模塊化外骨骼力反饋控制器的制造方法
【專利說明】
[0001]本發明的
技術領域
[0002]本發明總體上涉及力反饋控制器的領域。具體地，本發明針對模塊化外骨骼力反饋控制器。
【背景技術】
[0003]力反饋控制器(FFC)是一種通過人操作者感測運動并對那個操作者給予力的人/機界面(human/computer interface)。FFC能利用對操作者給予的力來獲得(engage)操作者的觸覺感知。與非計算機任務連接的用戶通常利用視覺和觸覺反饋的組合(看見任務的一方面，同時感覺另一方面)。將這個感覺組合到人機界面中能具有各種好處，包括使得這樣的界面更高效并且對于用戶更直觀，讓操作者沉浸在計算機模擬中發生的事件中，并且使得這樣的模擬感覺更逼真。
[0004]通常，FFC能是外部環境的一部分(例如，力反饋操縱桿)或者由人操作者穿戴(例如，力反饋手套)。利用可穿戴的并且便攜式的FFC、以及能給予更豐富的一系列力以產生具有更細微差別的觸覺感知的FFC能實現很多好處。然而，現有的便攜式FFC在各個方面存在不足，包括重、體積大、不舒服、制造成本高、在它們能提供的感覺反饋方面受限制、以及不能將所給予的力準確地定位在操作者的身體上的具體位置處。
[0005]本公開的概要
[0006]在一個實施方式中，本公開針對一種力反饋控制器。該力反饋控制器包括腕部模塊以及手柄模塊，所述腕部模塊包括第一肢體附接件，該第一肢體附接件被配置為將所述力反饋控制器耦接至用戶的手臂，所述手柄模塊耦接至所述腕部模塊，所述手柄模塊能相對于所述腕部模塊在第一方向和第二方向上移動，所述第一方向基本垂直于所述第二方向，所述手柄模塊包括具有手柄附接件的線性滑動機構，所述手柄附接件被限制為在基本垂直于所述第一方向和所述第二方向中的至少一者的第三方向上的線性運動，并且其中，所述手柄附接件被配置為將手柄耦接至所述手柄模塊。
[0007]在另一個實施方式中，本公開針對一種力反饋控制器。該力反饋控制器包括腕部模塊、前臂模塊以及外骨架構件，所述腕部模塊包括第一肢體附接件，該第一肢體附接件被配置為耦接至用戶的手臂的第一部分，所述前臂模塊包括第二肢體附接件，該第二肢體附接件被配置為耦接至用戶的手臂的第二部分，所述外骨架構件具有第一端和第二端，所述前臂模塊耦接至所述第一端，并且所述腕部模塊耦接至所述第二端，所述外骨架構件包括扭轉模塊，所述扭轉模塊具有扭轉元件，該扭轉元件被配置為允許所述前臂模塊和所述腕部模塊之間的相對扭轉運動，并且基本防止所述前臂模塊和所述腕部模塊之間的相對軸向運動。
[0008]在又一個實施方式中，本公開針對一種力反饋控制器外骨架。該力反饋控制器外骨架包括前臂模塊、腕部模塊、以及手柄模塊，所述前臂模塊和所述腕部模塊被設計并配置為能移除地耦接在一起以形成所述力反饋外骨架控制器，并且所述手柄模塊能移動地耦接至所述腕部模塊并且相對于所述腕部模塊具有至少一個運動自由度；并且所述手柄模塊包括線性滑動機構以及耦接至所述線性滑動機構的手柄，所述手柄被限制為相對于所述腕部模塊在線性方向上運動。
[0009]附圖的簡要說明
[0010]為了闡明本發明，附圖示出了本發明的一個或多個實施方式的各個方面。然而，應當理解的是，本發明不限于在附圖中示出的精確布置和手段，其中:
[0011]圖1示出了示例性模塊化的且便攜式的力反饋控制器；
[0012]圖2示出了另一個示例性模塊化的且便攜式的力反饋控制器；
[0013]圖3是肢體附接件的立體圖；
[0014]圖4示出了旋轉驅動模塊；
[0015]圖5是線性驅動部件的立體圖；
[0016]圖6是下臂扭轉模塊的立體圖；
[0017]圖7示出了肘部模塊；
[0018]圖8示出了使用中的示例腕部模塊和手柄模塊；
[0019]圖9示出了使用中的耦接至手柄模塊的人體工程學把手形式的手柄；
[0020]圖10示出了使用中的耦接至手柄模塊的手槍把手形式的手柄；
[0021]圖11示出了示例性下臂扭轉模塊；
[0022]圖12示出了下臂扭轉模塊的另一實例；
[0023]圖13示出了具有多中心鉸鏈的肘部模塊；
[0024]圖14示出了手柄和腕部模塊配置；
[0025]圖15示出了前臂、肘部和上臂模塊配置；
[0026]圖16是示例力反饋控制器系統架構的框圖；
[0027]圖17是圖16的系統架構的示例實施方式；
[0028]圖18是電機驅動部件的實例的電路圖；
[0029]圖19示出了圖2的模塊化的且便攜式的力反饋控制器的腕部模塊和手柄模塊的一部分的立體圖。
[0030]詳細說明
[0031]本發明的一些方面包括用于改進的人機界面和計算機模擬控制的各種便攜式FFC(PFFC)裝置以及系統。本文中描述的PFFC能用于各種應用中，包括用于增加人操作者的精確度和/或力量，并且用于在諸如計算機模擬、數據探查和游戲的應用中提高操作者和合成環境之間的交互的效率和質量。本文中描述的PFFC還可用于幫助測量、引導、訓練、或者加強人操作者運動，以用于這樣的嘗試，諸如物理療法、職業治療、體育訓練、以及其他治療和訓練使用。并且還可用于在具有遠程環境的遙控操作和遙控機器人交互中向人操作者提供增加的感官意識以及使用的簡易性。例如，本文中描述的PFFC可允許對遙控機械手的運動的更自然的且直觀的控制，以通過反饋遠程感應的力而允許人操作者更精細地和/或更迅速地執行遠程操作任務，并且因此，使通過遠程機械手的不期望的碾壓或碰撞最小化。
[0032]如以下更充分地描述的，本文中描述的PFFC通過提供對操作者的運動的精確跟蹤、施加高保真度力、成為能源高效的、體積最小的、成為重量輕的、以及成為舒適的且人體工程學的以允許長時間使用來向諸如以上描述的應用提供改進的解決方案。
[0033]示例PFFC實施方式包括模塊化PFFC，該模塊化PFFC可通過添加物理模塊和部件而提供依次添加功能和/或結構的能力。本文中描述的模塊化PFFC包括可附接至其他模塊并且可從其他模塊移除的模塊，其中，每個模塊可適合于穿戴在人體的特定解剖學部分上。該模塊可包括用于可移除地附接至相鄰的模塊或者橫跨相鄰的模塊的結構、或者用于接合兩個模塊的可移除的中間接合部件。這樣的模塊化提供了可為了各種不同的應用和使用情形迅速地并容易地改變的PFFC系統。例如，開放性手術模擬可由僅獲得腕部和手的PFFC最好地服務，而包括虛擬工具的裝置組件模擬可需要獲得手、腕部和前臂的PFFC。作為另一實例，可期望在游戲或模擬中獲得人操作者的手、腕部、前臂、以及肘部和/或肩部，例如，以提供對虛擬對象的重量的更逼真的感覺，并且提供對復雜的運動(諸如投擲和抓握)的更高保真度控制。這樣的模塊化較特定的現有技術控制器提供了顯著好處，其中，定制的外骨骼控制器為特定的使用情形而設計。操作者通常將必須做出應有的次優控制器配置以供使用，而不是設計特定的一個控制器，因為定制控制器的開發是一個費時且昂貴的過程。
[0034]考慮到本文中描述的PFFC的各種方面的廣泛適用性，圖1示出了示例性模塊化外骨架PFFC系統100，該系統被設計并且被配置為穿戴在操作者的手臂上。示例PFFC 100具有六個模塊，包括肩部模塊110、上臂模塊112、肘部模塊114、前臂模塊116、腕部模塊118以及手柄模塊120。模塊110-120中的每個能可移除地連接至相鄰的模塊，使得每個模塊可迅速地并容易地機械和電連接至其他模塊。模塊110-120中的每個是具有用于將模塊附接至特定解剖學位置的舒適的且人體工程學的零件(feature)的輕重量結構，同時還具有用于廣泛系列的應用的合適的結構完整性。模塊110-120還可具有用于將PFFC 100的大小調節至特定用戶的尺寸的調節機構。
[0035]模塊110-120中的一個或多個可具有一個或多個自由度并且被配置為相對于其他模塊運動，使得PFFC 100可遵循(follow)用戶的手臂的自然運動，并且如以下描述的，可在各個方向和位置上對用戶給予力。例如，肘部模塊114被配置為繞樞軸點122樞轉，使得第一側向構件124可相對于第二側向構件126在由箭頭IA示出的方向上樞轉。前臂模塊116可被配置為相對于腕部模塊118在箭頭IB的方向上進行扭轉運動。相似地，腕部模塊118可被配置為相對于前臂模塊116和手柄模塊120中的一者或兩者在箭頭IC的方向上進行扭轉運動。在一些實施方式中，當模塊116和118可被配置為進行相對扭轉運動時，PFFC 100可具有基本防止在其他方向上的相對運動(例如，在由箭頭ID示出的方向上的相對線性運動)的結構零件，這可提供PFFC的操作所需要的結構完整性。手柄模塊120可配置有一個或多個自由度，以遵循用戶的手相對于用戶的腕