[發明專利]一種動支點杠桿式變剛度機構和單指力反饋手套

有效

• 申請號: 201910400829.3
• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110196637B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 王黨校;郭園;楊修平;王海同;張玉茹
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 北京薈英捷創知識產權代理事務所(普通合伙) 11726
• 代理人: 段志慧

本發明涉及一種動支點杠桿式變剛度機構和單指力反饋手套，單指力反饋手套包括動支點杠桿式變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構，所述變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構依次轉動；所述單指力反饋手套能在自由空間狀態和約束空間狀態切換；在自由空間狀態下，單指力反饋手套不會阻礙人手的自然活動，可以實現的人手的靈活運動；在約束空間狀態下，單指力反饋手套反饋給人手一個被動反饋力，通過調整變剛度機構剛度的大小，從而調整被動反饋力的大小，人手受到的被動反饋力不同，則感受到的虛擬物體的剛度不同，即用戶可以感知具有不同剛度屬性的虛擬物體。

技術領域

本發明涉及一種變剛度機構和基于這種變剛度機構的穿戴式力反饋設備，特別涉及一種動支點杠桿式變剛度機構和基于動支點杠桿式變剛度機構的單指力反饋手套。

背景技術

力反饋手套的應用改變了人與虛擬環境的交互方式，使得用戶通過手的靈巧操作與靈敏的感知能力可以獲取虛擬世界的反饋信息，極大地增強了交互沉浸感。氣動力反饋手套具有質量輕、運動范圍大等優點，但是氣壓傳動系統的低響應頻率使得用戶難以實時動態感知虛擬世界的反饋信息；同時，氣壓泵、減壓閥等復雜、笨重的動力傳輸系統限制了設備的便攜性。基于形狀記憶合金、壓電材料、人工肌肉、磁流變液等材料設計的力反饋手套存在響應頻率低、控制精度差等問題。相比以上兩種驅動方式，電機驅動力反饋設備具有響應速度快、驅動精度高、攜帶方便等優點。但是，電機驅動的主動力反饋手套模擬剛度較小、安全性較差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種動支點杠桿式變剛度機構和基于動支點杠桿式變剛度機構的單指力反饋手套。

本發明提供了一種動支點杠桿式變剛度機構，包括變剛度機構固定件、變剛度機構伺服電機、變剛度機構齒輪、變剛度機構齒條、杠桿、彈性件、轉動桿；所述變剛度機構伺服電機與變剛度機構固定件固定連接；所述變剛度機構伺服電機的輸出軸與變剛度機構齒輪固定連接；所述變剛度機構齒輪與變剛度機構齒條嚙合；所述變剛度機構齒條上還設置有支點，支點可以在杠桿的滑槽內滑動，杠桿可以繞支點轉動；所述轉動桿與變剛度機構固定件轉動連接；所述杠桿的一端與所述轉動桿轉動連接，所述杠桿的另一端上下兩側通過彈性件與所述轉動桿連接。

進一步地，變剛度機構伺服電機的輸出軸與變剛度機構固定件之間設置有變剛度機構軸承。

本發明還提供了一種單指力反饋手套，包括變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構，所述變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構依次轉動；所述單指力反饋手套能在自由空間狀態和約束空間狀態切換；在自由空間狀態下，所述變剛度機構的剛度為最大值，所述變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構三者自由轉動，此時單指力反饋手套不會阻礙人手的自然活動，可以實現的人手的靈活運動；在約束空間狀態下，自由/約束狀態切換機構處于約束狀態形式，變剛度機構的剛度從最大值到最小值可連續變化，變剛度機構、自由/約束狀態切換機構、指尖連接機構三者限制轉動，單指力反饋手套反饋給人手一個被動反饋力，通過調整變剛度機構剛度的大小，從而調整被動反饋力的大小，人手受到的被動反饋力不同，則感受到的虛擬物體的剛度不同，即用戶可以感知具有不同剛度屬性的虛擬物體。

進一步地，所述變剛度機構為上述的動支點杠桿式變剛度機構。

進一步地，所述變剛度機構還包括鎖定齒輪a，所述轉動桿的一端與鎖定齒輪a固連，或者轉動桿與鎖定齒輪a為一體結構。

進一步地，所述自由/約束狀態切換機構包括中間桿件、狀態切換伺服電機、狀態切換齒輪、狀態切換齒條a、狀態切換齒條b；所述狀態切換伺服電機與中間桿件固連；狀態切換伺服電機的輸出軸與狀態切換齒輪固連，所述狀態切換齒輪分別與狀態切換齒條a、狀態切換齒條b嚙合，所述狀態切換齒條a、狀態切換齒條b分別與中間桿件形成移動副。

進一步地，中間桿件的一端與變剛度機構的鎖定齒輪a轉動連接，另一端與指尖連接機構的鎖定齒輪b轉動連接。