CN116301360A - 一种力反馈装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力反馈装置及电子设备，涉及力反馈技术领域，该力反馈装置包括架体、按键、驱动装置、传动机构和支撑件。按键与所述架体可旋转连接；驱动装置与所述架体相连；传动机构包括在所述驱动装置的驱动下做直线运动的第一传动件；支撑件与所述架体可旋转连接，所述支撑件在所述第一传动件的带动下转动，且与所述按键传动连接；所述按键的下压幅度越大，所述第一传动件对所述支撑件的阻力的力臂越大。这样，需要的按压力也越大，符合越往下按压，反作用力需求越大的特性，从而得到更细腻、真实的使用体验。

Description

一种力反馈装置及电子设备

技术领域

本发明涉及力反馈技术领域，尤其涉及一种力反馈装置及电子设备。

背景技术

在VR和游戏等行业，常通过手柄等装置来进行虚拟现实体验和游戏交互，手柄上设置有具有力反馈功能的按键结构，当遇到一些游戏或者虚拟的体验场景，例如枪战游戏、拔河、弓箭射击等，通过主控制系统对按压按键的信号进行收集与反馈，促使该按键能够产生反作用力，作用于人手部，形成不同人机场景体验下的不同的力反馈效果。手柄中的按键结构的交互功能的强大与否，决定着人机体验的真实度的高低，其中按键结构本身的机械结构是影响交互功能的一个重要方面。

现有技术中的按键结构，例如公开号为CN111566601A的中国发明专利申请所公开的操纵输入设备，其通过电机驱动传动机构对按键施加作用力，传动机构为涡轮蜗杆传动加齿轮齿条传动或者涡轮蜗杆传动加齿轮和齿轮啮合传动。

由于按键与齿条或者齿轮接触以传递动力，因此在按键下压的过程中，按键受到的阻力的力矩通常是恒定的，而在相关场景下，例如按压枪械的扳机等场景下，随着按压幅度的增大，阻力也会增加，因此，现有的按键结构难以真实的模拟出游戏场景，力反馈较为生硬。

因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力反馈装置及电子设备，有利于提高力反馈效果的真实程度。

为实现上述发明目的，一方面，本发明提出了一种力反馈装置，包括：

架体；

按键，与所述架体可旋转连接；

驱动装置，与所述架体相连；

传动机构，包括在所述驱动装置的驱动下做直线运动的第一传动件；以及，

支撑件，与所述架体可旋转连接，所述支撑件在所述第一传动件的带动下转动，且与所述按键传动连接；

所述按键的下压幅度越大，所述第一传动件对所述支撑件的阻力的力臂越大。

进一步地，所述支撑件设置有引导轨道，所述第一传动件设置有与所述引导轨道滑动配接的杆部，所述支撑件和所述第一传动件之间通过所述引导轨道和所述杆部传力。

进一步地，所述引导轨道具有近端和远端，所述近端相较于所述远端更为靠近所述架体的旋转轴线，在所述按键下压时，所述杆部沿着所述引导轨道向所述远端移动。

进一步地，所述支撑件的旋转轴线与所述按键的旋转轴线相同或平行，在所述按键运动的过程中，所述杆部与所述引导轨道的接触部位始终位于所述转轴以及所述按键与所述支撑件的施力部位之间。

进一步地，所述引导轨道为沿直线或者曲线延伸的孔或者槽。

进一步地，所述的力反馈装置还包括与所述架体可旋转连接的齿轮轴、与所述齿轮轴相连的齿轮以及用于检测所述齿轮轴的转动的第一传感器，所述支撑件包括与所述齿轮啮合的第一齿轮部，所述第一传感器为旋转式滑动变阻器。

进一步地，所述的力反馈装置还包括与所述架体相连的转轴，所述转轴的轴线与所述第一传动件的运动方向相垂直，所述按键和所述支撑件均通过所述转轴与所述架体相连。

进一步地，所述传动机构还包括与所述第一传动件螺纹连接的第二传动件，所述驱动装置为电机，其驱动所述第二传动件转动，所述第一传动件的旋转自由度被限制，以使得所述第一传动件仅能沿着所述第一传动件的轴线移动。

进一步地，所述第一传动件设有内螺纹，所述第二传动件设有与所述内螺纹配接的外螺纹，所述第一传动件截面的外轮廓不为圆形，所述架体至少部分与所述第一传动件的外周面抵接，以限制所述第一传动件的旋转自由度。

进一步地，所述传动机构被配置为在所述第二传动件转动时能够带动所述第一传动件移动，在所述第一传动件移动时能够带动所述第二传动件转动。

进一步地，所述的力反馈装置还包括弹性件，所述弹性件部分与所述架体相连，部分与所述按键相连，在所述按键被下压时，所述弹性件发生弹性变形。

进一步地，所述按键设置有第一磁体，所述支撑件设置有与所述第一磁体同极相对设置的第二磁体。

进一步地，所述按键和所述架体其中之一设置有第三磁体，另一设置有用于感应所述第三磁体的霍尔传感器，当所述按键按压至最底部时，所述霍尔传感器触发感应信号。

另一方面，本发明提出了一种电子设备，包括如上所述的力反馈装置。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中，力反馈装置设置有能够在驱动装置的驱动下做直线运动的第一传动件以及由第一传动件带动转动的支撑件，支撑件与按键传动连接，能够传递动力，且按键的下压幅度越大，第一传动件对支撑件的阻力的力臂越大，这样，需要的按压力也越大，符合越往下按压，反作用力需求越大的特性，从而得到更细腻、真实的使用体验。

附图说明

图1是本发明实施例1中力反馈装置的主视图。

图2是本发明实施例1中力反馈装置的立体图。

图3是本发明实施例1中按键、转轴和弹性件的连接示意图。

图4是沿图1中剖切线A-A剖得的剖视图。

图5是沿图1中剖切线B-B剖得的剖视图。

图6是本发明实施例1中按键与支撑件抵接时的示意图。

图7是本发明实施例1中按键被压下后的示意图。

图8是本发明中按键与支撑件面接触时的示意图。

图9是沿图1中剖切线C-C剖得的剖视图。

图10是本发明实施例1中力反馈装置另一视向的立体图。

图11是本发明实施例2中力反馈装置的剖视图。

图12是本发明实施例3中力反馈装置的剖视图。

图13是本发明实施例4中力反馈装置的主视图。

实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

实施例1

如图1至图10所示，对应于本发明一种较佳实施例的力反馈装置，其包括架体1、按键2、驱动装置4、传动机构5和支撑件6。

架体1设有收容腔10，其第一端（图1中的上端）设置有连通外界和收容腔10的开口。按键2与架体1的第一端可旋转连接。如图2所示，架体1上设置有转轴20，按键2通过转轴20与架体1相连，其设置有与转轴20相连的环体12，能够绕着转轴20的轴线转动，按键2的旋转轴线即为转轴20的轴线。

如图3所示，力反馈装置还包括弹性件3，弹性件3连接在架体1和按键2之间，用于对按键2施加复位力。弹性件3部分与架体1相连，部分与按键2相连，当按键2被压下时，弹性件3发生弹性变形。当按键2失去外界的压力时，弹性件3通过其弹力驱动按键2向外转动以回到原位。如图2和图3所示，按键2还包括延伸至架体1外部的限位部13，限位部13可以与架体1的外周面抵接以限定按键2的上极限位置，防止按键2被向外掰开。

弹性件3例如可以是弹片、弹簧或者扭簧等。图3示出的实施例中，弹性件3为扭簧，其套设在转轴20上，且扭簧的两个扭力臂30分别与架体1和按键2相连。当按键2被压下时，扭簧发生弹性变形，两个扭力臂30之间的夹角变小，当按键2失去外部的按压力时，扭簧带动按键2复位。

驱动装置4与架体1相连，其用于为传动机构5提供动力。如图4所示，传动机构5包括在驱动装置4的带动下做直线运动的第一传动件51。驱动装置4固定连接在架体1的第二端，第二端与第一端分别位于架体1相对的两端。驱动装置4优选为电机，其本体40与架体1的基板1e相连，电机轴41伸入至收容腔10内。驱动装置4可以是裸电机也可以是带有减速器的电机，优选的，驱动装置4为带有减速器的电机，可以降低电机轴41的转速、提高扭矩。

可以通过多种传动方式将电机的旋转运动转化为第一传动件51的直线运动，例如可以设置涡轮蜗杆加齿轮齿条传动的传动方式，具体而言，电机轴41与蜗杆相连，蜗杆带动涡轮转动，齿轮与涡轮同轴连接，与涡轮同步转动，齿条与齿轮啮合且与架体1滑动配接，这样，在齿轮转动时，将带动齿条做直线运动，齿条可理解为上述的第一传动件51。

本实施例中，通过螺纹传动的方式将电机的旋转运动转化为第一传动件51的直线运动。如图4所示，传动机构5还包括与第一传动件51螺纹连接的第二传动件50，第二传动件50与电机轴41相连，能够在驱动装置4的驱动下转动，进而带动第一传动件51沿第二传动件50的轴线50a移动。第一传动件51的旋转自由度被限制，以使得第一传动件51仅能沿着第二传动件50的轴线移动。通过螺纹传动的方式将电机的旋转运动转化为第一传动件51的直线运动，传动结构更为简单，传动效率也更高，有利于简化装配结构，提高组装效率。

本实施例中，第一传动件51设置有内螺纹，例如开设螺纹孔，第二传动件50设置有与内螺纹适配的外螺纹，例如设置与螺纹孔适配的螺柱，第二传动件50插设至第一传动件51内。在其他实施例中，也可以第一传动件51设置外螺纹，第二传动件50设置内螺纹。

支撑件6与架体1可旋转连接，其在第一传动件51的带动下转动且与按键2传动连接。

在按键2下压的过程中，其与支撑件6相接触，从而带动支撑件6绕其旋转轴线转动，由于第一传动件51与支撑件6传动连接，因此，第一传动件51将对支撑件6施加阻碍按键2下压的阻力。力反馈装置被设置成，按键2的下压幅度越大，第一传动件51对支撑件6的阻力的力臂越大。这样，第一传动件51对支撑件6的力矩随着按键2的下压增大，使得按键2越往下压，受到的阻力越大，需要的按压力也越大，符合越往下按压，反作用力需求越大的特性，能够得到更细腻、真实的使用体验。

作为一种优选的实施方式，如图5所示，力反馈装置包括与架体1可旋转连接的支撑件6，支撑件6连接在转轴20上，其旋转轴线与架体1相同。支撑件6贴近第一传动件51的外周面设置，且其上开设有引导轨道60。图5示出的实施例中，引导轨道60为长孔，当然其不限于是长孔，例如还可以是长槽等等，同时其不限于沿着直线延伸，例如还可以沿着曲线延伸。第一传动件51设置有与引导轨道60滑动配接的杆部511，支撑件6和第一传动件51之间通过引导轨道60和杆部511传力。当第一传动件51沿着第二传动件50轴线移动时，杆部511将沿着引导轨道60移动并带动支撑件6绕着转轴20转动，从而顶升按键2。可以将支撑件6设置成相较于第一传动件51更为靠近按键2，以使得支撑件6能够与按键2抵接。优选的，支撑件6的上端设有抵接平面61，该抵接平面61用于与按键2上设置的抵接件24抵接。

抵接件24和抵接平面61可以是点接触、线接触或者面接触，在一些实施例中，如图6和图7所示，抵接件24和抵接平面61之间是线接触。在另一些实施例中，如图8所示，支撑件6设置有向着按键2凸起的凸台64，凸台64设有所述抵接平面61，传动过程中，抵接件24向着凸台64凸出，其底面240和抵接平面61贴合，形成面接触。

引导轨道60具有相对而言更靠近转轴20的近端和相对而言更为远离转轴20的远端，在按键2受力下压时，第一传动件51向着靠近驱动装置4的方向移动，在此过程中，参考图6和图7，引导轨道60的中心线60a与第二传动件50的轴线50a之间的夹角逐渐减小，杆部511沿着引导轨道60从近端向远端移动。按键2作用至支撑件6的作用力F1的力臂L1的长度基本不变，而杆部511对支撑件6的作用力F2的力臂L2逐渐增大，即杆部511对支撑件6的力矩逐渐增大，这样，越向下按压按键2，受到的阻力越大，需要的按压力也越大，符合越往下按压，反作用力需求越大的特性，能够得到更细腻、真实的使用体验。

在其他实施例中，按键2下压时，其作用至支撑件6的作用力F1的力臂L1也可以设置成逐渐变小或者逐渐增大，逐渐增大时，其增大的幅度应小于力臂L2增大的幅度。

将支撑件6的旋转轴线和按键2的旋转轴线设置成相同的结构，使得按键2在运动的过程中，两者的接触部位不会发生相对移动，从而减少因为相对运动造成的磨损。可以理解的是，支撑件6的旋转轴线也可以设置成与按键2的旋转轴线平行或者垂直或者呈一定的夹角。

作为一种优选的实施方式，支撑件6的旋转轴线与按键2的旋转轴线相同或者平行，在按键2的运动过程中，杆部511与引导轨道60的接触部位被设置成始终位于转轴20以及按键2与支撑件6的施力部位之间（在直接接触的情况下，施力部位即接触部位）。这样，按压按键2时，按键2对支撑件6的作用力F1的力臂L1始终大于杆部511对支撑件6的作用力F2的力臂L2，可以起到省力的作用，防止按压按键2所需的按压力过大。

第一传动件51的旋转自由度可以利用架体1进行限制。作为一种优选的实施方式，第一传动件51的截面的外轮廓不为圆形，例如可以是多边形、椭圆形、部分为圆形部分为非圆形或者不规则形状等，第一传动件51的截面为通过垂直于第一传动件51轴线（该轴线与第二传动件50的轴线相同）的平面截得的面。架体1至少部分与第一传动件51的外周面抵接，由于第一传动件51的截面的外轮廓不为圆形，因此当其被架体1抵接时，将无法绕自身轴线转动，这样，在第二传动件50旋转时，第一传动件51只能沿第二传动件50的轴线移动。

作为一种优选的实施方式，第一传动件51的截面的外轮廓不为圆形，且第一传动件51与收容腔10滑动配接，以使得其能够沿着收容腔10移动且不发生旋转运动。如图9所示，第一传动件51的截面的外轮廓呈矩形，架体1包括相对设置的左挡板1a和右挡板1b以及相对设置的前挡板1c和后挡板1d，四块挡板相连形成收容腔10。第一传动件51配接在收容腔10内，其外周面由前挡板1c、后挡板1d和右挡板1b限位，使得其仅能沿着第二传动件50的轴线50a移动。可以理解的是，仅设置一个与第一传动件51外周面贴近或贴合的挡板即可限制第一传动件51旋转方向的自由度。

在其他实施方式中，还可以在架体1的内表面设置导向条，在第一传动件51的外周面设置与导向条适配的导向槽，通过导向条和导向槽的配接实现第一传动件51旋转自由度的限定。

作为一种优选的实施方式，如图5、图9和图10所示，力反馈装置还包括与架体1的左挡板1a可旋转连接的齿轮轴7、与齿轮轴7相连的齿轮70以及用于检测齿轮轴7的转动的第一传感器71。支撑件6包括与齿轮70啮合的第一齿轮部63，图中示出的实施例中，第一齿轮部63为内齿轮，在其他实施例中，第一齿轮部63也可以是外齿轮。传感器71优选为旋转式滑动变阻器，其与齿轮轴7相连。当第一传动件51移动时，其通过杆部511带动支撑件6转动，第一齿轮部63又带动齿轮70和齿轮轴7转动，这样，传感器71能够通过检测齿轮轴7的转动判断按键2和第一传动件51的状态，例如检测按键2是否被压下，在一些场景中，当检测到按键2被压下，此时控制系统可以根据驱动信号（例如与游戏场景对应的信号）控制驱动装置4做出正转、反转的动作，以对按键2施加反作用力或者实现快速泄力。正转指的是驱动装置4驱动第一传动件51对按键2施加顶升力时的转向，反转的方向与正转相反。

力反馈装置在工作时，通过控制驱动装置4的转动方向或者速度等参数可以模拟出不同的使用场景，例如，驱动装置4正转可以对按键2施加与按压方向相反的反作用力，驱动装置4反转可以实现快速的泄力。作为一种优选的实施方式，传动机构4被配置为在第二传动件50转动时能够带动第一传动件51移动，同时在第一传动件51移动时，能够带动第二传动件50转动，可以通过控制螺纹的螺纹升角的大小来防止自锁。这样，在按压按键2时，按键2能够带动第一传动件51移动，此时第一传动件51带动第二传动件50转动，带来一定的阻力，该阻力小于驱动装置4正转时的反作用力，大于驱动装置4反转时的阻力，能够进一步丰富使用体验，模拟出更丰富的场景。可以理解的是，通过控制螺纹升角的大小可以调整按压按键2时形成的阻力的大小。

实施例2

如图11所示，与实施例1相比，本实施例中，按键2设置有第一磁体21，支撑件6顶部设置有第二磁体22。第一磁体21和第二磁体22同极相对设置，在两者之间形成磁斥力。这样，按键2和支撑件6之间通过磁斥力隔开。可以防止按键2与支撑件6因为频繁接触或者因为接触面的相对滑动而磨损。这样，力反馈装置的使用体验不会因为磨损导致变化，能够更长久的保持一致。

实施例3

如图12所示，与实施例1相比，本实施例中，抵接件24可拆卸连接在按键2上，同时在支撑件6上设置有用于与抵接件24抵接的块体62，块体62同样与支撑件6可拆卸连接。可拆卸连接的方式例如可以是胶粘、螺钉连接、卡扣连接等。这样，当块体62和抵接件24被磨损时，可以通过更换块体62和抵接件24来恢复力反馈装置的使用体验，可以避免力反馈装置的整体报废。

实施例4

如图13所示，按键2设置有向着架体1延伸的延伸板23以及连接在延伸板23上的第三磁体25。在按键2下压的过程中，延伸板23能够延伸至架体1的外周面外侧，具体为右挡板1b的外侧，可以理解的是，延伸板23也可以设置在架体1内部。在架体1上设置有用于感应第三磁体25的霍尔传感器11，霍尔传感器11垂直于PCB板14设置，按键2按压至底部时，第三磁体25接近霍尔传感器11，从而触发感应信号。这样，控制系统可以根据霍尔传感器11的信号准确的判断出按键2是否按压至底部标定位。

可以理解的是，霍尔传感器11也可以与PCB板14平行设置，当按键2按压至最底部时，第三磁体25与霍尔传感器11相对设置，以使得霍尔传感器11感应到第三磁体25，触发感应信号。

可以理解的是，也可以将霍尔传感器11安装在延伸板23上，将第三磁体25安装在架体1上，在按压按键2时，同样可以使霍尔传感器11触发感应信号。

实施例5

本实施例公开了一种电子设备，其包括上文所述的力反馈装置。电子设备例如可以是手柄、玩具枪等等，能够通过力反馈装置形成与使用场景对应的力反馈，从而提高使用体验。

上述仅为本发明的具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种力反馈装置，其特征在于，包括：

架体（1）；

按键（2），与所述架体（1）可旋转连接；

驱动装置（4），与所述架体（1）相连；

传动机构（5），包括在所述驱动装置（4）的驱动下做直线运动的第一传动件（51）；以及，

支撑件（6），与所述架体（1）可旋转连接，所述支撑件（6）在所述第一传动件（51）的带动下转动，且与所述按键（2）传动连接；

所述按键（2）的下压幅度越大，所述第一传动件（51）对所述支撑件（6）的阻力的力臂越大。

2.如权利要求1所述的力反馈装置，其特征在于，所述支撑件（6）设置有引导轨道（60），所述第一传动件（51）设置有与所述引导轨道（60）滑动配接的杆部（511），所述支撑件（6）和所述第一传动件（51）之间通过所述引导轨道（60）和所述杆部（511）传力。

3.如权利要求2所述的力反馈装置，其特征在于，所述引导轨道（60）具有近端和远端，所述近端相较于所述远端更为靠近所述架体（1）的旋转轴线，在所述按键（2）下压时，所述杆部（511）沿着所述引导轨道（60）向所述远端移动。

4.如权利要求3所述的力反馈装置，其特征在于，所述支撑件（6）的旋转轴线与所述按键（2）的旋转轴线相同或平行，在所述按键（2）运动的过程中，所述杆部（511）与所述引导轨道（60）的接触部位始终位于所述转轴（20）以及所述按键（2）与所述支撑件（6）的施力部位之间。

5.如权利要求2所述的力反馈装置，其特征在于，所述引导轨道（60）为沿直线或者曲线延伸的孔或者槽。

6.如权利要求2所述的力反馈装置，其特征在于，其还包括与所述架体（1）可旋转连接的齿轮轴（7）、与所述齿轮轴（7）相连的齿轮（70）以及用于检测所述齿轮轴（7）的转动的第一传感器（71），所述支撑件（6）包括与所述齿轮（70）啮合的第一齿轮部（63），所述第一传感器（71）为旋转式滑动变阻器。

7.如权利要求1至6任一项所述的力反馈装置，其特征在于，其还包括与所述架体（1）相连的转轴（20），所述转轴（20）的轴线与所述第一传动件（51）的运动方向相垂直，所述按键（2）和所述支撑件（6）均通过所述转轴（20）与所述架体（1）相连。

8.如权利要求1至6任一项所述的力反馈装置，其特征在于，所述传动机构（5）还包括与所述第一传动件（51）螺纹连接的第二传动件（50），所述驱动装置（4）为电机，其驱动所述第二传动件（50）转动，所述第一传动件（51）的旋转自由度被限制，以使得所述第一传动件（51）仅能沿着所述第二传动件（50）的轴线移动。

9.如权利要求8所述的力反馈装置，其特征在于，所述第一传动件（51）设有内螺纹，所述第二传动件（50）设有与所述内螺纹配接的外螺纹，所述第一传动件（51）截面的外轮廓不为圆形，所述架体（1）至少部分与所述第一传动件（51）的外周面抵接，以限制所述第一传动件（51）的旋转自由度。

10.如权利要求8所述的力反馈装置，其特征在于，所述传动机构（5）被配置为在所述第二传动件（50）转动时能够带动所述第一传动件（51）移动，在所述第一传动件（51）移动时能够带动所述第二传动件（50）转动。

11.如权利要求1至6任一项所述的力反馈装置，其特征在于，其还包括弹性件（3），所述弹性件（3）部分与所述架体（1）相连，部分与所述按键（2）相连，在所述按键（2）被下压时，所述弹性件（3）发生弹性变形。

12.如权利要求1至6任一项所述的力反馈装置，其特征在于，所述按键（2）设置有第一磁体（21），所述支撑件（6）设置有与所述第一磁体（21）同极相对设置的第二磁体（22）。

13.如权利要求1至6任一项所述的力反馈装置，其特征在于，所述按键（2）和所述架体（1）其中之一设置有第三磁体（25），另一设置有用于感应所述第三磁体（25）的霍尔传感器（11），当所述按键（2）按压至最底部时，所述霍尔传感器（11）触发感应信号。

14.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至13任一项所述的力反馈装置。

Images