本发明专利技术提出了一种手持式变刚度被动力反馈设备及其使用方法，包括弹簧连杆结构、机架、垫架、交互结构以及传感结构，交互结构安装在垫架上，垫架上对称设置有水平杆，水平杆连接交互结构且顺应交互结构的位移，水平杆上滑动安装有水平滑块，弹簧连杆结构对称安装在机架上且相对于机架转动设置，弹簧连杆结构包括电机、弹簧、电机架、丝杆以及调节滑块，传感结构安装在垫架与机架之间且实现两者的连接固定，传感结构包括电阻传感器、传感器连接杆以及霍尔传感器，本申请采用对称弹簧连杆结构，基于弹簧的被动拉伸实现触觉反馈，结构简单，输出连续，而且通过调节弹簧连杆结构的构造，可以输出特定的力和扭矩，驱动简单，系统稳定，鲁棒性好。性好。性好。
【技术实现步骤摘要】
a virtual object,the mass restriction device restricts the mass within at least one of the chambers to effect a perceived change in weight as the virtual object is manipulated by the user。
[0006]上述专利采用是调控细长杆的重心从而提供触觉反馈的方法，用户只能感知触觉的变化。而本专利技术建立了结构的几何模型和力学模型，通过调节物理弹簧的角度和伸长量从而得到量化的输出，不仅能够使用户感知触觉的变化，还能够感知特定的力。
[0007]“用于提供与提升或操纵虚拟对象相关的触觉反馈的系统和方法”通过将质量块限制在特定的腔室内以调控触觉反馈，因此该设备的调控具有非连续性，并且不能提供恒定的输出，虚拟场景中物体种类多、交互复杂，非连续性和非恒定的输出限制了系统的应用。而本专利技术提出的对称弹簧连杆结构的输出是连续可控的，且能够在输入量改变的情况下提供恒定的力、刚度或扭矩，因此输出范围大、应用场景广。
技术实现思路
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于对称弹簧连杆结构的手持式被动力反馈设备，通过调节弹簧连杆结构中弹簧的长度和方向，从而提供二自由度的力反馈。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0010]一种手持式变刚度被动力反馈设备，其特征在于：包括弹簧连杆结构、机架、垫架、交互结构以及传感结构，所述交互结构安装在垫架上，所述垫架上对称设置有水平杆，所述水平杆连接交互结构且顺应交互结构的位移，所述水平杆上滑动安装有水平滑块，
[0011]所述弹簧连杆结构对称安装在机架上且相对于机架转动设置，所述弹簧连杆结构包括电机、弹簧、电机架、丝杆以及调节滑块，所述电机安装在电机架内，所述丝杆连接在电机的输出轴上，所述调节滑块滑动安装在丝杆上，所述弹簧的一端连接在调节滑块上，另一端连接在机架上，所述电机架的一端通过轴承连接在水平滑块上，另一端通过轴承与机架连接，
[0012]所述传感结构安装在垫架与机架之间且实现两者的连接固定，所述传感结构包括电阻传感器、传感器连接杆以及霍尔传感器，所述传感器连接杆安装在电阻传感器上，所述传感器连接杆的端部安装有旋转轴，所述传感器连接杆的侧面垂直连接一固定杆，所述霍尔传感器安装在固定杆上，所述霍尔传感器的中心轴与旋转轴共线，当交互结构与垫架共同绕旋转轴旋转时，所述霍尔传感器输出交互结构的旋转角度，所述传感器连接杆随交互结构上下平移，所述电阻传感器输出该平移的位移距离，
[0013]基于力学平衡和几何结构，得到单侧的弹簧连杆结构的输出力F
p
为：
[0014][0015][0016]其中x表示AC
′
的长度，由水平滑块C的位置控制，L
b
是水平杆AD的长度，L
f
是机架AB的长度，L
so
是力反馈设备处于初始状态时的弹簧的长度，L
so
大于弹簧的静止长度，因此，弹簧可以提供初始力F0，α是当力反馈设备处于初始状态时AB和AD之间的夹角，k是弹簧的刚度，s是电阻传感器测量的位移距离，
[0017]当用户随意抓握交互结构，此时，系统对称地控制两侧的电机以调节调节滑块在丝杆上的位置，此时为力渲染模式；
[0018]当用户主动按压交互结构，该力反馈设备基于反馈信号对称地调节弹簧连杆结构的布局，使整个力反馈设备呈现不同的刚度，此时为刚度渲染模式；
[0019]在力渲染模式和刚度渲染模式下，两侧的弹簧连杆结构对交互结构输出的作用力F为：
[0020]F＝2F
p (3)
[0021]当用户随意握住交互系统，系统非对称地调节两侧弹簧连杆结构的布局，实现对用户产生特定的扭矩，此时为扭矩渲染模式，
[0022]在扭矩渲染模式下，两侧的弹簧连杆结构对交互结构输出的扭矩M为：
[0023][0024]其中，和分别表示两侧的弹簧连杆结构的输出力，l1和l2分别表示左力臂和右力臂，分别是左侧水平滑块D1和右侧水平滑块D2到交互结构中心点E的距离。
[0025]上述结构中：本专利技术提出了一种手持式变刚度被动力反馈设备，包括弹簧连杆结构、机架、垫架、交互结构以及传感结构，其中，弹簧连杆结构对称安装在机架上且相对于机架转动设置，弹簧连杆结构包括电机、弹簧、电机架、丝杆以及调节滑块，传感结构安装在垫架与机架之间且实现两者的连接固定，传感结构包括电阻传感器、传感器连接杆以及霍尔传感器，霍尔传感器的中心轴与旋转轴共线，当交互结构与垫架共同绕旋转轴旋转时，霍尔传感器输出交互结构的旋转角度，传感器连接杆随交互结构上下平移，电阻传感器输出该平移的位移距离。
[0026]基于结构的几何关系，该力反馈设备的输出力可表示为调节滑块在丝杆上的位置、电阻传感器反馈的竖直位移和霍尔传感器反馈的旋转角度的函数。当对称控制左右两侧的弹簧连杆结构中调节滑块的位移时，力反馈设备输出竖直向上的反馈力；当非对称控制左右两侧的弹簧连杆结构中调节滑块的位移时，力反馈设备输出扭矩。
[0027]本专利技术的智能控制方案包括：
[0028]1、力渲染模式：在交互过程中，用户随意握住交互垫，该静态抓握姿势会产生触摸板的轻微位移，从而激活力渲染模式。系统对称地控制两侧的电机以调节调节滑块在丝杆上的位置，从而在交互垫上生成所需的力。如果目标力输入是一个连续变化的信号，系统也可以对称调节两侧的弹簧连杆结构的布局，从而连续渲染所需的力。
[0029]2、刚度渲染模式：在交互过程中，用户主动按压交互垫，该力反馈设备基于反馈信号对称地调节弹簧连杆结构的布局，从而使整个力反馈设备呈现不同的刚度，因此用户按压力反馈设备时能感受到拟真的弹性特征。除了在竖直方向上渲染指定的刚度，固定调节滑块的位置使其成为完全被动的结构，可以渲染按压柔性物体的反馈力。
[0030]3、扭矩渲染模式：在交互过程中，用户随意握住交互垫，系统非对称地调节两侧弹簧连杆结构的布局，从而对用户产生特定的扭矩。
[0031]基于力学平衡和几何结构，得到单侧的弹簧连杆结构的输出力F
p
为：
[0032][0033][0034]其中x表示AC
′
的长度，由水平滑块C的位置控制，L
b
是水平杆AD的长度，L
f
是机架AB的长度，L
so
是力反馈设备处于初始状态时的弹簧的长度，L
so
大于弹簧的静止长度，因此，弹簧可以提供初始力F0，α是当力反馈设备处于初始状态时AB和AD之间的夹角，k是弹簧的刚度，s是电阻传感器测量的位移距离，
[0035]当用户随意抓握交互结构，此时，系统对称地控制两侧的电机以调节调节滑块在丝杆上的位置，此时为力渲染模式；
[0036]当用户主动按压交互结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种手持式变刚度被动力反馈设备，其特征在于：包括弹簧连杆结构(1)、机架(2)、垫架(3)、交互结构以及传感结构(5)，所述交互结构安装在垫架(3)上，所述垫架(3)上对称设置有水平杆(12)，所述水平杆(12)连接交互结构且顺应交互结构的位移，所述水平杆(12)上滑动安装有水平滑块(13)，所述弹簧连杆结构(1)对称安装在机架(2)上且相对于机架(2)转动设置，所述弹簧连杆结构(1)包括电机(9)、弹簧(10)、电机架(11)、丝杆(14)以及调节滑块(15)，所述电机(9)安装在电机架(11)内，所述丝杆(14)连接在电机(9)的输出轴上，所述调节滑块(15)滑动安装在丝杆(14)上，所述弹簧(10)的一端连接在调节滑块(15)上，另一端连接在机架(2)上，所述电机架(11)的一端通过轴承连接在水平滑块(13)上，另一端通过轴承与机架(2)连接，所述传感结构(5)安装在垫架(3)与机架(2)之间且实现两者的连接固定，所述传感结构(5)包括电阻传感器(16)、传感器连接杆(17)以及霍尔传感器(19)，所述传感器连接杆(17)安装在电阻传感器(16)上，所述传感器连接杆(17)的端部安装有旋转轴(20)，所述传感器连接杆(17)的侧面垂直连接一固定杆，所述霍尔传感器(19)安装在固定杆上，所述霍尔传感器(19)的中心轴与旋转轴(20)共线，当交互结构与垫架(3)共同绕旋转轴(20)旋转时，所述霍尔传感器(19)输出交互结构的旋转角度，所述传感器连接杆(17)随交互结构上下平移，所述电阻传感器(16)输出该平移的位移距离，基于力学平衡和几何结构，得到单侧的弹簧连杆结构(1)的输出力F
p
为：为：其中x表示AC
′
的长度，由水平滑块(13)C的位置控制，L
b
是水平杆(12)AD的长度，L
f
是机架(2)AB的长度，L
so
是力反馈设备处于初始状态时的弹簧(10)的长度，L
so
大于弹簧(10)的静止长度，因此，弹簧(10)可以提供初始力F0，α是当力反馈设备处于初始状态时AB和AD之间的夹角，k是弹簧(10)的刚度，s是电阻传感器(16)测量的位移距离，当用户随意抓握交互结构，此时，系统对称地控制两侧的电机(9)以调节调节滑块(15)在丝杆(14)上的位置，此时为力渲染模式；当用户主动按压交互结构，该力反馈设备基于反馈信号对称地调节弹簧连杆结构(1)的布局，使整个力反馈设备呈现不同的刚度，此时为刚度渲染模式；在力渲染模式和刚度渲染模式下，两侧的弹簧连杆结构(1)对交互结构输出的作用力F为：F＝2F
p
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(3)当用户随意握住交互系统，系统非对称地调节两侧弹簧连杆结构(1)的布局，实现对用户产生特定的扭矩，此时为扭矩渲染模式，在扭矩渲染模式下，两侧的弹簧连杆结构(1)对交互结构输出的扭矩M为：其中，和分别表示两侧的弹簧连杆结构(1)的输出力，l1和l...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱利丰，周科宏，张宏坤，宋爱国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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