CN110196637B - 一种动支点杠杆式变刚度机构和单指力反馈手套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动支点杠杆式变刚度机构和单指力反馈手套，单指力反馈手套包括动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动；所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；在约束空间状态下，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

Description

一种动支点杠杆式变刚度机构和单指力反馈手套

技术领域

本发明涉及一种变刚度机构和基于这种变刚度机构的穿戴式力反馈设备，特别涉及一种动支点杠杆式变刚度机构和基于动支点杠杆式变刚度机构的单指力反馈手套。

背景技术

力反馈手套的应用改变了人与虚拟环境的交互方式，使得用户通过手的灵巧操作与灵敏的感知能力可以获取虚拟世界的反馈信息，极大地增强了交互沉浸感。气动力反馈手套具有质量轻、运动范围大等优点，但是气压传动系统的低响应频率使得用户难以实时动态感知虚拟世界的反馈信息；同时，气压泵、减压阀等复杂、笨重的动力传输系统限制了设备的便携性。基于形状记忆合金、压电材料、人工肌肉、磁流变液等材料设计的力反馈手套存在响应频率低、控制精度差等问题。相比以上两种驱动方式，电机驱动力反馈设备具有响应速度快、驱动精度高、携带方便等优点。但是，电机驱动的主动力反馈手套模拟刚度较小、安全性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种动支点杠杆式变刚度机构和基于动支点杠杆式变刚度机构的单指力反馈手套。

本发明提供了一种动支点杠杆式变刚度机构，包括变刚度机构固定件、变刚度机构伺服电机、变刚度机构齿轮、变刚度机构齿条、杠杆、弹性件、转动杆；所述变刚度机构伺服电机与变刚度机构固定件固定连接；所述变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构齿轮固定连接；所述变刚度机构齿轮与变刚度机构齿条啮合；所述变刚度机构齿条上还设置有支点，支点可以在杠杆的滑槽内滑动，杠杆可以绕支点转动；所述转动杆与变刚度机构固定件转动连接；所述杠杆的一端与所述转动杆转动连接，所述杠杆的另一端上下两侧通过弹性件与所述转动杆连接。

进一步地，变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构固定件之间设置有变刚度机构轴承。

本发明还提供了一种单指力反馈手套，包括变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动；所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，所述变刚度机构的刚度为最大值，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者自由转动，此时单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；在约束空间状态下，自由/约束状态切换机构处于约束状态形式，变刚度机构的刚度从最大值到最小值可连续变化，变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者限制转动，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

进一步地，所述变刚度机构为上述的动支点杠杆式变刚度机构。

进一步地，所述变刚度机构还包括锁定齿轮a，所述转动杆的一端与锁定齿轮a固连，或者转动杆与锁定齿轮a为一体结构。

进一步地，所述自由/约束状态切换机构包括中间杆件、状态切换伺服电机、状态切换齿轮、状态切换齿条a、状态切换齿条b；所述状态切换伺服电机与中间杆件固连；状态切换伺服电机的输出轴与状态切换齿轮固连，所述状态切换齿轮分别与状态切换齿条a、状态切换齿条b啮合，所述状态切换齿条a、状态切换齿条b分别与中间杆件形成移动副。

进一步地，中间杆件的一端与变刚度机构的锁定齿轮a转动连接，另一端与指尖连接机构的锁定齿轮b转动连接。

进一步地，状态切换伺服电机的输出轴与中间杆件之间设置有状态切换轴承。

进一步地，所述指尖连接机构包括锁定齿轮b、前端连接杆、指帽；所述前端连接杆的一端与锁定齿轮b固定连接，所述前端连接杆的另一端与指帽转动连接。

进一步地，所述单指力反馈手套的整个机构采用树脂材料通过3D打印制造而成。

本发明具有以下有益效果：一种动支点杠杆式变刚度机构，电机通过齿轮、齿条等传动部件，驱动杠杆式变刚度机构支点的移动，实现了机构输出刚度的改变，所设计的传动方式简单、高效，相比于丝杠滑块、行星轮传动方式，更加适合于空间尺寸较小的机构，其最大理论刚度为正无穷，弥补了现有变刚度机构可模拟刚度较小的不足；基于动支点杠杆式变刚度机构的单指力反馈手套，既可以实现自由空间的全手势运动，又可以模拟约束空间与虚拟物体的交互运动，很好地满足了力反馈手套自由空间与约束空间的双重需求；在模拟自由空间运动时，变刚度机构为刚性整体，同时变刚度机构、状态切换机构、指尖连接机构间的转动副为未锁定状态，用户可以实现手指的完全弯曲与伸展，实际最大运动阻力仅为0.069N。在模拟约束空间运动时，变刚度机构为自由状态，同时通过激活锁定滑块装置实现变刚度机构、状态切换机构、指尖连接机构间转动副的锁死，在指尖产生被动反馈力同时，采用被动力反馈方式，相比于主动力反馈手套更加安全可靠，所有机构部件采用树脂材料3D打印制作，整机质量仅为55g，有效降低了用户长期穿戴的疲劳感；手套的穿戴与脱卸采用魔术贴的方式，在保证轻便的同时可以调节大小以适应不同用户手的尺寸，增强了设备的通用性。变刚度单指力反馈手套相比于现有的力反馈手套，具有安全性高、重量小、结构简单、响应速度快，通用性强的优点。

附图说明

图1是用户穿戴力反馈手套示意图。

图2是单指力反馈手套整体结构示意图。

图3是动支点杠杆式变刚度机构结构示意图。

图4是动支点杠杆式变刚度机构剖面图。

图5是自由/约束状态切换机构剖面图。

图6是自由/约束状态切换机构示意图。

图7是自由空间下完全伸展状态示意图。

图8是自由空间下完全弯曲状态示意图。

图9是约束空间下的运动状态示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：1变刚度机构固定件；2变刚度机构齿条；3连接螺栓a；4变刚度机构齿轮；5连接螺栓b；6转动杆；7转动副a；8转动副b；9支点；10杠杆；11转动副c；12转动副d；13变刚度机构伺服电机；14上部弹簧；15下部弹簧；16锁定齿轮a；17变刚度机构轴承；18转动轴a；19中间杆件；20状态切换齿条a；21连接螺栓c；22状态切换齿轮；23状态切换轴承；24状态切换齿条b；25状态切换伺服电机；26连接螺栓d；27转动轴b；28转动副e；29转动副f；30锁定齿轮b；31前端连接杆；32连接螺栓e；33指帽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种动支点杠杆式变刚度机构，包括变刚度机构固定件1、变刚度机构伺服电机13、变刚度机构齿轮4、变刚度机构齿条2、杠杆10、上部弹簧14、下部弹簧15、转动杆6、锁定齿轮a16；所述变刚度机构伺服电机13通过连接螺栓a3、连接螺栓b5与变刚度机构固定件1固定连接；变刚度机构齿轮4与变刚度机构伺服电机13的输出轴固定连接，变刚度机构齿条2与变刚度机构齿轮4啮合，变刚度机构齿条2上还设置有支点9，支点9可以在杠杆10的滑槽内滑动，杠杆10可以绕支点9转动；转动杆6的一端与锁定齿轮a16固连，另一端与变刚度机构固定件1转动连接，形成转动副a7、转动副b8；杠杆10的一端与转动杆6转动连接，并形成转动副c11、转动副d12，杠杆10的另一端上下两侧与转动杆6之间装有上部弹簧14和下部弹簧15，上部弹簧14和下部弹簧15分别与杠杆10和转动杆6为非固接状态。变刚度机构伺服电机13的输出轴通过变刚度机构轴承17与变刚度机构固定件1形成转动副，起到支撑电机轴、减小转动摩擦的作用；转动杆6与锁定齿轮a16可为一个整体结构。

变刚度机构伺服电机13的输出轴带动变刚度机构齿轮4转动，从而带动变刚度机构齿条2移动，使得变刚度机构齿条2的支点9可以在杠杆10的滑槽中移动，从而改变变刚度机构的输出刚度。

一种单指力反馈手套，其包括上述动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动；所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，动支点杠杆式变刚度机构的刚度为最大值，动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者自由转动，此时单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；在约束空间状态下，自由/约束状态切换机构处于约束状态形式，动支点杠杆式变刚度机构的刚度从最大值到最小值可连续变化，动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者限制转动，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整动支点杠杆式变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

单指力反馈手套的整个机构采用树脂材料通过3D打印制造而成。动支点杠杆式变刚度机构的变刚度机构固定件1通过魔术贴固定在手背上面。

自由/约束状态切换机构包括中间杆件19、状态切换伺服电机25、状态切换齿轮22、状态切换齿条a20、状态切换齿条b24、；所述状态切换伺服电机25的外壳通过连接螺栓c21、连接螺栓d26固接在中间杆件19上面；状态切换伺服电机25的输出轴与状态切换齿轮22固连，状态切换齿轮22分别与状态切换齿条a20、状态切换齿条b24啮合，所述状态切换齿条a20、状态切换齿条b24分别与中间杆件19形成移动副；中间杆件19的一端与锁定齿轮a16通过转动轴a18转动连接，另一端与锁定齿轮b30通过转动轴b27转动连接；所述状态切换轴承23安装在中间杆件19内部，并与状态切换伺服电机25的电机轴连接，可以起到支撑电机、减小转动摩擦的作用。

状态切换伺服电机25通过驱动状态切换齿轮22转动可以驱动状态切换齿条a20、状态切换齿条b24反向运动，使得状态切换齿条a20一端的楔形部分锁死锁定齿轮a16，使得状态切换齿条b24一端的楔形部分锁死锁定齿轮b30。

指尖连接机构包括锁定齿轮b30、前端连接杆31、指帽33。所述前端连接杆31的一端与锁定齿轮b30固定连接，两者也可为一个整体结构；锁定齿轮b30通过转动轴b27与中间杆件19转动连接；所述前端连接杆31的另一端与指帽33通过连接螺栓e32转动连接；所述指帽33与人手的指尖连接。

在模拟自由空间运动时，变刚度机构伺服电机13通过变刚度机构齿轮4、变刚度机构齿条2驱动支点9移动，使得支点9与转动副c11、转动副d12同轴，此时转动杆6与杠杆10同步转动，变刚度机构为一个刚性整体，其理论最大刚度为正无穷；同时，状态切换伺服电机25通过状态切换齿轮22驱动状态切换齿条a20、状态切换齿条b24相向运动，使得状态切换齿条a20、状态切换齿条b24分别与锁定齿轮a16、锁定齿轮b30处于非啮合状态，即转动副e28、转动副f29均可以实现自由转动，在模拟自由空间运动状态时，用户可以实现手掌完全伸展与完全弯曲，所设计的单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；同时，由于重力、惯性力以及机构间相对运动摩擦力的影响，实际最大运动阻力仅为0.069N。

当机构从自由空间状态转变为约束空间状态时，变刚度机构伺服电机13通过变刚度机构齿轮4、变刚度机构齿条2驱动支点9移动，使得支点9与转动副c11、转动副d12处于非同轴状态，此时转动杆6与杠杆10非同步转动，变刚度机构处于活动状态，其输出刚度可连续变化；同时，状态切换伺服电机25通过状态切换齿轮22驱动状态切换齿条a20、状态切换齿条b24相背运动，使得状态切换齿条a20、状态切换齿条b24分别与锁定齿轮a16、锁定齿轮b30处于啮合状态，即转动副e28、转动副f29处于锁死状态。

在模拟约束空间运动时，由于转动副e28、转动副f29处于锁死状态，当用户弯曲手指，手指会通过指帽33、状态切换机构、指尖连接机构带动转动杆6相对于变刚度机构固定件1绕着转动副a7、转动副b8转动，从而通过转动副c11、转动副d12带动杠杆10绕着支点9转动，从而压缩/拉伸上部弹簧14/下部弹簧15，使得用户感受到被动反馈力，最大反馈力可达12N以上；由于支点9位置的不同，用户弯曲手指受到的反馈力不同，感受到的虚拟物体的刚度不同，当支点9从与转动副c11、转动副d12同轴位置移动到与上部弹簧14、下部弹簧15轴线垂直位置过程中，变刚度机构的理论刚度从正无穷减小为一个定值，因此，通过连续调节支点9的位置，用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体，由于单指力反馈手套的反馈力为被动力，相比于主动力反馈手套安全性能更高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单指力反馈手套，其特征在于：包括变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动连接；

所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；

在自由空间状态下，所述变刚度机构的刚度为最大值，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者自由转动，此时单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，实现的人手的灵活运动；

在约束空间状态下，自由/约束状态切换机构处于约束状态形式，变刚度机构的刚度从最大值到最小值可连续变化，变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者限制转动，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户感知具有不同刚度属性的虚拟物体；

所述变刚度机构包括变刚度机构固定件、变刚度机构伺服电机、变刚度机构齿轮、变刚度机构齿条、杠杆、弹性件、转动杆；

所述变刚度机构伺服电机与变刚度机构固定件固定连接；

所述变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构齿轮固定连接；

所述变刚度机构齿轮与变刚度机构齿条啮合；

所述变刚度机构齿条上还设置有支点，支点在杠杆的滑槽内滑动，杠杆绕支点转动；

所述转动杆与变刚度机构固定件转动连接；

所述杠杆的一端与所述转动杆转动连接，所述杠杆的另一端上下两侧通过弹性件与所述转动杆连接；

所述自由/约束状态切换机构包括中间杆件、状态切换伺服电机、状态切换齿轮、状态切换齿条a、状态切换齿条b；所述状态切换伺服电机与中间杆件固连；状态切换伺服电机的输出轴与状态切换齿轮固连，所述状态切换齿轮分别与状态切换齿条a、状态切换齿条b啮合，所述状态切换齿条a、状态切换齿条b分别与中间杆件形成移动副。

2.根据权利要求1所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：所述变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构固定件之间设置有变刚度机构轴承。

3.根据权利要求1所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：所述变刚度机构还包括锁定齿轮a，所述转动杆的一端与锁定齿轮a固连，或者转动杆与锁定齿轮a为一体结构。

4.根据权利要求1所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：中间杆件的一端与变刚度机构的锁定齿轮a转动连接，另一端与指尖连接机构的锁定齿轮b转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：状态切换伺服电机的输出轴与中间杆件之间设置有状态切换轴承。

6.根据权利要求1所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：所述指尖连接机构包括锁定齿轮b、前端连接杆、指帽；所述前端连接杆的一端与锁定齿轮b固定连接，所述前端连接杆的另一端与指帽转动连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种单指力反馈手套，其特征在于：所述单指力反馈手套的整个机构采用树脂材料通过3D打印制造而成。

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