一种用于触觉反馈的三自由度操作机构

摘要

本发明涉及一种用于触觉反馈的三自由度操作机构，包括手柄(2)、盘式阻尼器(3)和两个线性阻尼器，所述的盘式阻尼器(3)和线性阻尼器均为磁流变阻尼器，所述的盘式阻尼器(3)与手柄(2)同轴连接，所述的线性阻尼器一端与手柄(2)转动连接，另一端与一固定物转动连接，所述的磁流变阻尼器的阻尼大小分别受触觉反馈系统中的计算机控制，盘式阻尼器(3)对手柄(2)的自转运动施加旋转阻力，线性阻尼器对手柄(2)的平移运动施加线性阻力。与现有技术相比，本发明具有运动范围大、运动灵活、易于控制、结构灵活、重量轻、易于安装和更换等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于触觉反馈的操作机构，尤其是涉及一种用于触觉反馈的三自由度操作机构。

背景技术

虚拟现实技术可以利用计算机生成一个逼真的、三维的、具有一定视觉、听觉、力觉触觉和嗅觉等感知能力的虚拟环境，用户可通过各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用，使用户产生身临其境的感觉。虚拟现实技术的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。按照感觉通道的不同，虚拟现实技术可分为虚拟可视化技术、力觉触觉反馈技术、计算机嗅觉技术等。近些年来，虚拟可视化技术发展较为迅速，同时随着力觉触觉反馈设备的发展，力觉触觉反馈技术受到关注的程度也不断提高。力觉触觉反馈技术可以增强虚拟现实环境和交互的沉浸效果，在遥操作、外科手术训练、娱乐等领域已经得到了应用，在制造业中也具有广阔的应用前景。

虚拟现实技术是一种可创建和体验的的计算机虚拟仿真系统。它利用计算机生成一种多源信息融合的交互式的三维动态模拟环境和实体行为的系统仿真。使用户融入到该环境中，能有触觉、力觉等感知，甚至还包括嗅觉和味觉。到目前为止，触觉系统相对视觉和听觉反馈的研究较少。器件大部分是通过马达产生与虚拟环境成比例的力或力矩。但他们过于笨重，成本高，现实模拟感觉差。利用磁流变液在磁场下可变粘度，剪切力大的特点来设计新的执行机构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构灵活、运动范围大、运动灵活的用于触觉反馈的三自由度操作机构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于触觉反馈的三自由度操作机构，包括手柄、盘式阻尼器和两个线性阻 尼器，所述的盘式阻尼器和线性阻尼器均为磁流变阻尼器，所述的盘式阻尼器与手柄同轴连接，所述的线性阻尼器一端与手柄转动连接，另一端与一固定物转动连接，所述的磁流变阻尼器的阻尼大小分别受触觉反馈系统中的计算机控制，盘式阻尼器对手柄的自转运动施加旋转阻力，线性阻尼器对手柄的平移运动施加线性阻力，旋转阻力和线性阻力的合力作用于手柄，产生计算机所设定的预期阻力。

所述的线性阻尼器包括外壳、沿所述外壳的内壁做线性运动的活塞以及设置在外壳中的线圈和磁流变液，活塞杆与手柄转动连接，所述的线圈环绕在活塞外周，线圈中的电流大小受计算机控制，当线圈中电流变化时，磁流变液产生的阻尼变化，使活塞杆运动受到的阻力变化，由于活塞杆与手柄转动连接，该阻力直接传递到手柄，对手柄的平移运动产生阻力。

所述的外壳上设有柱销孔，用于与固定物转动连接，使用时，将线性阻尼器一端通过柱销固定在水平台面上，使线性阻尼器可绕柱销转动。

所述的手柄末端套设支撑轴，所述的活塞杆一端带有套筒或套环，所述的套筒或套环套在支撑轴上，构成间隙配合。

所述的支撑轴末端带有螺纹，用于连接经表面精磨处理的螺母，螺母与外界支撑物例如水平台面之间的摩擦系数低，从而减小摩擦力，提高触觉反馈的精度。

所述的盘式阻尼器包括外罩以及设置在外罩中的线圈、磁流变液和转盘，所述的线圈环绕在转盘外周，所述的手柄与转盘过盈配合，所述的手柄与外罩间隙配合。

所述的两个线性阻尼器初始位置呈90度夹角，利于操作机构的稳定放置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过将盘式阻尼器与两个线性阻尼器结合使用，使操作机构具有三自由度，包括横向自由度、纵向自由度和旋转自由度，使操作机构运动范围大，运动灵活。

(2)阻尼器为磁流变阻尼器，线圈电流大小和磁场强度受计算机控制，磁流变液在磁场下可变粘度和剪切力大、易于控制、结构灵活、重量轻、易于安装和更换。

(3)线性阻尼器的活塞杆与手柄转动连接，活塞杆受到的阻力直接传递到手柄，对手柄的平移运动产生阻力，减小线性阻尼器对手柄的自转运动的影响。

(4)线性阻尼器的外壳上设有柱销孔，用于与固定物转动连接，使线性阻尼器可跟随手柄的平移而转动，增大操作机构运动范围。

(5)手柄末端套设支撑轴，活塞杆一端的套筒或套环套在支撑轴上，构成间隙配合，转动连接的部件均可更换，延长操作机构使用寿命。

(6)支撑轴末端带有螺纹，用于连接经表面精磨处理的螺母，螺母与外界支撑物之间的摩擦系数低，从而减小摩擦力，提高触觉反馈的精度。

(7)手柄与盘式阻尼器的转盘过盈配合，与盘式阻尼器的外罩间隙配合，使盘式阻尼器中转盘受到的阻力直接传递到手柄，减小外罩与手柄之间的摩擦，提高计算机电流控制的精度。

附图说明

图1为本实施例三自由度操作机构的立体结构示意图；

图2为本实施例三自由度操作机构的主视结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本实施例三自由度操作机构的俯视结构示意图；

图5为本实施例盘式阻尼器剖视结构示意图；

图6为本实施例线性阻尼器剖视结构示意图；

图7为本实施柱销结构示意图；

图8为本实施支撑轴结构示意图；

图9为图8的A-A剖视图；

图10为本实施例中手柄的运动范围示意图；

图11为本实施例触觉反馈系统结构示意图；

附图标记：

1为第一线性阻尼器；2为手柄；21为支撑轴；22为螺母；3为盘式阻尼器；31为外罩；32为线圈；33为转盘；4为第二线性阻尼器；5为外壳；6为活塞杆；7为线圈；8为柱销孔；81为柱销；9为角叉；10为计算机；11为数据采集板；12为放大器；13为执行机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1～图4所示，一种用于触觉反馈的三自由度操作机构，包括手柄2、盘式阻尼器3、第一线性阻尼器1和第二线性阻尼器4，第一线性阻尼器1、盘式阻尼器3和第二线性阻尼器4均为磁流变阻尼器。

如图5所示，盘式阻尼器3包括外罩31以及设置在外罩31中的线圈32、磁流变液和转盘33，线圈32环绕在转盘33外周，手柄2与转盘33过盈配合，手柄2与外罩31间隙配合。

如图6所示，第一线性阻尼器1和第二线性阻尼器4结构大致相同，均包括外壳5、沿外壳5的内壁做线性运动的活塞以及设置在外壳5中的线圈7和磁流变液，活塞的活塞杆6与手柄2转动连接，线圈7环绕在活塞外周，线圈7中的电流大小受计算机控制，当线圈7中电流变化时，磁流变液产生的阻尼变化，使活塞杆6运动受到的阻力变化。外壳5一头为端盖，另一头的端面设有柱销孔8，用于与固定物转动连接，使用时，水平台面上的柱销81与柱销孔8组成旋转副，使线性阻尼器可以绕柱销旋转，柱销形状如图7所示。

如图1、图2所示，手柄2末端套设支撑轴21，如图8、图9所示，支撑轴21一端带有环形面20，环形面20起到支撑盘式阻尼器3的作用，支撑轴21另一端带有螺纹，螺纹用于连接经表面精磨处理的螺母22，使用时，支撑轴21竖直立于水平台面，支撑轴21底部的螺母22与水平台面接触，由于螺母22与水平台面之间的摩擦系数低，从而减小摩擦力，提高触觉反馈的精度。

如图1、图3和图6所示，第一线性阻尼器1的活塞杆6末端带有角叉9，角叉9末端为套环，套环套在支撑轴21上，形成转动连接。

与第一线性阻尼器1不同的是，第二线性阻尼器4的活塞杆6末端带有套筒，套筒套设在支撑轴21上，形成转动连接，两个套环分设于套筒两端，使两个线性阻尼器的转动互不影响。

如图11所示，触觉反馈系统为电控系统，包括计算机10、数据采集板11、放大器12和三自由度操作机构，三自由度操作机构即为执行机构13，执行机构13上固定一个位移传感器以获取操作机构的位置。

电控系统工作原理：

计算机10根据系统设定，生成控制信号，传输给数据采集板11，由于控制信号的电流较小，增设放大器12按一定比例放大电流生成驱动电流，驱动电流传输 到执行机构13的线圈中，从而产生相应的阻力。

执行机构13的手柄末端装有位置传感器，检测手柄末端的位置，通过电路将位置信号传递给计算机10。

操作手柄2时，手柄2可同时做自转运动和横移运动，横移运动带动线性阻尼器做线性运动，缠绕在活塞杆6上的线圈7通入电控系统的电流，根据系统的设定产生相应强度的磁场，磁流变液流经活塞杆6与外壳5之间的间隙时，由于在不同磁场强度下磁流变液阻尼不同，生成阻尼力。手柄2的运动范围如图10所示，图中虚线为手柄2的初始位置。