一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，包括手柄(2)、盤式阻尼器(3)和兩個線性阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)與手柄(2)同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄(2)轉動連接，另一端與一固定物轉動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統中的計算機控制，盤式阻尼器(3)對手柄(2)的自轉運動施加旋轉阻力，線性阻尼器對手柄(2)的平移運動施加線性阻力。與現有技術相比，本發明具有運動范圍大、運動靈活、易于控制、結構靈活、重量輕、易于安裝和更換等優點。
【專利說明】
一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于觸覺反饋的操作機構，尤其是涉及一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構。
【背景技術】
[0002]虛擬現實技術可以利用計算機生成一個逼真的、三維的、具有一定視覺、聽覺、力覺觸覺和嗅覺等感知能力的虛擬環境，用戶可通過各種傳感設備同虛擬環境中的實體相互作用，使用戶產生身臨其境的感覺。虛擬現實技術的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。按照感覺通道的不同，虛擬現實技術可分為虛擬可視化技術、力覺觸覺反饋技術、計算機嗅覺技術等。近些年來，虛擬可視化技術發展較為迅速，同時隨著力覺觸覺反饋設備的發展，力覺觸覺反饋技術受到關注的程度也不斷提高。力覺觸覺反饋技術可以增強虛擬現實環境和交互的沉浸效果，在遙操作、外科手術訓練、娛樂等領域已經得到了應用，在制造業中也具有廣闊的應用前景。
[0003]虛擬現實技術是一種可創建和體驗的的計算機虛擬仿真系統。它利用計算機生成一種多源信息融合的交互式的三維動態模擬環境和實體行為的系統仿真。使用戶融入到該環境中，能有觸覺、力覺等感知，甚至還包括嗅覺和味覺。到目前為止，觸覺系統相對視覺和聽覺反饋的研究較少。器件大部分是通過馬達產生與虛擬環境成比例的力或力矩。但他們過于笨重，成本高，現實模擬感覺差。利用磁流變液在磁場下可變粘度，剪切力大的特點來設計新的執行機構。

【發明內容】

[0004]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種結構靈活、運動范圍大、運動靈活的用于觸覺反饋的三自由度操作機構。
[0005]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0006]—種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，包括手柄、盤式阻尼器和兩個線性阻尼器，所述的盤式阻尼器和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器與手柄同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄轉動連接，另一端與一固定物轉動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統中的計算機控制，盤式阻尼器對手柄的自轉運動施加旋轉阻力，線性阻尼器對手柄的平移運動施加線性阻力，旋轉阻力和線性阻力的合力作用于手柄，產生計算機所設定的預期阻力。
[0007]所述的線性阻尼器包括外殼、沿所述外殼的內壁做線性運動的活塞以及設置在外殼中的線圈和磁流變液，活塞桿與手柄轉動連接，所述的線圈環繞在活塞外周，線圈中的電流大小受計算機控制，當線圈中電流變化時，磁流變液產生的阻尼變化，使活塞桿運動受到的阻力變化，由于活塞桿與手柄轉動連接，該阻力直接傳遞到手柄，對手柄的平移運動產生阻力。
[0008]所述的外殼上設有柱銷孔，用于與固定物轉動連接，使用時，將線性阻尼器一端通過柱銷固定在水平臺面上，使線性阻尼器可繞柱銷轉動。
[0009]所述的手柄末端套設支撐軸，所述的活塞桿一端帶有套筒或套環，所述的套筒或套環套在支撐軸上，構成間隙配合。
[0010]所述的支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經表面精磨處理的螺母，螺母與外界支撐物例如水平臺面之間的摩擦系數低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0011]所述的盤式阻尼器包括外罩以及設置在外罩中的線圈、磁流變液和轉盤，所述的線圈環繞在轉盤外周，所述的手柄與轉盤過盈配合，所述的手柄與外罩間隙配合。
[0012]所述的兩個線性阻尼器初始位置呈90度夾角，利于操作機構的穩定放置。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0014](I)通過將盤式阻尼器與兩個線性阻尼器結合使用，使操作機構具有三自由度，包括橫向自由度、縱向自由度和旋轉自由度，使操作機構運動范圍大，運動靈活。
[0015](2)阻尼器為磁流變阻尼器，線圈電流大小和磁場強度受計算機控制，磁流變液在磁場下可變粘度和剪切力大、易于控制、結構靈活、重量輕、易于安裝和更換。
[0016](3)線性阻尼器的活塞桿與手柄轉動連接，活塞桿受到的阻力直接傳遞到手柄，對手柄的平移運動產生阻力，減小線性阻尼器對手柄的自轉運動的影響。
[0017](4)線性阻尼器的外殼上設有柱銷孔，用于與固定物轉動連接，使線性阻尼器可跟隨手柄的平移而轉動，增大操作機構運動范圍。
[0018](5)手柄末端套設支撐軸，活塞桿一端的套筒或套環套在支撐軸上，構成間隙配合，轉動連接的部件均可更換，延長操作機構使用壽命。
[0019](6)支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經表面精磨處理的螺母，螺母與外界支撐物之間的摩擦系數低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0020](7)手柄與盤式阻尼器的轉盤過盈配合，與盤式阻尼器的外罩間隙配合，使盤式阻尼器中轉盤受到的阻力直接傳遞到手柄，減小外罩與手柄之間的摩擦，提高計算機電流控制的精度。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實施例三自由度操作機構的立體結構示意圖；
[0022]圖2為本實施例三自由度操作機構的主視結構示意圖；
[0023]圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0024]圖4為本實施例三自由度操作機構的俯視結構示意圖；
[0025]圖5為本實施例盤式阻尼器剖視結構示意圖；
[0026]圖6為本實施例線性阻尼器剖視結構示意圖；
[0027]圖7為本實施柱銷結構不意圖；
[0028]圖8為本實施支撐軸結構示意圖；
[0029]圖9為圖8的A-A剖視圖；
[0030]圖10為本實施例中手柄的運動范圍示意圖；
[0031]圖11為本實施例觸覺反饋系統結構示意圖；
[0032]附圖標記:
[0033]I為第一線性阻尼器;2為手柄;21為支撐軸;22為螺母;3為盤式阻尼器;31為外罩；32為線圈；33為轉盤;4為第二線性阻尼器;5為外殼;6為活塞桿;7為線圈；8為柱銷孔;81為柱銷;9為角叉;10為計算機;11為數據采集板;12為放大器;13為執行機構。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0035]實施例
[0036]如圖1?圖4所示，一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，包括手柄2、盤式阻尼器3、第一線性阻尼器I和第二線性阻尼器4，第一線性阻尼器1、盤式阻尼器3和第二線性阻尼器4均為磁流變阻尼器。
[0037]如圖5所示，盤式阻尼器3包括外罩31以及設置在外罩31中的線圈32、磁流變液和轉盤33，線圈32環繞在轉盤33外周，手柄2與轉盤33過盈配合，手柄2與外罩31間隙配合。
[0038]如圖6所示，第一線性阻尼器I和第二線性阻尼器4結構大致相同，均包括外殼5、沿外殼5的內壁做線性運動的活塞以及設置在外殼5中的線圈7和磁流變液，活塞的活塞桿6與手柄2轉動連接，線圈7環繞在活塞外周，線圈7中的電流大小受計算機控制，當線圈7中電流變化時，磁流變液產生的阻尼變化，使活塞桿6運動受到的阻力變化。外殼5—頭為端蓋，另一頭的端面設有柱銷孔8，用于與固定物轉動連接，使用時，水平臺面上的柱銷81與柱銷孔8組成旋轉副，使線性阻尼器可以繞柱銷旋轉，柱銷形狀如圖7所示。
[0039]如圖1、圖2所示，手柄2末端套設支撐軸21，如圖8、圖9所示，支撐軸21—端帶有環形面20，環形面20起到支撐盤式阻尼器3的作用，支撐軸21另一端帶有螺紋，螺紋用于連接經表面精磨處理的螺母22，使用時，支撐軸21豎直立于水平臺面，支撐軸21底部的螺母22與水平臺面接觸，由于螺母22與水平臺面之間的摩擦系數低，從而減小摩擦力，提高觸覺反饋的精度。
[0040]如圖1、圖3和圖6所示，第一線性阻尼器I的活塞桿6末端帶有角叉9，角叉9末端為套環，套環套在支撐軸21上，形成轉動連接。
[0041]與第一線性阻尼器I不同的是，第二線性阻尼器4的活塞桿6末端帶有套筒，套筒套設在支撐軸21上，形成轉動連接，兩個套環分設于套筒兩端，使兩個線性阻尼器的轉動互不影響。
[0042]如圖11所示，觸覺反饋系統為電控系統，包括計算機10、數據采集板11、放大器12和三自由度操作機構，三自由度操作機構即為執行機構13，執行機構13上固定一個位移傳感器以獲取操作機構的位置。
[0043]電控系統工作原理:
[0044]計算機10根據系統設定，生成控制信號，傳輸給數據采集板11，由于控制信號的電流較小，增設放大器12按一定比例放大電流生成驅動電流，驅動電流傳輸到執行機構13的線圈中，從而產生相應的阻力。
[0045]執行機構13的手柄末端裝有位置傳感器，檢測手柄末端的位置，通過電路將位置信號傳遞給計算機10。
[0046]操作手柄2時，手柄2可同時做自轉運動和橫移運動，橫移運動帶動線性阻尼器做線性運動，纏繞在活塞桿6上的線圈7通入電控系統的電流，根據系統的設定產生相應強度的磁場，磁流變液流經活塞桿6與外殼5之間的間隙時，由于在不同磁場強度下磁流變液阻尼不同，生成阻尼力。手柄2的運動范圍如圖10所示，圖中虛線為手柄2的初始位置。
【主權項】
1.一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，包括手柄(2)、盤式阻尼器(3)和兩個線性阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)和線性阻尼器均為磁流變阻尼器，所述的盤式阻尼器(3)與手柄(2)同軸連接，所述的線性阻尼器一端與手柄(2)轉動連接，另一端與一固定物轉動連接，所述的磁流變阻尼器的阻尼大小分別受觸覺反饋系統中的計算機控制，盤式阻尼器(3)對手柄(2)的自轉運動施加旋轉阻力，線性阻尼器對手柄(2)的平移運動施加線性阻力。2.根據權利要求1所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，所述的線性阻尼器包括外殼、沿所述外殼的內壁做線性運動的活塞以及設置在外殼中的線圈和磁流變液，活塞桿與手柄(2)轉動連接，所述的線圈環繞在活塞外周，線圈中的電流大小受計算機控制，當線圈中電流變化時，磁流變液產生的阻尼變化，使活塞桿運動受到的阻力變化。3.根據權利要求2所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，所述的外殼上設有柱銷孔，用于與固定物轉動連接。4.根據權利要求1或3所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，所述的手柄(2)末端套設支撐軸，所述的線性阻尼器一端帶有套筒或套環，所述的套筒或套環套在支撐軸上。5.根據權利要求4所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，所述的支撐軸末端帶有螺紋，用于連接經表面精磨處理的螺母。6.根據權利要求1所述的一種用于觸覺反饋的三自由度操作機構，其特征在于，所述的盤式阻尼器(3)包括外罩以及設置在外罩中的線圈、磁流變液和轉盤，所述的線圈環繞在轉盤外周，所述的手柄(2)與轉盤過盈配合，所述的手柄(2)與外罩間隙配合。
【文檔編號】G06F3/01GK106020463SQ201610323966
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】劉文濤, 羅平, 羅一平, 任洪娟, 楊斌, 陸雯, 陶超, 張東劍, 武明恩, 王振
【申請人】上海工程技術大學