅获得腕部和手的PFFC最好地服务，而包括虚拟工具的装置组件模拟可需要获得手、腕部和前臂的PFFC。作为另一实例，可期望在游戏或模拟中获得人操作者的手、腕部、前臂、以及肘部和/或肩部，例如，以提供对虚拟对象的重量的更逼真的感觉，并且提供对复杂的运动(诸如投掷和抓握)的更高保真度控制。这样的模块化较特定的现有技术控制器提供了显著好处，其中，定制的外骨骼控制器为特定的使用情形而设计。操作者通常将必须做出应有的次优控制器配置以供使用，而不是设计特定的一个控制器，因为定制控制器的开发是一个费时且昂贵的过程。
考虑到本文中描述的PFFC的各种方面的广泛适用性，图1示出了示例性模块化外骨架PFFC系统100，该系统被设计并且被配置为穿戴在操作者的手臂上。示例PFFC100具有六个模块，包括肩部模块110、上臂模块112、肘部模块114、前臂模块116、腕部模块118以及手柄模块120。模块110-120中的每个能可移除地连接至相邻的模块，使得每个模块可迅速地并容易地机械和电连接至其他模块。模块110-120中的每个是具有用于将模块附接至特定解剖学位置的舒适的且人体工程学的零件(feature)的轻重量结构，同时还具有用于广泛系列的应用的合适的结构完整性。模块110-120还可具有用于将PFFC100的大小调节至特定用户的尺寸的调节机构。
模块110-120中的一个或多个可具有一个或多个自由度并且被配置为相对于其他模块运动，使得PFFC100可遵循(follow)用户的手臂的自然运动，并且如以下描述的，可在各个方向和位置上对用户给予力。例如，肘部模块114被配置为绕枢轴点122枢转，使得第一侧向构件124可相对于第二侧向构件126在由箭头1A示出的方向上枢转。前臂模块116可被配置为相对于腕部模块118在箭头1B的方向上进行扭转运动。相似地，腕部模块118可被配置为相对于前臂模块116和手柄模块120中的一者或两者在箭头1C的方向上进行扭转运动。在一些实施方式中，当模块116和118可被配置为进行相对扭转运动时，PFFC100可具有基本防止在其他方向上的相对运动(例如，在由箭头1D示出的方向上的相对线性运动)的结构零件，这可提供PFFC的操作所需要的结构完整性。手柄模块120可配置有一个或多个自由度，以遵循用户的手相对于用户的腕部的自然运动。示例手柄模块120相对于腕部模块118具有三个自由度，包括在箭头1E方向上的俯仰(腕部桡/尺偏斜)，在1F方向上的偏转(腕部曲/伸)，以及在箭头1G方向上的线性轴向运动。如以下描述的，在方向1G上的线性轴向运动的能力可允许手柄模块120适合于特定用户的手的尺寸，并且还可包括在箭头1G的方向上提供触觉力的能力。
在PFFC100中可利用各种位置传感器，该位置传感器可被设计成将每个模块的整体和/或相对位置传送至计算机系统。可使用各种不同的位置传感器，包括惯性测量部件(IMU)，该惯性测量部件可包括一个或多个加速计、陀螺仪和/或磁力仪。PFFC100分别包括肩部模块110中的位置传感器128、肘部模块114中的位置传感器130和132、以及前臂模块116、腕部模块118和手柄模块120中的位置传感器134、136和138。位置传感器128-138中的每个可提供描述每个模块相对于其他模块的位置的高分辨率位置信息。在可替换的实施方式中，除了一个或多个传感器128-138以外或者代替一个或多个传感器，可使用旋转传感器，诸如旋转光学编码器，以提供有关一个或多个模块的旋转位置的信息。
PFFC100还可包括被配置为在各个模块114、118和120上给予力的驱动模块140、142和144。如以下将更详细地描述的，驱动模块140、142和144可包括设计成在PFFC100上给予力的部件，诸如电机，成形的记忆合金或者超声波致动器，并且还可包括用于将力传递至PFFC100的结构的相应结构。驱动模块140耦接至肘部模块114并且被配置为在第一侧向构件124和第二侧向构件126上给予力，使得肘部模块在箭头1A的方向上枢转。腕部模块118可包括可被配置为在由箭头1E-G示出的一个或多个方向上在手柄模块120上给予力的驱动模块142，并且手柄模块120可包括可被配置为在由箭头1E-G示出的一个或多个方向上给予力的驱动模块144。因此，驱动模块140-144被配置为提供分布在用户的手臂上的一系列高精确度的且局部化的触觉感觉，这可用于各种应用。
手柄模块120可具有各种配置，并且可为高度可适应的，使得PFFC100可用于各种应用。例如，手柄模块120可包括将一个或多个控制器或者器械可移除地机械和电连接至PFFC100的零件。例如，在计算机模拟应用中，手柄模块120可包括检测连接至手柄模块120的手柄的类型的逻辑并且可对计算机模拟进行相应更新。例如，当前臂的模型连接至手柄模块120时，可激活用于控制并提供关于前臂的触觉力的相应软件。在医疗或遥控机械手应用中，连接至手柄模块120的模型器械的类型可调用几何学和力信息的不同资料库，使得对于PFFC100的给定运动，在远程位置处的器械的运动和力的大小可根据耦接至手柄模块的器械而改变。
图2-7示出了被设计并被配置为穿戴在用户的手臂上的示例PFFC200。与PFFC100相似，PFFC200包括上臂模块210、肘部模块212、前臂模块214、腕部模块216、以及手柄模块218。模块210-218中的每个包括肢体附接件220，如以下结合图3更详细地描述的，该肢体附接件将每个模块附接至用户的手臂上的各个位置。在所示的实施方式中，模块210-218中的每个利用相同类型的肢体附接件220，该肢体附接件被设计并被配置为可调节至各种不同的大小，使得每个肢体附接件220可牢固地耦接至用户的手臂的任何部分。在其他实施方式中，肢体附接件的大小可在模块之间变化。肢体附接件220提供了重量轻的且非常舒适的附接机构，这实现了PFFC200的舒适的长期使用。每个肢体附接件220能滑动地耦接至各个细长构件(本文中也被称为接收件230、232、234)，使得肢体附接件220中的每个的位置可调节成使PFFC200适合特定用户。一旦定位好，肢体附接件220可通过拧紧固定螺钉362(图3)固定到位。
模块210-218中的每个被配置为相对于另一个模块进行相对运动，使得PFFC200可遵循用户的手臂的自然运动并且被配置为向用户给予触觉力。例如，肘部模块212的第一侧向构件240和第二侧向构件242可绕枢轴点244在箭头2A的方向上枢转，使得上臂模块210可相对于前臂模块214运动并且允许用户弯曲她的手臂。肘部模块212还具有旋转驱动部件250，该旋转驱动部件被配置为在肘部模块212上给予触觉力并且使得第一侧向构件240和第二侧向构件242在箭头2A的方向上运动。如以下结合图7描述的，示例旋转驱动部件250包括用于产生力的电机252以及用于将力从电机传递至侧向构件240、242的传动带和滑轮系统254。在所示实施方式中，电机252是能向后驱动的DC电机。
前臂模块214和腕部模块216被配置为在箭头2B和2C的方向上进行相对扭转运动，以允许沿着用户的下臂在肘部和腕部之间的部分的扭转运动。在所示实施方式中，这样的相对扭转运动利用下臂扭转模块260实现，该下臂扭转模块被设计并且被配置为在基本防止在箭头2D方向上的轴向运动的同时允许相对扭转运动。如将结合图6更详细地描述的，下臂扭转模块260提供了在限制其他自由度的同时实现特定自由度的精确的低成本解决方案。与手柄模块120一样，手柄模块218相对于腕部模块216具有三个自由度，包括俯仰、偏转和线性轴向运动。在所示实施方式中，俯仰和偏转分别利用两个旋转驱动部件270和272提供，并且线性轴向运动利用线性滑动机构(本文中也被称为Z-滑动件270)提供，该Z-滑动件的一部分在图4和图5中进一步示出。与肘部模块212的旋转驱动部件250一样，示出的旋转驱动部件270和272包括电机410(图4)以及传动带和滑轮系统412(图4)，它们在图2中被盖276和278从视野中遮挡。示出的Z-滑动件利用线性驱动部件280(图5)提供线性运动和触觉力能力，该线性驱动部件包括电机510(图5)和齿条与齿轮512(图5)，它们在图2中被盖282从视野中遮挡。在所示实施方式中，电机410和510是能向后驱动的DC电机。
PFFC200还包括电子设备盒280，该电子设备盒连接至PFFC的一个或多个部件并且经由信号电缆或者无线信号传输界面提供控制功能。电子设备盒280可包括用于将AC电力转换成由各个部件所需要的DC电力的整流器以及相关联的部件，和/或可包括电池组。可替换地，提供DC电力的电缆可连接至电子设备盒。电子设备盒280和/或其他电缆可经由包括用于接收来自各个模块信号和/或将信号传输至各个模块的各个端口的一个或多个接线盒282或者其他接口与模块210-218连接。接线盒282、腕部模块216和手柄模块218还包括IMU位置传感器(未示出)，该IMU位置传感器被配置为收集与结构的位置、运动、速度、加速度和/或其他运动相关的方面有关的各种数据。
图3更详细地示出了肢体附接件220。如上所述，在所示实施方式中，制造的简易性和成本降低通过利用用于将模块220、214和216(图2)中的每个附接至用户的手臂的相同的肢体附接件220来实现。在可替换的实施方式中，一个或多个模块220、214和216可具有尺寸形成为用于特定解剖学位置的特定肢体附接件。肢体附接件220的设计和配置对PFFC200的成功操作是关键性的，因为PFFC200必须对于广泛的一系列用户而言是舒适的，并且还必须将PFFC200牢固地耦接至用户，使得由PFFC产生的触觉力在合适的解剖学位置被感觉到。例如，如果附接结构没有被合适地设计使得其没有合适地符合用户的手臂的形状，则结构会过松，在这样的情况下，旨在被感觉到的触觉力(例如，在用户的手或肘部区域)会改为沿着控制器的结构被传递，而在附接结构所处的用户的皮肤上会感觉到更像是一种不舒服的拉扯的感觉。另外，为了将这样的不舒适的肢体附接件固定至用户，肢体附接件会需要进行不舒适地紧固，例如形成夹点，这将阻碍舒适的长期使用。
相反地，肢体附接件220提供用于PFFC200(图2)的重量轻的且舒适的附接机构，这实现了PFFC的舒适的长期使用。肢体附接件220包括耦接至基座312的外壳310。外壳310由上部314和下部316组成，该上部和下部被配置为环绕并且耦接至用户的手臂。上部314枢转地并且可滑动地耦接至下部316，这允许外壳310的形状符合广泛的一系列手臂截面形状，从而导致高度符合的牢固的且舒适的安装。在所示实施方式中，上部314通过使上部314的第一端322和第二端324中的狭槽318、320结合而枢转地并且可滑动地耦接至下部。狭槽318、320中的每个大小形成为并且被配置为可滑动地并且枢转地耦接至销326、328(仅示出一个)，使得第一端322和第二端324可在箭头3A和3B的方向上独立地滑动。上部314还被配置为在箭头3C的方向上绕销326、328枢转，以进一步实现可调性。
下部316具有包括内壁330和外壁332的双壁设计，该内壁和外壁分别大小形成为并配置为用于将上部314的第一端322和第二端324的滑动地接收在其间。这样的双壁配置有助于不阻碍上部314和下部316的滑动接合以及可调性的简易性。示出的肢体附接件220利用线和线轴附接系统340，该线和线轴附接系统被设计成可滑动地调节上部314的位置并且将上部固定至下部316。线和线轴系统340包括线342、344(仅示出一个)，该线耦接至第一端322和第二端324以及线轴346，该线轴能用于通过旋转线轴来调节线342、344(仅示出一个)的长度，并且将线固定至基座312。在所示的实施方式中，线轴346被配置为当其在箭头3D的方向上被远离基座312拉动时释放线342、344并且当其被推动到基座中时接合线。线342和344可被拧紧或者松开，从而通过顺时针或逆时针地旋转线轴346来拧紧或松开外壳310。示出的线轴346具有棘齿机构，使得在拧紧之后，线轴保持在位，从而固定线342和344以及外壳310。线342、344可由各种材料制成，包括聚合物纤维，诸如聚乙烯纤维，诸如光谱电缆。外壳310的示出的实施方式由高密度聚乙烯(HDPE)构造，这在低成本材料中提供了合适的柔性和强度。可替换的实施方式可由各种其它材料构造，诸如尼龙、聚丙烯以及其他耐用的且柔性的塑料。
肢体附接件220还具有位于外壳310的内表面的一部分上的缓冲材料350。在所示的实施方式中，缓冲材料350是粘弹性泡沫，该粘弹性泡沫具有适合用于肢体附接件220的独特性能。具体地，缓冲材料350具有使得缓冲材料舒适地符合用户的手臂的形状但是当经受突然的力(诸如冲击力，诸如由PFFC200产生的力)时抵抗在形状上的变化的材料特性。这样的材料特性帮助使得肢体附接件220舒适地且牢固地附接至用户的手臂，使得当由PFFC200产生触觉力时，PFFC牢固地耦接至用户的手臂，并且在预期的位置处(诸如在用户的手中)感觉到力。
肢体附接件220还包括基座312。基座312是大致圆柱形的突起，该突起被设计成通过使细长构件中的一个滑动到开口360中而与PFFC200结构(诸如细长构件230、232、234(图2))可滑动地耦合。示出的基座312包括至少一个平面362，该平面与PFFC结构200(诸如细长构件230、232、234)中的相应平面配合，以防止肢体附接件220相对于细长构件的旋转。基座312还包括固定螺钉362，该固定螺钉允许通过将肢体附接件拧紧在细长构件上来将每个肢体附接件迅速地并容易地附接至PFFC200。
图4示出了旋转驱动部件270(图2)，该旋转驱动部件实现了手柄模块218(图2)能够相对于腕部模块216(图2)的俯仰运动，并且还在俯仰方向上提供触觉力。实现偏转运动并且在偏转方向上产生触觉力的旋转驱动部件272(图2)具有与旋转驱动部件270相似的配置。旋转驱动部件270包括电机410，在所示的实施方式中，该电机是能向后驱动的DC电机。由电机410产生的力经由传动带和滑轮系统412传递至手柄模块218(图2)，该传动带和滑轮系统包括驱动滑轮414、从动滑轮416、传动带418以及一对张紧件420。在所示的实施方式中，传动带418是齿形传动带。旋转驱动部件272通过结构构件422将PFFC200放在地上，该结构构件也能在图2中看出。由旋转驱动部件270产生的力通过结构构件428(还在图2、图9和图10中看出)传递至手柄模块281，该结构构件耦接至Z-滑动件274(图2)的近端。因此，通过使两个L形的结构构件(422和428)结合而以紧凑的空间包络利用高度可靠的并且有力的设计来设计并配置旋转驱动部件270和272，这为手柄模块218提供两个自由度以及与腕部模块216的单个接触点(在此，结构构件422耦接至旋转驱动部件272)。此外，构件428还被配置为向前偏移，使得构件428的远端1050(图10和图19)远离该构件的近端452(图4)，使得俯仰旋转点454(图4、图19)可与用户的腕部中的俯仰旋转的自然位置相邻，同时Z-滑动件274的耦接至构件428的远端1050(图10和图19)的近端1056(图10和图19)足够远，以使手柄(诸如手柄1000(图10))与用户的手掌对准。这样的配置允许手柄模块218的更自然的运动，尤其是在俯仰方向上，并且实现了更紧凑的Z-滑动件274设计，因为Z-滑动件的近端1056可定位成更靠近用户的手掌的位置。
图19进一步示出了腕部模块216和手柄模块218的配置。应注意的是，为了说明起见，腕部模块216和手柄模块218的几个部件已从图19中移除。如示出的，旋转驱动部件272位于腕部模块216的底部上，并且电机以及传动带和滑轮系统(未示出)在盖278下方，该电机以及传动带和滑轮系统与旋转驱动部件270(图4)的电机410以及传动带和滑轮系统412相似。旋转驱动部件272通过结构构件422在19A的方向上的运动来提供偏转运动以及在偏转方向上的力。如图19所示，旋转驱动部件270和手柄模块218耦接至结构构件422，使得当旋转驱动部件272使结构构件422移动时旋转驱动部件270和手柄模块两者均在偏转方向上移动。旋转驱动部件270通过结构构件426在19B的方向上的移动来提供俯仰运动以及在俯仰方向上的力，这使手柄模块218在俯仰方向上移动。
为了便于紧凑设计，电机410与被配置为提供力的电机的运动平面以平行的关系布置。例如，电机410以基本竖直的配置耦接至PFFC结构422并且使得手柄模块218(图2)在俯仰方向上或者在竖直平面上移动。一对伞齿轮430实现了这样的紧凑布置。旋转驱动部件272还包括旋转位置传感器432，该旋转位置传感器安装在电机410的壳体中，该旋转位置传感器可用于产生表示手柄模块218的位置的信号，该旋转位置传感器可例如通过如下所述的PFFC控制系统使用。在所示的实施方式中，旋转位置传感器432是旋转光学编码器。因此，旋转驱动部件272和270具有紧凑的、低成本的且可靠的设计并且被配置为向手柄模块218(图2)提供两个自由度和两个程度的扭矩反馈回能力。
图5示出了Z-滑动件274(图2)的线性驱动部件500的一部分。如上所述，Z-滑动件274被配置为向手柄模块218(图2)提供轴向线性自由度并且还被配置为在那个相同的方向上提供触觉力。Z-滑动件274独特地允许手柄模块218自动地适应不同长度的手，并且允许对耦接至手柄模块218的手柄的位置、以及施加在用户的手上的力的感测。Z-滑动件274包括电机510，在所示的实施方式中，该电机是能向后驱动的DC电机。由电机510产生的力经由齿条和齿轮系统512传递至手柄模块218(图2)。与旋转驱动部件270、272一样，通过允许电机510平行于Z-滑动件274，Z-滑动件274利用一对伞齿轮514来提供紧凑的且可靠的设计。因而，Z-滑动件274能在轴向方向上提供触觉力，如以下描述的，该触觉力可用于各种应用中，以提高PFFC200的力反馈能力。Z-滑动件274还包括安装在电机510上的旋转位置传感器516，在所示的实施方式中，该旋转位置传感器是旋转光学编码器。在可替换的实施方式中，Z-滑动件位置信息可利用可替换的旋转传感器和/或利用耦接至齿条和齿轮512的线性位置传感器获得。PFFC的可替换的实施方式可包括没有任何感觉、显示或致动能力的Z-滑动件，它主要被配置为允许手柄模块218通过被动运动自动地调节为不同用户的手大小。在其他实施方式中，没有Z-滑动件的手柄可直接结合到腕部模块216(图2)中。
图6示出了下臂扭转模块260(图2)。如上所述，下臂扭转模块260实现了特定的自由度，同时限制其他自由度。具体地，下臂扭转模块260允许前臂模块214和腕部模块216之间的相对扭转运动，同时基本防止相对轴向运动，使得轴向力可在前臂模块和腕部模块之间传递并且防止前臂模块从用户的手臂向下滑动。下臂扭转模块260包括在连接环612、614之间延伸的弹性元件610，该连接环通过固定螺钉622、624耦接至管子616、620。在所示的实施方式中，弹性元件610由HDPE制成。这个布置提供了用户的腕部和前臂之间的旋转/扭转的相当大的活动自由，而且具有充足的沿着手臂的刚度，以沿着PFFC200传递力。管子616和620提供了结构构件以及用于在腕部模块216和前臂模块214之间走线的布线626的管道的双重目的。
图7进一步示出了肘部模块212(图2)。肘部模块212被配置为通过允许第一侧向构件240和第二侧向构件242绕枢轴点244枢转而允许PFFC200遵循用户的手臂的自然运动。肘部模块212还包括驱动部件250，该驱动部件被配置为在枢轴点2244处在第一侧向部件240和第二侧向部件242上施加力。驱动部件250包括电机252以及传动带和滑轮系统254。在所示的实施方式中，电机252是能向后驱动的DC电机。传动带和滑轮系统254包括驱动滑轮710、从动滑轮712、两对张紧件714、716以及齿形传动带718。可替换的致动装置可包括成形的记忆合金和超声波致动件。肘部模块212还包括用于感测用户的肘部角度的零件(诸如旋转位置传感器，诸如位于电机252上的旋转光学编码器720)或者用于检测用户的肘部关节处的位置、旋转和力数据的其他传感器。另外的或者可替换的传感器可包括电位计或者其他可变电阻元件和/或IMU，诸如附接至前臂模块214的加速计、陀螺仪、和/或磁力仪。
肘部模块212还包括接收件724、726，该接收件大小形成为、定位为、以及另外被配置为支撑和/或连接至前臂模块214和上臂模块210并且允许模块被调节为适应不同的手臂大小。肘部模块212还可包括可变电阻元件，该可变电阻元件对摩擦制动衬垫起动压力，以基于各种输入因素改变运动的阻力。其他变型包括对两个磁性板之间的运动提供电磁阻力的结构、或者对如受被迫通过电地或机械地控制的流量阀的液压或空气控制的运动提供阻力的结构。
图8示出了具有可移除地耦接于此的示例手柄810的手柄模块218和腕部模块216(图2)。如上所述，手柄模块218包括旋转驱动部件270、272(在图8中仅示出一个)和Z-滑动件274。手柄模块218的位置可从位于旋转驱动部件和线性驱动部件270、272、280中的电机上的旋转光学编码器确定，或者可通过其他方式确定，诸如为手柄模块218添加IMU传感器。手柄模块218还包括手柄附接件812，该手柄附接件被设计成将示例手柄810可移除地耦接至Z-滑动件274。手柄附接件812被配置为将各种手柄(诸如手柄810)容易地并迅速地机械和电连接至手柄模块218，使得用户能在使用期间容易地交换手柄。在所示的实施方式中，手柄附接件812被配置为经由印刷电路板(PCB)电连接件以及导电弹性元件形成与手柄的电连接，该导电弹性元件包括泡沫构件和位于泡沫构件中的导电元件。导电弹性元件被配置为定位在手柄附接件812PCB和位于手柄中的PCB之间，从而形成电连接。示例手柄810包括安装至Z-滑动件274的灵巧的把手结构820。如示出的，Z-滑动件274和手柄810定位于用户的腕部的远端、以及旋转驱动部件270、272的远端(在图8中仅示出一个)。在使用中，灵巧的把手结构820可使用附接结构(诸如类似手套的织物结构822)横穿用户的手掌区域附接至用户的手，并且使用带子调节。示例手柄810允许用户在穿戴PFFC200的同时拾起并操纵对象。可耦接至手柄模块218的手柄的其他实施方式包括用于将手柄模块机械地耦接至用户的手的任何结构，包括没有被设计成由用户的手抓握的结构，诸如灵巧的把手结构820，该把手结构被设计成与用户的手的背面相邻，如图8所示。
图9和图10示出了可移除地耦接至手柄模块218的可替换的手柄900和1000。手柄模块218和Z-滑动件274可适应各种主动(例如，具有各种感觉、显示和致动能力)或被动抓握。手柄900(图9)包括耦接至Z-滑动件274的类似控制杆的人体工程学把手910。把手910可包括被配置为PFFC应用提供输入的4位置帽开关912、以及用于检测用户何时握住把手的红外近程传感器(未示出)。手柄900的可能应用包括车辆控制和飞行模拟。手柄1000(图10)包括耦接至Z-滑动件274的手枪把手1002。手枪把手1002可包括扳机致动的开关1004以及任意数量的配置按钮，诸如沿着手柄1000的侧面的按钮1006。手柄1000可例如用于武器训练模拟以及游戏。在所示的实施方式中，Z-滑动件274可提供专用于手柄1000的触觉力反馈能力，诸如当开枪时是后坐力。在一个实施方式中，手枪把手1002还具有内部螺线管(未示出)，该内部螺线管可通过提供除了由Z-滑动件274产生的那些力之外的另外的脉冲反作用力来为用虚拟手枪开枪增加另外的触觉真实性。
图11和图12示出了扭转模块的可替换的实施方式，该扭转模块可用于允许相邻的模块之间的相对扭转运动。例如，可使用扭转模块1100或扭转模块1200代替下臂扭转模块260(图2和图6)。扭转模块1100包括使伸缩结构1106和接头1108和1110接合的两个侧向臂构件1102、1104，该接头允许相邻的模块之间的相对运动。扭转模块1100的全长可通过使伸缩部分1106的螺纹外轴1112相对于螺纹内轴1114旋转来调节为例如符合用户的手臂的长度。电缆可通过管子1120和1122的内腔走线。扭转模块1200(图12)包括接合在接头1206处的第一臂构件1202和第二臂构件1204，该接头允许相对旋转运动以及角运动，但基本防止轴向运动。接头1206可包括能用于提供操作者的下臂的扭转的高分辨率感测的高分辨率旋转光学编码器。
图13示出了可用于肘部模块(诸如肘部模块212)中的可替换的铰链机构1300。铰链1300包括通过多中心铰链1306枢转地耦接的第一侧向构件1302和第二侧向构件1304。多中心铰链1306是齿轮机构，该齿轮机构可提供为1：1或者除了1：1以外的比率的第一侧向构件1302和第二侧向构件1304之间的角运动的比率。例如，对于第一侧向构件1302绕多中心铰链1306的指定量的角运动，第二侧向构件1304可移动不同的量。这样的关系可用于提供更接近遵循用户的手臂的自然运动的肘部模块，这可防止肢体附接件和用户的手臂之间的不需要的相对轴向运动。
如上所述，PFFC的示例实施方式包括模块化PFFC，其中，PFFC由可交换的模块组成，对于不同的应用，该可交换的模块可容易地连接和移除。因此，模块的子集可用于专用目的。例如，可用的PFFC模块的子集可用于特定目的。这允许PFFC为了需要的功能而最佳地重新配置。示例实施方式通过使用标准化的机械配合零件以及电数据和电力连接件而支持这个可置配性。例如，在一个实施方式中，1/2”(或者其他大小的)铝管或者具有双平面的其他线传送结构可广泛地用于PFFC的结构以及其模块中。模块可利用合适的配合部件(诸如销和接收件)容易地附接至这些管子或者其他线传送结构，并且可利用固定螺钉固定至结构，或者使之沿着结构滑动，如果适合的话。在一个实施方式中，圆形的、推拉式的、自闭锁的、快速断开的连接件可用于允许模块之间的数据和电力连接迅速建立或断开，以便重新配置。图14和图15示出了PFFC的能力，诸如用于模块化的PFFC200。例如，图14示出了腕部模块216和手柄模块218可如何与其他模块无关地使用，这可为武器训练或者游戏提供高度便携式控制器。图15示出了另一实例，其中，前臂模块214、肘部模块212和上臂模块210可与其他模块无关地用于各种应用，诸如肘部训练或物理疗法。
图16-图18示出了可与各种PFFC实施方式一起使用的示例计算机和电力系统架构。示例系统架构1600包括可包括一个或多个处理器的处理部件1602、外部通信部件1604、内部通信部件1606、电机驱动部件1608以及编码器接口部件1610。外部通信部件1604可为被配置为处理PFFC电子设备和机载或者远程主计算机之间的通信的发射器、接收器、收发器、通信端口或者其他通信装置。各种有线和无线通信协议可由外部通信部件1604处理。内部通信部件1606可处理PFFC的模块和部件之间的数据通信，诸如与附接至手柄模块的手柄的通信。
电机驱动部件1608可包括被配置为允许处理部件1602控制一个或多个电机上的扭矩的编码器或驱动器。例如，控制可包括使用两个脉冲宽度调制(PWM)控制信号和方向信号。与由DC电机使用的电流成正比的模拟信号可提供至处理部件1602，使得扭矩控制可对电机产生影响。各种电机可由电机驱动部件1608操作。任何模块可包括电机和电机驱动部件。用于任何模块的电机驱动部件1608可驱动各个模块的电机并且因此向用户提供力反馈。另外的感测能力和可选的制动阻力或者扭矩电机致动结构可由任何模块和/或它们的部件包括。
编码器接口部件1610可接收和/或处理来自诸如以正交形式设置的任何模块的驱动部件的线性和旋转传感器信息。编码器接口部件1610可处理与传感器的基本连接，并且如果可适用的话，可在硬件中执行编码器“滴嗒(tick)”计数器。处理部件1602可读取并重置计数器。电机、电机驱动部件1608和编码器接口部件1610的数量可基于PFFC的特定配置而改变。
图17示出了架构1600的示例应用1700，其示出了PFFC的电子架构可如何被设计为模块化系统以便于模块化PFFC的模块化。电子部件可设计为使得他们共同存在于单个印刷电路板上，或者出于模块化和/或封装考虑，它们可分布在多个印刷电路板上。例如，模块可包含唯一的电路板，或者它可与一个或多个其他模块或部件共享电路板。在一个实施方式中，在图17中示出的，PFFC电子设备被托管(host)在单个印刷电路板组件上。示出的实施方式包括高性能数字信号处理器形式的处理部件(对应于处理部件1602)、可如示出的使用复杂的可编程逻辑装置(CPLD)实现的七个编码器接口(对应于编码器接口部件1610)、以及六个电机驱动部件(对应于电机驱动部件1608)。外部通信部件(对应于外部通信部件1606)可包括有线USB2.0和/或通信协议。内部通信部件(对应于内部通信部件1606)可包括双向串行通信、用于单个编码器的正交接口、用于单个DC电机的电机驱动信号以及为手柄总线供电的DC电源。
图18示出了示例电机驱动部件1800(对应于电机驱动部件1608)。PFFC电子设备可由DC电源(例如，具有变压器的AC适配器或者电池)供电。在一个实施方式中，PFFC电子设备可由12V-30V的DC电源供电。在一个实施方式中，它们可由22V、2.5amp的DC电源供电。在另一个实施方式中，PFFC电子设备可由14.8V、800mAh的锂聚合物电池供电。
此外，MPEFFC电子设备可设计为使得在典型的用户、实验室和工业环境中(即，5-38摄氏度)仅需要被动冷却。
本文中描述的PFFC可感测身体姿势并且对身体的一个或多个部分施加触觉刺激(诸如通过施加运动阻力、触觉电机力、经由电机的振动、超声波振动、或者如果在任何模块中包括加热或冷却元件则热或冷)和/或非触觉刺激(这可意指以下一个或多个：可视显示、声音、气味)。PFFC模块可彼此附接，并且彼此依次操作，或者与彼此无关地操作，这可允许用户一起或单独购买各种外骨架附接件。
本文中描述的PFFC可由远程计算机、机载计算机和/或便携式电子装置(诸如智能手机或平板电脑)控制。系统是否是独立的而作为控制台或者在桌子上、在背包内、作为外骨架的一部分、或者便携式电子装置被包括，在各种实施方式中，它可硬连线至PFFC或者能具有与PFFC的无线连接。这个通信则可允许计算机读取位置或者其他传感器，并且然后通过PFFC或添加的附件施加触觉或者非触觉刺激。
以上已公开并在附图中示出了示例性实施方式。本领域技术人员将理解的是，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对于本文中具体公开的实施方式进行各种改变、省略和添加。
Claims (19)
1.一种力反馈控制器，包括：
腕部模块，所述腕部模块包括被配置为将所述力反馈控制器耦接至用户的手臂的第一肢体附接件；以及
手柄模块，耦接至所述腕部模块，所述手柄模块能相对于所述腕部模块在第一方向和第二方向上移动，所述第一方向基本垂直于所述第二方向，所述手柄模块包括：
线性滑动机构，具有手柄附接件，所述手柄附接件被限制为在基本垂直于所述第一方向和所述第二方向中的至少一个的第三方向上的线性运动，并且其中，所述手柄附接件被配置为将手柄耦接至所述手柄模块。
2.根据权利要求1所述的力反馈控制器，其中，所述线性滑动机构进一步包括被配置为在所述手柄附接件上给予力的线性驱动部件。
3.根据权利要求1所述的力反馈控制器，进一步包括被配置为在所述第一方向上在所述手柄模块上给予力的第一旋转驱动部件。
4.根据权利要求3所述的力反馈控制器，进一步包括被配置为在所述第二方向上在所述手柄模块上给予力的第二旋转驱动部件。
5.根据权利要求1所述的力反馈控制器，进一步包括：
上臂模块，具有第二肢体附接件，所述第二肢体附接件被配置为耦接至用户的上臂；以及
前臂模块，具有第三肢体附接件，所述第三肢体附接件被配置为耦接至用户的前臂；
其中，所述第一肢体附接件和所述第二肢体附接件与所述第一肢体附接件基本相同。
6.根据权利要求1所述的力反馈控制器，其中，所述第一肢体附接件包括：
外壳，具有上部和下部，所述上部枢转地且能滑动地耦接至所述下部；以及
调节机构，被配置为调节所述外壳的大小。
7.根据权利要求6所述的力反馈控制器，其中，所述第一肢体附接件进一步包括位于所述外壳的至少一部分上的粘弹性泡沫，所述粘弹性泡沫被配置为符合用户的手臂的轮廓并且当暴露于冲击力时抵抗变形。
8.根据权利要求1所述的力反馈控制器，其中，所述手柄附接件包括第一印刷电路板电连接件和导电弹性元件，所述第一印刷电路板电连接件和所述导电弹性元件被设计并配置为与耦接至所述手柄模块的手柄的第二印刷电路板电连接件形成电连接。
9.根据权利要求1所述的力反馈控制器，其中，所述第一方向包括绕第一轴线的旋转，所述第二方向包括绕第二轴线的旋转，所述第二轴线相对于所述第一轴线是不平行的，并且其中，所述第三方向基本垂直于所述第一轴线和所述第二轴线中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的力反馈控制器，其中，所述第一轴线、所述第二轴线、以及所述第三方向被定向为相对于彼此基本正交。
11.一种力反馈控制器，包括：
腕部模块，所述腕部模块包括被配置为耦接至用户的手臂的第一部分的第一肢体附接件；
前臂模块，所述前臂模块包括被配置为耦接至用户的手臂的第二部分的第二肢体附接件；以及
外骨架构件，具有第一端和第二端，所述前臂模块耦接至所述第一端，并且所述腕部模块耦接至所述第二端，所述外骨架构件包括：
扭转模块，所述扭转模块具有扭转元件，所述扭转元件被配置为允许所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对扭转运动并且基本防止所述前臂模块和所述腕部模块之间的相对轴向运动。
12.根据权利要求11所述的力反馈控制器，其中，所述第一肢体附接件和所述第二肢体附接件中的至少一个包括：
外壳，具有第一柔性部分和双壁式第二部分，所述第一柔性部分具有第一端和第二端，并且所述双壁式第二部分具有在之间限定空间的第一壁和第二壁，其中，所述第一端和所述第二端每个能滑动地布置在所述空间中；以及
调节机构，被配置为相对于所述第二部分固定所述第一柔性部分，从而将所述肢体附接件牢固地耦接至用户的手臂。
13.根据权利要求12所述的力反馈控制器，其中，所述肢体附接件进一步包括位于所述外壳的至少一部分上的粘弹性泡沫，所述粘弹性泡沫被配置为符合用户的手臂的轮廓。
14.根据权利要求11所述的力反馈控制器，进一步包括被配置为能移除地耦接至所述前臂模块的肘部模块，所述肘部模块包括：
第一侧向构件，枢转地耦接至第二侧向构件，所述第一侧向构件和所述第二侧向构件中的每个具有被设计并配置为能滑动地耦接至第三肢体附接件和第四肢体附接件的附接件；
旋转驱动机构，所述旋转驱动机构被配置为在所述第一侧向构件和所述第二侧向构件上给予旋转力，所述旋转驱动机构包括耦接至所述第一侧向构件和所述第二侧向构件中的一个的电机。
15.根据权利要求14所述的力反馈控制器肘部模块，进一步包括被配置为允许所述第一侧向构件相对于所述第二侧向构件枢转的枢转机构，所述枢转机构包括多中心铰链。
16.根据权利要求14所述的力反馈控制器肘部模块，进一步包括被配置为允许所述第一侧向构件相对于所述第二侧向构件枢转的枢转机构，所述枢转机构包括被配置为能控制地调节所述第一侧向构件相对于所述第二侧向构件枢转的阻力的能变电阻元件。
17.根据权利要求16所述的力反馈控制器肘部模块，其中，所述能变电阻元件选自由1)摩擦元件和2)电磁元件构成的组。
18.一种力反馈控制器外骨架，包括：
前臂模块、腕部模块、以及手柄模块，所述前臂模块和所述腕部模块被设计并配置为能移除地耦接在一起以形成所述力反馈外骨架控制器，并且所述手柄模块能移动地耦接至所述腕部模块并且相对于所述腕部模块具有至少一个运动自由度；并且
所述手柄模块包括线性滑动机构以及耦接至所述线性滑动机构的手柄，所述手柄被限制为相对于所述腕部模块在线性方向上运动。
19.根据权利要求18所述的力反馈控制器外骨架，进一步包括被配置为能移除地耦接至所述前臂模块的肘部模块，所述肘部模块包括；
细长接受件以及能滑动地耦接至所述细长接受件的上臂模块，所述上臂模块被配置为将所述肘部模块附接至用户的手臂；
第一侧向元件，枢转地耦接至第二侧向元件；以及
驱动机构，被配置为相对于所述第二侧向元件驱动所述第一侧向元件。
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