模块化外骨骼力反馈控制器
2020-01-12

模块化外骨骼力反馈控制器

设计成穿戴在用户的肢体上的便携式力反馈控制器(PFFC),跟踪用户的肢体的运动并且提供力反馈能力。在一些实施方式中,PFFC可包括能迅速地并容易地连接和断开的可交换模块,使得PFFC可容易地为了特定应用而改变。在其他实施方式中,各种PFFC模块可移动地耦接并且具有至少一个自由度,使得PFFC能准确地遵循用户的肢体的自然运动。

图5是线性驱动部件的立体图;

图16是示例力反馈控制器系统架构的框图;

图6示出了下臂扭转模块260(图2)。如上所述,下臂扭转模块260实现了特定的自由度,同时限制其他自由度。具体地,下臂扭转模块260允许前臂模块214和腕部模块216之间的相对扭转运动,同时基本防止相对轴向运动,使得轴向力可在前臂模块和腕部模块之间传递并且防止前臂模块从用户的手臂向下滑动。下臂扭转模块260包括在连接环612、614之间延伸的弹性元件610,该连接环通过固定螺钉622、624稱接至管子616、620。在所不的实施方式中,弹性元件610由HDPE制成。这个布置提供了用户的腕部和前臂之间的旋转/扭转的相当大的活动自由,而且具有充足的沿着手臂的刚度,以沿着PFFC200传递力。管子616和620提供了结构构件以及用于在腕部模块216和前臂模块214之间走线的布线626的管道的双重目的。

本文中描述的PFFC可由远程计算机、机载计算机和/或便携式电子装置(诸如智能手机或平板电脑)控制。系统是否是独立的而作为控制台或者在桌子上、在背包内、作为外骨架的一部分、或者便携式电子装置被包括,在各种实施方式中,它可硬连线至PFFC或者能具有与PFFC的无线连接。这个通信则可允许计算机读取位置或者其他传感器,并且然后通过PFFC或添加的附件施加触觉或者非触觉刺激。

前臂模块214和腕部模块216被配置为在箭头2B和2C的方向上进行相对扭转运动,以冗讦泔宥用尸tra卜筲仕肘部和腕邰乙间的部分的扭转运动。在所示实施方式中,这样的相对扭转运动利用下臂扭转模块260实现,该下臂扭转模块被设计并且被配置为在基本防止在箭头2D方向上的轴向运动的同时允许相对扭转运动。如将结合图6更详细地描述的,下臂扭转模块260提供了在限制其他自由度的同时实现特定自由度的精确的低成本解决方案。与手柄模块120—样,手柄模块218相对于腕部模块216具有三个自由度,包括俯仰、偏转和线性轴向运动。在所示实施方式中,俯仰和偏转分别利用两个旋转驱动部件27〇和272提供,并且线性轴向运动利用线性滑动机构(本文中也被称为Z-滑动件270)提供,该z_滑动件的一部分在图4和图5中进一步示出。与肘部模块212的旋转驱动部件250—样,示出的旋转驱动部件270和272包括电机410(图4)以及传动带和滑轮系统412(图4),它们在图2中被盖276和278从视野中遮挡。示出的Z-滑动件利用线性驱动部件280(图5)提供线性运动和触觉力能力,该线性驱动部件包括电机510(图5)和齿条与齿轮512(图5),它们在图2中被盖282从视野中遮挡。在所示实施方式中,电机410和510是能向后驱动的DC电机。

肢体附接件220还具有位于外壳310的内表面的一部分上的缓冲材料350。在所示的实施方式中,缓冲材料350是粘弹性泡沫,该粘弹性泡沫具有适合用于肢体附接件220的独特性能。具体地,缓冲材料350具有使得缓冲材料舒适地符合用户的手臂的形状但是当经受突然的力(诸如冲击力,诸如由PFFC200产生的力)时抵抗在形状上的变化的材料特性。这样的材料特性帮助使得肢体附接件220舒适地且牢固地附接至用户的手臂,使得当由PFFC200产生触觉力时,PFFC牢固地耦接至用户的手臂,并且在预期的位置处(诸如在用户的手中)感觉到力。

图13示出了可用于肘部模块(诸如肘部模块212)中的可替换的铰链机构1300。铰链1300包括通过多中心较链1306枢转地耦接的第一侧向构件1302和第二侧向构件1304。多中心铰链1306是齿轮机构,该齿轮机构可提供为1:1或者除了1:1以外的比率的第一侧向构件1302和第二侧向构件1304之间的角运动的比率。例如,对于第一侧向构件1302绕多中心铰链1306的指定量的角运动,第二侧向构件1304可移动不同的量。这样的关系可用于提供更接近遵循用户的手臂的自然运动的肘部模块,这可防止肢体附接件和用户的手臂之间的不需要的相对轴向运动。

为了阐明本发明,附图示出了本发明的一个或多个实施方式的各个方面。然而,应当理解的是,本发明不限于在附图中示出的精确布置和手段,其中:

背景技术

示例PFFC实施方式包括模块化PFFC,该模块化PFFC可通过添加物理模块和部件而提供依次添加功能和/或结构的能力。本文中描述的模块化PFFC包括可附接至其他模块并且可从其他模块移除的模块,其中,每个模块可适合于穿戴在人体的特定解剖学部分上。该模块可包括用于可移除地附接至相邻的模块或者横跨相邻的模块的结构、或者用于接合两个模块的可移除的中间接合部件。这样的模块化提供了可为了各种不同的应用和使用情形迅速地并容易地改变的PFFC系统。例如,开放性手术模拟可由仅获得腕部和手的PFFC最好地服务,而包括虚拟工具的装置组件模拟可需要获得手、腕部和前臂的PFFC。作为另一实例,可期望在游戏或模拟中获得人操作者的手、腕部、前臂、以及肘部和/或肩部,例如,以提供对虚拟对象的重量的更逼真的感觉,并且提供对复杂的运动(诸如投掷和抓握)的更高保真度控制。这样的模块化较特定的现有技术控制器提供了显著好处,其中,定制的外骨骼控制器为特定的使用情形而设计。操作者通常将必须做出应有的次优控制器配置以供使用,而不是设计特定的一个控制器,因为定制控制器的开发是一个费时且昂贵的过程。

图18是电机驱动部件的实例的电路图;

图3更详细地示出了肢体附接件220。如上所述,在所示实施方式中,制造的简易性和成本降低通过利用用于将模块220、214和216(图2)中的每个附接至用户的手臂的相同的肢体附接件22〇来实现。在可替换的实施方式中,一个或多个模块220、214和216可具有尺寸形成为用于特定解剖学位置的特定肢体附接件。肢体附接件220的设计和配置对PFFC200的成功操作是关键性的,因为PFFC200必须对于广泛的一系列用户而言是舒适的,并且还必须将PFFC200牢固地耦接至用户,使得由PFFC产生的触觉力在合适的解剖学位置被感觉至IJ。例如,如果附接结构没有被合适地设计使得其没有合适地符合用户的手臂的形状,则结构会过松,在这样的情况下,旨在被感觉到的触觉力(例如,在用户的手或肘部区域)会改为沿着控制器的结构被传递,而在附接结构所处的用户的皮肤上会感觉到更像是一种不舒服的拉扯的感觉。另外,为了将这样的不舒适的肢体附接件固定至用户,肢体附接件会需要进行不舒适地紧固,例如形成夹点,这将阻碍舒适的长期使用。