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1、(10)申请公布号 CN 103984365 A (43)申请公布日 2014.08.13 CN 103984365 A (21)申请号 201410218939.5 (22)申请日 2014.05.22 G05D 3/12(2006.01) (71)申请人 北京航天易联科技发展有限公司 地址 100074 北京市丰台区云岗西路 17 号 (72)发明人 姚晓永 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 张海英 韩国胜 (54) 发明名称 一种三维交互器及其交互方法 (57) 摘要 本发明涉及模拟力装置技术领域， 尤其涉及 一种三维交互器及其交互方法。三维交互器， 其。
2、 包括框架、 至少一个直流电机、 操作末端， 所述直 流电机设置在框架上， 且每个直流电机上均设置 有光电编码器和绳轮 ； 所述线绳的一端与绳轮连 接， 其另一端与操作末端连接 ； 所述光电编码器 和绳轮同步转动， 通过光电编码器的转动角度能 够计算出绳轮与操作末端之间线绳的长度。上述 交互器通过直流电机的转动来改变线绳的长度， 进而使操作末端的位置发生变化， 由此可以直观 的模拟真实力的感觉。同时本申请还提供了一种 交互方法， 能够精确的分配各个线绳的拉力， 实现 精确合力的效果。该方法能够真实的模拟出力的 视觉效果， 并且提高了交互力的趣味性和真实性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 。
3、1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103984365 A CN 103984365 A 1/1 页 2 1. 一种三维交互器， 其特征在于， 包括框架、 至少一个直流电机、 操作末端， 所述直流电 机设置在框架上， 且每个直流电机上均设置有光电编码器和绳轮 ； 所述线绳的一端与绳轮连接， 其另一端与操作末端连接 ； 所述光电编码器和绳轮同步转动， 通过光电编码器的转动角度能够计算出绳轮与操作 末端之间线绳的长度。 2. 根据权利要求 1 所述的三维交互器， 其特征在于。
4、， 所述框架为立方体框架结构。 3. 根据权利要求 2 所述的三维交互器， 其特征在于， 所述框架上设置有四个电机， 所述 四个电机分别设置在立方体框架结构的四个顶点。 4. 根据权利要求 3 所述的三维交互器， 其特征在于， 所述四个电机中的两个设置在立 方体框架结构的一个平面上， 且两个电机所在的顶点的连线为该平面的对角线 ； 另外两个电机设置在与上述平面相对应的平面上， 且两个电机所在的顶点的连线为该 平面的对角线 ； 所述两个对角线垂直设置。 5. 根据权利要求 1 所述的三维交互器， 其特征在于， 所述操作末端为球状结构。 6. 根据权利要求 1 所述的三维交互器， 其特征在于， 所。
5、述操作末端具有三个自由度。 7.一种如权利要求3或4所述的三维交互器的交互方法， 其特征在于， 给各个电机以及 操作末端定位分别定位一个三维坐标系 ； 定义任意三个直流电机与操作端构成一个三棱锥， 工作区域被划分成四个三棱锥 ； 若合力的向量与某一个三棱锥三个面的法向量的内积均大于零， 则合力处于此三棱锥 里， 然后利用该三菱锥所属区域中的三根线绳来合成这个力， 由三根线绳拉力的大小组成 了三个未知数方程组， 就可以求出三根线绳的拉力大小 ； 根据三根绳轮的拉力大小确定直流电机的转动角度。 8. 根据权利要求 7 所述的三维交互器， 其特征在于， 给各个电机和操作末端定义的三 维坐标系均相同。。
6、 权 利 要 求 书 CN 103984365 A 2 1/5 页 3 一种三维交互器及其交互方法 技术领域 0001 本发明涉及模拟力装置技术领域， 尤其涉及一种三维交互器及其交互方法。 背景技术 0002 现有的用于线绳式三维交互器的力分配方法主要是日本东京工业大学精密工业 研究所佐藤诚教授提出来的基于二次规划法的力分配方法， 该方法为了考虑线绳张力的平 稳变化， 只是保证了所有线绳合成的力尽量达到最小， 从而降低了线绳张力计算的精确性。 0003 上述方法虽然保证了合力效果的稳定， 但是大大地降低了合力效果， 不能使操作 者真实体验到三维交互器产生的精确力觉效果， 降低了交互器的趣味性和。
7、真实性。 0004 因此， 我们需要一种能够真实的体验设定合力的装置及其操作方法。 发明内容 0005 本发明的目的在于提出一种三维交互器， 其结构简单、 能够精确的模拟真实力的 感觉， 具有较高的趣味性和真实性。 0006 本发明的另一个目的提出了一种三维交互器的交互方法， 其能够真实的模拟出力 的视觉效果， 并且提高了交互力的趣味性和真实性。 0007 为达此目的， 本发明采用以下技术方案 ： 0008 一种三维交互器， 其中， 包括框架、 至少一个直流电机、 操作末端， 所述直流电机设 置在框架上， 且每个直流电机上均设置有光电编码器和绳轮 ； 0009 所述线绳的一端与绳轮连接， 其另。
8、一端与操作末端连接 ； 0010 所述光电编码器和绳轮同步转动， 通过光电编码器的转动角度能够计算出绳轮与 操作末端之间线绳的长度。 0011 作为上述三维交互器的一种优选方案， 所述框架为立方体框架结构。 0012 作为上述三维交互器的一种优选方案， 所述框架上设置有四个电机， 所述四个电 机分别设置在立方体框架结构的四个顶点。 0013 作为上述三维交互器的一种优选方案， 所述四个电机中的两个设置在立方体框架 结构的一个平面上， 且两个电机所在的顶点的连线为该平面的对角线 ； 0014 另外两个电机设置在与上述平面相对应的平面上， 且两个电机所在的顶点的连线 为该平面的对角线 ； 所述两个。
9、对角线垂直设置。 0015 作为上述三维交互器的一种优选方案， 所述操作末端为球状结构。 0016 作为上述三维交互器的一种优选方案， 所述操作末端具有三个自由度。 0017 一种如以上所述的三维交互器的交互方法， 其包括给各个电机以及操作末端定位 分别定位一个三维坐标系 ； 0018 定义任意三个直流电机与操作端构成一个三棱锥， 工作区域被划分成四个三棱 锥 ； 0019 若合力的向量与某一个三棱锥三个面的法向量的内积均大于零， 则合力处于此三 说 明 书 CN 103984365 A 3 2/5 页 4 棱锥里， 然后利用该三菱锥所属区域中的三根线绳来合成这个力， 由三根线绳拉力的大小 组。
10、成了三个未知数方程组， 就可以求出三根线绳的拉力大小 ； 0020 根据三根绳轮的拉力大小确定直流电机的转动角度。 0021 作为上述交互方法的优选方案， 给各个电机和操作末端定义的三维坐标系均相 同。 0022 本发明的有益效果为 ： 本申请提供了一种三维交互器， 其通过直流电机的转动来 改变线绳的长度， 进而使操作末端的位置发生变化， 由此可以直观的模拟真实力的感觉， 具 有较高的趣味性和真实性。同时本申请还提供了一种上述三维器的交互方法， 能够精确的 分配各个线绳的拉力， 实现精确合力的效果。 该方法能够真实的模拟出力的视觉效果， 并且 提高了交互力的趣味性和真实性。 附图说明 0023。
11、 图 1 是本发明具体实施方式提供的三维交互器的结构示意图 ； 0024 图 2 是本发明具体实施方式提供的三维交互器的力合成示意图 ； 0025 图 3 是本发明具体实施方式提供的具有三维坐标系的力合成示意图。 0026 其中 ： 0027 1 ： 第一直流电机 ； 2 ： 第二直流电机 ； 3 ： 第三直流电机 ； 4 ： 第四直流电机 ； 5 ： 框架 ； 6 ： 操作末端 ； 7 ： 线绳。 具体实施方式 0028 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。 0029 如图 1 所述， 本实施方式提供了一种三维交互器， 其包括框架 5、 至少一个直流电 机、 操作末端。
12、 6， 直流电机设置在框架 5 上， 且每个直流电机上均设置有光电编码器和绳轮。 线绳 7 的一端与绳轮连接， 其另一端与操作末端 6 连接， 光电编码器和绳轮同步转动， 通过 光电编码器的角度能够计算出绳轮与操作末端之间线绳的长度。 0030 作为优选的， 框架 5 为立方体框架结构。且于框架 5 上设置有四个电机， 四个电机 分别设置在立方体框架结构的四个顶点。 0031 优选的， 四个直流电机分别为第一直流电机1、 第二直流电机2、 第三直流电机3和 第四直流电机 4。 0032 进一步优选的， 四个电机中的两个设置在立方体框架结构的一个平面上， 且两个 电机所在的顶点的连线为该平面的对。
13、角线 ； 0033 另外两个电机设置在与上述平面相对应的平面上， 且两个电机所在的顶点的连线 为该平面的对角线， 两个对角线垂直设置。 0034 具体的， 第一直流电机 1 和第二直流电机 2 位于同一平面上， 第三直流电机 3 和第 二直流电机 4 位于同一个平面上， 第一直流电机 1 和第二直流电机 2 的连线与第三直流电 机 3 和第四直流电机 4 的连线相垂直。 0035 操作末端 6 为球状结构。并且操作末端 6 具有三个自由度。 0036 为了对上述三维交互装置进行进一步的解释， 本实施方式还提供了一种上述三维 交互器的交互方法， 该方法具体的为 ： 给各个电机以及操作末端定位分别。
14、定位一个三维坐 说 明 书 CN 103984365 A 4 3/5 页 5 标系 ； 0037 定义任意三个直流电机与操作端构成一个三棱锥， 工作区域被划分成四个三棱 锥 ； 0038 若合力的向量与某一个三棱锥三个面的法向量的内积均大于零， 则合力处于此三 棱锥里， 然后利用该三菱锥所属区域中的三根线绳来合成这个力， 由三根线绳拉力的大小 组成了三个未知数方程组， 就可以求出三根线绳的拉力大小 ； 0039 根据三根绳轮的拉力大小确定直流电机的转动角度。 0040 作为优选的， 给各个电机和操作末端定义的三维坐标系均相同。 0041 线绳具体的拉力确定方法， 如以下所述 ： 0042 三维。
15、交互器的工作区域为图 2 所示， 在图中的四面体显示出了操作末端 6， ( 为了 便于更好的描述为操作末端定义了一个标号 P)， 以及四个直流电机， 分别为第一直流电机 1、 第二直流电机2、 第三直流电机3和第四直流电机4， 其中， 连接四个直流电机和操作末端 的四根线绳 7 分别为 P1、 P2、 P3、 P4， 操作末端 P 位于正四面体 1234 内部， 四根线绳 7 将正 四面体内部划分为四个三棱锥 P123、 P134、 P234、 P124。 0043 在工作区域内， 操作末端 6 由四根线绳 7 来控制， 四个线绳 7 产生四个方向上的拉 力， 四个拉力合成的力为一个三自由度矢。
16、量。如果每个操作位置的合力都由四根线绳 7 产 生， 那么四根线绳 7 的力分配问题将无法精确控制， 因为四根线绳 7 必须联立四个方程， 而 合力只有三个自由度， 只能组成三个方程， 这样就会得出多个解使系统产生混乱。 为了解决 这个问题， 达到精确控制力的分配， 本发明提出的方法为 ： 0044 将操作末端 6 和各个电机点加上各自坐标如图 3 所示的 x、 y、 z 坐标系， 将整个工 作区域划分成四个三棱锥区域， 分别为三棱锥 P123、 P124、 P234、 P134。在三棱锥 P123 中的 合力由线绳1、 2、 3合成， 类似地， 在各自的三棱锥中， 合力分别由线绳134、 1。
17、24、 234来合成。 判断计算机中设定的合力 F 方向在哪个区域中的准则为如下 ： 0045 假设合力 F 的矢量为 (Fx,Fy,Fz)， 线绳 P1 的矢量为 (x1-xp,y1-yp,z1-zp)， 线绳 P2 的矢量为 (x2-xp,y2-yp,z2-zp)， 线绳 P3 的矢量为 (x3-xp,y3-yp,z3-zp)， 线绳 P4 的矢 量为 (x4-xp,y4-yp,z4-zp)。 0046 面 P12 的法向量计算如下 ： 0047 0048 0049 面 P13 的法向量如下 ： 0050 0051 说 明 书 CN 103984365 A 5 4/5 页 6 0052 面。
18、 P14 的法向量如下 ： 0053 0054 0055 0056 面 P23 的法向量如下 ： 0057 0058 0059 面 P24 的法向量如下 ： 0060 0061 0062 面 P34 的法向量如下 ： 0063 0064 0065 当合力 F 的向量处于三棱锥 P123 内时， 必须满足以下条件 ： 0066 0067 合力 F 的向量必须与三棱锥 P123 三个面的法向量的内积都大于 0， 这样能够保证 F 在三棱锥内部。 0068 同理， 当合力 F 的向量处于三棱锥 P124 内时， 必须满足以下条件 ： 说 明 书 CN 103984365 A 6 5/5 页 7 00。
19、69 0070 当合力 F 的向量处于三棱锥 P234 内时， 必须满足以下条件 ： 0071 0072 当合力 F 的向量处于三棱锥 P134 内时， 必须满足以下条件 ： 0073 0074 依据上面划分区域的原则便可以精确的判断出合成力 F 所出的区域， 然后利用所 属区域中的三根线绳来合成这个力， 由三根线绳拉力的大小组成了三个未知数方程组， 就 可以求出三根线绳的拉力大小， 这样就可以精确的合成 F。 0075 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。 这些描述只是为了解释本发明的 原理， 而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。 基于此处的解释， 本领域的技术 人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式， 这些方式都将落入 本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103984365 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103984365 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103984365 A 9 。