一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置 【技术领域】
本发明涉及人机交互领域，具体来说是一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置。该装置不仅能模拟在平面上运动的虚拟物体间相互碰撞时产生的三个自由度的力和力矩，而且还能反馈两个手指抓持物体时的一维抓持力。
背景技术
力觉人机交互装置是一种为操作者提供力觉交互感受的装置。力觉感受是人体触觉感受的一部分。这种感受主要由人体骨骼，关节和肌肉深层的感知器官所感知。在人与虚拟现实环境进行交互的时候，操作者通过力觉交互装置感受到与虚拟物体发生交互时的作用力、物体的形状和刚度，甚至物体的运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果。力觉交互装置已经广泛应用于医疗、工业、教学和娱乐等诸多领域，具有很强的开发潜力。
以安装方式划分，力觉交互装置的类型包括固定于操作者手臂和固定于工作台上的两大种类，适用于不同的应用场合。前者主要包括数据臂、数据手套，这类设备的特点是可以跟踪操作者手臂或手指的多自由度运动，但普遍存在尺寸庞大、重量较重、力觉感受逼真度差等缺点，适用于不要求逼真感知交互力的场合，一般用于机械臂或机器人灵巧手的主从操作中。
传统的力觉交互装置往往只能模拟一个运动物体与其他虚拟物体发生碰撞时产生的一个或多个自由度的力和力距，却不能同时模拟操作者抓持该运动物体时产生的抓持力。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供一种能够同时反馈平面三自由度力觉和一自由度抓持感觉的四自由度柔索驱动人机交互装置。该装置不仅能模拟在平面上运动的虚拟物体间相互碰撞时产生的三个自由度的力和力矩，而且还能反馈两个手指抓持物体时的一维抓持力。
本发明一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，包括静平台、刚性柔索、柔索驱动机构、食指指套、拇指指套、弹性柔索。
所述的静平台上对称设置有四个柔索驱动机构，每个柔索驱动机构与一条刚性柔索的固定端连接，静平台同侧两条刚性柔索自由端连接食指指套，另两个刚性柔索自由端连接拇指指套，所述的食指指套和拇指指套之间连接有弹性柔索。
静平台包括支撑板、标定框、导孔板；标定框粘接固定于支撑板上；支撑板内开有矩形凹槽；四个导孔板，均匀固定粘接于标定框的四角处；在标定框上并列开有标定槽A与标定槽B。
柔索驱动机构包括电机、电机座、绞盘、编码器；电机的末端连接有编码器；电机的电机轴穿过电机座上的电机安装孔安装固定于电机座上，电机轴插入绞盘的轴孔中，绞盘用紧固螺钉固定于电机轴上；绞盘的轴承端穿过轴承，轴承安装于电机座的轴承安装孔中；刚性柔索的固定端固定于绞盘上，且环绕沿绞盘上的螺纹槽顺序缠绕在绞盘上；安装完的电机座安装于底座上，用螺钉紧固。
食指指套包括食指指套外套与食指指套内套；拇指指套包括拇指指套外套与拇指指套内套；拇指指套和食指指套中部空心。在柔索驱动机构中缠绕在绞盘上的刚性柔索的自由端穿过导孔板上的导孔与食指指套外套或拇指指套外套连接。
同侧的刚性柔索的自由端穿过食指指套外套上的外线孔A穿入食指指套外套内侧后束结固定；另一侧刚性柔索的自由端穿过拇指指套外套上的外线孔B穿入拇指指套外套内侧后束结、固定；弹性柔索的两端分别穿入食指指套外套上的内线孔A、拇指指套外套上的内线孔B，在食指指套外套内侧与拇指指套外套内侧束结、固定；食指指套内套嵌入食指指套外套中，粘接固定；拇指指套内套嵌入拇指指套外套中，粘接固定。
柔索驱动机构与支撑板贴合，由紧固螺栓穿过柔索驱动机构中的底座上的底座安装孔固定于支撑板的四个角上；地脚螺栓安装于底座的地脚安装孔上。
本发明一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，其优点在于：
1.采用并联结构，工作空间大，输出力和力矩大；
2.采用柔索驱动，传动结构惯量小，柔索间不易发生干涉，操作灵活；
3.使用的柔索数量少，结构简单，仅使用五条柔索即可完成平面三自由度力觉和一自由度抓持力感觉的模拟；
4.不需改变装置结构即可同时模拟平面三自由度力觉和一自由度抓持力感觉；
5.通用性强，应用领域广。
【附图说明】
图1为本发明人机交互装置整体结构图；
图2为本发明人机交互装置中静平台装配图；
图3为本发明人机交互装置中柔索驱动机构装配图；
图4为本发明人机交互装置中拇指指套、食指指套与刚性柔索、弹性柔索连接结构图；
图5为本发明人机交互装置中柔索驱动机构与静平台装配图；
图6为本发明人机交互装置机构原理图；
图7为本发明人机交互装置标定示意图。
图中：
1-静平台 2-刚性柔索 3-柔索驱动机构 4-食指指套
5-拇指指套 6-弹性柔索 7-紧固螺栓 8-地脚螺栓
101-支撑板 102-标定框 103-导孔板 104-矩形凹槽
105-标定槽A 106-导孔 107-标定槽B 301-电机
302-电机座 303-绞盘 304-轴承 305-编码器
306-电机轴 307-电机安装孔 308-轴承端 309-轴承安装孔
310-底座 311-底座安装孔 312-地脚安装孔 313-轴孔
401-食指指套外套 402-食指指套内套 403-外线孔A 404-内线孔A
501-拇指指套外套 502-拇指指套内套 503-外线孔B 504-内线孔B
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
本发明一种具有抓持力反馈的四自由度柔索驱动人机交互装置，如图1所示，包括静平台1、四条刚性柔索2、四个柔索驱动机构3、食指指套4、拇指指套5、一条弹性柔索6。
静平台1上对称设置有四个柔索驱动机构3，每个柔索驱动机构3与一条刚性柔索2地固定端连接，静平台1同侧两条刚性柔索2的自由端连接食指指套4，另两条刚性柔索2的自由端连接拇指指套5，所述的食指指套4和拇指指套5之间连接有弹性柔索6。
如图2所示，静平台1为矩形结构，包括支撑板101、标定框102、四个导孔板103。标定框102粘接固定于支撑板101上，标定框102上的各边线到支撑板101上的各边线距离相等。支撑板101内开有矩形凹槽104，矩形凹槽的尺寸与标定框102的内框尺寸相同。四个导孔板103，均匀固定粘接于标定框102的四角处，导孔板103上开有导孔106，导孔106处于同一表面内，指向标定框102中心方向，用于刚性柔索2穿过、定位。在标定框102上并列开有标定槽A105、标定槽B107，标定槽A105、标定槽B107均为半圆形结构，直径分别与食指指套外套401、拇指指套外套501的直径相等。矩形凹槽104的深度设置在手指佩戴食指指套4和拇指指套5后，刚性柔索2和弹性柔索6工作在同一平面内。通过标定框102和矩形凹槽104共同限制指套的运动范围。
如图3所示，柔索驱动机构3包括电机301、电机座302、绞盘303、编码器305。电机的末端安装有编码器305，用来测量电机轴306转过的角度从而换算为刚性柔索2长度的变化。电机301的电机轴306穿过电机座302上的电机安装孔307安装固定于电机座302上，电机轴306插入绞盘303的轴孔313中，绞盘303用螺钉固定于电机轴306上，与电机轴306共同转动。绞盘303的轴承端308穿过轴承304，轴承304安装于电机座302的轴承安装孔309中。刚性柔索2的固定端固定于绞盘303上，且环绕沿绞盘303上的螺纹槽顺序缠绕在绞盘303上，刚性柔索2的另一端为一自由端，用于连接食指指套4或拇指指套5。安装完的电机座302安装于底座310上，通过螺栓紧固在静平台1上。所述刚性柔索2为在拉力作用下不发生弹性变形，不产生弹力的柔索，本实施例中为钢丝绳。
如图4所示，食指指套4包括食指指套外套401与食指指套内套402；拇指指套5包括拇指指套外套501与拇指指套内套502。拇指指套5和食指指套4中部空心，拇指指套5与食指指套4可套在手指远端关节处，使手指伸出指套接触支撑板101上的矩形凹槽104表面。在柔索驱动机构3中缠绕在绞盘303上的刚性柔索2的自由端穿过导孔板103上的导孔106与食指指套外套401或拇指指套外套501连接。
同侧的两刚性柔索2自由端穿过食指指套外套401上的外线孔A403后在食指指套外套401内侧束结、固定。另一侧两刚性柔索2的自由端穿过拇指指套外套501上的外线孔B503后在拇指指套外套501内侧束结、固定。弹性柔索6的两端分别穿入食指指套外套401上的内线孔A404、拇指指套外套501上的内线孔B504后在食指指套外套401内侧与拇指指套外套501内侧束结、固定。食指指套外套401上的外线孔A403、拇指指套外套501上的外线孔B503的轴线与弹性柔索6共线。食指指套外套401上的外线孔A403、拇指指套外套501上的外线孔B503分别与食指指套外套401上的内线孔A404、拇指指套外套501上的内线孔B504的轴线共线。拇指指套内套502嵌入拇指指套外套501中，粘接固定。食指指套内套402嵌入食指指套外套401中，粘接固定。拇指指套外套501和食指指套外套401为圆环形，由刚性材料制造，食指指套外套401、拇指指套外套501分别与标定槽A105、标定槽B107的直径相等。拇指指套内套502和食指指套内套402由弹性材料制造，用于与手指表面贴合。所述弹性柔索6为仅在拉力作用下发生弹性变形，产生弹力的柔索，本实施例中为橡皮筋或拉伸弹簧。所述拇指指套5和食指指套4也可以是其他两个手指指套。指套亦可以直接改造为夹持工具的夹持端，以拓展装置模拟的应用环境。
如图5所示，柔索驱动机构3与支撑板101贴合，由紧固螺栓7穿过柔索驱动机构3中的底座310上的底座安装孔311固定于支撑板101的四个角上。地脚螺栓8安装于底座310的地脚安装孔312上，支撑整个装置。地脚安装孔312内加工有螺纹，通过调整地脚螺栓8的旋入量调节装置的高度。
如图6所示，上侧两条刚性柔索2的自由端束结于D1点，下侧两条刚性柔索2的自由端束结于D2点，D1点与D2点由弹性柔索6连接。弹性柔索6在工作平面内具有三个自由度，分别为沿水平方向X，垂直方向Y两个平动自由度，和绕垂直于该平面方向的Z轴的转动自由度；同时，由于弹性柔索6可以在拉力作用下发生弹性变形，故其伸缩运动可以看作一独立自由度。在这四个运动自由度上，所述装置可以反馈相应的力和力矩，即在弹性柔索6的伸缩方向上反馈抓持力，使操作者感受到抓持物体时的力觉；在X方向，Y方向上反馈被抓持物体或弹性柔索6所代表的虚拟物体与其他虚拟物体作用时的作用力觉和绕Z轴的力矩感觉，从而使操作者感受到真实的操作力感觉。使用过程中，各条刚性柔索2的拉力与弹性柔索6的弹力，在D1点与D2点分别形成两个合力，使操作者在手指与D1点和D2点固连时感受力觉。
在装置上电后，需要对装置的初始状态进行标定。标定时，如图7所示，需将食指指套4和拇指指套5平放，分别卡入标定槽A105和标定槽B 107内，使标定槽A105和标定槽B107同侧的刚性柔索2与弹性柔索6共线。记录四条刚性柔索2在标定框102内的初始长度l1，l2，l3，l4，同时将编码器305计数清零，即完成标定。
在操作时，操作者拇指伸入拇指指套5内，食指伸入食指指套4内。两指套均佩戴于手指远端指节处。两手指可以带动指套在静平台1上的标定框102内进行水平面上的运动，从而带动刚性柔索2的自由端运动，而刚性柔索2自由端的运动又带动绞盘303转动，从而带动电机轴306转动和编码器305计数。编码器305的计数将换算为刚性柔索2的长度，从而计算食指指套4和拇指指套5的位置。
本发明装置工作时有正反向两种状态：
当工作于反向工作状态时，操作者带动食指指套4和拇指指套5在矩形凹槽104限定的平面内运动，刚性柔索2的长度随之发生变化，每条刚性柔索2带动绞盘303转动，绞盘303的转动带动电机轴306转动，从而使编码器305计数。编码器305的计数将换算为刚性柔索2的长度，通过运动学正解可以计算食指指套4和拇指指套5的位置和弹性柔索6的伸长长度。从而，在虚拟环境中，可以实时描述手指在虚拟环境中的位置，检测其是否与虚拟物体发生接触、碰撞。
当本发明装置工作于正向工作状态时，电机301输出力矩，带动绞盘303转动，缠绕刚性柔索2，将电机转矩转化为刚性柔索2的张力。刚性柔索2的张力与弹性柔索6的弹力一起形成合力作用于食指指套4和拇指指套5，使操作者手指感受到力觉作用。