本发明专利技术提供一种具备助力功能，代替佩戴者承担负载的重量和惯性，减轻负载给佩戴者带来的沉重感、束缚感和异物感，提高佩戴者与本系统之间连接的柔顺性，具备头部位置与姿态的检测功能的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，它包括基座底板，单元支架通过基座铰点位置调整机构设置在基座底板上；单元支架上设置伺服电机及钢索绕组，万向滑轮转动设置在单元支架上；三个复合球铰在周向均布在负载安装平台上；复合球铰的内耳、外耳各通过一根钢索与钢索绕组相连；关节空间力检测单元串联在钢索上；转速和转角传感器设置在伺服电机上；关节空间力检测单元和转速和转角传感器的输出与控制单元相连，控制单元输出接伺服电机。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一类人体外骨骼系统，特别地是一种为人体头部负载提供助力，改善头部负载如虚拟现实及增强现实头盔佩带舒适性和沉浸感，并跟踪佩带者头部位置及姿态的设备。
技术介绍
虚拟现实头盔是一种常见的人体头部负载，主要用于三维立体虚拟场景的显示，多用于虚拟现实及增强现实系统。当前，分辨率和对比度高、视场角大的虚拟现实头盔一般都是重量和体积大，佩戴时运动不便，有沉重感、束缚感和异物感，因而影响舒适性和沉浸感；位置跟踪器与虚拟现实头盔配合使用，用于头盔空间位置和姿态的测量和输出，以实现人机交互。然而，现有的电磁、超声等位置跟踪器受环境干扰大，在定位精度、稳定性和信号实时性方面存在不足，不能很好满足虚拟现实交互的要求。中国专利ZL200520129164.0公开了一种虚拟现实头盔，采用两个传动软轴与虚拟现实头盔相连，头盔前端与图像显示器连接，通过两个传动软轴实现了显示画面三个转动自由度的控制。但这该设计存在两方面的局限性。一是只能检测虚拟现实头盔即佩戴者头部的三自由度转动数据，而对于另外三个自由度的平动则无能为力；二是检测精度易受软轴的弹性变形影响；三是该虚拟现实头盔在使用过程中，仍会给佩戴者造成沉重感、束缚感和异物感。中国专利ZL201010103366.3公开了一种六自由度并联机构头盔伺服系统，采用一种刚性的Stewart平台作为执行机构，来为虚拟现实头盔提供助力和位姿跟踪。该设计存在两方面的不足——一是执行机构助力功能的本质是减轻虚拟现实头盔质量与惯性对佩戴者的影响，然而执行机构作为一种刚性并联机构，其自身的惯性与质量较大，从而影响了执行机构的控制效率和助力效果；二是执行机构具有一般Stewart平台存在缺陷——对于安装与使用空间较小的仿真环境，如座舱等来说，其安装与使用空间依然较大，且工作空间相对较小、存在奇异位置，这无疑增大了虚拟现实头盔的位姿跟踪的控制难度及其不稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具备助力功能，代替佩戴者承担负载的重量和惯性，减轻负载给佩戴者带来的沉重感、束缚感和异物感，改善佩带的舒适性，提高佩戴者与本系统之间连接的柔顺性，基座铰点位置可调节，结构型式和几何尺寸具有可重构性，具备头部位置与姿态的检测功能的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统。本专利技术所述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，包括基座底板，六个单元支架13分别通过六个基座铰点位置调整机构设置在基座底板上；单元支架上设置伺服电机23及在伺服电机23的带动下转动的钢索绕组24，万向滑轮10可360°转动的设置在单元支架上；三个复合球铰11在周向均布在用于安装负载的负载安装平台上；复合球铰11的内耳40、外耳41各通过一根绕过万向滑轮10的钢索与钢索绕组24相连；用于检测钢索受力大小的关节空间力检测单元3串联在钢索上；用于检测伺服电机23转速和转角的转速和转角传感器25设置在伺服电机23上；关节空间力检测单元3和转速和转角传感器25的输出经数据采集与处理单元4与控制单元5相连，控制单元5的输出接伺服电机23。上述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，万向滑轮10包括转动设置在叉耳34上的定滑轮35；叉耳34绕叉耳轴线360°转动的设置在单元支架13上；在叉耳上开有沿叉耳轴线延伸的导向孔；钢索绕过定滑轮并穿过导向孔。在负载安装平台位置移动时，叉耳始终能够绕单元支架转动，同时钢索由于绕过定滑轮后穿过导向孔，所以这种简单的结构，防止了钢索相互缠绕在一起而打结。上述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，基座铰点位置调整机构12包括用于调节单元支架13径向位置和周向位置的径向位置调整机构和周向位置调整机构。上述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，径向位置调整机构包括转动设置在基座底板上的径向调节导轨16、通过螺纹副相互配合的径向调节螺母17和径向调节丝杠19，径向调节丝杠19转动设置在径向调节导轨16上，径向调节螺母17沿径向调节丝杠19的轴线方向与径向调节导轨16滑动配合，在径向调节导轨16上设置用于带动径向调节丝杠19转动的径向调节电机22；控制单元的输出接径向调节电机22，以控制调节电机22的动作；单元支架13与径向调节螺母17固定相连。上述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，周向位置调整机构包括开在基座底板14上的圆弧长孔，穿过圆弧长孔并与径向调节导轨16通过螺纹相连的预紧螺杆32，套装在预紧螺杆32上的横跨在圆弧长孔上的预紧压片33，固定在预紧螺杆32上用于对预紧压片施压的止推部；圆弧长孔的中心弧线与用于连接径向调节导轨16和基座地板的转动副轴线同心。本专利技术的有益效果：本专利技术的头颈部柔性外骨骼系统。一方面，具备助力功能。使用时，基座底板固定，通过伺服电机动作拉动钢索，钢索始终处于张紧状态，负载和负载安装平台通过钢索悬挂在基座底板上，因此，本系统代替佩戴者承担负载如虚拟现实头盔的重量和惯性，减轻由负载给佩戴者带来的沉重感、束缚感和异物感，改善佩带负载的舒适性、增强负载的使用逼真度。另一方面，本系统具备头部位置与姿态的检测功能，控制单元基于外骨骼机械系统的运动学和关节空间力检测单元、转速和转角传感器等相关传感器的反馈信息，完成虚拟现实系统中参与者的头部检测；第三方面，采用柔性支链，提高人-机连接的柔顺性；第四方面，基座铰点位置可调节，使系统的执行机构具备结构型式和几何尺寸的可重构性。本专利技术提出的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，是跟踪人体头部运动、为头部负载提供助力作用的头颈部柔性外骨骼系统。该系统的有益效果有五项：一是具备规避奇异位置的功能，作为系统执行机构的六自由度柔性并联机构具有基座铰点位置调节功能，可实现执行机构结构型式和几何尺寸的实时重构，从而使负载安装平台在运动过程中能有效地避开奇异位置，提高负载安装平台的可控性和运动效率；二是节能且轻巧，采用柔性钢索作为连接基座和负载安装平台的支链，一方面减小了系统运动部件的质量和惯量，降低了对系统驱动装置即伺服电机的输出扭矩要求，提高了执行机构与人之间连接的柔顺性；另一方面，在降低了支链安装与运动对空间要求的同时，采用钢索绕组实现钢索的收放，减小了执行机构的整体高度，使整个系统更适合用于空间较小的仿真环境；三是位姿检测准又稳，根据转速和转角传感器的反馈信息来计算柔性钢索的长度，并基于并联机构的正向运动学来计算负载安装平台和使用者头部的实时位姿信息。与传统的六自由度电磁或超声位置跟踪器相比，其计算的位姿信息精度高、稳定性好、延迟小、抗干扰能力强等优势；四是基于关节空间力和执行机构动力学方程的惯性项、非线性项以及重力项来计算任务空间的人-机交互力，方案仅需六个拉力传感器，执行机构整体设计简洁、成本低且实用。五是人-机交互力期望值的计算方法，以伺服电机的各性能指标为待优化参数，以性能参数的取值范围为约束条件，以人-机交互力最小为优化目标来优化计算负载安装平台处于某一位姿时的六个伺服电机的性能参数及其对应的最小人-机交互力。附图说明图1是基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统的结构示意图。图2是六自由度柔性并联机构的结构示意图。图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，包括基座底板，其特征是：六个单元支架（13）分别通过六个基座铰点位置调整机构设置在基座底板上；单元支架上设置伺服电机（23）及在伺服电机（23）的带动下转动的钢索绕组（24），万向滑轮（10）可360°转动的设置在单元支架上；三个复合球铰（11）在周向均布在用于安装负载的负载安装平台上；复合球铰（11）的内耳（40）、外耳（41）各通过一根绕过万向滑轮（10）的钢索与钢索绕组（24）相连；用于检测钢索受力大小的关节空间力检测单元3串联在钢索上；用于检测伺服电机（23）转速和转角的转速和转角传感器（25）设置在伺服电机（23）上；关节空间力检测单元（3）和转速和转角传感器（25）的输出经数据采集与处理单元（4）与控制单元（5）相连，控制单元（5）的输出接伺服电机（23）。
【技术特征摘要】
1.一种基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，包括基座底板，其特征是：六个单元支架（13）分别通过六个基座铰点位置调整机构设置在基座底板上；单元支架上设置伺服电机（23）及在伺服电机（23）的带动下转动的钢索绕组（24），万向滑轮（10）可360°转动的设置在单元支架上；三个复合球铰（11）在周向均布在用于安装负载的负载安装平台上；复合球铰（11）的内耳（40）、外耳（41）各通过一根绕过万向滑轮（10）的钢索与钢索绕组（24）相连；用于检测钢索受力大小的关节空间力检测单元3串联在钢索上；用于检测伺服电机（23）转速和转角的转速和转角传感器（25）设置在伺服电机（23）上；关节空间力检测单元（3）和转速和转角传感器（25）的输出经数据采集与处理单元（4）与控制单元（5）相连，控制单元（5）的输出接伺服电机（23）。2.如权利要求1所述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部柔性外骨骼系统，其特征是：万向滑轮（10）包括转动设置在叉耳（34）上的定滑轮（35）；叉耳（34）绕叉耳轴线360°转动的设置在单元支架（13）上；在叉耳上开有沿叉耳轴线延伸的导向孔；钢索绕过定滑轮并穿过导向孔。3.如权利要求1所述的基座铰点位置可自动调节的六自由度头颈部...
【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，吴东苏，汤勇，李小燕，周来，羊玢，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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