本发明专利技术公开了一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，包括静平台、四条刚性柔索、四个柔索驱动机构、食指指套、拇指指套、一条弹性柔索。四条刚性柔索两两分为一组，每组刚性柔索分别束结于拇指指套和食指指套上的一点，两个指套由弹性柔索连接。弹性柔索和刚性柔索在拇指指套和食指指套上的束结点共线。通过刚性柔索的张力和弹性柔索的弹力形成的合力可以向操作者提供四个自由度的力觉反馈。本发明专利技术采用并联结构，工作空间大，输出力和力矩大；采用柔索驱动，传动结构惯量小，柔索间不易发生干涉，操作灵活；使用的柔索数量少，结构简单，不需改变装置结构即可同时模拟平面三自由度力觉和一自由度抓持感觉；通用性强，应用领域广。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及人机交互领域，具体来说是一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置。该装置不仅能模拟在平面上运动的虚拟物体间相互碰撞时产生的三个自由 度的力和力矩，而且还能反馈两个手指抓持物体时的一维抓持力。
技术介绍
力觉人机交互装置是一种为操作者提供力觉交互感受的装置。力觉感受是人体触 觉感受的一部分。这种感受主要由人体骨骼，关节和肌肉深层的感知器官所感知。在人与虚 拟现实环境进行交互的时候，操作者通过力觉交互装置感受到与虚拟物体发生交互时的作 用力、物体的形状和刚度，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。力 觉交互装置已经广泛应用于医疗、工业、教学和娱乐等诸多领域，具有很强的开发潜力。 以安装方式划分，力觉交互装置的类型包括固定于操作者手臂和固定于工作台上 的两大种类，适用于不同的应用场合。前者主要包括数据臂、数据手套，这类设备的特点是 可以跟踪操作者手臂或手指的多自由度运动，但普遍存在尺寸庞大、重量较重、力觉感受逼 真度差等缺点，适用于不要求逼真感知交互力的场合，一般用于机械臂或机器人灵巧手的 主从操作中。 传统的力觉交互装置往往只能模拟一个运动物体与其他虚拟物体发生碰撞时产 生的一个或多个自由度的力和力距，却不能同时模拟操作者抓持该运动物体时产生的抓持 力。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种能够同时反馈平面三自由度力觉和一 自由度 抓持感觉的四自由度柔索驱动人机交互装置。该装置不仅能模拟在平面上运动的虚拟物体 间相互碰撞时产生的三个自由度的力和力矩，而且还能反馈两个手指抓持物体时的一维抓 持力。 本专利技术一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，包括静平台、刚 性柔索、柔索驱动机构、食指指套、拇指指套、弹性柔索。 所述的静平台上对称设置有四个柔索驱动机构，每个柔索驱动机构与一条刚性柔 索的固定端连接，静平台同侧两条刚性柔索自由端连接食指指套，另两个刚性柔索自由端 连接拇指指套，所述的食指指套和拇指指套之间连接有弹性柔索。 静平台包括支撑板、标定框、导孔板；标定框粘接固定于支撑板上；支撑板内开有 矩形凹槽；四个导孔板，均匀固定粘接于标定框的四角处；在标定框上并列开有标定槽A与标定槽B。 柔索驱动机构包括电机、电机座、绞盘、编码器；电机的末端连接有编码器；电机 的电机轴穿过电机座上的电机安装孔安装固定于电机座上，电机轴插入绞盘的轴孔中，绞 盘用紧固螺钉固定于电机轴上；绞盘的轴承端穿过轴承，轴承安装于电机座的轴承安装孔3中；刚性柔索的固定端固定于绞盘上，且环绕沿绞盘上的螺纹槽顺序缠绕在绞盘上；安装完的电机座安装于底座上，用螺钉紧固。 食指指套包括食指指套外套与食指指套内套；拇指指套包括拇指指套外套与拇指指套内套；拇指指套和食指指套中部空心。在柔索驱动机构中缠绕在绞盘上的刚性柔索的自由端穿过导孔板上的导孔与食指指套外套或拇指指套外套连接。 同侧的刚性柔索的自由端穿过食指指套外套上的外线孔A穿入食指指套外套内侧后束结固定；另一侧刚性柔索的自由端穿过拇指指套外套上的外线孔B穿入拇指指套外套内侧后束结、固定；弹性柔索的两端分别穿入食指指套外套上的内线孔A、拇指指套外套上的内线孔B，在食指指套外套内侧与拇指指套外套内侧束结、固定；食指指套内套嵌入食指指套外套中，粘接固定；拇指指套内套嵌入拇指指套外套中，粘接固定。 柔索驱动机构与支撑板贴合，由紧固螺栓穿过柔索驱动机构中的底座上的底座安装孔固定于支撑板的四个角上；地脚螺栓安装于底座的地脚安装孔上。 本专利技术一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其优点在于 1.采用并联结构，工作空间大，输出力和力矩大； 2.采用柔索驱动，传动结构惯量小，柔索间不易发生干涉，操作灵活； 3.使用的柔索数量少，结构简单，仅使用五条柔索即可完成平面三自由度力觉和一自由度抓持力感觉的模拟； 4.不需改变装置结构即可同时模拟平面三自由度力觉和一自由度抓持力感觉； 5.通用性强，应用领域广。附图说明构孔图1为本专利技术人机交互装置整体结构图2为本专利技术人机交互装置中静平台装配图3为本专利技术人机交互装置中柔索驱动机构装配图4为本专利技术人机交互装置中拇指指套、食指指套与刚性柔索、弹性柔索连接结图5为本专利技术人机交互装置中柔索驱动机构与静平台装配图；图6为本专利技术人机交互装置机构原理图；图7为本专利技术人机交互装置标定示意图。图中1-静平台5-拇指指套101-支撑板105-标定槽A302-电机座306-电机轴310-底座401-食指指套外套2_刚性柔索6_弹性柔索102-标定框106-导孔303-绞盘307-电机安装孔311-底座安装孔402-食指指套内套3-柔索驱动机构7-紧固螺栓103-导孔板107-标定槽B304-轴承308-轴承端312-地脚安装孔403-外线孔A4_食指指套8-地脚螺栓104-矩形凹槽301-电机305-编码器309-轴承安装313-轴孔404-内线孔A 501-拇指指套外套 502-拇指指套内套503-外线孔B 504-内线孔B具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术进行进一步的详细说明。 本专利技术一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，如图1所示，包 括静平台1、四条刚性柔索2、四个柔索驱动机构3、食指指套4、拇指指套5、一条弹性柔索 6。 静平台1上对称设置有四个柔索驱动机构3，每个柔索驱动机构3与一条刚性柔索 2的固定端连接，静平台1同侧两条刚性柔索2的自由端连接食指指套4，另两条刚性柔索 2的自由端连接拇指指套5，所述的食指指套4和拇指指套5之间连接有弹性柔索6。 如图2所示，静平台1为矩形结构，包括支撑板101、标定框102、四个导孔板103。 标定框102粘接固定于支撑板101上，标定框102上的各边线到支撑板101上的各边线距 离相等。支撑板101内开有矩形凹槽104，矩形凹槽的尺寸与标定框102的内框尺寸相同。 四个导孔板103，均匀固定粘接于标定框102的四角处，导孔板103上开有导孔106，导孔 106处于同一表面内，指向标定框102中心方向，用于刚性柔索2穿过、定位。在标定框102 上并列开有标定槽A105、标定槽B107，标定槽A105、标定槽B107均为半圆形结构，直径分别 与食指指套外套401、拇指指套外套501的直径相等。矩形凹槽104的深度设置在手指佩 戴食指指套4和拇指指套5后，刚性柔索2和弹性柔索6工作在同一平面内。通过标定框 102和矩形凹槽104共同限制指套的运动范围。 如图3所示，柔索驱动机构3包括电机301、电机座302、绞盘303、编码器305。电 机的末端安装有编码器305，用来测量电机轴306转过的角度从而换算为刚性柔索2长度的 变化。电机301的电机轴306穿过电机座302上的电机安装孔307安装固定于电机座302 上，电机轴306插入绞盘303的轴孔313中，绞盘303用螺钉固定于电机轴306上，与电机 轴306共同转动。绞盘303的轴承端308穿过轴承304，轴承304安装于电机座302的轴 承安装孔309中。刚性柔索2的固定端固定于绞盘303上，且环绕沿绞盘303上的螺纹槽 顺序缠绕在绞盘303上，刚性柔索2的另一端为一 自由端，用于连接食指指套4或拇指指套本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征在于：包括静平台、刚性柔索、柔索驱动机构、食指指套、拇指指套、弹性柔索；所述的静平台为矩形结构，四个角上对称设置有四个柔索驱动机构，每个柔索驱动机构与一条刚性柔索的固定端连接，相邻的两条刚性柔索的自由端连接食指指套，另两个刚性柔索的自由端连接拇指指套，所述的食指指套和拇指指套之间连接有弹性柔索。
【技术特征摘要】
一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征在于包括静平台、刚性柔索、柔索驱动机构、食指指套、拇指指套、弹性柔索；所述的静平台为矩形结构，四个角上对称设置有四个柔索驱动机构，每个柔索驱动机构与一条刚性柔索的固定端连接，相邻的两条刚性柔索的自由端连接食指指套，另两个刚性柔索的自由端连接拇指指套，所述的食指指套和拇指指套之间连接有弹性柔索。2. 如权利要求1所述一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征 在于所述刚性柔索为钢丝绳；所述弹性柔索为橡皮筋或拉伸弹簧。3. 如权利要求1所述一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征 在于所述静平台包括支撑板、标定框、导孔板；标定框粘接固定于矩形支撑板上；支撑板 内开有矩形凹槽；四个导孔板均匀固定粘接于标定框的四角处；在标定框上并列开有标定 槽A与标定槽B。4. 如权利要求3所述一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征 在于所述标定框上的各边线到支撑板上的各边线距离相等；所述矩形凹槽的尺寸与标定 框的内框尺寸相同；所述导孔板有四个，每个导孔板上开有导孔，导孔处于同一表面内，指 向标定框中心方向；所述标定槽A与标定槽B均为半圆形结构，标定槽A、标定槽B的直径 分别与食指指套、拇指指套的直径相等。5. 如权利要求1所述一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其特征 在于柔索驱动机构包括电机、电机座、绞盘、编码器；电机的末端连接有编码器；所述的电 机固定在电机座上...
【专利技术属性】
技术研发人员：张玉茹，杨毅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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