CN1326013C - 虚拟行走脚部力反馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟行走脚部力反馈装置，包括脚垫部件、脚尖部件、脚中部件、脚跟部件和支撑架体部件。脚尖部件、脚中部件和脚跟部件依次放入支撑架体部件，最后放入脚垫部件。依据行走时脚底受力情况，装置设有十个竖直向上的正压力油缸顶向受力脚垫且作用到脚底，可模拟出行走时受到正压力的情形，设有六个平放且两两垂直的牵引油缸，分别牵引脚尖部件、脚中部件和脚跟部件，使得受力脚垫产生切向力且作用到脚底，可模拟出行走时受到摩擦力的情形。依据脚印图提取的脚底外形轮廓曲线设计的受力脚垫，能符贴脚底且呈现了脚底的各个受力区域。本发明仿生脚行走受力情况研发设计，与人脚运动结构接近，为模拟虚拟行走的人机交互提供了硬件接口。
Description
技术领域
本发明涉及一种脚操纵的控制装置，具体地说是涉及一种虚拟行走脚部力反馈装置。
背景技术
随着计算机软硬件技术的快速发展，20世纪80年代未90年代初崛起了一种实用技术——虚拟现实技术(VR：Virtual Reality)，它综合了计算机图形学、多媒体、传感、并行实时计算、人工智能和仿真等多门学科，被预为21世纪最具前景的计算机技术。虚拟现实技术能为用户创造一个实时响应的虚拟环境，使用户直接探索虚拟物体，能让用户有“身临其境”的沉浸感。多感知性是VR技术的显著特征，它能为用户提供视觉、听觉、触觉、力觉和嗅觉等多种感知反馈。
虚拟现实技术实现了逼真地三维图像的视觉反馈，环绕立体声效的听觉反馈，给人们展现了一个美妙的虚拟世界。为了满足人们对虚拟环境中触觉和力觉反馈的需求，学者们还研发了多种触觉和力觉反馈硬件设备。
1990年麻省理工大学首先开展触觉反馈硬件设备的研制，当用户带着一个灵巧的手模型装置时，Patrick使用声音振动片能让用户手指产生振动的感觉。目前应用较广泛的触觉反馈硬件设备有：“TeleactII”气压式数据手套、美国虚拟技术公司电子振动式的“CyberTouch”数据手套、“FEELit Mouse”电子机械式鼠标等。通过这些设备，用户可以感受到虚拟物体表面粗糙度、几何形状、温度、材质、湿度等物理属性。
自20世纪90年代，美国、日本和英国等国家研制了应用于多种场合的力觉反馈硬件设备。比较有代表性的力觉反馈硬件设备有：“Rutgers Master”第二代灵巧手力反馈装置、Sensable技术公司的“PHANToM”力反馈装置和虚拟技术公司的“CyberGrasp”多自由度灵巧手力觉反馈设备，中国中科院自动化研究所原魁研究员研发了CAS-Grasp力觉反馈数据手套。通过这些设备，用户可以感受到虚拟物体的重量、惯性、顺从性(硬度、粘性)、运动约束等物理属性。
利用Roston等学者发明的“GaitMaster”多自由度并联脚部模拟装置，Jungwon Yoon等学者发明的“Virtual Walking Master”的脚部行走力觉反馈装置，用户可以感受到在平坦的地面、沙滩或泥泞的环境上行走的感觉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种虚拟行走脚部力反馈装置，可让用户主动参与到虚拟环境中，并且感受到在虚拟空间行走的脚部力觉。该装置还可应用于脚部医疗、娱乐、虚拟设计、和步态分析等。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括脚垫部件、脚尖部件、脚中部件、脚跟部件和开有脚形腔的支撑架体部件；脚尖部件、脚中部件和脚跟部件依次放入开有脚形腔的支撑架体部件中，最后将脚垫部件放入支撑架体部件的脚形腔中；其中：
1)脚垫部件：由一只有十个反馈正压力受力点r、s、t、u、v、w、x、y、z、za的受力脚垫和十个隔离垫圈组成；隔离垫圈过盈嵌入受力脚垫反面的各自的圆形凹腔内，每个隔离垫圈中间开有盲孔；
2)脚尖部件：包括两个牵引油缸、脚尖底座、三个正压力油缸、短螺钉、脚尖顶座和长螺钉；脚尖顶座和脚尖底座由长螺钉联接，三个正压力油缸各自布置在脚尖底座上的三个受力点y、z、za处，三个正压力油缸的活塞杆伸入三个受力点y、z、za处的隔离垫圈的盲孔内，脚尖顶座的两个牵引油缸相互垂直布置，通过活塞杆上的螺纹与脚尖底座的四方凸台相联接，脚尖底座上有三个圆柱凸台放置在支撑架体的底板上；
3)脚中部件：包括两个牵引油缸、脚中底座、四个正压力油缸、短螺钉、脚中顶座和长螺钉；脚中顶座和脚中底座由长螺钉联接，四个正压力油缸各自布置在脚中底座上的四个受力点u、v、w、x处，四个正压力油缸的活塞杆伸入四个受力点u、v、w、x处的隔离垫圈的盲孔内，脚中底座的两个牵引油缸相互垂直布置，通过活塞杆上的螺纹与脚中底座的四方凸台相联接，脚中底座上有三个圆柱凸台放置在支撑架体的底板上；
4)脚跟部件：包括两个牵引油缸、脚跟底座、三个正压力油缸、短螺钉、脚跟顶座和长螺钉；脚跟顶座和脚跟底座由长螺钉联接，三个正压力油缸各自布置在脚跟底座上的三个受力点r、s、t处，三个正压力油缸的活塞杆伸入三个受力点r、s、t处的隔离垫圈的盲孔内，脚跟底座的两个牵引油缸相互垂直布置，通过活塞杆上的螺纹与脚跟底座的四方凸台相联接，脚跟底座上有四个圆柱凸台放置在支撑架体的底板上；
5)开有脚形腔的支撑架体部件：包括外壳、底板和六个螺钉；外壳和底板由螺钉联接，外壳底部与底板联接处四周形成四个长方形空腔，是正压力油缸和牵引油缸的油管通道。
所述的受力脚垫以右脚印图为原型，在脚印图中，建立以脚跟外踝骨中心下沿点为坐标原点，以下沿点点和大脚指与第二脚趾的趾缝顶点j的连线为Y轴，垂直于Y轴的Xa为X轴的坐标系XaY，采样提取最能反映脚底外形轮廓的十七个特征点，利用这十七个特征点拟合出受力脚垫的外形轮廓曲线，设计出受力脚垫正面形状。
所述的十个反馈正压力的受力点，是依据人行走时脚底正压力分布情况，以脚跟外踝骨中心下沿点a为坐标原点，以下沿点a和大脚指与第二脚趾的趾缝顶点j的连线为Y轴，垂直于Y轴的Xa为X轴的XaY为参考坐标系，在脚跟、五个脚趾和跖骨前端处最能反映脚底受到正压力的十个位置采样提取，脚跟部位布置三个受力点，脚中外缘部位布置一个受力点，脚尖部位布置六个受力点，依据这十个受力点的位置，设计出受力脚垫反面的十个圆形凹腔。
所述的脚尖部件的三个正压力油缸、脚中部件的四个正压力油缸和脚跟部件的三个正压力油缸均由活塞杆和缸体组成的，采用两位三通电磁阀控制，是单向运动油缸。
所述的脚尖部件的两个牵引油缸、脚中部件的两个牵引油缸和脚跟部件的两个牵引油缸均由活塞杆和缸体组成的，采用三位四通电磁阀控制，是双向运动油缸。
本发明与现有技术相比，存在如下特点：
1、脚部力反馈装置采用液压驱动，与电机驱动相比，本发明简化了动力传递路径、结构紧凑、零件易于加工、降低制造成本、装配简便；
2、以脚印图为原型，提取脚底的外形轮廓曲线，设计出受力脚垫，该脚垫不仅能与脚底完美贴合，而且呈现了脚底的各个受力区域；
3、依据人脚行走时脚底正压力分布情况，在脚底的各个受力区域，采样提取十个脚底正压力受力点，设计了十个正压力油缸，实现脚底正压力的反馈。该装置能模拟出人行走时受到正压力的情形；
4、依据人脚行走时脚底摩擦力分布情况，在脚跟、脚中和脚尖三个受力区域，分别设计了二个牵引油缸，实现脚底摩擦力的反馈，该装置能模拟出人行走时受到摩擦力的情形；
5、发明仿生人脚行走受力情况研发设计，由脚垫组件、脚尖模块、脚中模块、脚跟模块和支撑架体组成，与人脚运动结构接近，它为虚拟行走模拟的人机交互提供了合适的硬件接口。
因此，本发明能保证满足脚部力觉反馈的性能要求。
附图说明
图1是脚部力觉反馈整体装配图；
图2是脚印轮廓特征点位置；
图3是受力脚垫的正面轮廓；
图4是反馈正压力作用点位置；
图5是受力脚垫的反面轮廓和脚垫组件装配图；
图6是脚尖模块整体装配图；
图7是脚尖顶座零件结构图；
图8是脚尖底座零件结构图；
图9是脚中模块整体装配图；
图10是脚中顶座零件结构图；
图11是脚中底座零件结构图；
图12是脚跟模块整体装配图；
图13是脚跟顶座零件结构图；
图14是脚跟底座零件结构图；
图15是支撑架体整体装配图；
图16是压力油缸装配图；
图17是牵引油缸装配图。
图中：A.脚垫部件，A1.圆形凹腔，A2.受力脚垫，A3.隔离垫圈，A4.轮廓曲线，B.脚尖部件，B1.牵引油缸，B2.脚尖底座，B3.正压力油缸，B4.短螺钉，B5.脚尖顶座，B6.长螺钉，B7.圆形凸台，B8.油道，B9.四方凸台，B10.圆柱凸台，C.脚中部件，C1.牵引油缸，C2.脚中底座，C3.正压力油缸，C4.短螺钉，C5.脚中顶座，C6.长螺钉，C7.圆形凸台，C8.油道，C9.四方凸台，C10.圆柱凸台，D.脚跟部件，D1.牵引油缸，D2.脚跟底座，D3.正压力油缸，D4.短螺钉，D5.脚跟顶座，D6.长螺钉，D7.圆形凸台，D8.油道，D9.四方凸台，D10.圆柱凸台，E.支撑架体部件，E1.外壳，E2.底板，E3.螺钉，E4.长方形空腔，E5.脚形腔，1.活塞杆，2.缸体，3.法兰盘，4.细牙螺纹， 5.活塞杆，6.缸体，7.粗牙螺纹，8.右端油道，9.左端油道，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q十七个脚印轮廓特征点r、s、t、u、v、w、x、y、z、za十个反馈正压力受力点。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明
如图1所示，本发明的脚部力反馈装置由脚垫部件A、脚尖部件B、脚中部件C、脚跟部件D和支撑架体部件E组成。用户的脚直接放在脚垫部件A的上，脚尖部件B、脚中部件C和脚跟部件D支撑着脚垫部件A，最终将作用力传给支撑架体部件E。
如图2、3所示，本发明的受力脚垫A2以男性二十五号右脚印图为原型进行设计，在脚印图中，建立以脚跟外踝骨中心下沿点a为坐标原点，以a点和大脚指与第二脚趾的趾缝顶点j的连线为Y轴的坐标系XaY，采样提取最能反映脚底外形轮廓的十七个特征点a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q，坐标值见表1。利用这十七个特征点拟合出受力脚垫A2的外形轮廓曲线A4，设计出受力脚垫A2正面形状。
如图4、5所示，本发明的十个反馈正压力的受力点r、s、t、u、v、w、x、y、z、za，是依据人行走时脚底正压力分布情况，以XaY为参考坐标系，在脚跟、五个脚趾和跖骨前端处，采样提取最能反映脚底受到正压力的十个位置，坐标值见表2。脚跟部位布置三个受力点r、s、t，脚中外缘部位布置一个受力点u，脚尖部位布置六个受力点v、w、x、y、z、za，其中五个脚趾处三个受力点v、w、x，跖骨前端处三个点y、z、za。通常脚弓部位在行走时是悬空的，因此脚弓处不设置力反馈点。依据这十个受力点的位置，设计出受力脚垫A2反面的十个圆形凹腔A1。
如图5所示，本发明的脚垫部件由一只受力脚垫A2和十个隔离垫圈A3组成。受力脚垫A2的材质是橡胶，隔离垫圈A3材质是硬质塑料。隔离垫圈A3过盈嵌入受力脚垫A2背部的圆形凹腔A1内，它增加了脚底受力点的接触面积，使得脚底受力均匀，且减少受力脚垫的磨损。
如图6、7、8、15、16、17所示，本发明的脚尖部件B由两个牵引油缸B1、脚尖底座B2、三个正压力油缸B3、八个短螺钉B4、脚尖顶座B5和四个长螺钉B6组成。脚尖顶座B5和脚尖底座B2由长螺钉B6联接。三个正压力油缸B3布置在第y、z、za受力点处，缸体上部设计了法兰盘3由八个短螺钉B4固定在脚尖顶座B5的圆形凸台B7上，缸体下部通过细牙螺纹4密封接在脚尖底座B2。脚尖底座B2设计了三个油道B8分别给三个正压力油缸B3供油。两个牵引油缸B1相互垂直布置，通过活塞杆5上的粗牙螺纹7与脚尖底座B2的四方凸台B9联接，脚尖底座B2设计了三个圆柱凸台B10放置在底板E2上，起支撑作用。
如图9、10、11、15、16、17所示，本发明的脚中部件C由两个牵引油缸C1、脚中底座C2、四个正压力油缸C3、九个短螺钉C4、脚中顶座C5和五个长螺钉C6组成。脚中顶座C5和脚中底座C2由长螺栓C6联接。四个正压力油缸C3布置在第u、v、w、x受力点处，缸体上部设计了法兰盘3由九个短螺钉C4固定在脚中顶座C5的圆形凸台C7上，缸体下部通过细牙螺纹4密封接在脚中底座C2。脚中底座C2设计了四个油道C8分别给四个正压力油缸C3供油。两个牵引油缸C1相互垂直布置，通过活塞杆5上的粗牙螺纹7与脚中底座C2的四方凸台C9相联接，脚中底座C2设计了三个圆柱凸台C10放置在底板E2上，起支撑作用。
如图12、13、14、15、16、17所示，本发明的脚跟模块D由两个牵引油缸D1、脚跟底座D2、三个正压力油缸D3、八个短螺钉D4、脚跟顶座D5和三个长螺钉D6组成。脚跟顶座D5和脚跟底座D2由长螺栓D6联接。三个正压力油缸D3布置在第r、s、t受力点处，缸体上部设计了法兰盘3由八个短螺钉D4固定在脚跟顶座D5的圆形凸台D7上，缸体下部通过细牙螺纹4密封接在脚跟底座D2。脚跟底座D2设计了三个油道D8分别给三个正压力油缸D3供油。两个牵引油缸D1相互垂直布置，通过活塞杆5上的粗牙螺纹7与脚跟底座D2的四方凸台D9相联接，脚跟底座D2设计了四个圆柱凸台D10放置在底板E2上，起支撑作用。
如图15所示，本发明的支撑架体E由外壳E1、底板E2和六个螺钉E3组成。外壳E1和底板E2由螺钉E3联接，四周形成四个长方形空腔E4，是正压力油缸B3、C3、D3和牵引油缸B1、C1、D1的油管通道。外壳E1设计了比受力脚垫A2略大的脚形腔E5，放置脚垫A、脚尖模块B、脚中模块C和脚跟模块D。
如图16所示，本发明的十个正压力油B3、C3、D3由活塞杆1和缸体2组成，采用两位三通电磁阀控制，是单向运动油缸。当液压泵供油时推动活塞杆1顶向受力脚垫A2，油路切断后，在用户脚的自重作用下活塞杆1回位，高压油通过电磁阀回到油箱，实现正压力的反馈。
如图17所示，本发明的六个牵引油缸B1、C1、D1由活塞杆5和缸体6组成，采用三位四通电磁阀控制，是双向运动油缸。当电磁阀切换到左位时，油缸左端油道9进油，右端油道8回油，活塞杆5往右边运动。当电磁阀切换到右位时，油缸右端油道8进油，左端油道9回油，活塞杆5往左运动。在电磁阀中位时阀中油路都为截止状态，活塞可平衡停留在油缸行程内的任意位置。六个牵引油缸B1、C1、D1，两两垂直布置，分别牵引脚尖模块B、脚中模块C和脚跟模块D，可给受力脚垫产生横向和纵向的作用力，实现摩擦力的反馈。
通过脚部力反馈装置的十个正压力油缸、六个牵引油缸的运动，可实现脚部正压力和摩擦力的反馈。
表1脚印轮廓特征点坐标值(mm)
| 特征点 | X坐标值 | Y坐标值 |
| a | 0.00 | 0.00 |
| b | 21.20 | 8.94 |
| c | 33.97 | 45.00 |
| d | 36.04 | 56.25 |
| e | 41.58 | 102.50 |
| f | 51.63 | 158.75 |
| g | 47.53 | 195.00 |
| h | 39.50 | 206.25 |
| i | 16.21 | 240.91 |
| j | 0.00 | 246.50 |
| k | -26.72 | 250.00 |
| l | -47.51 | 225.00 |
| m | -50.87 | 181.25 |
| n | -45.28 | 138.25 |
| o | -40.66 | 96.25 |
| p | -34.19 | 45.00 |
| q | -19.22 | 8.94 |
表2反馈正压力作用点坐标值(mm)
| 受力点 | X坐标值 | Y坐标值 |
| r | 4.70 | 20.66 |
| s | -4.89 | 58.80 |
| t | 25.45 | 64.34 |
| u | 33.34 | 115.15 |
| v | 41.51 | 156.26 |
| w | 17.85 | 175.82 |
| x | -16.43 | 179.09 |
| y | 29.39 | 206.48 |
| z | 3.49 | 228.70 |
| za | -18.90 | 224.89 |
Claims (5)
1.一种虚拟行走脚部力反馈装置，其特征在于：包括脚垫部件(A)、脚尖部件(B)、脚中部件(C)、脚跟部件(D)和开有脚形腔(E5)的支撑架体部件(E)；脚尖部件(B)、脚中部件(C)和脚跟部件(D)依次放入开有脚形腔(E5)的支撑架体部件(E)中，最后将脚垫部件(A)放入支撑架体部件(E)的脚形腔(E5)中；其中：
1)脚垫部件(A)：由一只有十个反馈正压力受力点r、s、t、u、v、w、x、y、z、za的受力脚垫(A2)和十个隔离垫圈(A3)组成；隔离垫圈(A3)过盈嵌入受力脚垫(A2)反面的各自的圆形凹腔(A1)内，每个隔离垫圈(A3)中间开有盲孔；
2)脚尖部件(B)：包括两个牵引油缸(B1)、脚尖底座(B2)、三个正压力油缸(B3)、短螺钉(B4)、脚尖顶座(B5)和长螺钉(B6)；脚尖顶座(B5)和脚尖底座(B2)由长螺钉(B6)联接，三个正压力油缸(B3)各自布置在脚尖底座(B2)上的三个受力点y、z、za处，三个正压力油缸(B3)的活塞杆(1)伸入三个受力点y、z、za处的隔离垫圈(A3)的盲孔内，脚尖顶座(B5)的两个牵引油缸(B1)相互垂直布置，通过活塞杆(5)上的螺纹(7)与脚尖底座(B2)的四方凸台(B9)相联接，脚尖底座(B2)上有三个圆柱凸台(B10)放置在支撑架体(E)的底板(E2)上；
3)脚中部件(C)：包括两个牵引油缸(C1)、脚中底座(C2)、四个正压力油缸(C3)、短螺钉(C4)、脚中顶座(C5)和长螺钉(C6)；脚中顶座(C5)和脚中底座(C2)由长螺钉(C6)联接，四个正压力油缸(C3)各自布置在脚中底座(C2)上的四个受力点u、v、w、x处，四个正压力油缸(C3)的活塞杆(1)伸入四个受力点u、v、w、x处的隔离垫圈(A3)的盲孔内，脚中底座(C2)的两个牵引油缸(C1)相互垂直布置，通过活塞杆(5)上的螺纹(7)与脚中底座(C2)的四方凸台(C9)相联接，脚中底座(C2)上有三个圆柱凸台(C10)放置在支撑架体(E)的底板(E2)上；
4)脚跟部件(D)：包括两个牵引油缸(D1)、脚跟底座(D2)、三个正压力油缸(D3)、短螺钉(D4)、脚跟顶座(D5)和长螺钉(D6)；脚跟顶座(D5)和脚跟底座(D2)由长螺钉(D6)联接，三个正压力油缸(D3)各自布置在脚跟底座(D2)上的三个受力点r、s、t处，三个正压力油缸(D3)的活塞杆(1)伸入三个受力点r、s、t处的隔离垫圈(A3)的盲孔内，脚跟底座(D2)的两个牵引油缸(D1)相互垂直布置，通过活塞杆(5)上的螺纹(7)与脚跟底座(D2)的四方凸台(D9)相联接，脚跟底座(D2)上有四个圆柱凸台(D10)放置在支撑架体(E)的底板(E2)上；
5)开有脚形腔(E5)的支撑架体(E)部件：包括外壳(E1)、底板(E2)和六个螺钉(E3)；外壳(E1)和底板(E2)由螺钉(E3)联接，外壳(E1)底部与底板(E2)联接处四周形成四个长方形空腔(E4)，是正压力油缸和牵引油缸的油管通道。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟行走脚部力反馈装置，其特征在于：所述的受力脚垫(A2)以右脚印图为原型，在脚印图中，建立以脚跟外踝骨中心下沿点a为坐标原点，以下沿点a和大脚指与第二脚趾的趾缝顶点j的连线为Y轴，垂直于Y轴的Xa为X轴的坐标系XaY，采样提取最能反映脚底外形轮廓的十七个特征点a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q，利用这十七个特征点拟合出受力脚垫(A2)的外形轮廓曲线(A4)，设计出受力脚垫(A2)正面形状。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟行走脚部力反馈装置，其特征在于：所述的十个反馈正压力的受力点r、s、t、u、v、w、x、y、z、za，是依据人行走时脚底正压力分布情况，以脚跟外踝骨中心下沿点a为坐标原点，以下沿点a和大脚指与第二脚趾的趾缝顶点j的连线为Y轴，垂直于Y轴的Xa为X轴的坐标系XaY为参考坐标系，在脚跟、五个脚趾和跖骨前端处最能反映脚底受到正压力的十个位置采样提取，脚跟部位布置三个受力点r、s、t，脚中外缘部位布置一个受力点u，脚尖部位布置六个受力点v、w、x、y、z、za，依据这十个受力点的位置，设计出受力脚垫(A2)反面的十个圆形凹腔(A1)。
4.根据权利要求1所述的一种虚拟行走脚部力反馈装置，其特征在于：所述的脚尖部件(B)的三个正压力油缸(B3)、脚中部件(C)的四个正压力油缸(C3)和脚跟部件(D)的三个正压力油缸(D3)均由活塞杆(1)和缸体(2)组成的，采用两位三通电磁阀控制，是单向运动油缸。
5.根据权利要求1所述的一种虚拟行走脚部力反馈装置，其特征在于：所述的脚尖部件(B)的两个牵引油缸(B1)、脚中部件(C)的两个牵引油缸(C1)和脚跟部件(D)的两个牵引油缸(D1)均由活塞杆(5)和缸体(6)组成的，采用三位四通电磁阀控制，是双向运动油缸。
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