CN111176453B - 一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，包括外壳、手握滑环、轨道套环、电容触头、力触觉再现装置、振动电机、电机驱动板、电池、控制板及电源开关；控制板通过电机驱动板控制振动电机以提供振动式力触觉；电容触头与轨道套环固定连接，轨道套环固定在外壳的首端，手握滑环套装在轨道套环的外部；力触觉再现装置固定安装在外壳内，力触觉再现装置能够提供持续推力和弹力推动手握滑环沿轨道滑环外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉。本发明装置结构紧凑，价格低廉，能够应用于基于移动终端的虚拟电力培训系统的多模式力触觉交互，所表达的力触觉信息更完整，有利于提高虚拟电力培训系统的真实感与培训效率。
Description
技术领域
本发明涉及基于力触觉交互技术领域，尤其涉及一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置。
背景技术
电力系统安全培训对保证电力系统安全、稳定和高效运行至关重要。目前电力系统安全培训主要以讲座和视频等传统形式讲解标准化作业流程与典型事故案例，受训人员缺乏实际操作的亲身体验，培训效果相对较差。虽然有相关的电力系统仿真盘台，但随着电力设备及相关技术的发展，培训装置与实际系统存在显著差异，培训效果大大降低，但培训装置的更新又需要投入大量的财力。
虚拟现实技术的发展为电力系统安全培训带来了新的形式，通过软件构建虚拟电力系统场景，该场景的真实感和操控感使得受训人员能够亲身体验标准化作业流程和典型事故，大大提高了培训效果。基于虚拟现实的安全培训系统不仅降低了培训资金投入，还可降低培训过程中的危险，能够将电力系统中各个环节有机地联系起来，受训人员可以对电力设备进行多层次的多角度的观察、操作和体验。目前的虚拟现实电力安全培训系统中的人机交互方式主要是采用视觉和听觉交互，而采用触觉交互的系统较少，也仅是一些简单的振动提示。而在人类的视觉、听觉、味觉和触觉等感知系统中，触觉提供了人与环境之间双向的交互渠道，可以形成其它感知系统无法实现的各种主动性行为(如触摸物体、操作工具等)。因此，具有力触觉反馈的虚拟现实电力安全培训系统是必要的，能够进一步地提升虚拟现实电力安全培训系统的真实感和操控感，降低培训成本、提高安全培训效率具有重要的意义。
现有的力触觉交互装置主要有Phantom Omni力反馈手控器，力反馈手套，外骨骼设备等，此类设备均能够提供较好的力触觉体验，但装置机构复杂、且装置价格较高，不适用于移动终端的虚拟交互系统。已有的笔式力触觉再现装置具有紧凑的结构，但大多仅通过振动反馈或连续渐变力实现力触觉交互，对于触电等误操作的突变力表达及反馈效果较差。因此，亟需一种新型力触觉交互设备，能够较好地表达突变力信息，从而使力触觉交互装置所表达的信息更加完整，使其与移动终端的力触觉交互更加具有真实感。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，克服现有技术的缺陷和不足。该装置能够实现振动、连续力触觉表达以及突变力表达等多模式力触觉反馈功能。
为实验上述技术目的，本发明采取以下技术方案实现：
一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，包括：外壳、手握滑环、轨道套环、电容触头、力触觉再现装置、振动电机、电机驱动板、电池、控制板及电源开关；
所述电源开关、电池、控制板、电机驱动板、振动电机均固定安装在外壳的后端，控制板通过电机驱动板控制振动电机以提供振动式力触觉；电源开关与电池连接用于提供电能；
所述电容触头与轨道套环固定连接，轨道套环固定在外壳的首端，手握滑环套装在轨道套环的外部；所述力触觉再现装置固定安装在外壳内，力触觉再现装置能够提供持续推力和弹力推动手握滑环沿轨道滑环外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉。
作为本发明的进一步改进，所述力触觉再现装置包括圆柱凸轮、微型减速电机、弹簧、螺旋滑块、直线滑块、滑块轨道以及套索；
所述微型减速电机与外壳固定连接；微型减速电机的输出端与圆柱凸轮连接；圆柱凸轮两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；
所述螺旋滑块设置在直线滑块上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块另一端卡在圆柱凸轮的螺旋形轨道槽内；直线滑块卡在滑块轨道上；
所述弹簧的一端与外壳固定连接，另一端与手握滑环固定连接；套索一端与直线滑块固定连接，中间穿过外壳端部，另一端与手握滑环固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述直线滑块的底侧有一通孔，用于连接套索。
作为本发明的进一步改进，所述滑块轨道为中空槽型轨道结构；直线滑块为凸型结构，直线滑块底部设置在滑块轨道的中空槽型轨道内，滑块轨道与外壳的内表面固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述圆柱凸轮转动设置在两个侧边轴套上，滑块轨道的端部与两个侧边轴套连接，直线滑块卡在滑块轨道上。
作为本发明的进一步改进，所述套索穿过弹簧中心设置。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧套接在外壳首端的圆柱凸台上。
作为本发明的进一步改进，所述手握滑环为圆柱套筒，圆柱套筒内具有一横梁；
所述轨道滑环为中空圆柱体，圆柱体上具有直线槽，手握滑环的横梁卡装在轨道套环的直线槽内。
作为本发明的进一步改进，所述外壳内部具有腔体，侧面开设窗口；窗口上设置有用于封闭腔体的盖板。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明笔式力触觉多模式交互装置，采用笔式结构，其主要包含外壳、手握滑环、轨道套环、力触觉再现装置及振动电机等部件。内部具有振动电机提供振动式力触觉，力触觉再现装置提供弹力推动手握滑环弹出，手握滑环沿轨道滑环外壁快速运动以提供突变力触觉，实现了振动、连续力触觉表达以及突变力表达等多模式力触觉反馈功能。本装置结构紧凑，价格低廉，能够应用于基于移动终端的虚拟电力培训系统的力触觉交互；能够实现振动反馈、连续力反馈以及突变力反馈，所表达的力触觉信息更加完整，提高虚拟电力培训系统的真实感，从而提高安全培训效率。
进一步，力触觉再现装置由圆柱凸轮、微型减速电机、弹簧、螺旋滑块、直线滑块、滑块轨道及套索等组成。振动电机提供振动式力触觉。微型减速电机驱动圆柱凸轮旋转，使得直线滑块沿滑块轨道运动，拉动套索，压缩弹簧，以此实现连续力的表达。当螺旋滑块运动到圆柱凸轮的极限点时，将会沿圆柱凸轮的直线槽运动，弹簧在瞬间得到释放，从而实现突变力的表达。力触觉再现装置结构紧凑，价格低廉，能够应用于基于移动终端的虚拟电力培训系统的多模式力触觉交互，所表达的力触觉信息更完整，有利于提高虚拟电力培训系统的真实感与培训效率。
附图说明
图1是笔式力触觉多模式交互装置外部结构示意图；
图2是笔式力触觉多模式交互装置内部结构示意图；
图3是笔式力触觉多模式交互装置外壳结构示意图；
图4是手握滑环结构示意图；
图5是轨道套环结构示意图；
图6是力触觉再现装置结构示意图；
图7是滑块结构示意图；
图8是滑块轨道结构示意图；
图9是圆柱凸轮结构示意图；
图10是侧边轴套结构示意图；
图11是笔式力触觉多模式交互装置初始状态示意图；
图12是笔式力触觉多模式交互装置极限状态示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，包括：外壳2、手握滑环3、轨道套环4、电容触头5、力触觉再现装置6、振动电机10、电机驱动板11、电池12、控制板13及电源开关14；
所述电源开关14、电池12、控制板13、电机驱动板11、振动电机10均固定安装在外壳2的后端，控制板13通过电机驱动板11控制振动电机10以提供振动式力触觉；电源开关14与电池12连接用于提供电能；
所述电容触头5与轨道套环4固定连接，轨道套环4固定在外壳2的首端，手握滑环3套装在轨道套环4的外部；所述力触觉再现装置6固定安装在外壳2内，力触觉再现装置6能够提供持续推力和弹力推动手握滑环3沿轨道滑环4外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉。
其中，所述力触觉再现装置6包括圆柱凸轮20、微型减速电机9、弹簧15、螺旋滑块17、直线滑块16、滑块轨道19以及套索18；
所述微型减速电机9与外壳2固定连接；微型减速电机9的输出端与圆柱凸轮20连接；圆柱凸轮20两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮20表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；
所述螺旋滑块17设置在直线滑块16上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块17另一端卡在圆柱凸轮20的螺旋形轨道槽内；直线滑块16卡在滑块轨道19上；
所述弹簧15的一端与外壳2固定连接，另一端与手握滑环3固定连接；套索18一端与直线滑块16固定连接，中间穿过外壳2端部，另一端与手握滑环3固定连接。
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例
参见如图1与图2所示，本发明的一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置主要包含外壳2、盖板1、手握滑环3、轨道套环4、电容触头5、力触觉再现装置6、振动电机10、电机驱动板11、电池12、控制板13及电源开关14。
其中电源开关14、电池12、控制板13、电机驱动板11、振动电机10均固定安装在外壳2的后端，力触觉再现装置6固定安装在外壳2的中端，电容触头5与轨道套环4固定连接，轨道套环4固定在外壳2的首端，手握滑环3套装在轨道套环4的外部。手握滑环3为中空圆柱型，内部中垂线上有一横梁，该横梁卡装在轨道套环4的直线槽内，因此，手握滑环3可以在轨道滑环的直线槽内左右移动。
参见图3所示，所述外壳2为中空的四面体结构，其中右侧面为开放窗口，盖板1可以插入该侧面，使整体装置结构封闭。优选地，盖板1上设置有滑槽，外壳2的窗口边缘有滑轨，盖板1插入滑槽内，滑动闭合。
参见图4所示，所述手握滑环3为中空圆柱形，内部中垂线上有一横梁。横梁用于固定套索18和弹簧15。
参见图5所示，所述轨道滑环4为中空圆柱形，结构对称线上有直线槽，手握滑环3的横梁卡装在轨道套环4的直线槽内。因此，手握滑环3可以在轨道滑环4的直线槽内左右移动。
参见图6所示，力触觉再现装置6由圆柱凸轮20、侧边轴套7、侧边轴套8、微型减速电机9、弹簧15、螺旋滑块17、直线滑块16、滑块轨道19以及套索18组成。微型减速电机9与外壳2固定连接。套索18的一端与直线滑块16固定连接，中间穿过侧边轴套7与外壳2，另一端与手握滑环3固定连接。弹簧15的一端与外壳2固定连接，另一端与手握滑环3固定连接，为保持弹簧不弯曲，将弹簧15套接在外壳2首端的圆柱凸台上。
圆柱凸轮20左右两端各有一个侧边轴套7、8，将圆柱凸轮20固定在其中间，侧边轴套固定在滑块轨道19的两端，滑块轨道19固定在外壳内侧。圆柱凸轮20表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通。直线滑块16卡在滑块轨道19中间，螺旋滑块17固定在直线滑块上，可以绕其中心自由旋转，螺旋滑块17另一端卡在圆柱凸轮20的螺旋形轨道槽内。
参见图7所示，螺旋滑块17固定在直线滑块16上，螺旋滑块17可以绕其中心自由旋转，直线滑块16的底侧有一通孔，用于连接套索18。
参见图8所示，滑块轨道19为长方形中空结构，滑块轨道19通过底侧两个螺丝孔安装于外壳2的内表面。
参见图9所示，所述圆柱凸轮20表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点A和终点B由一直线槽连通，螺旋滑块17另一端卡在圆柱凸轮20的螺旋形轨道槽内。
参见图10所示，所述侧边轴套7与侧边轴套8具有相同结构，圆柱凸轮20左右两端的轴分别安装于侧边轴套7与侧边轴套8中，侧边轴套7与侧边轴套8底侧有了两个螺丝孔与滑块轨道19固定连接，将圆柱凸轮20固定在侧边轴套的中间。直线滑块16卡在滑块轨道19的中间。
本发明用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置的工作原理如下：
控制板13通过电机驱动板11控制微型减速电机9和振动电机10，振动电机10提供振动式力触觉。当微型减速电机9驱动圆柱凸轮20旋转时，螺旋滑块17将沿螺旋形轨道槽运动，由于螺旋滑块17与直线滑块16固定连接，使其沿滑块轨道19运动，从而拉动套索18，使手握套环3由外壳2的首端向后端移动，从而压缩弹簧15，通过控制微型减速电机9的正反转，控制弹簧15的压缩量，以此实现连续力的表达。当螺旋滑块17运动到圆柱凸轮20的极限点B时，将会沿圆柱凸轮20的直线槽快速运动，弹簧15的压缩量会在瞬间得到释放，从而实现突变力的表达。
参见图11所示，笔式力触觉多模式交互装置的初始状态，此时螺旋滑块17处于圆柱凸轮20的起点A，弹簧15处于自然状态，未被压缩。
参见图12所示，笔式力触觉多模式交互装置的极限状态，此时螺旋滑块17处于圆柱凸轮20的终点B，弹簧15处于压缩状态，当微型减速电机9继续旋转时，会释放弹簧15的压缩能量，实现突变力的表达。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，包括：外壳(2)、手握滑环(3)、轨道套环(4)、电容触头(5)、力触觉再现装置(6)、振动电机(10)、电机驱动板(11)、电池(12)、控制板(13)及电源开关(14)；
所述电源开关(14)、电池(12)、控制板(13)、电机驱动板(11)、振动电机(10)均固定安装在外壳(2)的后端，控制板(13)通过电机驱动板(11)控制振动电机(10)以提供振动式力触觉；电源开关(14)与电池(12)连接用于提供电能；
所述电容触头(5)与轨道套环(4)固定连接，轨道套环(4)固定在外壳(2)的首端，手握滑环(3)套装在轨道套环(4)的外部；所述力触觉再现装置(6)固定安装在外壳(2)内，力触觉再现装置(6)能够提供持续推力和弹力推动手握滑环(3)沿轨道滑环(4)外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉；
所述力触觉再现装置(6)包括圆柱凸轮(20)、微型减速电机(9)、弹簧(15)、螺旋滑块(17)、直线滑块(16)、滑块轨道(19)以及套索(18)；
所述微型减速电机(9)与外壳(2)固定连接；微型减速电机(9)的输出端与圆柱凸轮(20)连接；圆柱凸轮(20)两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮(20)表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；
所述螺旋滑块(17)设置在直线滑块(16)上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块(17)另一端卡在圆柱凸轮(20)的螺旋形轨道槽内；直线滑块(16)卡在滑块轨道(19)上；
所述弹簧(15)的一端与外壳(2)固定连接，另一端与手握滑环(3)固定连接；套索(18)一端与直线滑块(16)固定连接，中间穿过外壳(2)端部，另一端与手握滑环(3)固定连接；
所述滑块轨道(19)为中空槽型轨道结构；直线滑块(16)为凸型结构，直线滑块(16)底部设置在滑块轨道(19)的中空槽型轨道内，滑块轨道(19)与外壳(2)的内表面固定连接；
所述圆柱凸轮(20)转动设置在两个侧边轴套上，滑块轨道(19)的端部与两个侧边轴套连接，直线滑块(16)卡在滑块轨道(19)上。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，所述直线滑块(16)的底侧有一通孔，用于连接套索(18)。
3.根据权利要求1所述的用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，所述套索(18)穿过弹簧(15)中心设置。
4.根据权利要求1所述的用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，所述弹簧(15)套接在外壳(2)首端的圆柱凸台上。
5.根据权利要求1所述的用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，所述手握滑环(3)为圆柱套筒，圆柱套筒内具有一横梁；
所述轨道滑环(4)为中空圆柱体，圆柱体上具有直线槽，手握滑环(3)的横梁卡装在轨道套环(4)的直线槽内。
6.根据权利要求1所述的用于虚拟电力安全培训的笔式力触觉多模式交互装置，其特征在于，所述外壳(2)内部具有腔体，侧面开设窗口；窗口上设置有用于封闭腔体的盖板(1)。
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