CN111437595B - 滑觉模拟装置、被控机器人和游戏手柄 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种滑觉模拟装置、被控机器人、游戏手柄、虚拟游戏机、和控制系统。滑觉模拟装置包括基座；所述基座；在基座上设置的至少一个电机；滑觉模拟控制器，用于接收滑觉数据，产生用于控制所述至少一个电机的转速控制信号；与所述至少一个电机中的每个电机相关联的至少一个同步轮、至少一个同步带和至少一个限位装置，其中，所述至少一个同步带套设在所述至少一个同步轮和至少一个限位装置上，且所述电机传动地连接于所述至少一个同步轮，以根据所述转速控制信号驱动所述至少一个同步轮和所述至少一个同步带转动。本公开通过同步带的无限转动，提供连续的滑觉模拟。

Description

滑觉模拟装置、被控机器人和游戏手柄

技术领域

本公开遥控操作控制领域，尤其涉及一种滑觉模拟装置、被控机器人、游戏手柄、虚拟游戏机和控制系统。

背景技术

用户在对机器人或游戏人物等被控端进行操作时，机器人或游戏人物等被控端在运动过程中会产生触觉，为了能使用户感知到被控端的触觉，需要对触觉进行模拟。现有的触觉模拟方案大多是针对压力触觉(简称压觉)的，针对滑动触觉(简称滑觉)的装置较少。现有的滑觉模拟装置不仅结构复杂、不易加工，而且仅能够提供非常受限的移动范围。并且现有的滑觉模拟装置仅能提供单一方向的滑动模拟，而不能提供在多个方向上的滑动模拟，从而导致用户体验不佳。

发明内容

本公开提供了一种滑觉模拟装置及控制系统，能够在遥控操作中对滑动触觉进行模拟，使用户同步感知到多个方向、速度的连续滑动。

一方面，本公开实施例提供了一种滑觉模拟装置，基座；在基座上设置的至少一个电机；滑觉模拟控制器，所述滑觉模拟控制器被配置为接收滑觉数据，产生用于控制所述至少一个电机的转速控制信号；与所述至少一个电机中的每个电机相关联的至少一个同步轮、至少一个限位装置和至少一个同步带；其中，所述至少一个同步带套设在所述至少一个同步轮和所述至少一个限位装置上，且所述电机传动地连接于所述至少一个同步轮，以根据所述转速控制信号驱动所述至少一个同步轮和所述至少一个同步带转动。

另一方面，本公开提供了一种被控机器人，包括：被控端通信器，被配置为接收压力控制数据和向上述的滑觉模拟装置发送滑觉数据；被控端压力传感器，被配置为检测被控机器人施加的压力并产生被控机器人的压力数据；被控端控制器，所述被控端控制器可通信的连接于所述被控端通信器和被控端压力传感器，所述被控端控制器被配置为：根据所述被控机器人的压力数据和所述压力控制数据，调整所述被控机器人施加的压力；将所述被控机器人的压力数据转化为所述滑觉数据，并将所述滑觉数据发送至被控端通信器。

另一方面，本公开提供了一种游戏手柄，包括：壳体；电源；设置于所述壳体内部的上述滑觉模拟装置，其中,所述滑觉模拟装置被配置为：从虚拟游戏机接收滑觉数据,并向所述虚拟游戏机输出压力控制数据,以控制虚拟游戏应用中的虚拟对象，所述虚拟游戏应用运行在所述虚拟游戏机中。

另一方面，本公开提供了一种虚拟游戏机，包括：被控端通信器，被配置为上述的游戏手柄接收压力控制数据和向所述游戏手柄发送滑觉数据；处理器，所述处理器用于运行虚拟游戏应用，所述虚拟游戏应用中的第一虚拟对象由游戏手柄操控，所述处理器被配置为：计算压力数据，所述压力数据指示第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力；根据所述压力数据和所述压力控制数据，调整第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力，并更新所述压力数据；将更新后的压力数据转化为所述滑觉数据，并将所述滑觉数据发送至被控端通信器；屏幕，所述屏幕显示第一虚拟对象调整第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力。

另一方面，本公开提供了一种控制系统，包括：上述的滑觉模拟装置和上述的被控机器人；或上述的游戏手柄和上述的虚拟游戏机。

本公开实施例提供的滑觉模拟装置及控制系统，滑觉模拟装置通过使用多同步带结构的无限转动来实现没有位移范围约束、连续的滑觉模拟。利用两个方向滑动合成，能够实现不同方向、速度的滑动模拟，结构简单，便于制造，成本低，使用户实时感受到被控端设备的滑动速度与方向。控制系统通过压力传感器感应用户的压力，以便实时向被控端发出控制信号以改变被控端的滑动速度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅是本公开的示例性实施例。

图1是示出产生剪切力的装置的结构示意图。

图2A是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置的结构示意图。

图2B是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置的结构框图。

图2C示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置的控制原理图。

图3是示出根据本公开实施例的又一滑觉模拟装置的结构示意图。

图4A是示出根据本公开实施例的再一滑觉模拟装置的结构示意图。

图4B是示出根据本公开实施例的再一滑觉模拟装置的俯视图。

图4C是示出根据本公开实施例的再一滑觉模拟装置的正视图。

图4D是示出根据本公开实施例的再一滑觉模拟装置的后视图。

图4E是示出根据本公开实施例的再一滑觉模拟装置的分解图。

图5A是示出根据本公开实施例的被控机器人的示意图。

图5B是示出根据本公开实施例的被控机器人的控制原理图。

图6是示出根据本公开实施例的游戏手柄与虚拟游戏机交互的示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，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方式，都属于本公开保护的范围。

此外，以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本公开可用以实施的特定实施例。本公开中所提到的方向用语，例如，“长”、“左右”、

“上下”等，仅是参考附加图式的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本公开，而不是指示或暗指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公开的限制。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，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；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公开中的具说明体含义。

图1是示出产生剪切力的装置100的结构示意图。

通常，滑觉的大小可以用剪切力的大小来表征。剪切力表示在相邻层间产生相对移动时产生的摩擦力。一种产生剪切力的装置如图1所示，其通过一个滑块在接触件后方滑动来感应滑块的区域上产生剪切力。用户通过触摸该感应滑块的区域来感觉滑块滑动产生的剪切力。正如图1所示的产生剪切力的装置100所示，装置100可用作为游戏手柄的组件之一，该组件可以为用户提供滑觉反馈。例如，假设虚拟游戏中的游戏角色如图1所示地尝试握住一根棍子，并且由于棍子太沉或者棍子表面过于光滑，棍子可能向下滑动。此时，用户手指与感应滑块的区域相接触时，可以通过滑块向下滑动来感觉到棍子向下滑动的力。在用户通过游戏手柄感受到了棍子向下滑动后，用户可能增加对于游戏手柄的握力，来进一步操控游戏角色。

虽然，装置100能模拟用户感受虚拟游戏中的虚拟对象与另一虚拟对象之间的相对运动，以及该相对运动的速度和震感，但是由于滑块的运动位移仅有感应滑块的区域的大小，因此装置100不能向用户提供持续的滑觉。并且由于滑块只能在单一方向竖直移动，用户并不能通过装置100感受到滑块在同一平面上的不同方向上产生的剪切力。而在实际生产过程中，装置100的结构复杂，不易加工，提高了游戏制作的成本。

本公开实施例提供了一种滑觉模拟装置、被控机器人、游戏手柄、虚拟游戏机、和控制系统。该滑觉模拟装置采用同步带来模拟滑觉。由于同步带可以无限转动，没有位移范围约束，因此该滑觉模拟装置能够提供连续的滑觉模拟。本公开实施例还利用多条交叉的同步带实现了多个方向的滑动合成，从而实现不同方向、速度的滑动模拟。本公开实施例提供的滑觉模拟装置结构简单，便于制造，成本低，使用户实时感受到被控对象的滑动速度与方向。

下面，结合附图对本公开的一个或多个实施例提供的滑觉模拟装置及控制系统进行详细的描述。

图2A是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置200的结构示意图。图2B是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置200的结构框图。图2C示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置200的控制原理图。

参见图2A，本公开实施例的滑觉模拟装置200也可以如图1那样类似地安装在游戏手柄中，也可以独立使用来为用户提供滑觉模拟。以下，为了便于说明，图2A以装置200独立使用来说明装置的结构，但是本领域技术人员应当理解滑觉模拟装置200还可以作为任何相关设备的内置或独立组件之一来为用户提供滑觉模拟，本公开并不以此为限。

例如，滑觉模拟装置200，包括：基座201；在基座201上设置的至少一个电机204；滑觉模拟控制器205，所述滑觉模拟控制器205被配置为接收滑觉数据，产生用于控制所述至少一个电机204的转速控制信号。

对于所述至少一个电机204中的每个电机204，设置有与电机204相关联的至少一个同步轮203、至少一个限位装置206和至少一个同步带202。其中，所述至少一个同步带202套设在所述至少一个同步轮203和至少一个限位装置206上，且所述电机204传动地连接于所述至少一个同步轮203，以根据转速控制信号驱动至少一个同步轮203和至少一个同步带202转动。

为便于说明，图2A中仅示出了一个电机204、一条同步带202、一个限位装置206和一个同步轮203，但本领域技术人员应当理解，本公开的实施例并不限制电机、限位装置、同步带和同步轮的数量。在图2A中，直接套设在电机204上的同步轮203为主动轮，而限位装置206为从动轮。主动轮带动从动轮转动。本领域技术人员应当理解，限位装置206也可以由能够起到相似作用的机械组件来替代，例如圆弧型的钢板、支撑棍等等，只要其能实现辅助同步带202转动的功能即可。

可以理解地，同步带202套设在同步轮203上之后，同步带202形成分别与同步轮203相接触的圆弧部分、以及位于限位装置206和同步轮203之间的两个平直部分。用户可以将手指放在平直部分，通过感受同步带的转动来感受到模拟的滑觉。

滑觉数据是指能够表征被控对象所感受到的剪切力。装置200可以基于该滑觉数据向用户提供滑觉，以使得用户感受到与被控对象所感受到的剪切力相似的剪切力。例如，假设被控对象是虚拟游戏中的一个游戏角色，该游戏角色尝试握住一根棍子，并且由于棍子太沉或者棍子表面过于光滑，棍子可能向下滑动。当用户的手指按压或触摸同步带202时，同步带202可能在电机204的运转的情况下向前转动或向后转动，此时用户可以通过感觉到同步带202滑动来感受到棍子向下滑动的感觉。又例如，假设被控对象是捕鱼机器人，该捕鱼机器人尝试用手抓取一只游动的鱼。此时，当用户手指触摸到同步带202上时，用户可以通过感觉到同步带202滑动的感觉来模拟鱼从手中游过的感觉。由此，装置200通过同步带202的运动模拟了触摸到滑动的物体的感受。

由于同步带202在电机204的带动下持续不断的转动，装置200可以为用户提供持续的滑觉反馈。同时，由于电机204的转速是由滑觉模拟控制器205输出的转速控制信号来控制的，因此电机204可以使得同步带202以不同的速度转动，从而装置200为用户提供了不同速度的滑觉。当电机204的转速越快，装置200所提供的剪切力越大，从而可以为用户模拟更为明显的滑觉。

参见图2B和图2C，装置200还可以进一步包括控制端通信器206。控制端通信器206与滑觉模拟控制器205可通信的连接。控制端通信器206被配置为从被控端通信器接收滑觉数据。其中，滑觉模拟控制器205还被配置为：从控制端通信器206接收滑觉数据，并基于滑觉数据产生用于控制所述至少一个电机的转速控制信号，以控制至少一个电机204的转速。

控制端通信器206和被控端通信器可以通过网络连接。可通信的连接是指设备之间可以直接或间接地互相通信，例如，通过网络互相发送和接收数据和/或信号。网络可以是基于互联网和/或电信网的物联网(Internet of Things)，其可以是有线网也可以是无线网，例如，其可以是局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、蜂窝数据通信网络等能实现信息交换功能的电子网络。

控制端通信器206接收到滑觉数据传输后，滑觉模拟控制器205可以将被控端的滑动方向与滑动速度分别转化为转速控制信号以控制至少一个电机204的输出转速，从而使至少一个同步带202达到相应的转速。

例如，滑觉模拟控制器205还包括比例积分微分控制器2051、用于获取至少一个电机204实际转速的至少一个控制端转速传感器2053、和功率放大器2052。替代地，在所述滑觉模拟控制器205中还可以应用无速度传感器控制策略，例如采用速度观测器估计所述至少一个电机的转速。在此情况下，所述至少一个控制端转速传感器2053可以省略，或者可以由速度观测器2053’替代。

例如，至少一个电机204可以是小功率直流电机，控制端转速传感器2053可以是内置于电机204中的编码器。编码器可以直接获取至少一个电机204的实际转速数据n(t)，其中t表示时刻，n(t)表示在时刻t时的电机204的实际转速。通过电机204的转速可以计算出电机204所关联的同步带202的实际转速，以判断滑动的速度是否准确。利用至少一个电机204自带的编码器来作为控制端转速传感器2053可以简化结构，易于制造。

又例如，控制端转速传感器2053可以为感应同步带202转速的传感器。控制端转速传感器2053可以设置在基座1上以检测同步带202的转速。通过同步带的转速也可以推导出其关联电机204的实际转速数据n(t)。

控制端转速传感器2053可以电连接于或可通信地连接于比例积分微分控制器2051。比例积分微分控制器是指通过比例积分微分控制(proportional-integral-derivative control，简称PID控制)规律来控制机械组件的控制器。对于每个电机204，比例积分微分控制器2051根据电机的转速数据和转速控制信号，产生转速控制信号。

例如，当至少一个电机204是小功率直流电机时，转速控制信号可以被进一步转化为电机电压控制信号。电机电压控制信号指示施加到电机204的直流电压。由此，滑觉模拟控制器205通过调整施加到电机204的电压，调整了电机204的转速。

例如，比例积分微分控制器2051可以通过比例积分微分控制规律，将期望转速r(t)结合控制端转速传感器2053获取的实际转速数据n(t)进行计算分析，实现对至少一个电机204的转速调整。其中，期望转速r(t)表示在时刻t时期望电机204达到的转速，其可以通过滑觉数据来指示。

滑觉模拟控制器205对至少一个电机204的调速的方法包括：滑觉模拟控制器205根据滑觉数据计算出电机204的期望转速r(t)，控制端转速传感器2053感应至少一个电机204的实际转速n(t)。滑觉模拟控制器205将期望转速r(t)与实际转速n(t)进行比较，计算出差值e(t)＝r(t)-n(t)。比例积分微分控制器2051根据差值e(t)计算出转速控制信号u(t)。转速控制信号u(t)表示在时刻t对电机的转速进行控制的信号。可选地，u(t)可以通过简单的线性变化转化为电机电压控制信号y(t)。y(t)表示在时刻t时的电机驱动电压。在该情况下，可选地，u(t)可以简单地经过功率放大器2052来得到电机电压控制信号y(t)，通过改变电机204的电压来驱动至少一个电机204改变其转速，以此实现滑动模拟。

装置200还可以进一步包括控制端压力传感器207，控制端压力传感器207与滑觉模拟控制器205可通信的连接，用于感测施加于所述至少一个同步带上的压力并产生压力检测信号。其中，滑觉模拟控制器205还被配置为：从控制端压力传感器207接收压力检测信号，并将压力检测信号转化为压力控制数据。其中，控制端通信器206还被配置为：从滑觉模拟控制器205接收所述压力控制数据，并向被控端通信器发送压力控制数据。

例如，控制端压力传感器207可以设置在基座201的底部处，用户向同步带施加压力后，即对整个滑觉模拟装置200施加压力，利用基座200底部的控制端压力传感器207可以感应整个滑动模拟装置200所受压力。又例如，控制端压力传感器207也可以设置在同步带与基座201接触夹缝中，即可感应到用户所施加的压力。本领域技术人员应当理解，控制端压力传感器207可以根据需要设置在装置200的其他合适位置，只要控制端压力传感器207能够感应到用户所施加的压力即可。控制端压力传感器207可以将检测到的压力转化为压力检测信号，然后将压力检测信号发送给滑觉模拟控制器205。

滑觉模拟控制器205在从控制端压力传感器207接收压力检测信号后，可以压力检测信号转化为压力控制数据。压力控制数据用于控制被控对象向外施加的压力。控制端通信器206从滑觉模拟控制器205接收压力控制数据，并向被控端通信器发送压力控制数据。例如，当被控对象是机器人手指或夹持器时，被控对象在通过其内置的被控端通信器接收到压力控制数据后，可以根据该压力控制数据来改变机器手指的握力或按压力。又例如，当被控对象是虚拟游戏中的虚拟角色时，被控制的虚拟角色可以根据该压力控制数据来调整其对另一虚拟对象施加的作用力。

滑觉模拟装置200采用同步带来模拟滑觉。由于同步带可以无限转动，没有位移范围约束，因此该滑觉模拟装置200能够提供连续的滑觉模拟。

图3是示出根据本公开实施例的又一滑觉模拟装置300的结构示意图。

参见图3，本公开实施例的滑觉模拟装置300也可以如图1那样类似地安装在游戏手柄中，也可以独立使用来为用户提供滑觉模拟。以下，为了便于说明，图3以装置300独立使用来说明装置的结构，但是本领域技术人员应当理解，本公开并不以此为限。

例如，滑觉模拟装置300，包括：基座301，该基座301类似于基座201，其上设有第一同步带303、第二同步带306、第一同步轮304、第二同步轮307、第一电机302和第二电机305。装置300还可以类似地包括装置200中的滑觉模拟控制器205，并可选地包括控制端通信器206、和控制端压力传感器207。

第一电机302和第二电机305类似于上述的电机204，因此此处将不再赘述。

与第一电机302相关联的同步轮为第一同步轮304，与第一电机302相关联的同步带为第一同步带303。

与第二电机305相关联的同步轮为第二同步轮307，与第二电机305相关联的同步带为第二同步带306。

第一同步带303的一端套设在第一同步轮304上，第一同步带303的一端套设在与第一电机302相关联的限位装置上。第一电机302传动地连接于第一同步轮304以驱动第一同步轮304和第一同步带303转动。

第二同步带306的一端套设在第二同步轮307上，第二同步带306的另一端套设在与第二电机305相关联的限位装置上。第二电机305传动地连接于第二同步轮307以驱动第二同步轮和307第二同步带306转动。

第一同步带303的延伸方向为第一方向，第二同步带306的延伸方向为第二方向，第一方向和第二方向交叉。可选地，第一方向垂直于第二方向，并且第一同步带303和第二同步带306在垂直于第一方向和第二方向构成的平面的方向上具有重叠的部分(例如图3中的网格区域)。

第一同步带303和第二同步带306交叉放置(如图3所示，第一同步带303交叉叠放上第二同步带306的上方)。第一同步轮304和第二同步轮307的转动轴轴向相异。

虽然图3中仅示出了一条第一同步带303和一条第二同步带306，但是本领域技术人员应当理解第一同步带303可以有多条，第二同步带306也可以有多条，本公开并不对第一同步带303和第二同步带306的数量进行限制。

例如，当用户的手指按压在图3中网格区域时，第一同步带303可能在第一电机302的运转的情况下在第一方向上向前转动或向后转动，此时用户可以感觉到第一同步带303在第一方向上的滑动。此时装置300通过第一同步带303的运动模拟了用户触摸到在第一方向上滑动的物体的感受。

当第二同步带306随着第二电机305运转而在第二方向上向前转动或向后转动时，由于第二同步带306与第一同步带303相接触，用户在按压网格区域时也可以透过第一同步带303感觉到第二同步带306的滑动。此时装置300通过同步带306的运动模拟了用户隔着一层材料触摸到在第二方向滑动的物体的感受。如果用户直接按压在第二同步带306上，用户可以感觉到第二同步带306在第二方向上的滑动。

可选地，第二同步带306和第一同步带303可以同时转动，当用户的手指按压在图3中的网格区域时，用户可以同时感受到两个方向的滑动。通过控制第一同步带303和第二同步带306各自的转动速度，使得用户能够在360度方向上感受到滑动。虽然本文为了便于说明，仅提及了用户手指按压在网格区域时的情况，本领域技术人员应当理解当手指按压在第一同步带和第二同步带的其它位置时，装置300仍能给用户反馈滑觉。

例如，通过改变第一电机302和第二电机305的转速，第一同步带303和第二同步带306可以以不同的速度转动，从而给用户提供不同速度的滑觉反馈。相比于装置100，由于第一同步带303和第二同步带306可以持续在第一方向和第二方向上转动，没有位移范围约束，装置300能够提供连续的滑觉模拟，利用两个方向滑动合成，能够实现不同方向、速度的滑动模拟，结构简单，便于制造，成本低，使用户实时感受到被控端设备的滑动速度与方向。

图4A是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置400的结构示意图。图4B是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置400的俯视图。图4C是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置400的正视图。图4D是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置400的后视图。图4E是示出根据本公开实施例的滑觉模拟装置400的分解图。

滑觉模拟装置400包括基座401，基座401的功能类似于上述的基座201和基座301，其为滑觉模拟装置400的其他组件提供结构上的支撑。装置400还可以类似地包括装置200中的控制端通信器206，以及可选地包括滑觉模拟控制器205、和控制端压力传感器207。

第一同步带403A和第一同步带403B套设于第一同步轮404和与第一电机402相关联的限位装置上，第一电机402传动连接于第一同步轮404，以驱动第一同步轮404及第一同步带403A和第一同步带403B转动。可选地，第一同步带403A和第一同步带403B彼此平行，并且第一同步带403A和第一同步带403B可以通过第一同步轮404上的限位条间隔开。

类似地，第二同步带406A和第二同步带406B套设于第二同步轮407和与第二电机405相关联的限位装置上，第二电机405传动连接于第二同步轮407，以驱动第二同步轮407及第二同步带406A和第二同步带406B转动。可选地，第二同步带406A和第二同步带406B彼此平行，并且第二同步带406A和第二同步带406B可以通过第二同步轮407上的限位条间隔开。

可选地，上述的同步轮均为柱状，中间设有限位条，可防止一组平行同步带之间交错摩擦，方便用户感知到滑动。

第二同步带406A和第二同步带406B分别与第一同步带403A和第一同步带403B交叉重叠。此处，可以理解地，第二同步带406A和第二同步带406B套设在第二同步轮407和与第二电机405相关联的限位装置上之后，第二同步带406A和第二同步带406B形成分别与第二同步轮407和与第二电机405相关联的限位装置相接触的两个圆弧部分、位于第二同步轮407和与第二电机405相关联的限位装置之间的两个平直部分。第二同步带406A和第二同步带406B上至少两个平直部分与第一同步带403A和第一同步带403B的平直部分相接触。第二同步带406A和第二同步带406B转动的第二方向与第一同步带403A和第一同步带403B转动的第一方向交叉。

当用户手指放在同步带的重叠平直部分上时，第二同步带406A、第二同步带406B、第一同步带403A和第一同步带403B的转动能够直接传递给用户手指。此时用户可以根据第二同步带406A和第二同步带406B与第一同步带403A和第一同步带403B四者滑动的叠加判断出真实滑动的整体方向和速度，使得用户可以感受到全方位的移动。例如假设第一同步带403A和第一同步带403B均在第一方向上向前转动，第二同步带406A和第二同步带406B均在第二方向上向前转动。在第一方向和第二方向垂直并且第一电机402和第二电机405的转速相同的情况下，用户将感受到整体上朝着第一方向和第二方向夹角45°的方向的剪切力。

可选地，第一方向和第二方向垂直。此时真实滑动的整体方向和速度可以被分解为垂直的两个方向上的速度。此时，第二同步带406A、第二同步带406B、第一同步带403A和第一同步带403B分别模拟横向和纵向的滑动速度，可以简化算法，利于多个方向的模拟。当然，第一方向和第二方向也可以交叉成及其他角度，二者不平行即可合成任意方向的速度，本公开对此不进行限制。

可选地，第二同步带406A和第二同步带406B的外表面设置有与第一同步带403A和第一同步带403B不同的凹凸纹理。当同步带滑动时，用户可以利用不同的表面凸起纹理触感来分辨同步带。

可选地，上述的同步带的厚度可以均小于1mm，该厚度既易于同步带滑动并减少磨损，也方便用户感知。当然，本公开并不以此为限。

可选地，上述同步带均为内表面光滑的橡胶材质，其能够减少同步带接触时的摩擦力，并能同时满足与同步轮之间的有效传动。

可选地，基座401上还设有四个张紧滑块和张紧滑槽。基座设有张紧滑槽，张紧滑块滑动地设置在张紧滑槽内，其滑动方向为与其相连的同步轮的排布方向。限位顶丝连接于基座401并延伸至张紧滑槽中以与张紧滑块相触，以限定张紧滑块在张紧滑槽的位置。同步轮通过轴转动连接于张紧滑块。限位顶丝与张紧滑块的配合，可以控制同步轮在其对应的同步带转动的方向上前后移动，可以调整同步带的张紧度，以便于控制多条同步带之间接触的紧密度调节。

可选地，基座还包括底板、两个横向可拆卸侧板、及两个纵向可拆卸侧板。两个横向可拆卸侧板平行且相对设置，且二者均与底板固定连接，第一同步轮404/第二同步轮407转动设置于底板之上和横向可拆卸侧板之间，第一电机402固定连接于所述底板。两个纵向可拆卸侧板平行且相对设置，且二者均与所述底板固定连接。第一同步轮404/第二同步轮407转动设置于底板之上和纵向可拆卸侧板之间，第二电机405固定连接于所述底板。

装置400采用多条同步带相配合的多同步带结构，其既可以实现无限转动，没有位移范围约束，能够提供连续的滑觉模拟，还能够利用两个方向滑动合成，能够实现不同方向、速度的滑动模拟，结构简单，便于制造，成本低，使用户实时感受到被控对象的滑动速度与方向，以便实时向被控对象发出控制信号以改变被控对象的滑动速度。

图5A是示出根据本公开实施例的被控机器人500的示意图。图5B是示出根据本公开实施例的被控机器人500的框架图。

参见图5A，被控机器人500包括被控端通信器501、被控端压力传感器502、和被控端控制器503。

被控端通信器501被配置为接收压力控制数据和向滑觉模拟装置200、滑觉模拟装置300和滑觉模拟装置400中的任一装置发送滑觉数据。以下以向滑觉模拟装置400发送滑觉数据为例进行说明，但是本领域技术人员应当理解本公开并不以此为限。

此处，滑觉数据是指能够表征被控机器人所感受到的剪切力。例如，在图5A中，当被控机器人500尝试夹取被夹持的物体时，被夹持的物体可能向下打滑。被控机器人500可以通过感测到被夹持的物体向下滑动来生成滑觉数据，然后将该滑觉数据发送给滑觉模拟装置400。然后滑觉模拟装置400可以通过该滑觉数据来调整同步带的转动来模拟被夹持物体向下滑动的状态。当用户的手指按压在同步带上时，用户可以感受到被挟持的物体向下滑动的状态，从而滑觉模拟装置400实现了向用户提供模拟的滑觉。

当用户手指触摸至滑觉模拟装置400的同步带重叠的平直部分，即可感受到被夹持物体的滑动。然后滑觉模拟装置400将向被控机器人500反馈压力控制数据。例如，假设此时用户向滑觉模拟装置400施加合适的按压力。如上所述，滑觉模拟装置400中的控制端压力传感器可以感应到用户所施加的压力，然后产生压力检测信号。滑觉模拟装置400中的滑觉模拟控制器可以将该压力检测信号转化为压力控制数据，并通过滑觉模拟装置400中的控制端通信器输出给被控机器人500的被控端通信器501。

被控端压力传感器502，被配置为检测被控机器人500施加的压力并产生被控机器人500的压力数据。例如，当被控机器人具有机器人手指时，被控端压力传感器502可以安装在机器人手指上来检测机器人手指向其他物体施加的作用力。

被控端控制器503可通信的连接于被控端通信器501和被控端压力传感器502。被控端控制器503被配置为：根据被控机器人500的压力数据和压力控制数据，调整被控机器人500施加的压力；将被控机器人500的压力数据转化为滑觉数据，并将滑觉数据发送至被控端通信器501。

例如，假设用户通过触摸滑觉模拟装置400感受到了被夹持的物体向下打滑，用户可能会尝试增加按压力来使得被夹持的物体不再打滑。由此，压力控制数据将指示被控机器人增加向被夹持的物体施加的压力。被控端控制器503可以比较压力数据和压力控制数据来最终确定被控机器人500向被夹持的物体施加的压力。当被控机器人500增加了夹持力后，被夹持的物体可能不再向下打滑。此时，被控端控制器503可以根据被控端压力传感器502检测到的压力数据更新滑觉数据(例如利用摩擦力公式等)，然后将滑觉数据通过被控端通信器501发送给滑觉模拟装置400。

可选地，如图5A所示，被控机器人500还包括机器人手指504。机器人手指504包括手指电机5041(图中未示出)、机械传动部件5042、以及手指夹持部件5043。手指电机5041驱动机器人手指504。被控端控制器503用于控制机器人手指的夹持力(也即调整被控机器人施加的压力)。可选地，被控端控制器503可以根据被控机器人的压力数据和压力控制数据，产生用于控制手指电机5041的转速控制信号，手指电机5041驱动机械传动部件5042，机械传动部件5042带动手指夹持部件5043，调整所述手指夹持部件5043的夹持力。

例如，如图5B所示，被控端控制器503中可以包括类似于上述的比例积分微分控制器2051的被控端比例积分微分控制器5031，其可以通过比例积分微分规律来控制手指电机5041的转速。例如，被控端比例积分微分控制器5031可以通过比例积分微分控制规律，将压力控制数据Fc(t)结合被控机器人的压力数据p(t)进行计算分析，实现对手指电机5041的转速调整。其中，压力控制数据Fc(t)表示滑觉模拟装置400期望机器人手指在时刻t对被夹持物体施加的夹持力。被控机器人的压力数据p(t)表示机器人手指在时刻t对被夹持物体施加的夹持力。

被控端控制器503将压力控制数据Fc(t)与被控机器人的压力数据p(t)进行比较，获得差值d(t)＝Fc(t)-p(t)。然后被控端比例积分微分控制器5031根据d(t)确定手指电机5041的转速控制信号uf(t)。例如，经过电机转速与机器人手指的施力转换后，被控端比例积分微分控制器5031根据d(t)确定手指电机5041的转速控制信号uf(t)，其表示在时刻t对电机的转速进行控制的信号。可选地，uf(t)可以通过简单的线性变化转化为手指电机电压控制信号yf(t)。yf(t)表示在时刻t时的手指电机5041的驱动电压。在该情况下，可选地，uf(t)可以简单地经过功率放大器5045来得到手指电机电压控制信号yf(t)，通过改变手指电机5041的电压来驱动手指电机5041改变其转速，以此实现滑动模拟。

将改变手指电机5041的驱动直流电机的电压进而改变手指电机5041转速，以此调整机器人手指对被夹持物体的施力，以阻止被夹持物体的滑动。

可选地，也可以直接将压力控制数据Fc(t)与驱动手指电机2051的电压进行简单映射，而无需采用被控端压力传感器502，即无需将实际机器人手施力作为反馈，能够简化控制系统和控制方式。

本公开提供的被控机器人500，在用户利用滑觉模拟装置遥控操作被控机器人500时，滑觉模拟装置模拟机器人手指尖的触觉传感器所提供的滑动触觉反馈，使用户感知机器人所抓取物体的滑动方向与速度。同时被控机器人500的被控端压力传感器502可以帮助感知或预判出所抓物体已经或即将发生滑动，然后被控机器人500可以基于感知到的信息生成滑觉信息，反馈至滑觉模拟装置以此提醒用户做出反应。本公开通过滑觉模拟装置采集用户的反应并生成压力控制信号，被控机器人500基于该压力控制信号阻止物体发生滑动，从而形成一个闭环控制系统。

本公开提供的滑觉模拟装置简单且紧凑，体积小，便于制造，成本较低。本公开提供的被控机器人采用的算法也简单高效，易于实现。

本公开提供的滑觉模拟装置不仅可以与被控机器人相互通信来模拟机器人手的动作，还可以应用于机器人的其他部位，或者场合，如虚拟现实、电脑游戏、人机交互。

图6是示出根据本公开实施例的游戏手柄600与虚拟游戏机700交互的示意图。

如图6所示，根据本公开实施例的游戏手柄600包括壳体601；电源602；和设置于壳体601内部的滑觉模拟装置603。滑觉模拟装置603可以是如上述实施例所公开的滑觉模拟装置200、300和400中的任意一项。其中,滑觉模拟装置603被配置为：从虚拟游戏机接收滑觉数据,并向所述虚拟游戏机输出压力控制数据,以控制虚拟游戏应用中的虚拟对象，所述虚拟游戏应用运行在所述虚拟游戏机中。

根据本公开实施例的虚拟游戏机700，包括被控端通信器701、处理器702和屏幕703。

被控端通信器701，被配置为从游戏手柄600接收压力控制数据和向游戏手柄600发送滑觉数据。被控端通信器701与上述的被控端通信器501类似，因此本公开不再赘述。

处理器702用于运行虚拟游戏应用。该虚拟游戏应用中的第一虚拟对象由游戏手柄操控。例如，如图6所示，第一虚拟对象可以是人类的手，其尝试握住一根棍子。棍子为第二虚拟对象。处理器702被配置为：计算压力数据，所述压力数据指示第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力；根据所述压力数据和所述压力控制数据，调整第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力，并更新所述压力数据；将更新后的压力数据转化为滑觉数据，并将所述滑觉数据发送至被控端通信器。

根据游戏应用的不同，处理器702计算压力数据的方式可能不同，本公开对此不作限定。

例如，如图6所示，当第一虚拟对象尝试握住第二虚拟对象时，第二虚拟对象可能向下打滑。处理器702可以通过计算确定第二虚拟对象向下滑动来生成滑觉数据，然后将该滑觉数据发送给滑觉模拟装置603。然后滑觉模拟装置603可以通过该滑觉数据来调整同步带的转动来模拟被夹持物体向下滑动的状态。当用户的手指按压在同步带上时，用户可以感受到第二虚拟对象向下滑动的状态，从而滑觉模拟装置603实现了向用户提供模拟的滑觉。

假设用户通过触摸滑觉模拟装置603感受到了第二虚拟对象向下打滑，用户可能会尝试增加按压力来使得第二虚拟对象不再打滑。由此，滑觉模拟装置603发出的压力控制数据将指示第一虚拟对象增加向第二虚拟对象施加的压力。处理器702可以比较压力数据和压力控制数据来最终确定第一虚拟对象向第二虚拟对象施加的压力。当第一虚拟对象增加了夹持力后，第二虚拟对象可能不再向下打滑。此时，处理器702可以更新滑觉数据(例如利用摩擦力公式等)，然后将滑觉数据通过被控端通信器701发送给滑觉模拟装置603。

屏幕703显示第一虚拟对象和第二虚拟对象。可选地，屏幕703可以显示第一虚拟对象正在调整对第二虚拟对象施加的压力。例如，屏幕703可以显示第一虚拟对象的握力数值的变化等等。

本公开的实施例还提供了一种控制系统。该控制系统包括上述的滑觉模拟装置和被控机器人；或包括上述的游戏手柄和上述的虚拟游戏机。

本公开实施例提供了一种滑觉模拟装置、被控机器人、游戏手柄、虚拟游戏机、和控制系统。该滑觉模拟装置采用同步带来模拟滑觉。由于同步带可以无限转动，没有位移范围约束，因此该滑觉模拟装置能够提供连续的滑觉模拟。本公开实施例还利用多条交叉的同步带实现了多个方向的滑动合成，从而实现不同方向、速度的滑动模拟。本公开实施例提供的滑觉模拟装置结构简单，便于制造，成本低，使用户实时感受到被控对象的滑动速度与方向。

需要说明的是，附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也要注意的是，框图中的每个方框、以及框图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

一般而言，本公开的各种示例实施例可以在硬件或专用电路、软件、固件、逻辑，或其任何组合中实施。某些方面可以在硬件中实施，而其他方面可以在可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实施。当本公开的实施例的各方面被图示或描述为框图、流程图或使用某些其他图形表示时，将理解此处描述的方框、装置、系统、技术或方法可以作为非限制性的示例在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备，或其某些组合中实施。

在上面详细描述的本发明的示例实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例或其特征进行各种修改和组合，这样的修改应落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种滑觉模拟装置，包括：

基座；

在基座上设置的至少一个电机；

滑觉模拟控制器，所述滑觉模拟控制器被配置为接收滑觉数据，产生用于控制所述至少一个电机的转速控制信号；

与所述至少一个电机中的每个电机相关联的至少一个同步轮、至少一个同步带和至少一个限位装置；

其中，所述至少一个同步带套设在所述至少一个同步轮和至少一个限位装置上，且所述电机传动地连接于所述至少一个同步轮，以根据所述转速控制信号驱动所述至少一个同步轮和所述至少一个同步带转动。

2.如权利要求1所述的滑觉模拟装置，其中，

所述至少一个电机包括第一电机和第二电机，

与第一电机相关联的至少一个同步轮为至少一个第一同步轮，与第一电机相关联的至少一个同步带为至少一个第一同步带；

与第二电机相关联的至少一个同步轮为至少一个第二同步轮，与第二电机相关联的至少一个同步带为至少一个第二同步带；

其中，所述至少一个第一同步带的延伸方向为第一方向，所述至少一个第二同步带的延伸方向为第二方向，所述第一方向和第二方向交叉；

所述至少一个第一同步轮的转动轴的轴向垂直于第一方向，所述至少一个第二同步轮的转动轴的轴向垂直于第二方向，第一同步轮的转动轴的轴向不同于第二同步轮的转动轴的轴向。

3.如权利要求2所述滑觉模拟装置，其中，

所述至少一个第一同步带为至少两个第一同步带，所述至少两个第一同步带彼此平行，并且所述至少两个第一同步带由第一同步轮上的限位条间隔开；

所述至少一个第二同步带为至少两个第二同步带，所述至少两个第二同步带彼此平行，并且所述至少两个第二同步带由第二同步轮上的限位条间隔开。

4.如权利要求2所述的滑觉模拟装置，其中，所述第一方向垂直于第二方向，并且第一同步带和第二同步带在垂直于第一方向和第二方向构成的平面的方向上具有重叠的部分。

5.如权利要求1所述的滑觉模拟装置，还包括：

控制端通信器，所述控制端通信器与所述滑觉模拟控制器可通信的连接，所述控制端通信器被配置为从被控端通信器接收滑觉数据；

其中，所述滑觉模拟控制器还被配置为：

从所述控制端通信器接收所述滑觉数据，并基于所述滑觉数据产生用于控制所述至少一个电机的转速控制信号，以控制所述至少一个电机的转速。

6.如权利要求5所述的滑觉模拟装置，还包括：

控制端压力传感器，所述控制端压力传感器与所述滑觉模拟控制器可通信的连接，用于感测施加于所述至少一个同步带上的压力并产生压力检测信号；

其中，所述滑觉模拟控制器还被配置为：从所述控制端压力传感器接收所述压力检测信号，并将所述压力检测信号转化为压力控制数据；

其中，所述控制端通信器还被配置为：从所述滑觉模拟控制器接收所述压力控制数据，并向被控端通信器发送压力控制数据。

7.如权利要求1所述的滑觉模拟装置，其中，

所述滑觉模拟控制器包括比例积分微分控制器；

对于每个电机，所述比例积分微分控制器根据所述电机的转速数据和所述转速控制信号，产生电压控制信号，通过调整施加到所述电机的电压来调整所述电机的转速。

8.如权利要求1所述的滑觉模拟装置，其中，

所述至少一个同步轮的转动轴的两端套设有至少一个张紧滑块，所述张紧滑块嵌设在所述基座内侧的张紧滑槽内，其中，所述张紧滑块在所述张紧滑槽的位置由嵌设在所述张紧滑槽上的限位顶丝限定。

9.如权利要求2所述的滑觉模拟装置，其中，所述基座包括底板、两个横向可拆卸侧板、及两个纵向可拆卸侧板；

所述两个横向可拆卸侧板平行且相对设置，且二者均与所述底板固定连接，第一同步轮转动设置于底板之上和横向可拆卸侧板之间，第一电机固定连接于所述底板；

所述两个纵向可拆卸侧板平行且相对设置，且二者均与所述底板固定连接，第二同步轮转动设置于底板之上和纵向可拆卸侧板之间，第二电机固定连接于所述底板。

10.如权利要求2所述的滑觉模拟装置，其中，

第一同步带的外表面设置有不同于第二同步带的凹凸纹理；

第一同步带和第二同步带的内表面均为光滑的橡胶材质。

11.一种被控机器人，包括：

被控端通信器，被配置为接收压力控制数据和向如权利要求1-10中的任一项的滑觉模拟装置发送滑觉数据；

被控端压力传感器，被配置为检测被控机器人施加的压力并产生被控机器人的压力数据；

被控端控制器，所述被控端控制器可通信的连接于所述被控端通信器和被控端压力传感器，所述被控端控制器被配置为：

根据所述被控机器人的压力数据和所述压力控制数据，调整所述被控机器人施加的压力；

将所述被控机器人的压力数据转化为所述滑觉数据，并将所述滑觉数据发送至被控端通信器。

12.如权利要求11所述的被控机器人，其中，所述被控机器人还包括机器人手指，所述机器人手指包括手指电机、机械传动部件、以及手指夹持部件，所述手指电机驱动所述机器人手指，所述被控端控制器用于控制所述机器人手指的夹持力，所述调整被控机器人施加的压力还包括：

所述被控端控制器根据所述被控机器人的压力数据和所述压力控制数据，产生用于控制所述手指电机的转速控制信号，

所述手指电机驱动所述机械传动部件，所述机械传动部件带动所述手指夹持部件，调整所述手指夹持部件的夹持力。

13.一种游戏手柄，包括：

壳体；

电源；

设置于所述壳体内部的如权利要求1-10中的任一项的滑觉模拟装置,

其中,所述滑觉模拟装置被配置为：

从虚拟游戏机接收滑觉数据,并向所述虚拟游戏机输出压力控制数据,以控制虚拟游戏应用中的虚拟对象，所述虚拟游戏应用运行在所述虚拟游戏机中。

14.一种虚拟游戏机，包括：

被控端通信器，被配置为从如权利要求13所述的游戏手柄接收压力控制数据和向所述游戏手柄发送滑觉数据；

处理器，所述处理器用于运行虚拟游戏应用，所述虚拟游戏应用中的第一虚拟对象由游戏手柄操控，所述处理器被配置为：

计算压力数据，所述压力数据指示第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力；

根据所述压力数据和所述压力控制数据，调整第一虚拟对象对第二虚拟对象施加的压力，并更新所述压力数据；

将更新后的压力数据转化为所述滑觉数据，并将所述滑觉数据发送至被控端通信器；

屏幕，所述屏幕显示第一虚拟对象和第二虚拟对象。

15.一种控制系统，包括：

如权利要求1-10中任一项所述的滑觉模拟装置和如权利要求11-12中的任一项所述的被控机器人；或

如权利要求13所述的游戏手柄和如权利要求14所述的虚拟游戏机。

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