Falcon力反馈设备保护装置

摘要

本发明提供一种Falcon力反馈设备保护装置，包括外罩壳体、位移量控制装置和夹板，外罩壳体为一侧面开口的封闭的壳体，位移量控制装置与开口相匹配并设置在外罩壳体内的开口上将该开口封闭，位移量控制装置上设上下、左右和前后三个方向的轨道，夹板以可在所述轨道上移动地设在该位移量控制装置上，夹板上设一用于卡固Falcon力反馈设备上作三维移动的操作小球的固定结构。本保护装置可将反馈设备较好地封闭起来，使之得到很好保护，但未对露出在外的操作小球的三维移动有任何约束，不影响其运动，通过控制其行程，更好地保护该设备，使操作者无法触及除操作小球以外的Falcon设备的其它部件，该保护装置便于更换，且外形美观、耐用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Falcon力反馈设备保护装置。

背景技术

Falcon力反馈设备是由美国Novint公司生产的，2008年开始进入中国市场。Falcon力反馈设备是一台力传输精度较高的设备，内部由一台电机和诸多传感器组成，电机带动3个龙骨进行伸缩运动，从而完成力的输出。内部传感器感受不同大小力的输入。Falcon力反馈设备的表面是由有机塑料包裹而成。考虑到Falcon设备内部的精密器件和外部的封装材质、Falcon力反馈设备成品的价格和可以满足不同年龄段的人高频率地使用的需求，因此设计一种特殊的限位装置对其进行保护是十分必要的，以Falcon设备主体的前端面为基准，该操作小球前后移动的的最大范围是100mm，以Falcon力反馈设备的操作小球在左右上下方向均无伸缩状时其球心为原点，该操作小球左右移动的最大范围是-60mm至60mm，上下移动的最大范围是-60mm至60mm。

将这种设备进行展示且还要使得参观者接触其中的操作小球，对于该设备的比较薄弱的外表和内部精密的器件都是严峻的，因此，需要设计一种美观、耐用、观众无法触及除操作球之外Falcon的其它部分的保护装置。

为设备装置配置保护壳是现有技术中常见的，但是，对于要将设备中的某些活动件露出在保护壳之外就比较困难，更何况本发明提供的保护装置保护的Falcon力反馈设备中要露出的操作小球的运动是三维空间中的运动，如果将除了操作小球之外的所有部分都包覆在保护壳内，不影响操作小球的运动，还要防止尤其是好奇心极强的小孩不能从探出保护壳外的操作小球和壳体缝隙中伸进手指碰坏设备或伤及手指，这就给保护壳的设计增加了技术难度，现有技术中还没有相类似的设计。

发明内容

本发明的目的是解决上述的技术难题，提供一种能够将Falcon力反馈设备除了其上做三维空间运动的操作小球之外的其它部分都罩住使观众无法触及除操作球外Falcon的其它部分、且不影响操作小球活动的保护装置。

本发明进一步的目的在于提供一种Falcon力反馈设备保护装置，使其在高频率使用下，既可充分发挥其操控娱乐性同时又能避免操作者的操控力度过大造成Falcon力反馈设备损坏，美观、耐用的Falcon力反馈设备保护装置。

为了达到上述目的，本发明所提供的Falcon力反馈设备保护装置，包括：外罩壳体、位移量即行程控制装置和夹板，所述外罩壳体为其上的一个侧面开口、其他侧面均封闭的壳体，该位移量控制装置与所述侧面开口大小形状相匹配并设置在该外罩壳体内的所述开口的侧面上将该开口封闭，所述位移量控制装置上设置上下、左右和前后三个方向上的轨道，该夹板以可在所述三个方向的轨道上移动的方式活动地设置在位移量控制装置上，所述夹板上设置一个用于卡固Falcon力反馈设备上作三维移动的操作小球的固定结构。

通过将夹板设置在可提供三维自由度运动的所述位移量控制装置上，而放置于所述外罩壳体中的反馈设备中的做三维运动的操作小球固定在该夹板上而伸出外罩壳体，就实现了将反馈设备封闭在本保护装置的外罩壳体中静止，而操作小球露出在外罩壳体外面并且可以实现其三维运动的目的。

实现三维自由度运动的位移量控制装置的结构可以有许多，例如在外罩壳体的侧面开口处设置具有三维滑轨的支架，所述操作小球可滑动地设置在该支架上。

一个优选的所述位移量控制装置包括：前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置，所述左右上下位移量控制装置上设有供操作小球上下、左右两个方向位移的轨道，所述夹板可在所述轨道上移动地固设在所述左右上下位移量控制装置上；所述左右上下位移量控制装置滑动地设置在所述前后位移量控制装置上的前后方向延伸设置的所述轨道上。

该前后位移控制装置可以是包括固连在外罩壳体开口端的外罩壳体两个相对内壁上对应的至少两套滑轨限位装置，每套该滑轨限位装置包括一轨道光轴和支撑该轨道光轴的轴承座。

具体地，所述左右上下位移量控制装置包括一前板和一后板，前板和后板与所述外罩壳体的所述侧面的开口的形状大小相匹配，所述前后板固联为一体，在其相对的表面上分别设有圆形凹槽，使得两板之间构成一个空腔，在所述两板的凹槽的槽底分别开设有通孔与该空腔连通，该两个通孔的轴线重合且与所述空腔的轴线重合，所述夹板可上下、左右移动地置于所述空腔内，所述夹板开设有中心孔，用于卡设在所述操作小球和其后连接的小球挡板之间的连接架；使得所述反馈设备上的可作三维方向移动的操作小球通过所述后板上的通孔B进入所述空腔并从所述前板上的所述通孔A穿出所述保护装置，该空腔即为供所述操作小球上下、左右两个方向位移的轨道；所述前、后板上设孔套设在所述前后位移量控制装置的行程轨道或所述轨道光轴上，所述前、后板上设有孔套设在行程轨道或所述轨道光轴上。

所述前板和后板优选均是方形板体；所述夹板的厚度小于凹槽A和凹槽B的厚度之和，夹板的直径小于凹槽A、凹槽B的直径，其容设在所述凹槽A和凹槽B形成的空腔中；所述前、后板上设有孔套设在所述轨道光轴上。

提供上下、左右和前后位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程的大小应该与操作小球的运动行程相匹配；

所述的匹配是，提供上下、左右和前后位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程的大小比该反馈设备中操作小球的相应运动行程的最大行程小。

提供上下、左右位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程比所述反馈设备中所述操作小球相应的最大行程小3-6mm，优选小3mm；而提供前后位移行程的前后位移量控制装置所提供的行程比操作小球的相应运动行程的最大行程小5-15mm，优选小10mm。

这样设计所述位移量控制装置主要是考虑对反馈设备的保护，如果位移控制装置的行程与设备的最大行程一样或还要大，则在使用者操作本设备时，就很容易常常运行操作小球到设备的行程边界，使用中用力大小不易控制，这样，对于设备的损害比较大，而如本方案这样设计，使用中不会出现操作小球接触反馈设备的最大行程边界的情况，所以，本保护装置不光是将设备罩起来，不受外界的损害，同时，对于设备内的结构也能够给予很好的保护。

本保护装置提供的所述左右和上下位移行程即为所述空腔的半径与所述夹板半径的差值；

所述前后位移行程为供所述左右上下位移量控制装置移动的所述前后位移量控制装置的活动轨道或所述轨道光轴长度与所述左右上下位移量控制装置在前后位移行程上的厚度的差值；

上述行程即按照小于设备的相应最大行程的设计原则设计。同时，所述前板上的孔A、后板上的孔B以及夹板和前后板上的所述凹槽的大小还应该满足如下一些条件方能使得本保护装置在使用中正常操作且不损伤反馈设备和保护装置本身不受损伤。即：

夹板半径和前后板上所述凹槽的半径的关系应该是：所述凹槽半径为操作小球的轨迹半径与夹板半径之和。

所述前板上的所述孔A：

其直径要小于所述夹板的直径；和/或，

所述操作小球至少一部分穿过所述前板上的孔A露出，则，孔A应该是：当所述夹板一侧边缘与所述前后板上的所述凹槽侧壁碰到接触时，所述夹板与孔A的孔壁之间不能出现空隙；且所述操作小球不能与前板上的孔A侧壁相触；

孔A的直径的临界值D_{孔A临界值}即小球与前板孔A内壁相切即接触时孔A的直径，应为：

D_{孔A临界值}＝R_夹板+R_{小球接触处}；

R_{孔A临界值}＝(R_夹板+R_{小球接触处})/2

其中：R_夹板为夹板的半径，

R_{小球接触处}为操作小球与前板相切即接触处的小球半径；

所述操作小球至少一部分穿过所述前板上的孔A，则，孔A应该是：确保小球达到上下左右最大限度时不会与前板孔A相撞，则，

R_小球轨道+R_{小球接触处}＜R_{孔A实际值}，

孔A是：避免当小球在最上、最下、最左、最右部时，即夹板与前后板的凹槽侧壁相触是，夹板对应地另一边缘与前板孔A产生空隙，再有，所述夹板的外边缘形成一个向侧面凸起的凸环与前板接触，在该凸环的表面上设置细绒布等材料制减震防磨损衬垫；

则，R_{孔A的实际值}＜R_{孔A临界值}+L_接触区

所以，孔A的实际半径应该是：

R_小球轨道+R_{小球接触处}＜R_{孔A实际值}＜R_{孔A临界值}+L_接触区；

其中：R_小球轨道为小球运动的边缘轨迹的半径，

L_接触区为所述凸环的径向宽度。

所述后板上的所述孔B：

其直径要小于所述夹板的直径；和/或，

在反馈设备上操作小球的后面设有小球挡板与所述后板上的孔B对应，则，

当所述夹板一侧边缘与所述前后板上的所述凹槽侧壁碰到接触时，所述操作小球上的挡板不能与后板上的孔B的侧壁相触；

这时，所述通孔B的直径大于所述操作小球在左右上下方向自球心移动的最大距离即小球运动的边缘轨迹与小球挡板外接圆的直径之和即为A+B+C，其中，A、C分别为所述操作小球挡板外接圆的半径，B为所述操作小球运动的边缘轨迹的直径，也就是孔B孔径的临界值，R_{孔B临界值}＝R_小球轨道+R_{挡板外接圆}；

为所述后板上的所述孔B确保小球达到上部最大限度时不会与后板孔B相撞，R_{孔B实际值}比R_夹板小，防止向前推所述夹板而推空，且所述夹板的外边缘最好形成一个向侧面凸起的凸环与后板接触，则：

R_{孔B实际值}＜R_小球轨道+R_{挡板外接圆}-L_接触区。

R_{孔B实际值}＜R_夹板-L_接触区。

和/或，

所述夹板的厚度与所述前后板上设凹槽所形成的空腔的高度的差为1至2毫米。该差值如果太小，则夹板在所述空腔中的活动不顺畅，但如果该差值太大，则夹板会在所述空腔运动中产生振动，这会影响到设备的安全性和寿命，同时使用中的效果也不好。

所述夹板的外边缘最好形成的所述凸环和在该凸环的表面上设置细绒布等材料制减震防磨损衬垫，当夹板随操作小球在前后板之间运动时，可防止夹板对前后板的摩擦，同时还可以起到擦拭前后板表面的作用。

和/或，

所述前、后板与外罩壳体所述侧面开口的内表面之间设有3-6mm的间隙。

该间隙不能太大，使得操作者或参观者尤其是儿童伸进手指发生挤伤事故。但是，该间隙也不能太小。因为本保护装置整体类似一个风箱，当挡板前后移动时，由于内部空间的改变，产生压力差，如果挡板与外罩间缝隙小，压力难以瞬间平衡，造成向前推动挡板很吃力，影响操作效果。为了平衡压力，使得上下左右位移量控制装置运行顺畅，还可以在外罩壳体主体的后部开设通气孔。例如外罩壳体的后面壳壁上再设计了3个通气孔。

所述的Falcon力反馈设备保护装置，其还包括有减震装置，其是：

在所述夹板的卡固所述Falcon设备的操作小球脖颈间对应的所述中心孔的孔壁上固有减震衬垫；和/或，

在所述前、后板的所述凹槽壁上设有减震衬垫；和/或，

在所述前后位移量控制装置的所述行程轨道或所述轨道光轴支承轴承座的对应行程端点处设有减震衬垫；和/或，

所述夹板上的边缘与所述前板和/或后板接触部分设置减震防磨损衬垫，其凸设于所述夹板的表面上。

所述减震衬垫优选用硅胶材料制作；所述减震防磨损衬垫为绒布制作。

所述外罩壳体宜采用透明的有机玻璃板制作，所述前板、后板、夹板均采用透明亚克力材料制作。这样，可以使得被本保护装置罩住的反馈设备仍然可以清晰地展现在使用者眼前，不会因为加设保护装置而使得原有设备新颖有趣的造型和其上的一些显示装置无法展现和利用。

用有机玻璃制作的外罩壳体这样，在操作小球运动中，即使夹板会与前板和后板接触，如果让夹板和前后板直接接触，夹板和外罩壳体的接触区域很快就会磨损，透明程度将降低。而如本发明的设计，在夹板的相应部位上设置绒布制的减震防磨损衬垫，也不会出现将前后板的接触区域磨损的问题，而且还可以使得接触区域变得越来越清洁透明。

在所述前、后板与所述光轴的接触处设有直线轴承；由此，可以使得其上的前后板及其夹板组成的左右上下位移量控制装置的移动更加轻快。

在所述外罩壳体内的下底面上固设一用于支承所述反馈设备的支撑座，使用时将Falcon力反馈设备放置在该支撑座上。该支撑座最外端与所述前后位移量控制装置中提供的前后移动行程的最里端之间的距离应该与Falcon力反馈设备中操作小球收缩到距离机身前端最近的距离相匹配。

所述外罩壳体包括外罩壳体主体和底板，外罩壳体主体设置在底板的上表面，外罩壳体主体和底板通过螺栓固定在一起。

所述外罩壳体主体的后部设有穿出该设备导线的通孔。

所述夹板为圆形夹板，其由两个半圆体通过螺钉连接而成，这种夹板结构可方便将其在反馈设备的操作小球的颈部安装和拆卸而不必拆装反馈设备本身。以该夹板的轴线为中心设有的通孔与Falcon力反馈设备上的操作小球的脖颈尺寸相对应。

本发明提供的Falcon力反馈设备保护装置通过设置外罩壳体和在外罩壳体上的位移量控制装置可以将反馈设备较好地封闭起来，使之得到很好的保护，但是该保护装置却没有对露出在外的操作小球的三维方向上的移动有任何约束，不影响其运动，通过控制其行程，很好的保护了该设备，使操作者无法触及除操作小球以外的Falcon设备的其它部件，该保护装置的各组件均是通过螺钉螺栓进行组装，便于更换，且外形美观、耐用。

附图说明

图1是本发明的Falcon力反馈设备保护装置的主视结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是本发明提供的保护装置中的外罩壳体的俯视结构示意图；

图4是本发明提供的保护装置中的前、后板以及其中的夹板的正视结构示意图。

图5为夹板的主视结构示意图。

图5a为图5所示夹板的侧视结构示意图。

图5b为夹板分体结构示意图。

图5c为设置在夹板通孔上的硅胶垫b3的主视结构示意图。

图5d为图5c的B-B剖视结构示意图。

图6为显示小球运动的边缘轨迹412、小球挡板的外接圆以及后板上的通孔关系的示意图。

图7为显示本保护装置在前后方向上的相关几何尺寸的示意图；

图8为显示本保护装置相关几何尺寸的外罩壳体的侧视结构示意图。

图9为显示前板、后板和其中的夹板的侧视结构示意图。

图10a至图10f为显示左右上下位移量控制装置中各个部件之间位置关系的示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种Falcon力反馈设备保护装置，它包括：外罩壳体1、位移量(即行程)控制装置2、夹板3和支撑座4，位移量控制装置设置在外罩壳体1内，夹板3活动地设置在位移量控制装置上，夹板3同时固套在Falcon力反馈设备上的操作小球30的脖颈上，支撑座4设置在外罩壳体1底部上表面，支撑座4支撑Falcon力反馈设备。

如图1、2和3所示，外罩壳体1一面成开口状，它包括外罩壳体主体11和底板12，外罩壳体主体11与底板12通过螺钉a3连接，螺钉a3依次穿过底板12和外罩壳体主体11侧部的外翻边。在外罩壳体主体11的后部设有穿出该设备导线的通孔111。

如图1、4、5、5a和5b所示，所述夹板3为圆形夹板，其由两个半圆体通过螺钉a2连接而成，以该夹板3的轴线为中心开设有与Falcon力反馈设备上的操作小球的脖颈40相对应的通孔3b；为了减轻操作者上下左右操纵小球时产生的碰撞力对小球的碰撞，在夹板3与Falcon设备的操作小球30脖颈间即夹板3上通孔的孔边缘上设有带凹槽的硅胶垫b3，该硅胶垫b3的结构如图5c、图5d、图5e所示，为具有一周向槽b31的胶垫，该槽b31卡设在夹板3通孔3b的孔边缘上。在夹板3的两个侧面上可分别设置两个凹槽3a(见图2)，以减轻夹板的重量。

位移量控制装置包括：前后位移量控制装置22和左右上下位移量控制装置21。如图1、2和4所示，左右上下位移量控制装置21包括前板221和后板222，前板221和后板222均为方形板体，前、后板尺寸厚度相同，以该前板的中心为中心在其后表面设有圆形凹槽A 221a，后板222的前表面设有与前板后表面的圆形凹槽A相对应的圆形凹槽B 222a，在前板221的前表面设有与凹槽A221a相通的孔A 221b，孔A 221b的轴线与凹槽A的轴线相对应，在后板222的后表面设有与凹槽B相通的孔B 222b，孔B的轴线与凹槽B的轴线相对应，夹板3容设在凹槽A和凹槽B形成的空腔中，夹板的厚度小于凹槽A和凹槽B的厚度之和，夹板的直径小于凹槽A、凹槽B的直径，且

前板221和后板222上的所述凹槽221a、222a的半径与夹板3的半径之差小于小球30在左右上下方向自起始球心即前后板的凹槽的圆心移动的最大距离，也可以称为小球的运动轨迹即反馈设备的最大行程，该最大距离通常为60mm，即则前后板上的凹槽与夹板的关系为如图9、图10a所示：

R_前后板槽＝R_夹板+R_小球轨道。

为了使得操作小球从外罩壳体中伸出，且能够保证其顺利的运动，不能与前后板碰撞，又不能与前后板之间留有空隙，则前后板上开设的孔A和孔B在数值上应该有如下的关系：

所述前板上的所述孔A 221b：其直径要小于所述夹板的直径；

孔A 221b的直径的临界值即小球与前板孔A内壁相切即接触时孔A的直径，应为夹板和小球直径之和，即如图10b所示：

D_{孔A临界值}＝R_夹板+R_{小球接触处}；

R_{孔A临界值}＝(R_夹板+R_{小球接触处})/2

其中：R_夹板为夹板的半径，R_{小球接触处}为操作小球与前板相切即接触处的小球40的半径。

所述操作小球至少一部分穿过所述前板上的孔A，则，孔A应该是：确保小球达到上部最大限度时不会与前板孔A相撞，则，

R_小球轨道+R_{小球接触处}＜R_{孔A实际值}，

参看图10c的K处；

孔A还应该是：避免当小球在最上部时，夹板下部与前板孔A产生空隙，再有，所述夹板的外边缘最好形成一个向侧面凸起的凸环，在该凸环的表面上设置细绒布等材料制减震防磨损衬垫，当夹板随操作小球在前后板之间运动时，可防止夹板对前后板的摩擦，同时还可以起到擦拭前后板表面的作用。

则，R_{孔A的实际值}＜R_{孔A临界值}+L_接触区

所以，孔A 221b的实际半径应该是：如图10c和图10d所示，

R_小球轨道+R_{小球接触处}＜R_{孔A实际值}＜R_{孔A临界值}+L_接触区；

其中：R_小球轨道为小球运动的边缘轨迹412的半径，L_接触区为所述凸环的径向尺寸。

所述夹板的厚度与所述前后板上设凹槽所形成的空腔的高度的差为1至2毫米。

在反馈设备上操作小球的后面设有小球挡板与所述后板上的孔B对应，当所述夹板一侧边缘与所述前后板上的所述凹槽侧壁碰到接触时，所述操作小球上的挡板不能与后板上的孔B的侧壁相触；这时，通孔B的直径大于小球30在左右上下方向自球心移动的最大距离即小球运动的边缘轨迹412与小球挡板41外接圆411的直径之和即为A+B+C(如图6所示)，其中，A、C分别为小球挡板41外接圆411的半径，B为小球运动的边缘轨迹412的直径。也就是孔B孔径的临界值，R_{孔B临界值}＝R_小球轨道+R_{挡板外接圆}。为  为了确保小球达到上部最大限度时不会与后板孔B相撞，

R_{孔B实际值}＞R_小球轨道+R_{挡板外接圆}，

如图10e所示，且所述夹板的外边缘最好形成一个向侧面凸起的凸环，则如图10f所示，

R_{孔B实际值}＜R_夹板-L_接触区。

即：

R_{孔B临界值}＝R_小球轨道+R_{挡板外接圆}

R_小球轨道+R_{挡板外接圆}＜R_{孔B实际值}＜R_夹板-L_接触区

前板与后板通过四个螺钉a1固定；左右上下位移量控制装置的前、后板滑动地设置在前后位移量控制装置上，该前后位移控制装置包括固连在外罩壳体1开口端的外罩壳体一相对内壁上设有对应的滑轨限位装置，该滑轨限位装置包括光轴211和支撑该光轴的两个轴承座212，所述前、后板套设在该光轴211上，两个轴承座前后对应地设置在外罩壳体主体11顶部下表面的两端部，底板12上表面设有与外罩壳体顶部下表面轴承座相对应的轴承座，各轴承座与外罩壳体顶部和底板通过螺钉a4紧固；为了减少移动阻力，在前、后板与光轴的接触处环设有直线轴承213，直线轴承213与前、后板间分别通过螺钉固定，直线轴承在光轴上来回滑动，为了减少直线轴承与轴承座间的碰撞，在前轴承座的后表面和后轴承座的前表面分别设有硅胶垫b1；为了减少操作者前后推动小球时的阻力、防止前、后板与外罩壳体内表面磨损以及操作者的手指伸进，前、后板与外罩壳体1相应的内表面之间的间隙是3～6mm，优选5mm；

提供上下、左右和前后位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程的大小应该与操作小球的运动行程相匹配；该匹配可以是：提供上下、左右和前后位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程的大小比该反馈设备中操作小球的相应运动行程的最大行程小；

具体的，如图7、图8所示，提供上下、左右和前后位移行程的所述前后位移量控制装置和左右上下位移量控制装置所提供的行程比操作小球的相应运动行程的最大行程小3mm。和/或，提供前后位移行程的前后位移量控制装置所提供的行程比操作小球的相应运动行程的最大行程小10mm。

前轴承座后表面与后轴承座的前表面之间的距离与前后板厚度之差即前后位移控制装置提供的前后可移动的距离的即Q2之间的距离D2为90mm，因为反馈设备中操作小球30前后的最大位移量即Q1之间的距离D1为100mm，为了避免操作小球运动中引起对设备前后限位部件的碰撞，故而本保护装置设定前后位移量即Q2之间的距离D2比最大位移量小5-15mm，优选10mm。

以Falcon力反馈设备主体前端面为基准，该设备主体前端面A与前后位移控制装置中支撑光轴的前后两个轴承座中的后轴承座前表面上的硅胶垫的前表面之间的长度L1+L2+L3，前后板的厚度之和以及前板的前表面到操作小球的球心之间的距离为L4，则L1+L2+L3+L4即为反馈设备上设备主体前端面A到操作小球伸出的最小长度之间的距离，设备的该距离D3为110mm，而本保护装置设置的该距离为115mm，距离设备的前后位移的后极限点差5mm，而位移量即Q2定为90mm，比起设备的前后位移的前极限点差5mm。