一種三自由度觸力覺交互系統(tǒng)及觸力覺交互裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在與虛擬現(xiàn)實(shí)交互時(shí)觸力覺的再現(xiàn)，具體涉及一種三自由度觸力覺交互系統(tǒng)在手術(shù)仿真器中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要涉及視頻和音頻的交互，缺少“觸摸”感，即缺少用戶與虛擬場景的雙向信息交互，特別是在虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)中，訓(xùn)練人員只能依賴視覺反饋完成手術(shù)操作，使得整個(gè)培訓(xùn)過程缺少“手感”，也使得培訓(xùn)和真實(shí)手術(shù)的感覺差別較大，無法有效提高訓(xùn)練人員的技術(shù)水平。隨著人機(jī)交互領(lǐng)域的不斷發(fā)展，觸力覺交互設(shè)備給用戶提供了真實(shí)的“觸感”，極大地提高了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感。目前，還沒有用于經(jīng)鼻入路手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的觸力覺交互設(shè)備。本發(fā)明結(jié)合經(jīng)鼻入路手術(shù)中手術(shù)器械操作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了支點(diǎn)固定的三自由度觸力覺交互裝置及其控制器、驅(qū)動(dòng)器。用戶通過操作手柄與虛擬手術(shù)場景交互，觸力覺交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸力覺的反饋，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的沉浸感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種三自由度觸力覺交互系統(tǒng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)交互或者遙操作中的觸力覺反饋。用戶操作手柄可以自由旋轉(zhuǎn)、前后滑動(dòng)，虛擬環(huán)境將交互作用力等信息發(fā)送給觸力覺交互設(shè)備，觸力覺交互設(shè)備完成力的輸出使用戶感受到反饋力。
[0004]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種三自由度觸力覺交互系統(tǒng)，其包括:
[0005]計(jì)算機(jī)，用于虛擬現(xiàn)實(shí)場景繪制、碰撞檢測及碰撞響應(yīng)，解算觸力覺交互設(shè)備的姿態(tài)信息并渲染，向觸力覺設(shè)備發(fā)送碰撞響應(yīng)的觸力覺信息；
[0006]觸力覺交互裝置，用戶操作手柄，手柄通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳遞到電機(jī)，電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)跟蹤手柄的位置、姿態(tài)；同時(shí)，觸力覺交互裝置通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)產(chǎn)生的作用力矩反饋到手柄；
[0007]設(shè)備控制器，實(shí)時(shí)檢測手柄位置、姿態(tài)信息并將其發(fā)給計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收計(jì)算機(jī)傳來的觸力覺反饋信息，并將產(chǎn)生的控制指令傳送往設(shè)備驅(qū)動(dòng)器；
[0008]設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，接收設(shè)備控制器的控制指令，將控制指令放大后驅(qū)動(dòng)觸力覺交互裝置的電機(jī)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種三自由度觸力覺交互裝置，包括:基座、扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組和輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0010]所述基座用于支撐整個(gè)觸力覺交互裝置，其包括底板、固定在底板左側(cè)和后側(cè)的第一平板和第二平板；
[0011]所述扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所述扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為所述二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括第一扇形絞盤和第二扇形絞盤，分別固定在所述第一平板和第二平板的上端內(nèi)側(cè)；
[0012]所述二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括U形支架、滾輪、方形支架、第一 L形連桿、第二L形連桿和旋轉(zhuǎn)軸；所述第一 L形連桿的一端與第二 L形連桿的一端可旋轉(zhuǎn)地連接，所述第一 L形連桿的另一端可旋轉(zhuǎn)地連接至所述方形支架下方；所述第二 L形連桿的另一端連接至所述第二扇形絞盤；所述U形支架的底部連接至第一扇形絞盤，所述滾輪固定在所述旋轉(zhuǎn)軸上，所述旋轉(zhuǎn)軸穿過所述方形支架的前后兩側(cè)，且位于所述U形支架的開口處；
[0013]所述滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組和輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌、滑塊、大輪、小輪和同步帶，所述滑塊固定在所述方形支架的上方，所述導(dǎo)軌與所述滑塊可滑動(dòng)連接；所述大輪和小輪位于所述u形支架一側(cè)的外部，大輪固定在所述旋轉(zhuǎn)軸上，所述小輪固定在所述滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組的電機(jī)軸上，所述大輪和小輪經(jīng)所述同步帶連接，所述滾輪與所述導(dǎo)軌通過鋼絲繩連接；所述手柄套在所述導(dǎo)軌上。
[0014]本發(fā)明公開的觸力覺交互裝置，包括基座、扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組以及輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，基座為整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)提供支撐。扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別固定在萬向節(jié)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處，其中一個(gè)繞基座上的固定軸旋轉(zhuǎn)，其另一端固定在L形連桿上；另一個(gè)同樣繞基座上的軸旋轉(zhuǎn)，其另一端固定在U形支架上。扇形面絞盤通過鋼絲繩與電機(jī)軸相連，電機(jī)固定在基座上。使電機(jī)可以帶動(dòng)扇形絞盤旋轉(zhuǎn)。二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手柄上下旋轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)，其包括一個(gè)U形支架、兩個(gè)L形連桿。滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組固定在萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，實(shí)現(xiàn)手柄的前后滑動(dòng)，其包括一個(gè)方形支架、一個(gè)滾輪、一個(gè)導(dǎo)軌滑塊組。方形支架下方與L形連桿相連，中心處通過軸和軸承固定在U形支架開口處，從而使方形支架可以繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)與另一個(gè)萬向節(jié)的旋轉(zhuǎn)形成聯(lián)動(dòng)裝置。滾輪裝在方形支架內(nèi)，滑塊固定于方形支架上，導(dǎo)軌與滾輪通過鋼絲繩相連。輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用齒輪同步帶傳動(dòng)也可采用鋼絲繩滾輪傳動(dòng)。其中小輪固定于電機(jī)軸，電機(jī)固定在U型支架底部。大輪與方形支架內(nèi)的滾輪同軸，使用同步帶或鋼絲繩連接大小輪。本發(fā)明可用于虛擬現(xiàn)實(shí)和遙操作中的力觸覺再現(xiàn)，可模擬手術(shù)仿真器中的電鉆、手術(shù)刀、內(nèi)窺鏡等與虛擬場景交互產(chǎn)生的觸力覺。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0017]圖3是本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；
[0018]圖4是本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的滾輪-導(dǎo)軌滑塊組和輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0019]圖5是本發(fā)明三自由度觸力覺交互系統(tǒng)功能示意圖。
[0020]符號(hào)說明:
[0021]手柄1，基座2，扇形絞盤3，電機(jī)4，編碼器5，扇形絞盤6，限位器7，電機(jī)軸絞盤8，電機(jī)9，編碼器10，U形支架11，滾輪12，方形支架13，L形連桿14，L形連桿15，旋轉(zhuǎn)軸16，編碼器17，電機(jī)18，皮帶輪19，小輪20，限位帽21，限位帽22，滑塊23，導(dǎo)軌24，限位帽25，大輪26，用戶27，觸力覺交互裝置28，計(jì)算機(jī)29，設(shè)備控制器30，設(shè)備驅(qū)動(dòng)器31。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]圖1為本發(fā)明提出的三自由度觸力覺交互裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]如圖1所示，所述三自由度觸力覺交互裝置由基座2支撐，包括:
[0025]基座、扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組以及輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0026]其中，基座2為整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)提供支撐，基座2由三個(gè)平板組成，底部為正方形平板，正方形平板左側(cè)為直立平板，后側(cè)為向后傾斜的斜立平板?；?底部的正方形平板放置在平臺(tái)上，直立平板和斜立平板用于固定二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，滾輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)組以及輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。
[0027]圖2為本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0028]如圖2所示，所述扇形絞盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:
[0029]第一扇形絞盤3、第一電機(jī)4、第一編碼器5、第二扇形絞盤6、限位器7、第二電機(jī)軸
8、第二電機(jī)9、第二編碼器10。
[0030]其中，第二扇形絞盤6通過軸承與基座2直立平板內(nèi)側(cè)的上端連接，可以繞扇形中心軸旋轉(zhuǎn)。第二扇形絞盤6的限位器7固定在基座2的直立平板內(nèi)側(cè)，并且與第二扇形絞盤6的內(nèi)弧面相切，第二扇形絞盤6的旋轉(zhuǎn)角為100度。第二電機(jī)9機(jī)身固定在基座2的直立平板外側(cè)，第二編碼器10安裝在第二電機(jī)9尾部，第二電機(jī)9的電機(jī)軸8伸向基座2直立平板內(nèi)側(cè)，并且與第二扇形絞盤6外弧面相切。鋼絲繩一端連在第二扇形絞盤6外圓弧面的一端，緊貼外圓弧面并纏繞電機(jī)軸8—圈，緊貼外圓弧面，將鋼絲繩另一端固定在第二扇形絞盤6的另一端。第二電機(jī)9通過電機(jī)軸8上的鋼絲繩帶動(dòng)第二扇形絞盤6旋轉(zhuǎn)，限位器7限制扇形的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，第二編碼器10記錄第二電機(jī)9旋轉(zhuǎn)的角度。第一扇形絞盤3通過軸承安裝在基座2斜立平板內(nèi)側(cè)，且第一扇形絞盤3的旋轉(zhuǎn)中心垂直于基座2的斜立平板。第一電機(jī)4安裝在基座2斜立平板內(nèi)側(cè)，第一電機(jī)軸(圖中未示出)垂直于基座2的斜立平板，且與第一扇形絞盤3的外圓弧面相切，第一扇形絞盤3的旋轉(zhuǎn)角為80度。與第二電機(jī)9相同，第一電機(jī)4通過鋼絲繩帶動(dòng)第一扇形絞盤3旋轉(zhuǎn)，第一編碼器5安裝在第一電機(jī)4尾部，并記錄其第一電機(jī)4旋轉(zhuǎn)的角度。
[0031]圖3為本發(fā)明三自由度觸力覺交互裝置的二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
[0032]如圖3所示，所述二自由度萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括:
[0033]U形支架11、滾輪12、方形支架13、第一 L形連桿14、第二 L形連桿15、旋轉(zhuǎn)軸16。
[0034]其中，第二 L形連桿15 —端通過螺釘固定在第二扇形絞盤6軸承的一端，另一端通過軸承與第一 L形連桿14相連，連接處可相對旋轉(zhuǎn)。第一 L形連桿14的另一端通過軸承連接在方形支架13下方，連接處可相對旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸16通過軸承與U型支架11相連，旋轉(zhuǎn)軸16穿過所述方形支架前后兩側(cè)而位于U形支架的開口處，且旋轉(zhuǎn)軸可以自由旋轉(zhuǎn)。滾輪12固定在旋轉(zhuǎn)軸16上，且位于所述方形支架13的內(nèi)側(cè)，與旋轉(zhuǎn)軸16 —起旋轉(zhuǎn)。方形支架13通過軸承與旋轉(zhuǎn)軸16相連，可相對旋轉(zhuǎn)。U形支架11底部外側(cè)通過螺釘固定在第一扇形絞盤13的軸承一端。第二扇形絞盤6帶動(dòng)第二 L形連桿15 —起旋轉(zhuǎn)，第二 L形連桿15與第一 L形連桿14構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第一 L形連桿14與方形支架13構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而第二扇形絞盤6旋轉(zhuǎn)最終帶動(dòng)方形支架13 —起旋轉(zhuǎn)。第一扇形絞盤3帶動(dòng)整個(gè)U形支架1