DE10392966T5

DE10392966T5 - Parallele haptische Joystick-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10392966T5
Application number: DE10392966T
Authority: DE
Inventors: Munsang Kim; Dongseok Ryu; Changhyun Cho; Changsoon Hwang
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: AU2003265135A1; DE10392966B4; JP3888689B2; KR20040100011A; US7138981B2; WO2004104814A1; US20060066574A1; JP2005533326A; KR100507554B1

Abstract

Parallele haptische Joystick-Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden, der in Verbindung mit einem Computer verwendet wird, umfassend:
eine Mechanismuseinheit mit einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden;
eine Steuereinheit für die Eingabe der Positionsdaten und Richtungsdaten, welche während der Bedienung der Mechanismuseinheit auftreten, in den Computer, und Betätigung der Mechanismuseinheit gemäß den Ausgangsdaten für die Berechnung der Kraft oder des Drehmoments vom Computer zum Zweck der Wahrnehmung von dem Anwender;
die Mechanismuseinheit, die einen ersten Verbindungsmechanismus und einen zweiten Verbindungsmechanismus umfasst, die in Reihe geschaltet sind;
worin der erste Verbindungsmechanismus folgendes umfasst:
a) einen Basisrahmen, der die Basisebene bildet;
b) eine Vielzahl von proximalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der einen Enden der Vielzahl von proximalen Verbindungsgliedern mit dem Basisrahmen in einem bestimmten Winkel voneinander über ein Bolzengelenk verbunden sind;
c) eine Vielzahl von distalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der distalen Verbindungsglieder an dem anderen Ende des ersten proximalen Verbindungsgliedes...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die parallele haptische Joystick-Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden, und insbesondere auf die parallele haptische Joystick-Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden, welche einen ersten Verbindungsmechanismus umfasst, welcher planar drei Freiheitsgrade aufweist und einen zweiten Verbindungsmechanismus, welcher räumlich drei Freiheitsgrade aufweist, wobei der erste Verbindungsmechanismus und der zweite Verbindungsmechanismus seriell verbunden sind, und dadurch als ein Ganzes sechs Freiheitsgrade aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Die haptische Vorrichtung wird für die Eingabe der Bewegung eines Anwenders in den Computer durch den Kontakt mit dem Körper des Anwenders, wodurch am Ausgang die nötige Kraft oder das Gefühl dem Anwender ausgegeben wird.
Im Unterschied zur Tastatur, Maus, Joystick, Monitor oder Drucker, welche eine Einwegeschnittstelle verwenden, stellt die haptische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zwei-Wege-Schnittstelle zur Verfügung, welche sowohl eine Rolle als Eingabevorrichtung für die Eingabe der Anwenderbewegung in den Computer, wie auch als Ausgabevorrichtung für die Übertragung der adäquaten Kraft oder der Wahrnehmung zum Anwenderkörper gemäß dem Befehl von dem Computer. Die Zwei-Wege-Schnittstelle ermöglicht dem Anwender eine direkte Eingabe und Ausgabe, neben der Erleichterung der Wechselwirkung mit der virtuellen Umgebung des Computers und die Fernbetätigung des Roboters, welcher mit dem Computer verbunden ist. Die Zwei-Wege-Schnittstelle entsteht als neues Paradigma, als Ersatz für die existierenden Peripheriegeräte, welche mit einer Ein-Wege-Schnittstelle ausgerüstet sind.
1 stellt die allgemeine Struktur einer haptischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in der 1 dargestellt, kann der Anwender die Bewegung des Anwenders direkt in den PC 40 eingeben, durch die Berührung seines/ihres Körpers mit der haptischen Vorrichtung 1 und durch deren Betätigung. Die Mechanismuseinheit 50 ist mit dem Sensor und dem Aktuator ausgerüstet (nicht dargestellt in der 1), welche für übliche Roboter gängig sind, und der „End-Effektor" des Roboters entspricht dem Griff 3, welchen der Anwender berührt betätigt. Die Steuereinheit 30 der haptischen Vorrichtung 1 spielt eine Rolle bei der Übertragung der berechneten Ergebnisse der Informationen, welche vom Sensor erfasst wurden, welche an der Mechanismuseinheit 50 angebracht ist, wie auch zur Steuerung des Aktuators, welcher an der Mechanismuseinheit 50 angebracht ist, durch den Empfang der Befehle vom PC 40 und Durchführung der mechanischen Berechnungen. Die Steuerungseinheit 30 kann in der Form eines Moduls angebracht sein, oder im PC 40 enthalten sein.
Die haptische Vorrichtung, welche die Mechanismuseinheit 50, Steuerungseinheit 30 und den PC 40 wie oben beschrieben umfasst, kann in unterschiedlichen technischen Bereichen angewendet werden: Ermöglichen der direkten Eingabe in Bezug zu einer virtuellen Umgebung, welche sich in letzter Zeit durchgesetzt hat, und wodurch sich die Wahrnehmung für das Reelle gemäß den Ergebnissen, die vom PC 40 generiert wurden, verstärkt wird. In dem Fall komplexer virtueller Umgebungen können visuelle oder andere Arten von virtuellen Umgebungen unabhängig voneinander aufgebaut werden, mit Hilfe von „Virtual-Reality-Vorrichtungen", welche mit einem PC zur ausschließlichen Verwendung und anderer Komponenten ausgestattet ist, wobei einfache virtuelle Umgebungen direkt im PC 40 ausgeführt werden können. Die haptische Vorrichtung 1 wird an die „Virtual-Reality-Vorrichtung" als ein Sub-System über eine verdrahtete/drahtlose Kommunikation verbunden. Eines der anderen Beispiele für die Anwendung der haptischen Vorrichtung ist die Fernoperation von Patienten oder die Fernsteuerung von Robotern. In diesem Fall kann die Slave-Vorrichtung 200, umfassend den PC 240, welcher mit den Fernoperationswerkzeugen kommuniziert und den ferngesteuerten Roboter 210 umfasst, wobei die haptische Vorrichtung als der Master eingestellt ist und diese ansteuert, aus der Entfernung gemäß dem Willen des Anwenders manipuliert werden.
Während übliche Roboter so ausgelegt sind, dass sie ein niedriges Rückfahrverhalten aufweisen, damit die Störungen den „End-Effektor" des Roboters durchschütteln könnten, muss die haptische Vorrichtung so ausgelegt sein, um den kleinsten Widerstand aufzuweisen, so dass der Anwender den zu berührenden Teil der haptischen Vorrichtung leicht manipulieren kann. Als ein Ergebnis erfordert die haptische Vorrichtung eine noch sorgfältigere Entwicklungsspezifikation und einen höheren Grad an Steuerungsfähigkeit im Vergleich zu denen üblicher Roboter.
Die ersten haptischen Vorrichtungen verwendeten serielle Vorrichtungen. Die seriellen Vorrichtungen haben den Vorteil eines räumlichen Arbeitsplatzes und einer leichten Analyse. Die seriellen Vorrichtungen weisen aber auch viele Schwachpunkte auf, z.B. eine niedrigere Genauigkeit wegen der Fehlerkumulierung bei den Gelenken, und eine niedrigere Kapazität wegen der niedrigeren Steifigkeit. Die Trägheit der Sensoren und der Aktuatoren, welche an den entsprechenden Gelenken angebracht sind, behindern insgesamt die Bewegung der Vorrichtung und verringern das Rückfahrverhalten und die Effizienz des Energieverbrauchs. Bei den haptischen Vorrichtungen mit weniger als drei Freiheitsgraden, wird die serielle Vorrichtung oft wie oben beschrieben verwendet, weil die oben beschriebenen Nachteile verhältnismäßig klein sind. Bei den haptischen Vorrichtungen aber, mit mehr als drei Freiheitsgraden, werden keine seriellen Vorrichtungen bevorzugt, wegen der steigenden Anzahl von Aktuatoren und den kumulierten Fehlern.
Die parallele Vorrichtung hat einen Schwachpunkt wegen der schwierigen Analyse und dem engen Arbeitsbereich, aber sie weisen jene Stärken auf, dadurch, dass sie große Lasten vertragen, wegen ihrer strukturellen Steifigkeit und fertigen mit einer hohen Genauigkeit wegen der destruktiven Interferenz der Fehler. Über all diesen Vorteilen steht auch jener, dass parallele Vorrichtungen sämtliche Aktuatoren auf der Basis unterbringen können, wodurch die Trägheit des Aktuators während der Bewegung der Vorrichtung beseitigt wird und das Rückfahrverhalten der Vorrichtung verbessert wird. Dementsprechend werden parallele Vorrichtungen bei der Entwicklung von haptischen Vorrichtungen mit mehr als drei Freiheitsgraden bevorzugt.
Die haptische Vorrichtung kann als haptischer Simulator, haptischer Armmaster, haptischer Joystick (haptischer Handcontroller), haptischer Handmaster, haptische Tastvorrichtung eingeteilt werden, gemäß dem vom Körper des Anwenders berührten Teils.
Der haptische Simulator ist eine Vorrichtung für die Übertragung der Wahrnehmung von Bewegungen auf den gesamten Körper des Anwenders während der Anwender auf der Vorrichtung befestigt ist. Der haptische Armmaster ist eine Vorrichtung für die Eingabe von Armbewegungen und deren Kraftwiedergabe während die Vorrichtung an dem Arm des Anwenders angebracht ist. Der haptische Joystick ist eine Vorrichtung für die Eingabe der Handposition und die Kraftwiedergabe, während die Hand den Griff der Vorrichtung umfasst. Der haptische Handmaster ist eine Vorrichtung für die Eingabe der Fingerbewegung und Wiedergabe der Wahrnehmung von Form und Volumen, während der Anwender eine Vorrichtung in Handschuhform trägt. Die haptische taktile Vorrichtung ist eine Vorrichtung für die Wiedergabe der Berührungswahrnehmung einer Vibration, Temperatur oder Oberflächenstruktur, während die Berührung mit der Haut des Anwenders erfolgt. Unter den haptischen Vorrichtungen weist insbesondere der haptische Joystick eine hohe Verwendbarkeit und eine Vielzahl von Anwendungsfeldern auf, welcher die Handpositionen eingibt und die Kraft wiedergibt, während die Hand den Griff der Vorrichtung hält.
In der Kinematik und der Robotik umfassen die sechs Freiheitsgrade drei Translationsfreiheitsgrade in der Richtung der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse, und drei Drehfreiheitsgrade um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse. Bei der Auslegung des haptischen Joysticks wird in erster Reihe auf die Umsetzung der drei Translationsfreiheitsgrade geachtet.
In 2 wird der Stand der Technik für die haptischen Joysticks mit drei Freiheitsgraden dargestellt.
Wie in der 2 dargestellt, setzt der Stand der Technik mit drei Freiheitsgraden für haptische Joysticks die Translationsfreiheitsgrade um durch das Verwenden der seriellen Vorrichtungen. Der Anwender kann Translationsfreiheitsgrade eingeben durch die Manipulation des Griffs 1' des haptischen Joysticks mit seiner/ihrer Hand eingeben, und der Anwender kann ebenfalls die Kraft durch den Griff 1' der haptischen Vorrichtung wahrnehmen.
Dennoch ist solch eine Vorrichtung auf die Translationsbewegungen mit drei Freiheitsgraden beschränkt.
In 3 wird der Stand der Technik für haptische Vorrichtungen mit sechs Freiheitsgraden dargestellt.
Wie in der 3 beschrieben, wird der Stand der Technik für einen haptischen Joystick 1'' mit sechs Freiheitsgraden durch die Kombination des Drehmechanismus 2 umgesetzt, welcher für Drehbewegungen mit drei Freiheitsgraden geeignet ist, zusammen mit dem Griffteil gemäß dem Stand der Technik eines haptischen Joysticks mit drei Translationsfreiheitsgraden, wodurch das Ganze sechs Freiheitsgrade ermöglicht. Bekannte Beispiele für haptische Vorrichtungen mit sechs Freiheitsgraden nach dem Stand der Technik sind das „Phantom" und der „haptic-master", welche von der Tsukuba-Universität entwickelt wurden. Das „Phantom" ist eine haptische Vorrichtung, welche sechs Freiheitsgrade ermöglicht: Die drei Translationsfreiheitsgrade werden durch ein 4-Verbindungsgliedermechanismus erreicht, und die zusätzlichen drei Drehfreiheitsgrade werden durch das Hinzufügen eines Drehmechanismus erreicht, welcher die Drehung um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse ermöglicht, an dem einen Endteil des 4-Verbindungsgliedermechanismus.
Der „haptic-master" von der Tsukuba-Universität hat die Struktur des oberen Mechanismus, der mit dem unteren Mechanismus in Serie geschaltet ist, wobei der obere Mechanismus die drei Drehfreiheitsgrade durch Verwenden eines „Kardanmechanismus" erreicht, welcher aus einem 5er-Verbindungsglied besteht, und der untere Mechanismus ermöglicht drei Translationsfreiheitsgrade durch den Einsatz des „Maryland-Parallel-Mechanismus".
Dennoch umfassen die oben beschriebenen Mechanismen in Reihe geschaltete Mechanismen, wobei die Aktuatoren und Sensoren am Gelenkteil angebracht sind. Als Ergebnis werden die Bewegungen der oben beschriebenen Mechanismen durch die Trägheit der Aktuatoren und der Sensoren beeinflusst.
Der haptische Joystick wird im technischen Bereich der Virtual-Reality und Fernbedienung eingesetzt. Die meisten Anwendungen in der Virtual-Reality weisen ein Szenario auf für die Navigation durch die virtuellen Umgebungen und wobei ein Zusammenwirken mit den Gegenständen an einigen notwendigen Orten durchgeführt wird. Die Fernbedienung wird ge nutzt, um verschiedene Slave-Roboter in Umgebungen, in welchen Menschen nicht richtig arbeiten können, wie beispielsweise in einem Atomreaktor, in großer Tiefe sich befindlichen Unterseebooten und Raumschiffen. Ein Beispiel für die Fernbedienung ist der Translationsroboter, welcher mit einem Manipulator, „Mobile-Manipulator" ausgestattet ist, welcher für industrielle oder militärische Zwecke eingesetzt wird und zum Ausschalten gefährlicher Substanzen fernbedient eingesetzt wird.
Im Fall der ebenen Navigation in der Virtual-Reality, eignet sich eine haptische Vorrichtung mit Translationsfreiheitsgraden. Beim Zusammenwirken mit dem Gegenstand, ist das Gefühl für die Wahrnehmung umso größer, je mehr Freiheitsgrade die haptische Vorrichtung ermöglicht.
Im Fall der Fernsteuerung eines mobilen Manipulators, nähert sich der fernbediente mobile Roboter dem gefährlichen Gegenstand und beseitigt ihn. In diesem Fall empfiehlt sich die haptische Vorrichtung mit derselben Anzahl von Freiheitsgraden wie die vom mobilen Roboter, die drei Translationsfreiheitsgrade, damit der Anwender den mobilen Roboter direkt betätigen kann.
Die o.g. Fälle implizieren, dass die haptische Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden nicht immer bevorzugt wird, in Bezug auf den Energieverbrauch, Aktuatoreffizienz und die Steuerung des Mechanismus.
Als Ergebnis neuer Studien werden Verfahren für das gleichzeitige Ermöglichen von sechs Freiheitsgraden entwickelt. Die Mechanismen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren sind hervorragend in Präzision und im Rückfahrverhalten, und treffen die Mechanismen des Typs in Reihe geschaltet in Bezug auf die Effizienz. Die Beispiele sind der „5-link parallel haptic-master" entwickelt von Long und Collins von der California State University „5-link parallel haptic-master" entwickelt von KAIST, „haptic-master" entwickelt von der Sungkyankwan Universität.
4 beschreibt den parallelen haptischen Joystick 1''', welcher die sechs Freiheitsgrade mit Hilfe eines parallelen Mechanismus erzeugt.
Wie in der 4 beschrieben, ist der Griff 3 des parallelen haptischen Joysticks mit der Basis 14 über mehrere Verbindungsglieder 11, 12 verbunden. Die Aktuatoren zum Betrieb der entsprechenden Verbindungsglieder und die Sensoren zum Erfassen der betreffenden Bewegung der Verbindungsglieder, sind auf der Basis angebracht, und der Griff 3 führt Bewegungen aus mit sechs, im Zusammenhang mit den Bewegungen der Verbindungsglieder.
Obwohl der o.g. parallele haptische Master, welcher für sechs Freiheitsgrade geeignet ist, mit Bezug auf die objektive Leistung besser ist, ist es nicht der am meisten nachgefragte Typ einer haptischen Vorrichtung. Der oben genannte parallele haptic-master muss sechs Freiheitsgrade ermöglichen, durch das Zusammenwirken sämtlicher Bewegungen der Verbindungsglieder. Dementsprechend muss er sämtliche sechs Aktuatoren betreiben, um eine Kraftrückkoppelung zu erzeugen, welche bloß einen Freiheitsgrad besitzt. Die oben genannten haptischen Vorrichtungen werden üblicherweise in Umgebungen mit drei Freiheitsgraden eingesetzt, und nur in speziellen Fällen werden die Vorrichtungen in Umgebungen mit sechs Freiheitsgraden eingesetzt. Unter Berücksichtigung solcher Umstände, stellt das Betätigen von sechs Aktuatoren während der gesamten Zeit kein gutes Verfahren dar, mit Bezug auf die Effizienz des Energieverbrauchs und der Steuerung des Mechanismus. Anstelle der Betätigung der überschüssigen Aktuatoren für die Bewegung von unnötigen Freiheitsgraden, stellt die Einschränkung der Komponentenbewegung einen besseren Weg dar, für eine verbesserte Realitätswahrnehmung und der Rückkoppelungskraft. Dementsprechend empfiehlt es sich die Art der am häufigsten genutzten Freiheitsgrade zu bestätigen, um die Komponenten adäquat für die häufiger genutzten Freiheitsgrade anzuordnen, und dann die anderen Komponenten auf mechanischem Weg einzuschränken. Zusätzlich zu den oben genannten Sequenzen, können bei Bedarf zusätzliche Freiheitsgrade hinzugefügt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Lösung der obengenannten Probleme gemäß dem Stand der Technik, und hat als Aufgabe das Vorsehen eines Mechanismus, der fähig ist, sechs Freiheitsgrade zu ermöglichen, welcher einen Basismechanismus erfasst, der fähig ist, Translationsbewegungen mit drei Freiheitsgraden durchzuführen, und ein zusätzlicher Verbindungsgliedermechanismus, der fähig ist Bewegungen mit drei Freiheitsgraden durchzuführen, unterschiedlich zu den oben genannten Translationsbewegungen mit drei Freiheitsgraden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, durch das Vorsehen einer haptischen Joystick-Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden, die im Zusammenhang mit einem Computer eingesetzt wird, umfassend:

– eine mechanische Einheit mit einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden;
– eine Steuereinheit für die Eingabe der Positionsdaten und der Richtungsdaten in den Computer, die während des Betriebs der mechanischen Einheit auftritt, und die Bedienung der mechanischen Einheit gemäß der ausgegebenen Rechnungsdaten für die Kraft oder Drehmomente vom Computer für die Wahrnehmung durch den Anwender;
– die mechanische Einheit umfasst einen ersten Verbindungsmechanismus und einen zweiten Verbindungsmechanismus in Reihe geschaltet;
– wobei der erste Verbindungsmechanismus folgendes umfasst:
– einen Basisrahmen der eine Basisfläche bildet;
– eine Vielzahl von ersten proximalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der einen Enden der ersten proximalen Verbindungsglieder am Basisrahmen über ein Bolzengelenk verbunden sind;
– eine Vielzahl von ersten distalen Verbindungsgliedern, wobei jeder der distalen Verbindungsglieder mit den anderen Enden der ersten nahe gelegenen Verbindungsglieder über Bolzengelenke verbunden ist; und
– eine erste Plattform, die mit den anderen Enden der ersten distalen Verbindungsglieder über Bolzengelenke verbunden ist, wobei die erste Plattform drei Freiheitsgrade mit zwei Translationsbewegungen entlang der X- und Y-Achse und eine Drehbewegung um die Z-Achse senkrecht zur Basisebene aufweist;
– und wobei des zweite Verbindungsmechanismus folgendes umfasst:
– eine bestimmte Anzahl von zweiten proximalen Verbindungsgliedern, wobei jeder der ersten Enden der zweiten proximalen Verbindungsglieder mit der ersten Plattform verbunden ist;
– eine bestimmte Anzahl von zweiten distalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der zweiten distalen Verbindungsglieder an dem anderen Ende der zweiten proximalen Verbindungsglieder über ein Bolzengelenk verbunden ist; und
– eine zweite Plattform, welche mit dem anderen Enden des zweiten distalen Verbindungsgliedes über ein Kugelgelenk verbunden ist, wobei die zweite Plattform drei Freiheitsgrade für eine Translationsbewegung entlang der Z-Achse und zwei Drehbewegungen um die X-Achse und Y-Achse in Bezug auf die erste Plattform aufweist.

Bei der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt man, dass die Vielzahl von ersten proximalen Verbindungsgliedern drei um 120° versetzte erste proximale Verbindungsglieder sind, und die bestimmte Anzahl von zweiten proximalen Verbindungsgliedern drei zweite proximale Verbindungsglieder sind, die an der ersten Plattform um 120° versetzt, angebracht sind.
Für die parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt man, dass der Basisrahmen ferner folgendes umfasst:

– einen ersten Aktuator für die Drehung eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder um die Z-Achse der Basisfläche;
– und einen ersten Sensor für das Erfassen der Drehwinkel eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder.

Bei der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt man, dass der Basisrahmen ferner folgendes umfasst:

– einen zweiten Aktuator für die Drehung eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder um die Achse, die parallel zu der von der X-Achse und der Y-Achse definierten Ebene auf der ersten Plattform liegen;
– und ein zweiter Sensor für die Erfassung der Drehbewegung eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder;
– und wobei die Kraft von dem zweiten Aktuator zum zweiten proximalen Verbindungsglied über Drehrollen, Kraftübertragungsmittel und Kraftübertragungswelle übertragen wird, wobei die Drehrollen unabhängig unter den entsprechenden Bolzengelenken an den ersten proximalen Verbindungsgliedern und den ersten distalen Verbindungsgliedern angeordnet sind, wobei die Kraftübertragungsmittel wie beispielsweise Seile etc. jede der Drehrollen verbinden und wobei die Kraftübertragungswelle in dem Bolzengelenk eingebaut ist, welches das erste distale Verbindungsglied und die erste Plattform verbindet, und die Kraftübertragungswelle ist an dem zweiten proximalen Verbindungsglied mit einem Kegelrad verbunden, und dadurch die Kraft von dem zweiten Aktuator über Drehrollen, Kraftübertragungsmittel, Kraftübertragungswelle und letztendlich zum zweiten proximalen Verbindungsglied übertragen wird.

Und es wird ebenfalls bevorzugt, dass die Steuereinheit in dem Computer vorgesehen wird, an welchem die parallele haptische Joystick-Vorrichtung angeschlossen ist.
Kurze Zeichnungsbeschreibung
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden besser bewertet und verstanden, durch die Betrachtung der folgenden, detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, wobei:
1 eine vereinfachte Ansicht der haptischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist,
2 eine vereinfachte Ansicht der haptischen Vorrichtung gemäß dem Stand der
Technik mit drei Translationsfreiheitsgraden ist;
3 eine vereinfachte Ansicht einer haptischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit sechs Freiheitsgraden ist;
4 eine vereinfachte Ansicht der parallelen haptischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit sechs Freiheitsgraden ist;
5 eine vereinfachte Ansicht der haptischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Draufsicht des ersten Verbindungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung für eine parallele haptische Joystick-Vorrichtung ist;
7 eine Draufsicht des zweiten Verbindungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung für eine haptische Joystick-Vorrichtung ist;
8 eine Konzeptansicht des Verfahrens für die Umsetzung einer haptischen Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden durch die Erweiterung des Verbindungsmechanismus mit drei Freiheitsgraden mit weiteren drei Freiheitsgraden ist;
9 eine perspektivische Ansicht einer parallelen haptischen Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Ansicht der Kraftübertragungsstruktur vom zweiten Aktuator zu dem zweiten Verbindungsmechanismus überträgt, in dem Fall, in dem der zweite Aktuator, welcher den zweiten Verbindungsmechanismus zum zweiten Verbindungsmechanismus betreibt, auf dem Basisrahmen angebracht ist;
11 ein Blockdiagramm, welches die Prinzipien der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt, ist; und
12 ein Flussdiagramm, welches den Arbeitsvorgang der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt, ist.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird in der folgenden detaillierten Beschreibung in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
5 ist eine vereinfachte Ansicht der haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in der 5 beschrieben, ist die haptische Joystick-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Mechanismuseinheit 50 mit sechs Freiheitsgraden, und einer Steuereinheit 30 für die Eingabe der Positionsdaten und Richtungsdaten gebildet, Daten die während des Betriebs der Mechanismuseinheit auftreten, in den Computer, und die Mechanismuseinheit 50 betätigen, gemäß der berechneten Ausgangsdaten für die Kraft oder das Drehmoment von dem Computer 40 zur Wahrnehmung durch den Anwender.
Die Mechanismuseinheit 50 ist aus einem ersten Verbindungsmechanismus 10 mit drei Freiheitsgraden und einem zweiten Verbindungsmechanismus 20 mit drei Freiheitsgraden gebildet, welche in Reihe geschaltet sind und dadurch als Ganzes mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet ist. Dementsprechend kann die Mechanismuseinheit 50 jede räumliche Bewegung durchführen.
Das Prinzip für den Betrieb und das Verfahren für den Betrieb der haptischen Joystick-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben: D.h. den Betriebsablauf für den Empfang der Signale von einem planaren Mechanismus 10, der drei Freiheitsgrade aufweist und ein räumlicher Mechanismus 20, der drei Freiheitsgrade aufweist, wobei anschließend die Positionsdaten und Richtungsdaten von der Steuereinheit 30 in den Computer 40 eingegeben werden, und wobei anschließend der Aktuator gemäß den ausgegebenen Berechnungen von der Steuereinheit 30 betätigt wird. An erster Stelle wird der parallele Verbindungsmechanismus und die Zusammenwirkung mit der Steuereinheit 30 und dem Computer 40 und der Betrieb der haptischen Vorrichtung erklärt.
In der 6 wird der erste Verbindungsmechanismus 10 der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung beschrieben.
Wie in der 6 dargestellt, umfasst der Verbindungsmechanismus 10:

– einen Basisrahmen 14, der die Basisebene bildet;
– eine Vielzahl von proximalen Verbindungsgliedern 11, wobei jedes der einen Enden der ersten proximalen Verbindungsglieder 11 mit dem Basisrahmen in einem bestimmten Winkel über Bolzengelenke verbunden ist;
– eine Vielzahl von ersten distalen Verbindungsgliedern 12, wobei jedes distale Verbindungsglied 12 mit den anderen Enden der ersten proximalen Verbindungsglieder 11 über ein Bolzengelenk verbunden ist; und
– eine erste Plattform 13, die mit dem anderen Ende des ersten distalen Verbindungsglieds 12 über ein Bolzengelenk verbunden ist, wobei die erste Plattform 13 drei Freiheitsgrade aufweist, zwei Translationsbewegungen entlang der X-Achse und Y-Achse, und
– eine Drehbewegung um die Z-Achse, welche senkrecht auf der Basisebene steht.

Der Basisrahmen 14 umfasst ferner einen ersten Aktuator 15, für die Drehung eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder 11 um die Z-Achse der Basisebene; und ein erster Sensor 16 für das Erfassen des Drehwinkels eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder 11.
Drei erste proximale Verbindungsglieder 11 werden um 120° versetzt auf dem Basisrahmen 14 angebracht, und die Drehwelle 52 der Bolzengelenke wird senkrecht auf die Basisebene 51 angeordnet, so dass die ersten proximalen Verbindungsglieder 11 sich um die Basisebene 51 drehen können. Das erste distale Verbindungsglied 12 wird mit dem anderen Ende des ersten proximalen Verbindungsgliedes 11 über ein Bolzengelenk verbunden, und die Drehwelle 53 des Bolzengelenks wird senkrecht auf die Basisebene 51 ausgerichtet, so dass das erste distale Verbindungsglied 12 sich auf derselben Basisebene 51 mit den ersten proximalen Verbindungsgliedern 11 bewegen kann. Die erste Plattform 13 wird mit dem anderen Ende des ersten distalen Verbindungsglieds 12 über ein Bolzengelenk verbunden, und die Drehwelle 54 des Bolzengelenks wird ebenfalls senkrecht auf die Basisebene 51 angeordnet.
Unter Beachtung des Rückfahrverhaltens empfiehlt sich ein Bolzengelenk für den Verbindungsabschnitt. Und es ist wünschenswert, die Trägheit des ersten Sensors 16 und des ersten Aktuators 15 auszuschalten, und es wird empfohlen, dass der erste Sensor 16 und der erste Aktuator 15 in der Nähe des Verbindungsteils angebracht wird, wo der Basisrahmen 14 und die ersten proximalen Verbindungsglieder 11 miteinander verbunden sind.
Wenn ein Griff auf der ersten Plattform 13 des ersten Verbindungsmechanismus 10 angebracht wird, kann die erste Plattform 13 drei Freiheitsgrade für die Betätigung mit der Hand des Anwenders sicher stellen oder durch die Steuerung des Aktuators 15: zwei Translationsbewegungen entlang der X-Achse und de Y-Achse, und eine Drehbewegung um die Z-Achse, welche senkrecht auf der Basisebene 51 steht.
In der 7 wird ein zweiter Verbindungsmechanismus 20 der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung dargestellt.
Wie in der 7 dargestellt, umfast der zweite Verbindungsmechanismus 20 eine bestimmte Anzahl von zweiten proximalen Verbindungsgliedern 21, wobei jedes der einen Enden des zweiten proximalen Verbindungsgliedes 21 mit der ersten Plattform verbunden ist; eine bestimmte Anzahl von zweiten distalen Verbindungsgliedern 22, wobei jedes der zweiten distalen Verbindungsglieder 22 mit dem anderen Ende des zweiten proximalen Verbindungsglieds 21 über ein Bolzengelenk verbunden ist;
und eine zweite Plattform 23, die mit dem anderen Ende des zweiten distalen Verbindungsglieds 22 über ein Kugelgelenk verbunden ist, wobei die zweite Plattform drei Freiheitsgrade in Bezug zur ersten Plattform 13 aufweist:
eine Translationsbewegung entlang der Z-Achse und zwei Drehbewegungen um die X-Achse und Y-Achse.
Es wird empfohlen, dass drei zweite proximale Verbindungsglieder 12 in einem Winkel von 120° auf der ersten Plattform 13 angeordnet sind.
Das zweite proximale Verbindungsglied 21 ist mit der ersten Plattform 13 über ein Bolzengelenk verbunden. Die Drehwelle 57 der ersten Plattform 13 ist parallel zu der Ebene 56 der ersten Plattform 13 angeordnet, so dass die Ebene 59, in der das zweite proximale Verbindungsglied 21 eine Bewegung durchführt, senkrecht zur Ebene 56 positioniert werden kann. Das zweite distale Verbindungsglied 22 wird mit dem proximalen Verbindungsglied 21 über ein Bolzengelenk verbunden, und die Drehwelle 58 des Bolzengelenks, welche das zweite distale Verbindungsglied 22 und das zweite proximale Verbindungsglied 21 verbindet, wird parallel zur Drehwelle 57 angeordnet, so dass das zweite distale Verbindungsglied 22 und das zweite proximale Verbindungsglied 21 sich in der selben Ebene 59 dreht.
Die zweite Plattform muss an dem anderen Ende des zweiten distalen Verbindungsglieds 22 über ein Kugelgelenk oder universelles Gelenk verbunden werden.
Die zweiten Aktuatoren 25 für die Drehung eines jeden zweiten proximalen Verbindungsglieds 21 und der zweite Sensor 26 für das Erfassen des Drehwinkels eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder 21 werden auf der ersten Plattform 13 angebracht, wodurch sich der erwartete Trägheitseffekt verringert, wenn die Sensoren und die Aktuatoren im Gelenkbereich angebracht werden.
Unter Beachtung des Rückfahrverhaltens, weil es wünschenswert ist, dass die Trägheit des zweiten Sensors 26 und des zweiten Aktuators 25 ausgeschaltet werden, empfiehlt es sich, dass der zweite Sensor 26 und der zweite Aktuator 25 auf dem Basisrahmen 14 angebracht werden. Die Einzelheiten der Verbindungsstruktur werden später erklärt.
Ein Griff 3 wird auf der zweiten Plattform des zweiten Verbindungsmechanismus 20 platziert. Durch die Betätigung des Griffs 3 oder Steuerungsaktuatoren 25, können Bewegungen mit drei Freiheitsgraden ausgeführt werden: Eine Translationsbewegung entlang der Z-Achse und zwei Drehbewegungen um die X-Achse und Y-Achse mit Bezug auf die Ebene 56.
8 ist eine konzeptionelle Ansicht des Verfahrens für das Erreichen der sechs Freiheitsgrade durch Erweiterung des Freiheitsgrades des Verbindungsmechanismus mit weiteren drei Freiheitsgraden.
Wie in der 8 dargestellt, können die Freiheitsgrade erweitert werden, durch die Anbringung eines zusätzlichen Verbindungsmechanismus 20, auf der ersten Plattform 13 des ersten Verbindungsmechanismus 10. D. h., dass der Mechanismus 50 mit erweiterten Freiheitsgraden durch das Anbringen des Verbindungsmechanismus 20 auf der ersten Plattform 13 des ersten Verbindungsmechanismus 10 erreicht werden kann, wobei der Verbindungsmechanismus 20 jene Freiheitsgrade aufweist, welche dem ersten Verbindungsmechanismus 10 fehlen.
Durch die Anwendung des obengenannten Prinzips, kann die vorliegende Erfindung einer parellelen haptischen Joystick-Vorrichtung sechs Freiheitsgrade erreichen, durch die Kombination des ersten Verbindungsmechanismus 10 in Reihe geschaltet mit dem zweiten Verbindungsmechanismus 20.
9 ist eine perspektivische Ansicht der sechs Freiheitsgrade der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in der 9 dargestellt, kann die vorliegende Erfindung einer parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung 100 sechs Freiheitsgrade erreichen, durch die Kombination des ersten Verbindungsmechanismus 10 mit dem zweiten Verbindungsmechanismus 20 in Reihe ge schaltet, wobei der erste Verbindungsmechanismus 10 als unterer Mechanismus dient und der zweite Verbindungsmechanismus 20 als oberer Mechanismus dient.
Und der Griff, mit welchem der Anwender den Mechanismus betätigt, wird auf der zweiten Plattform 23 des zweiten Verbindungsmechanismus 20 angebracht. Weil der Mechanismus 50 den gegenseitig unabhängigen ersten Verbindungsmechanismus 10 und den zweiten Verbindungsmechanismus 20 umfasst, ist es für den Mechanismus 50 möglich, nur einen ersten Sensor 16 und ersten Aktuator 15 zu betreiben, um die drei planaren Freiheitsgrade zu erzielen und nur einen zweiten Sensor 26 und zweiten Aktuator 25, um die räumlichen drei Freiheitsgrade, unterschiedlich zu den obengenannten flächigen Freiheitsgraden, zu erreichen. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung effizient genutzt werden, entsprechend den notwendigen Freiheitsgraden.
10 ist eine Ansicht der Kraftübertragungsstruktur vom zweiten Aktuator zum zweiten Verbindungsmechanismus, in dem Fall, in dem der zweite Aktuator, welcher den zweiten Verbindungsmechanismus betreibt, auf dem Basisrahmen angebracht ist.
Es wird empfohlen, dass der zweite Aktuator 25 und der zweite Sensor 26 auf dem Basisrahmen 14 angebracht werden, um den Trägheitseinfluss des zweiten Aktuators 25 und des zweiten Sensors 26 zu beseitigen: Wobei der zweite Aktuator 25 für die Drehung des zweiten proximalen Verbindungsglieds 21 um die Achse notwendig ist, die parallel zu der von der X-Achse und Y-Achse der ersten Plattform 13 definiert ist; und der zweite Sensor 26 ist für das Erfassen des Drehwinkels eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder 21 notwendig.
Adäquate Kraftübertragungsmittel sind erforderlich für den zweiten Aktuator 25, um das zweite proximale Verbindungsglied 21 um die Achse zu drehen, welche parallel zu der von der X-Achse und Y-Achse der ersten Plattform 13 definiert ist, und für den zweiten Sensor 26, um den Drehwinkel eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder 21 zu erfassen.
Wie in der 10 dargestellt, wird die Kraft vom zweiten Aktuator 25 zu den zweiten proximalen Verbindungsgliedern 21 über die Drehrollen 27 übertragen, Kraftübertragungsmittel wie beispielsweise Seil, Riemen oder Kette 28, und Kraftübertragungswelle 29 übertragen, wobei die Drehrollen 27 unabhängig unter den entsprechenden Bolzengelenken der ersten proximalen Verbindungsglieder 11 und der ersten distalen Verbindungsglieder 12 angebracht sind; und die Kraftübertragungsmittel wie beispielsweise das Seil usw. verbinden jede der Drehrollen 27; und die Kraftübertragungswelle 29 wird im Bolzengelenk eingebaut, welches das erste distale Verbindungsglied 12 und die erste Plattform 13 verbindet; und die Kraftübertragungswelle 29 wird an dem zweiten proximalen Verbindungsglied 21 mit dem Kegelrad 31, 32 verbunden, wodurch die Kraft von dem zweiten Aktuator 25 über die Drehrollen 27, Kraftübertragungsmittel, Kraftübertragungswelle 29 und letztendlich zum zweiten proximalen Verbindungsglied 21 übertragen wird. Die Kraftübertragungsmittel sind aber nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt.
Der zweite Sensor 26 kann ebenfalls auf dem Basisrahmen 14 angebracht werden, um den Drehwinkel der Drehrolle 27 zu erfassen, welcher mit dem zweiten Aktuator 25 verbunden ist.
Die Steuereinheit kann den Bewegungsstatus berechnen, wie beispielsweise die Position, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung etc. für die erste Plattform 13 und die zweite Plattform 23 aus den Drehwinkeln des ersten proximalen Verbindungsgliedes 11 und des zweiten proximalen Verbindungsglieds 21, welche von dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor erfasst werden.
11 ist ein Blockdiagramm, welches die Prinzipien der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Der dicke Pfeil kennzeichnet die Kraftübertragung, und der dünne Pfeil kennzeichnet die Signalübertragung.
Wie in der 11 dargestellt, betätigt der Anwender die parallele haptische Joystick-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, über den Griff 3, welcher an der zweiten Plattform befestigt ist. Sobald der Mechanismus 50 betätigt wird, wird die Bewegung von dem Griff zum zweiten Verbindungsmechanismus 20 übertragen, und dann zum ersten Verbindungsmechanismus 10. Während der oben beschriebenen Vorgänge, erfassen der erste Sensor 16 und der zweite Sensor 26 den Drehwinkel des ersten proximalen Verbindungsglieds 11 und des zweiten proximalen Verbindungsglieds 21 entsprechend, danach werden die erfassten Daten zur Steuereinheit 30 übertragen, danach führt die Steuereinheit 30 Berechnungen gemäß den vorbestimmten numerischen Formeln aus und danach werden die berechneten Resultate an den Computer 40 weitergeschickt.
Der Computer 40 bestimmt den nötigen Betrag für Kraft oder Drehmoment, oder die Richtung des Drehmoments, welches an den Griff übertragen werden soll, gemäß dem Programm, welches im Computer 40 abläuft. Danach, um die vom Computer 40 ausgegebenen Befehle durchzuführen, d. h. die Kraft oder das Drehmoment, welches am Griff 3 auftreten soll, berechnet die Steuereinheit 30 das nötige Drehmoment, welches generiert werden soll in den entsprechenden Aktuatoren 15, 25 gemäß der vorbestimmten mechanischen Analyseformel. Die Steuereinheit 30 steuert die entsprechenden Aktuatoren 15, 25 über die vorgeschriebenen Signale an. Die Kraft, die an den entsprechenden ersten Aktuator 15 und zweiten Aktuator 25 generiert wird, betätigt den zweiten Verbindungsmechanismus 20 und den ersten Verbindungsmechanismus 10, und danach wird die Kraft an den Griff 3 übertragen, welcher an dem zweiten Verbindungsmechanismus 20 angebracht ist. Der Anwender nimmt die Kraft, das Drehmoment, oder deren Richtung angesteuert vom Computer über den Griff 3 wahr.
In dem obengenannten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 30 eine separate Komponente, doch die Steuereinheit 30 kann am Computer vorgesehen werden, an dem die parallele haptische Joystick-Vorrichtung angeschlossen ist.
12 ist ein Flußdiagramm, welches das Arbeitsverfahren der parallelen haptischen Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
In der 12 kennzeichnet F100 die Ablauffolge des Mechanismus, F200 kennzeichnet die Ablauffolge der Steuereinheit, und F300 kennzeichnet die Ablauffolge des Computers.
Wie in der 12 beschrieben, initialisiert der Anwender die Steuereinheit 30 (F201), und danach das vorgeschriebene Programm auf dem Computer 40 in Übereinstimmung mit der Steuereinheit 30 (F301). Wenn der Anwender 400 den Griff 3 des Mechanismus 50 hält (F101) und den Griff 3 bewegt, wird die Winkelverlagerung des entsprechenden Verbindungsgliedes von dem Sensor 16, 26, erfasst (F102), und danach werden die Daten an die Steuereinheit geschickt. Die Steuereinheit empfängt die oben beschriebenen Signale (F202), und berechnet die Position und die Positur des Griffs 3 über die Analyse der Kinematik (F203), und danach werden die Ergebnisse an den Computer 40 gesendet (F204). Der Computer empfängt die obengenannten Signale (F302), und danach führt er das vorgeschriebene Programm aus entsprechend den Prozeduren gemäß den eingegebenen Daten für die Position oder Positur des Griffs (F303). Das vorgeschriebene Programm des Computers 40 generiert die entsprechenden Befehle und sendet sie zur Steuereinheit 30 gemäß den Bedingungen (F304). Die Steuereinheit 30 empfängt den Befehl für die Kraftrückkopplung (F205), und erzeugt das notwendige Drehmoment für die entsprechenden Aktuatoren 15, 25 des proximalen Verbindungsglieds über mechanische Berechnungen (F206), und danach wird das oben berechnete Drehmoment als Signal ausgegeben (F207). Die Aktuatoren werden entsprechend dem Steuersignal betätigt, wodurch die Kraft oder das Drehmoment, entsprechend der Kraftrückkopplung, die vom Computerprogramm generiert wird, zur Hand des Anwenders übertragen (F103). Das obengenannte Verfahren wird wiederholt, bis das auf dem Computer 40 ablaufende Programm abgeschlossen ist, und bis die Arbeit, die der Anwender beabsichtigte, beendet ist. Das Programm wird abgeschlossen (F305), und der Kontakt mit dem Griff des haptischen Joysticks wird gelöst (F104).
Industrielle Anwendbarkeit der Erfindung
Wie oben stehend beschrieben, hat die parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorzug frei von Trägheitseffekten des Sensors oder des Aktuators zu sein, weil die vorliegende Erfindung einen parallelen Mechanismus verwendet. Und die vorliegende Erfindung kann die sechs Freiheitsgrade als ein Ganzes erreichen. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls eine haptische Joystick-Vorrichtung zur Verfügung stellen, die leicht zu steuern ist und effizient mit Bezug auf den Energieverbrauch ist, weil die vorliegende Erfindung im allgemeinen für die Arbeit mit drei Freiheitsgraden verwendet wird, und bei Bedarf ebenfalls bei der Arbeit mit sechs Freiheitsgraden verwendet werden kann.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind als nicht beschränkendes Beispiel gegeben und die Merkmale der Ausführungsformen können im Rahmen der Erfindung selbstverständlich kombiniert werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine haptische Joystick-Vorrichtung, welche mit einer Computervorrichtung verwendet wird. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst den Mechanismus, welcher ein erstes Verbindungswerk und ein zweites Verbindungswerk umfasst, das entsprechend zu drei unabhängigen Freiheitsgraden führt, die miteinander seriell verbunden sind. Deswegen ermöglicht der Mechanismus sechs Freiheitsgrade. Der Mechanismus wird an seiner Basisebene mit Sensoren und Aktuatoren vorgesehen, wobei er nicht durch die Trägheit der Sensoren und Aktuatoren beeinträchtigt wird. Ebenfalls in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung führt das erste Verbindungswerk zu drei Freiheitsgraden unter den insgesamt sechs Freiheitsgaden, welche häufig in den Anwendungen verwendet werden, und das zweite Verbindungswerk führt drei weitere Freiheitsgraden. Dadurch kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die verbesserte Leistung in Bezug zur Energieeffektivität und der Steuerbarkeit erreichen.

Claims

Parallele haptische Joystick-Vorrichtung mit sechs Freiheitsgraden, der in Verbindung mit einem Computer verwendet wird, umfassend: eine Mechanismuseinheit mit einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden; eine Steuereinheit für die Eingabe der Positionsdaten und Richtungsdaten, welche während der Bedienung der Mechanismuseinheit auftreten, in den Computer, und Betätigung der Mechanismuseinheit gemäß den Ausgangsdaten für die Berechnung der Kraft oder des Drehmoments vom Computer zum Zweck der Wahrnehmung von dem Anwender; die Mechanismuseinheit, die einen ersten Verbindungsmechanismus und einen zweiten Verbindungsmechanismus umfasst, die in Reihe geschaltet sind; worin der erste Verbindungsmechanismus folgendes umfasst: a) einen Basisrahmen, der die Basisebene bildet; b) eine Vielzahl von proximalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der einen Enden der Vielzahl von proximalen Verbindungsgliedern mit dem Basisrahmen in einem bestimmten Winkel voneinander über ein Bolzengelenk verbunden sind; c) eine Vielzahl von distalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der distalen Verbindungsglieder an dem anderen Ende des ersten proximalen Verbindungsgliedes über ein Bolzengelenk verbunden ist; und d) eine erste Plattform, die an dem anderen Ende des ersten distalen Verbindungsgliedes über ein Bolzengelenk verbunden ist, wobei die erste Plattform drei Freiheitsgrade zweier translationaler Bewegungen entlang der X-Achse und Y-Achse, und einer Drehbewegung um die Z-Achse, welche senkrecht auf der Basisebene steht, aufweist; und worin der zweite Verbindungsmechanismus folgendes umfasst: a) eine bestimmte Anzahl von zweiten proximalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der einen Enden des zweiten proximalen Verbindungsgliedes mit der ersten Plattform verbunden ist; b) eine bestimmte Anzahl von zweiten distalen Verbindungsgliedern, wobei jedes der zweiten distalen Verbindungsglieder mit dem anderen Ende der zweiten proximalen Verbindungsglieder über ein Bolzengelenk verbunden ist; c) eine zweite Plattform, die mit dem anderen Ende des zweiten distalen Verbindungsgliedes über ein Kugelgelenk verbunden ist, wobei die zweite Plattform drei Freiheitsgrade einer translationalen Bewegung entlang der Z-Achse und zwei Drehbewegungen um die X-Achse und Y-Achse in Bezug zur ersten Plattform aufweist.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin die Vielzahl von ersten proximalen Verbindungsgliedern drei erste proximale Verbindungsglieder sind, die in einem bestimmten Winkel angeordnet sind, und die bestimmte Anzahl von zweiten proximalen Verbindungsgliedern drei zweite proximale Verbindungsglieder sind, die um einen bestimmten Winkel versetzt mit der ersten Plattform verbunden sind.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Basisrahmen ferner folgendes umfasst: einen ersten Aktuator für die Drehung eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder um die Z-Achse auf der Basisebene; und einen ersten Sensor für die Erfassung des Drehwinkels für jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 2, worin der Basisrahmen ferner folgendes umfasst: einen ersten Aktuator für die Drehung eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder um die Z-Achse auf der Basisebene; und einen ersten Sensor für die Erfassung des Drehwinkels eines jeden der ersten proximalen Verbindungsglieder.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Basisrahmen ferner folgendes umfasst: einen zweiten Aktuator für die Drehung eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder um die Achse, welche parallel zu der von der X-Achse und der Y-Achse auf der ersten Plattform definierten Ebene steht; einen zweiten Sensor für die Erfassung des Drehwinkels eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder; und wobei die Kraft für den zweiten Aktuator zu den zweiten proximalen Verbindungsgliedern über Drehrollen, Kraftübertragungsmittel und Kraftübertragungswelle übertragen wird, wobei die Drehrollen unabhängig unter den entsprechenden Bolzengelenken der ersten proximalen Verbindungsglieder und den ersten distalen Verbindungsglieder angebracht sind, wobei die Kraftübertragungsmittel wie z.B. Seile etc. jede der Drehrollen miteinander verbinden, und wobei die Kraft übertragungswelle in dem Bolzengelenk eingebaut ist, welche das erste distale Verbindungsglied und die erste Plattform verbindet und wobei die Kraftübertragungswelle mit dem zweiten proximalen Verbindungsglied verbunden ist, wodurch die Kraft von dem zweiten Aktuator übertragen wird über die Drehrollen, Kraftübertragungsmittel, Kraftübertragungswelle und letztendlich zum zweiten proximalen Verbindungsglied.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 2, worin der Basisrahmen ferner folgendes umfasst: einen zweiten Aktuator für die Drehung eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder um die Achse, welche parallel zu dem von der X-Achse und Y-Achse auf der ersten Plattform definiert wird; einen zweiten Sensor für die Erfassung eines Drehwinkels eines jeden der zweiten proximalen Verbindungsglieder; und worin die Kraft des zweiten Aktuators zum zweiten proximalen Verbindungsglied über Drehrollen, Kraftübertragungsmittel und Kraftübertragungswelle übertragen wird, wobei die Drehrollen unabhängig unter den entsprechenden Bolzengelenken des ersten proximalen Verbindungsgliedes und des ersten distalen Verbindungsgliedes angeordnet sind, die Kraftübertragungsmittel wie z.B. das Seil etc. jede der Drehrollen miteinander verbindet, und wobei die Kraftübertragungswelle in dem Bolzen eingebaut ist, welche das erste distale Verbindungsglied mit der ersten Plattform verbindet und wobei die Kraftübertragungswelle mit dem zweiten proximalen Verbindungsglied verbunden ist, wodurch die Kraft von dem zweiten Aktuator über Drehrollen, Kraftübertragungsmittel, Kraftübertragungswelle und letztendlich zum zweiten proximalen Verbindungsglied übertragen wird.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin die Steuereinheit in dem Computer vorgesehen ist, mit welchem die parallele haptische Joystick-Vorrichtung verbunden ist.
Parallele haptische Joystick-Vorrichtung gemäß Anspruch 2, worin die Steuereinheit in dem Computer vorgesehen ist, mit welchem die parallele haptische Joystick-Vorrichtung verbunden ist.