CN107870651B - 一种基于柔性铰链的六自由度控制杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于柔性铰链的六自由度控制杆，包括通过卡扣依次连接的上顶盖、中心体、下底盖和底座，中心体包括外壳体和中心操作杆，中心操作杆的两端对称地设置有柔性铰链组件，沿所述中心操作杆的长度方向柔性铰链组件依次包括外铰链、中心铰链和内铰链；中心操作杆的端部与内铰链连接。本发明通过提供绕X轴，绕Y轴，绕Z轴的平动和旋转的六自由度控制输入，从而使得控制精度高，响应速度快，操作直观简便。

Description

一种基于柔性铰链的六自由度控制杆

技术领域

本发明涉及一种交互式控制杆，尤其是涉及一种基于柔性铰链的六自由度控制杆，属于控制仪器领域。

背景技术

控制手柄，作为输入设备，操作者通过对手柄及其配件的操作，实现对目标物(如机器人、电脑虚拟角色等)的控制。常用的控制手柄包括十字方向键控制手柄、类比摇杆、无线手柄、体感操作控制等，但大部分手柄需要双手操作，且控制自由度有限。

通常用于电脑图标控制的指点杆组件，位于电脑键盘中部，指点杆组件包括指点杆及橡胶套，使用时，用指尖轻推指点杆，其底部的陶瓷板就会产生细微的弯曲，安装在陶瓷板上的4个弯曲传感器马上就会感知力度的方向和大小，并将信号用于电脑控制。指点杆组件的良好的操作性在于，它能够迅速感知施加在指点杆上的即使是非常微小的力量，并且能够根据其强度和持续的时间准确地实现操作。

柔性铰链，一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构，相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有构件数目少、无需装配、成本低、无需铰链或轴承等运动副、无摩擦、无效行程小、不需润滑、精度高、无污染、高寿命、易于小型化和大批量生产等优点。但传统柔性铰链通常自由度较少，无法满足自由度较多的复杂的运动要求。

如申请号为201621260907.2的中国实用新型专利，公开了一种柔性铰链，包括柔性铰链主体、固定轴和圆弧穿孔。通过整体设计，保证了运动精度，增加了抗疲劳强度。但是整个装置自由度过少，且整体体积较大，无法满足多自由度控制装置的操作要求。

如申请号为201620801321.6的中国实用新型专利，公开了一种无人机遥控手柄，包括手柄主体、旋钮组件、传感器等装置，传感器固定于上盖，与手柄控制其电性连接，操作时，通过方位传感器检测控制信号，实现无人机大幅度转向，同时旋钮组件不突出于手柄，收纳时无需其他保护措施。但该装置所需传感器较多，装配复杂，且不易控制小幅度的运动。

发明内容

有鉴于现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供可以实现包括旋转和平移的六自由度控制输入，控制精度高，响应快速准确，操作直观简便的基于柔性铰链的控制杆。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于柔性铰链的六自由度控制杆，包括通过卡扣依次连接的上顶盖、中心体、下底盖和底座，所述中心体包括外壳体和中心操作杆，所述中心操作杆的两端对称地设置有柔性铰链组件，沿所述中心操作杆的长度方向所述柔性铰链组件依次包括外铰链、中心铰链和内铰链；所述中心操作杆的端部与所述内铰链连接；

其中，所述外铰链和所述内铰链包括中心部、外圈部和连杆，所述连杆的一端与所述中心部连接，另一端与所述外圈部的内表面连接；所述连杆的侧面包括多个的弧面，多个所述弧面呈对称分布，同时所述连杆呈之字形；多个所述连杆围绕所述中心部均匀分布；

所述中心铰链包括主体部和设置在所述主体部上的球形铰链，所述主体部为长方体，所述球形铰链包括多个条形槽，每个条形槽在所述主体部的一个侧面内向所述长方体的一个角的方向延伸，并在相邻侧面内沿平行于所述相邻侧面的边的方向延伸，最后延伸至相对侧面的中心处，使得所述球形铰链能够提供绕x、y轴转动的自由度；所述条形槽的端部设置为圆柱形槽。

进一步地，呈之字形的所述连杆中，直接与所述中心部相连的L形部分用于提供沿x轴、y轴的平动和绕z轴的转动的自由度，直接与所述外圈部相连的直段部分用于提供沿z轴平动的自由度。

进一步地，在未受力情况下，所述中心部、所述外圈部和所述连杆的上表面处于同一平面内。

进一步地，所述外铰链的上下两侧设置各设置有上下限位板，用于z轴方向平移的限位；所述内铰链的内部设置有内部限位板，用于限制z轴方向过大的位移。

进一步地，所述上顶盖的内壁和所述下底盖的内壁设置有固定板，用于固定安装指点杆组件；所述上顶盖具有能够容纳设置在所述中心操作杆的上端部的柔性铰链组件的第一内部空间，所述下底盖具有能够容纳设置在所述中心操作杆的下端部的柔性铰链组件的第二内部空间。

进一步地，所述固定板的壁面和所述外壳体的内壁均设置有走线槽，所述固定板的走线槽由所述固定板的内壁面向所述固定板的外壁面的方向凹陷形成，所述外壳体的走线槽由所述外壳体的内壁面向所述外壳体的外壁面方向凹陷形成，所述走线槽用于容纳电路线或数据线。

进一步地，所述底座具有第三内部空间，用于容纳数据处理板、电池。

进一步地，所述外铰链的外圈部的外侧壁面设置有用于固定所述指点杆组件的固定凹槽，所述指点杆组件通过卡扣固定在所述固定凹槽内。

进一步地，所述指点杆组件包括矩形电路板和圆柱形受力杆，安装在所述内铰链的外圈部的外侧壁面的突出的感应器安装口与所述受力杆相连，将所述中心操作杆和所述柔性铰链组的运动信息传递至所述指点杆组件。

进一步地，在所述中心操作杆的上、下两端各设置4个所述指点杆组件，每端设置的指点杆组件呈十字对称排列。

进一步地，所述卡扣设置在所述中心体的所述外壳体的内壁，所述上顶盖的内壁和所述下底盖的内壁设置有球形凹槽，所述球形凹槽容纳所述卡扣，使得所述上顶盖和所述下底盖分别以卡扣的方式与所述外壳体相连。

进一步地，所述上顶盖为圆柱形。

进一步地，所述外铰链、中心铰链、内铰链和中心操作杆在安装时处在同一中轴线上。

进一步地，所述下底盖为圆柱形。

进一步地，所述中心操作杆为圆柱状，由于其上下两端各连接具有六自由度的柔性铰链组，因此在一定运动范围内，中心操作杆由操作者控制自由运动。

进一步地，设置在底座内的数据处理板与8个指点杆组件的受力杆上的感应器连接，并通过蓝牙的方式与计算机连接，通过锂电池供电。

在工作状态下，使用者通过握住中心操作杆，通过推动和扭转的方式给中心操作杆施加力，通过安装在中心体上的8个指点杆组件感受各自平面内的力，并通过数据处理板将信号传递给PC进行整合即可获得使用者的操作信息。

与现有技术相比，本发明的基于柔性铰链的六自由度控制杆具有以下优点：

(1)使用单一中心操作杆实现了绕X轴，绕Y轴，绕Z轴平动和旋转的六自由度的直观控制输入。通过中心体上下八个阵列排布的指点杆组件，可以将操作者的平动、转动动作感应出来。

(2)相比与现有的控制杆或控制手柄，本发明只有五个主要部分组成，且相互直接采用卡扣、凹槽等方式连接，安装装配简单，精度高。

(3)相较于其它控制器，本发明结构紧凑，且适应性强，可以运用于机器人等多个领域。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，其中:

图1为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的整体结构示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的上顶盖结构示意图；

图3为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的下底盖结构示意图；

图4为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的底座结构示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的中心体结构示意图；

图6为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的的外铰链结构示意图；

图7为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的的内铰链结构示意图；

图8为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的的中心铰链结构示意图；

图9为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的六自由度柔性铰链部分除去限位后的结构原理示意图；

图10为本发明的一个较佳实施例的基于柔性铰链的六自由度控制杆的指点杆组件结构示意图。

具体实施方式

下面针对本发明实施案例做详细说明，本案例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方案和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图7所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种基于柔性铰链的六自由度控制杆，其结构包括:通过卡扣8依次连接的上顶盖1、中心体2、下底盖3和底座4，中心体2包括外壳体21和中心操作杆10，中心操作杆10的两端对称地设置有柔性铰链组件，沿中心操作杆10的长度方向柔性铰链组件依次包括外铰链12、中心铰链13和内铰链19；中心操作杆10的端部与内铰链19连接。整体的对称结构使得控制杆便于操作。

其中，如图6、7和9所示，外铰链12和内铰链19包括中心部22、外圈部23和连杆16，连杆16的一端与中心部22连接，另一端与外圈部23的内表面连接；连杆16的侧面包括多个的弧面161，多个弧面161呈对称分布，同时连杆16呈之字形；多个连杆16围绕中心部22均匀分布，本实施例中，较优地，彼此相隔60°地设置有三个连杆16。呈之字形的连杆16中，直接与中心部22相连的L形部分用于提供沿x轴、y轴的平动和绕z轴的转动的自由度，直接与外圈部23相连的直段部分用于提供沿z轴平动的自由度。在未受力情况下，中心部22、外圈部23和连杆16各自的上表面处于同一平面内。

如图8和9所示，中心铰链13包括主体部24和设置在主体部上的球形铰链25，主体部24为长方体，球形铰链25包括多个条形槽251，每个条形槽251在主体部24的一个侧面内向长方体的一个角的方向延伸，并在相邻侧面内沿平行于相邻侧面的边的方向延伸，最后延伸至相对侧面的中心处，通过这样的开槽设计，使得球形铰链25能够提供绕x、y轴转动的自由度；条形槽251的端部设置为圆柱形槽18。其中，长方体形状本身限制了旋转位移的范围，保证了铰链不会因旋转角过大而断裂。

整体个柔性铰链组件可满足6个自由度的柔性形变，不同自由度的运动组合同样可以实现；整个设计体积较小，空间利用率高，且包含限位装置，满足机器人控制杆的需求。

如图6所示，外铰链12的上下两侧设置各设置有上下限位板15，用于z轴方向平移的限位，以防止位移过大造成铰链的断裂；如图7所示，内铰链19的内部设置有内部限位板17，用于限制z轴方向过大的位移，以防止该铰链在沿x轴、y轴平动和绕z轴转动时出现过大位移而发生断裂。

如图2和3所示，上顶盖1的内壁和下底盖3的内壁设置有固定板7，用于固定安装指点杆组件26；上顶盖1具有能够容纳设置在中心操作杆10的上端部的柔性铰链组件的第一内部空间100，下底盖3具有能够容纳设置在中心操作杆10的下端部的柔性铰链组件的第二内部空间300。

如图4所示，底座4具有第三内部空间，用于容纳数据处理板、电池。

如图2和3所示，固定板7的壁面和外壳体21的内壁均设置有走线槽5，固定板7的走线槽5由固定板7的内壁面向固定板7的外壁面的方向凹陷形成，外壳体21的走线槽5由外壳体21的内壁面向外壳体21的外壁面方向凹陷形成，走线槽5用于容纳电路线或数据线。电路线或数据线通过走线槽5汇聚到外壳体21里侧，并通过外壳体21上的走线槽5从上传递至下方，通过下底盖3的缺口与底座4的第三内部空间400内的数据处理板相连，全部走线在整个控制杆装置内完成，避免受外界影响而造成短路、断路等情况的发生。

如图5和6所示，外铰链12的外圈部23的外侧壁面设置有用于固定指点杆组件26的固定凹槽14，指点杆组件26通过卡扣8固定在固定凹槽14内。

本实施例中，如图10所示，指点杆组件26包括矩形电路板261和圆柱形受力杆262，并配有橡胶套(未示出)。安装在内铰链19的外圈部23的外侧壁面的突出的感应器安装口11(见图7)与受力杆262相连，将中心操作杆10和柔性铰链组件的运动信息传递至指点杆组件。在中心操作杆10的上、下两端各设置4个指点杆组件26，每端设置的指点杆组件26呈十字对称排列，这使得不同自由度的运动及其组合，传递给各个指点杆组件的法向力、切向力均有所不同。通过对8个指点杆组件反馈的组合信号的反解，即可得到操作杆的输入信号，即发生变化的自由度，进而控制受控物体。

卡扣8设置在中心体2的外壳体21的内壁，上顶盖1的内壁、下底盖3的内壁和底座4的内壁均设置有球形凹槽6，如图2-4所示，球形凹槽6用于容纳卡扣8，使得上顶盖1和下底盖3分别以卡扣的方式与外壳体21相连。

本实施例中，上顶盖1和下底盖3均呈为圆柱形。外铰链12、中心铰链13、内铰链19和中心操作杆10在安装时处在同一中轴线上。中心操作杆10为圆柱状，由于其上下两端各连接具有六自由度的柔性铰链组件，因此在一定运动范围内，中心操作杆10由操作者控制自由运动。设置在底座4内的数据处理板与8个指点杆组件的受力杆上的感应器连接，并通过蓝牙的方式与计算机连接，通过锂电池供电。

本实施例的上顶盖1和下底盖3形状及装配对称，一方面方便装配美观；另一方面有利于指点杆组件的位置安排和组装，操作时具有对称性。当然，本发明的实施例的上顶盖1和下底盖3及底座4形状不限定前述结构，也可以使用其他类型的形状和结构实现相应的盛放部件、装配等功能。

本实施例中，中心操作杆10及柔性铰链组件均采用一体化设计，避免了对于小体积零件的复杂装配，同时对各自由度的运动均设计了限位板，防止使用者的操作幅度过大导致部件断裂。

下面对本发明的原理作进一步阐述：

使用时，使用者单手握住中心操作杆10，可在6个自由度上任意控制。中心操作杆10受力移动后，带动外铰链12、内铰链19以及中心铰链13发生柔性形变，并将法向力或切向力传递到指点杆组件26的受力杆262，采集到8个指点杆组件26的受力信号，信号经过处理板组合处理后，可逆解出中心操作杆10的移动方向，并对受控物体做相应控制。相对于传统的弹簧，本实施例中的柔性铰链自由度更多，运动范围更广，装置一体化，装配简单，各参数可修改，可控制装置整体的刚度。

综上，本实施例集柔性铰链、指点杆组件、操作杆等部件一体，实现单手进行6自由度的运动操控。整套设备体积较小，灵活便捷，且设有限位保护装置，方便使用者的操作。

虽然本发明对上实施案例进行说明，但是应当理解，这不意味着该发明局限于以上实施例。相反，本发明包括随附的权利要求书所限定的本发明范围内的所有替代方案。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，包括通过卡扣依次连接的上顶盖、中心体、下底盖和底座，所述中心体包括外壳体和中心操作杆，所述中心操作杆的两端对称地设置有柔性铰链组件，沿所述中心操作杆的长度方向所述柔性铰链组件依次包括外铰链、中心铰链和内铰链；所述中心操作杆的端部与所述内铰链连接；其中，所述外铰链和所述内铰链包括中心部、外圈部和连杆，所述连杆的一端与所述中心部连接，另一端与所述外圈部的内表面连接；所述连杆的侧面包括多个的弧面，多个所述弧面呈对称分布，同时所述连杆呈之字形；多个所述连杆围绕所述中心部均匀分布；

所述中心铰链包括主体部和设置在所述主体部上的球形铰链，所述主体部为长方体，所述球形铰链包括多个条形槽，每个条形槽在所述主体部的一个侧面内向所述长方体的一个角的方向延伸，并在相邻侧面内沿平行于所述相邻侧面的边的方向延伸，最后延伸至相对侧面的中心处，使得所述球形铰链能够提供绕x、y轴转动的自由度；所述条形槽的端部设置为圆柱形槽。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，呈之字形的所述连杆中，直接与所述中心部相连的L形部分用于提供沿x轴、y轴的平动和绕z轴的转动的自由度，直接与所述外圈部相连的直段部分用于提供沿z轴平动的自由度。

3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，在未受力情况下，所述中心部、所述外圈部和所述连杆的上表面处于同一平面内。

4.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述外铰链沿长度方向的两侧均设置有限位板，用于z轴方向平移的限位；所述内铰链的内部设置有内部限位板，用于限制z轴方向过大的位移。

5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述上顶盖的内壁和所述下底盖的内壁设置有固定板，用于固定安装指点杆组件；所述上顶盖具有能够容纳设置在所述中心操作杆的上端部的柔性铰链组件的第一内部空间，所述下底盖具有能够容纳设置在所述中心操作杆的下端部的柔性铰链组件的第二内部空间。

6.根据权利要求5所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述固定板的壁面和所述外壳体的内壁均设置有走线槽，所述固定板的走线槽由所述固定板的内壁面向所述固定板的外壁面的方向凹陷形成，所述外壳体的走线槽由所述外壳体的内壁面向所述外壳体的外壁面方向凹陷形成，所述走线槽用于容纳电路线。

7.根据权利要求5所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述底座具有第三内部空间，用于容纳数据处理板、电池。

8.根据权利要求5所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述外铰链的外圈部的外侧壁面设置有用于固定所述指点杆组件的固定凹槽，所述指点杆组件通过卡扣固定在所述固定凹槽内。

9.根据权利要求8所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，所述指点杆组件包括矩形电路板和圆柱形受力杆，安装在所述内铰链的外圈部的外侧壁面的突出的感应器安装口与所述受力杆相连，将所述中心操作杆和所述柔性铰链组的运动信息传递至所述指点杆组件。

10.根据权利要求9所述的基于柔性铰链的六自由度控制杆，其特征在于，在所述中心操作杆的上、下两端各设置4个所述指点杆组件，每端设置的指点杆组件呈十字对称排列。

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