[发明专利]一种动支点杠杆式变刚度机构和单指力反馈手套

说明书

本发明涉及一种动支点杠杆式变刚度机构和单指力反馈手套，单指力反馈手套包括动支点杠杆式变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动；所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；在约束空间状态下，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

技术领域

本发明涉及一种变刚度机构和基于这种变刚度机构的穿戴式力反馈设备，特别涉及一种动支点杠杆式变刚度机构和基于动支点杠杆式变刚度机构的单指力反馈手套。

背景技术

力反馈手套的应用改变了人与虚拟环境的交互方式，使得用户通过手的灵巧操作与灵敏的感知能力可以获取虚拟世界的反馈信息，极大地增强了交互沉浸感。气动力反馈手套具有质量轻、运动范围大等优点，但是气压传动系统的低响应频率使得用户难以实时动态感知虚拟世界的反馈信息；同时，气压泵、减压阀等复杂、笨重的动力传输系统限制了设备的便携性。基于形状记忆合金、压电材料、人工肌肉、磁流变液等材料设计的力反馈手套存在响应频率低、控制精度差等问题。相比以上两种驱动方式，电机驱动力反馈设备具有响应速度快、驱动精度高、携带方便等优点。但是，电机驱动的主动力反馈手套模拟刚度较小、安全性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种动支点杠杆式变刚度机构和基于动支点杠杆式变刚度机构的单指力反馈手套。

本发明提供了一种动支点杠杆式变刚度机构，包括变刚度机构固定件、变刚度机构伺服电机、变刚度机构齿轮、变刚度机构齿条、杠杆、弹性件、转动杆；所述变刚度机构伺服电机与变刚度机构固定件固定连接；所述变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构齿轮固定连接；所述变刚度机构齿轮与变刚度机构齿条啮合；所述变刚度机构齿条上还设置有支点，支点可以在杠杆的滑槽内滑动，杠杆可以绕支点转动；所述转动杆与变刚度机构固定件转动连接；所述杠杆的一端与所述转动杆转动连接，所述杠杆的另一端上下两侧通过弹性件与所述转动杆连接。

进一步地，变刚度机构伺服电机的输出轴与变刚度机构固定件之间设置有变刚度机构轴承。

本发明还提供了一种单指力反馈手套，包括变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构依次转动；所述单指力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，所述变刚度机构的刚度为最大值，所述变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者自由转动，此时单指力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；在约束空间状态下，自由/约束状态切换机构处于约束状态形式，变刚度机构的刚度从最大值到最小值可连续变化，变刚度机构、自由/约束状态切换机构、指尖连接机构三者限制转动，单指力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度机构刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

进一步地，所述变刚度机构为上述的动支点杠杆式变刚度机构。

进一步地，所述变刚度机构还包括锁定齿轮a，所述转动杆的一端与锁定齿轮a固连，或者转动杆与锁定齿轮a为一体结构。

进一步地，所述自由/约束状态切换机构包括中间杆件、状态切换伺服电机、状态切换齿轮、状态切换齿条a、状态切换齿条b；所述状态切换伺服电机与中间杆件固连；状态切换伺服电机的输出轴与状态切换齿轮固连，所述状态切换齿轮分别与状态切换齿条a、状态切换齿条b啮合，所述状态切换齿条a、状态切换齿条b分别与中间杆件形成移动副。

进一步地，中间杆件的一端与变刚度机构的锁定齿轮a转动连接，另一端与指尖连接机构的锁定齿轮b转动连接。