CN209850908U - 力反馈装置及外骨骼设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种力反馈装置及外骨骼设备，该力反馈装置包括：壳体、力反馈杆，以及设在壳体内的电机驱动系统、角度传感器。壳体与第一外骨骼结构相接，力反馈杆的第一端与齿轮减速系统的输出轴相接，力反馈杆的第二端与第二外骨骼结构相接；第二外骨骼结构受力时可带动力反馈杆与电机驱动系统一起转动，实现相对于第一外骨骼结构的转动；角度传感器可以监测力反馈杆的转动角度，控制装置可根据该检测值控制电机驱动系统生成与力反馈杆的转动方向相反的扭矩。由于角度传感器可以精确地检测到力反馈杆的旋转角度，故控制装置可以控制电机驱动系统输出相对应的扭矩，从而使用户得到更好的触觉体验。

Description

力反馈装置及外骨骼设备

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种力反馈装置及外骨骼设备。

背景技术

VR技术(VR为Virtual Reality的缩写，中文名称为虚拟现实技术)的出现改变了人类与计算机的交互方式，比如通过VR头盔等穿戴设备，可以允许使用者利用视觉和听觉体验其所期望的虚拟环境。随着技术的发展，研究者也意识到除了视觉和听觉之外，触觉交互也是VR技术发展的一个重要方向：触觉交互可以使人们以更加直观的方式去触碰和操作虚拟物体，增强虚拟与现实的交互体验，打破虚拟和现实之间的界限。基于此，如何使外骨骼穿戴设备产生精准的反作用力，以便使穿戴者得到更好触觉体验的装置，便成了研究者的研究方向。

实用新型内容

本实用新型提供一种力反馈装置，旨在使外骨骼设备可以产生精准的反作用力，使用户得到更好的触觉体验。

本实用新型是这样实现的，一种力反馈装置，包括：壳体，所述壳体上设有连接结构，以便与第一外骨骼结构相接；驱动系统，设置在所述壳体内；输出系统，所述输出系统的第一端与所述驱动系统的输出端相接，并可与所述驱动系统的输出端同步运动，所述输出系统的第二端与第二外骨骼结构相接；所述第二外骨骼结构受力时可带动所述输出系统与所述驱动系统一起转动，进而实现所述第二外骨骼结构相对于所述第一外骨骼结构转动；角度传感器，所述角度传感器设置在所述壳体内，可以监测所述输出系统的转动角度。

进一步的，所述力反馈装置还包括：变速系统，所述变速系统设置在所述壳体内；所述变速系统的输入轴与所述驱动系统的输出端相接，所述变速系统的输出轴与所述输出系统的输入端相接。

进一步的，所述壳体包括第一壳体、第二壳体以及安装板；所述安装板设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间，将所述第一壳体和所述第二壳体所围城的空腔分成两个安装空间；其中，所述安装板的第一端面与所述第一壳体相对，所述安装板的第二端面与所述第二壳体相对，所述第一端面和所述第二端面相背；所述驱动系统安装在所述安装板的第一端面，所述变速系统安装在所述安装板的第二端面。

进一步的，所述驱动系统包括有驱动电机和传动机构；所述驱动电机安装在所述安装板的第一端面，且所述驱动电机的主轴与所述传动机构的输入端相接；所述传动机构的输出端与所述变速系统的输入轴相接。

进一步的，所述安装板的第一端面设有内凹结构，所述驱动电机安装在所述内凹结构的空腔内。

进一步的，所述驱动电机的主轴轴线与所述变速系统的输入轴轴线不平行，所述传动机构为扭矩换向机构。

进一步的，所述输出系统包括力反馈杆；所述力反馈杆的第一端设于所述壳体内，与所述驱动系统的输出端相接；所述力反馈杆的第二端设于所述壳体外，与所述第二外骨骼结构相接；所述壳体上设有可以使所述力反馈杆穿过，并可使所述力反馈杆转动的避空位。

进一步的，所述力反馈杆包括：连接段，所述连接段的一端与所述驱动系统的输出端相接；驱动段，所述驱动段的一端与所述连接段的另一端相接，所述驱动段的另一端与所述第二外骨骼结构相接；其中，所述连接段与所述驱动段之间呈钝角度设置。

进一步的，所述力反馈装置还包括：控制装置，所述控制装置设于所述壳体内，用于接收所述角度传感器的监测值，并控制所述驱动系统生成与所述力反馈杆的旋转方向相反的扭矩；数据传输装置，所述数据传输装置设置在所述壳体内，并与所述控制装置电性连接，用于向所述控制装置内传输控制程序。

本实用新型还提供了一种外骨骼设备，所述外骨骼设备包括如上任意一项所述的力反馈装置。

在本实施例中，由于角度传感器可以精确地检测到力反馈杆的旋转角度，故控制装置可以根据力反馈杆不同的旋转角度，控制电机驱动系统输出相对应的扭矩，从而使用户得到更好的触觉体验。

附图说明

图1为本实用新型提供的力反馈装置与其他装置配合使用的示意图；

图2为本实用新型提供的力反馈装置的结构示意图；

图3为本实用新型提供的力反馈装置的内部结构示意图；

图4为本实用新型提供的力反馈装置的另一视角的内部结构示意图；

图5为本实用新型提供的力反馈装置的壳体的结构示意图；

图6为本实用新型提供的力反馈装置的壳体主体的结构示意图；

图7为本实用新型提供的力反馈装置的壳体主体的另一视角的结构示意图；

图8为本实用新型提供的力反馈装置中另一种电机驱动系统的安装示意图；

图9为本实用新型提供的力反馈装置的力反馈杆的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于或安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接或相接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

如图1至图4所述，在本实用新型提供的实施例中，该力反馈装置包括：壳体1、齿轮减速系统2、电机驱动系统3、力反馈杆4以及角度传感器5。

其中，壳体1上设有连接结构11，通过连接结构11可以使壳体1与第一外骨骼结构6组装在一起。

电机驱动系统3的输出轴与齿轮减速系统2的输入轴21相接，通过齿轮减速系统2来提高电机驱动系统3的输出扭矩。另外，齿轮减速系统2和电机驱动系统3都设置在壳体1内，这样不仅可以通过壳体1对齿轮减速系统2和电机驱动系统3进行防护，提高二者的精度和使用寿命，而且通过壳体1对齿轮减速系统2和电机驱动系统3的遮挡，可以使整个力反馈装置更加美观。

力反馈杆4的第一端与齿轮减速系统2的输出轴22相接，并与齿轮减速系统2的输出轴22同步运动，力反馈杆4的第二端可与第二外骨骼结构7连接装配在一起；当第二外骨骼结构7受力时可带动力反馈杆4、齿轮减速系统2以及电机驱动系统3转动，进而实现第二外骨骼结构7相对于第一外骨骼结构6转动。

角度传感器5设置在壳体1内，可以监测力反馈杆4的转动角度。角度传感器5的监测值还可以被发送至控制装置(图中未示出)，控制装置在对这些检测值进行处理后，会控制电机驱动系统3工作，使之生成一个与力反馈杆4的转动方向相反的扭矩。即，力反馈装置4会在第二外骨骼结构7相对第一外骨骼结构6转动时，产生一个阻碍二者相对转动的扭矩。当人们穿戴具有第一外骨骼结构6和第二外骨骼结构7的装置，并使二者做相对转动运动时便会得到触觉体验。比如，当第一外骨骼结构6为手掌结构，第二外骨骼结构7为手指结构，手指结构与手掌结构通过该力反馈装置连接在一起，人们穿戴该手部外骨骼结构做抓取等动作时，便会在手指与手掌连接处得到触觉体验。

在本实施例中，由于角度传感器5可以精确地检测到力反馈杆4的旋转角度，故控制装置可以根据力反馈杆4不同的旋转角度，控制电机驱动系统3输出相应的扭矩，从而使用户得到更好的触觉体验。另外，在本实施例中，力反馈装置设有力反馈杆4，并通过力反馈杆4与第二外骨骼结构7连接配合，而并非直接通过齿轮减速系统2的输出轴22与第二外骨骼结构7连接配合，这样可以增强力反馈装置的适应性，利于下游厂商的生产设计。比如，第二外骨骼结构7与力反馈杆4之间可以是通过卡接、铆接、螺纹固定连接等多种方式安装在一起。

可以理解的，由于齿轮减速系统2的作用主要是为了提高电机驱动系统3 的输出的扭矩，所以在本实用新型提供的其他实施例中，当电机驱动系统3设置合适时，可以省去齿轮减速系统2，即电机驱动系统3的输出轴直接与力反馈杆4的第一端相接。当然，在本实用新型提供的其他实施例中，当电机的扭矩过大时，齿轮减速系统2也可以替换为齿轮加速系统，即齿轮减速系统2可以根据实际情况替换为不同功能的变速系统。

如图4和图6所示，齿轮减速系统2为四级减速系统，齿轮减速系统2中的齿轮上安装有主轴，这些主轴与其对应的齿轮之间同轴设置，壳体1上设有与这些主轴适配的安装孔位12，用于支撑安装这些主轴，进而实现对齿轮减速系统2的安装。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，齿轮减速系统2也可以是一级齿轮减速系统、二级减速系统或者行星减速系统等，当然，减速系统2也可以是行星齿轮减速系统、带轮减速系统等，本实用新型在此不做具体限制。

在本实施例中，力反馈杆4用于将电机驱动系统3产生的扭矩对外输出，属于力反馈装置的输出系统。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，输出系统也可以采用其他方式进行扭矩输出，比如采用绳索等，本实用新型在此不做过多说明。

如图4和图5所示，在本实用新型提供的实施例中，力反馈杆4的第一端设于壳体1内，与电机驱动系统3的输出端相接，力反馈杆4的第二端设于壳体1外，用于与第二外骨骼结构7相接，壳体1上设有可以使所述力反馈杆4 穿过，并可使力反馈杆4转动的避空位16，这样可以减小整个力反馈装置所占据的空间。进一步的，力反馈杆4和壳体1同时相对于一平行于力反馈杆4转动方向的平面对称，使整个力反馈装置更加美观。

如图9所示，在本实用新型提供的实施例中，力反馈杆4包括：连接段41 和驱动段42，其中，连接段41的一端设有通孔411，通过该通孔411与齿轮减速系统的输出轴22相接，具体的，二者之间为键连接(可以理解的，二者之间也可以是通过铆接、或者一体成型等方式连接在一起)，以便使二者同步运动；连接段41的另一端与驱动段42的一端相接,驱动段42的另一端与第二外骨骼结构7相接。

另外，在本实施例中，连接段41与驱动段42之间呈钝角设置，使人们在穿戴使用了该力反馈装置的设备后，用户的手指在张开状态时，让外骨骼结构处于力反馈装置的行程最高点。

此外，连接段41与驱动段42之间呈钝角设置，使人们在穿戴使用了该力反馈装置的设备时，力反馈杆4便能转动一定角度，将齿轮啮合处(或者其他零部件配合连接处)的间隙消除，提高角度传感器5的检测精度，进而提高力反馈装置产生反作用力的精准度，使穿戴者得到更好触觉体验。其中，该钝角的角度a可以在120度到150度之间。

在本实施例中，连接结构11为一杆状结构，该杆状结构的一端固定在外壳 1上，另一端设有通孔，以便与第一外骨骼结构6连接。其中，连接结构11与第一外骨骼结构6之间可以是固定连接，使外壳1与第一外骨骼结构6之间不能相对运动；连接结构11与第一外骨骼结构6之间可以是活动连接，此时为了提高力反馈装置的控制精度，二者采用铰链连接等方式使二者之间只能在一个自由度上做相对运动。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，连接结构11上也可以设置转轴等结构，以便与第一外骨骼结构6相接。

另外，如图3所示，在本实施例中，角度传感器5安装在齿轮减速系统2 的输出轴22上，并与齿轮减速系统2的输出轴22同轴设置，这样可以直接测量力反馈杆4的旋转角度。当然，由于力反馈杆4转动时可以带动齿轮减速系统2和电机驱动系统3转动，所以在本实用新型提供的其他实施例中，角度传感器5也可以是安装在齿轮减速系统2的输入轴21或者电机驱动系统3等相应位置，以间接测量力反馈杆4的旋转角度。

如图2至图7所示，在本实用新型提供的实施例中，壳体包括第一壳体13、安装板14以及第二壳体15；安装板14设置在第一壳体13和第二壳体15之间，将第一壳体13和第二壳体15所围城的空腔分成两个安装空间；其中，第一壳体13、安装板14和第二壳体15三者在相对应的位置设有通孔，螺栓8穿过三者上相应的通孔后与螺母配合，使三者固定在一起。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，第一壳体13、安装板14以及第二壳体15三者之间也可以通过卡接等方式连接在一起。

其中，安装板14的第一端面141与第一壳体13相对，安装板14的第二端面142与第二壳体15相对，第一端面141和第二端面142相背；电机驱动系统 3安装于安装板14的第一端面141，齿轮减速系统2安装于安装板14的第二端面142，并且电机驱动系统3和齿轮减速系统2均位于第一壳体13和第二壳体 15所围成的空腔内。

这种设置方式使得客户在组装力反馈装置时可以同时从安装板141两侧安装相应器件，使得组合更加方便以及更加紧凑，提升驱动装置的空间使用率。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，壳体1的设置可以是其他方式，比如壳体可以仅采用第一壳体和第二壳体组装而成，或者壳体也可以是有3 个以上相应的壳或板组装而成，本实用新型在此不做过多说明。

如图3所示，在本实施例中，电机驱动系统3包括有驱动电机31、与驱动电机31电性连接的驱动电路板32，以及传动机构33，驱动电机31的可以是无刷电机，空心杯电机，铁芯电机，线性电机等。驱动电机31安装在安装板14 的第一端面141，且驱动电机31的主轴与传动机构33的输入端相接；传动机构的33输出端与齿轮减速系统2的输入轴相接。具体的，电机31的机壳部分和电路板32均安装在安装板14的第一端面141上，传动机构33为齿轮传动机构，驱动电机31的主轴(即驱动系统3的输出端)穿过安装板14与齿轮传动机构的主动齿轮331相接，齿轮减速系统的输入轴21与齿轮传动机构的从动轮332 连接。其中，应当理解的，安装板14上设有相应的通孔，以便使电机31的主轴穿过。这样设置不仅可以避免齿轮减速系统2与电机驱动系统3在组装或者工作时产生干涉，还可以使得整个力反馈装置的内部结构更加紧凑、整齐以及美观。另外，在本实施例中，电机31的主轴可以直接作为齿轮减速系统2的输入轴21，即齿轮减速系统的主动齿轮直接安装在电机31的主轴上，使得整个力反馈装置的结构设置更加简单。

进一步的，为了使齿轮减速系统2与电机驱动系统3组成的动力系统结构更加紧凑，从而减小整个力反馈装置的体积，在本实施例中，安装板14的第一端面141上设有与电机31适配的内凹结构1411，使得驱动电机31可以安装在内凹结构1411的空腔内，内凹结构1411的侧壁及底部在第二端面142一侧形成一凸起结构1421。可以理解的，当电机31的主轴需要穿过安装板14与设置在第二端面142的齿轮减速系统2相接时，内凹结构1411的底部设有贯穿该底部的通孔。

应当理解的，在实际生产时，驱动电机31的主轴轴线与齿轮减速系统2的输入轴轴线可以是平行的，也可以是不平行的。当驱动电机31的主轴轴线与齿轮减速系统2的输入轴轴线平行时，上述实施例中的齿轮传动机构可是直齿轮传动机构；当驱动电机31的主轴轴线与齿轮减速系统2的输入轴21轴线不平行时，此时为了保证驱动电机31的扭矩输出效果，传动机构33采用扭矩换向机构，扭矩换向机构可以是涡轮蜗杆传动机构、斜齿轮传动机构、连杆传动机构等可以实现扭矩换向的机构。

比如，如图8所示，在本实用新型提供的另一实施例中，传动机构33为涡轮蜗杆传动机构，其中，驱动电机31的主轴与蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆3310 相接，且驱动电机31的主轴不穿过安装板14；齿轮减速系统2的输入轴与蜗轮蜗杆机构的蜗轮3320相接。即，在本实施例中，驱动电机31安装在安装板后其主轴的轴线与齿轮减速系统2的输入轴的轴线垂直设置，然后通过蜗轮蜗杆机构改变电机扭矩的方向，进而实现对齿轮减速系统2的驱动。在本实施例中，齿轮减速系统2的输入轴轴线与安装板14的板面垂直，此时驱动电机31的主轴轴线方向与安装板14的板面平行，由于驱动电机31的轴向长度通常大于其径向的宽度，故采用这种设置方式可以在一定程度上减小整个力反馈装置的体积。

如图7所示，在本实用新型提供的实施例中，壳体1上设有走线槽9，以方便电机驱动系统3等装置或元器件的导电线的排布设置，其中，走线槽9由壳体1内延伸至壳体1外，并由连接结构11与壳体1相接触的一端延伸至连接结构11与第一外骨骼结构6相接的一端，这样使得力反馈装置范围上的导线均可设置在走线槽9内，不仅可以避免这些导电线对力反馈装置的动作造成干扰，还能使力反馈装置更加整洁美观。

在本实用新型提供的实施例中，控制装置与力反馈装置为一体设置，具体的，控制装置设于壳体1内，减少壳体1外的导线排布，使力反馈装置整洁美观。其中，控制装置可以采用单片机等处理器，控制装置与电机驱动系统3、角度传感器5等电性连接。此时，力反馈装置还包括设置在壳体1内的数据传输装置，数据传输装置与控制装置电性连接，以便用户向控制装置内传输控制程序。其中，数据传输装置可以使用SPI(Serial PeripheralInterface)、 I2C(Inter-Integrated Circuit)、HID(Human Interface Device)、 USB(Universal Serial Bus)等传输接口，此时壳体1上还设有相应的避空位，以便连接数据线。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，数据传输装置还可以采用无线通信模块，比如蓝牙通信模块、WIFI通信模块等。此外，在本实用新型提供的其他实施例中，控制装置也可以是一独立于力反馈装置之外的装置，本实用新型在此不做过多说明。

另外，在本实用新型提供的实施例中，控制装置可以包括两个可以互相通信的控制器，这两个控制器中的一个为主控制器，可以用于对角度传感器5的监测信号进行处理，另一个控制器用于直接驱动电机驱动系统3，这样设置可以降低对控制装置性能的要求，并提高控制装置的数据处理效率。

本实用新型还提供了一种外骨骼设备，比如手部机械外骨骼设备等，该外骨骼设备使用了上述任一实施例所述的力反馈装置，由于该力反馈装置可以产生精准的反作用力，故用户穿戴该外骨骼设备后可以得到更好的触觉体验。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种力反馈装置，其特征在于包括：

壳体，所述壳体上设有连接结构，以便与第一外骨骼结构相接；

驱动系统，设置在所述壳体内；

输出系统，所述输出系统的第一端与所述驱动系统的输出端相接，并可与所述驱动系统的输出端同步运动，所述输出系统的第二端与第二外骨骼结构相接；所述第二外骨骼结构受力时可带动所述输出系统与所述驱动系统一起转动，进而实现所述第二外骨骼结构相对于所述第一外骨骼结构转动；

角度传感器，所述角度传感器设置在所述壳体内，可以监测所述输出系统的转动角度。

2.根据权利要求1所述的力反馈装置，其特征在于，所述力反馈装置还包括：变速系统，所述变速系统设置在所述壳体内；

所述变速系统的输入轴与所述驱动系统的输出端相接，所述变速系统的输出轴与所述输出系统的输入端相接。

3.根据权利要求2所述的力反馈装置，其特征在于，所述壳体包括第一壳体、第二壳体以及安装板；

所述安装板设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间，将所述第一壳体和所述第二壳体所围城的空腔分成两个安装空间；

其中，所述安装板的第一端面与所述第一壳体相对，所述安装板的第二端面与所述第二壳体相对，所述第一端面和所述第二端面相背；

所述驱动系统安装在所述安装板的第一端面，所述变速系统安装在所述安装板的第二端面。

4.根据权利要求3所述的力反馈装置，其特征在于，所述驱动系统包括有驱动电机和传动机构；

所述驱动电机安装在所述安装板的第一端面，且所述驱动电机的主轴与所述传动机构的输入端相接；所述传动机构的输出端与所述变速系统的输入轴相接。

5.根据权利要求4所述的力反馈装置，其特征在于，所述安装板的第一端面设有内凹结构，所述驱动电机安装在所述内凹结构的空腔内。

6.根据权利要求4所述的力反馈装置，其特征在于，所述驱动电机的主轴轴线与所述变速系统的输入轴轴线不平行，所述传动机构为扭矩换向机构。

7.根据权利要求1所述的力反馈装置，其特征在于，所述输出系统包括力反馈杆；

所述力反馈杆的第一端设于所述壳体内，与所述驱动系统的输出端相接；

所述力反馈杆的第二端设于所述壳体外，与所述第二外骨骼结构相接；

所述壳体上设有可以使所述力反馈杆穿过，并可使所述力反馈杆转动的避空位。

8.根据权利要求7所述的力反馈装置，其特征在于，所述力反馈杆包括：

连接段，所述连接段的一端与所述驱动系统的输出端相接；

驱动段，所述驱动段的一端与所述连接段的另一端相接，所述驱动段的另一端与所述第二外骨骼结构相接；

其中，所述连接段与所述驱动段之间呈钝角度设置。

9.根据权利要求7所述的力反馈装置，其特征在于，所述力反馈装置还包括：控制装置，所述控制装置设于所述壳体内，用于接收所述角度传感器的监测值，并控制所述驱动系统生成与所述力反馈杆的旋转方向相反的扭矩；

数据传输装置，所述数据传输装置设置在所述壳体内，并与所述控制装置电性连接，用于向所述控制装置内传输控制程序。

10.一种外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼设备包括如权利要求1～9任意一项所述的力反馈装置。