本发明涉及机器人人机交互技术领域，特别是涉及一种结构简单的摇杆操纵负荷装置及摇杆模拟装置。
背景技术
在真实飞机上，操纵负荷系统是飞行员操纵飞机的直接装置。由于飞机的飞行环境复杂，飞行状态变化多，俯仰角、翻滚角、舵偏角和飞行速度等飞行参数变化快，加载到操纵杆、脚蹬上的气动力改变快，飞行员要凭借操纵力的变化迅速做出判断并执行相应的操作。这对飞机驾驶学员的培训来说，真机训练的安全性和经济效益都非常差，因此需要有专门的飞行模拟器来模拟真实飞机的操纵力感。
飞行模拟是指通过计算机软件及外部硬件设备来对真实世界飞行中所遇到的各种元素，例如空气动力、气象、地理环境、飞行操作装置、飞行电子装置、战斗飞行武器装置、地面飞行引导等，综合地在计算机中进行仿真模拟，并通过外部硬件设备进行飞行仿真操控和飞行感官回馈的一项事物。操纵负荷装置作为飞机人机交互的重要接口，其主要作用是提供飞机的操纵接口以及反馈飞行员驾驶飞机的操纵力感。为了有效提高飞机驾驶学员的训练效率，操纵负荷模拟装置所模拟的静态和动态力感相对真机操纵力感必须具有高逼真度。
目前，飞行模拟器的力感模拟采用的方式或是采用弹簧加载，通过各种刚度的弹簧组合实现操纵力的模拟；或是采用液压伺服操纵负荷系统，实现了较高逼真度的力感加载；或是电机加减速器的方式。但是，弹簧加载由于其固定的形式，无法对不同飞行状态的动态力感进行逼真模拟，而液压伺服操纵负荷系统由于液压管路泄漏、摩擦阻力等影响，在细微缓慢操作时力感效果不稳定，而电机加减速器的方式会导致力杆模拟不顺畅，缺乏真实度，这三种操纵负荷系统难以建立精确的操纵负荷模型，仿真度与实际相差甚远。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单、仿真度高的摇杆操纵负荷装置及摇杆模拟装置。
一种摇杆操纵负荷装置，包括壳体、滚转机构、连接滚转机构的俯仰机构、及连接俯仰机构的摇杆安装座；所述滚转机构包括安装在所述壳体上的滚转动力件、及连接滚转动力件的滚转支撑件，所述滚转动力件用于驱动滚转支撑件摆动；所述俯仰机构包括与所述滚转支撑件连接的俯仰动力件、及连接俯仰动力件的俯仰支撑件,所述俯仰动力件用于驱动俯仰支撑件摆动；所述摇杆安装座连接俯仰支撑件。
本发明的摇杆操纵负荷装置通过俯仰动力件直驱俯仰支撑件摆动，从而带动摇杆安装座前后摆动；通过滚转动力件直驱滚转支撑件摆动，从而带动摇杆安装座左右摆动；通过摇杆安装座连接不同的摇杆，提高摇杆的互换性与真实度。本摇杆操纵负荷装置结构简单、易于维护，实现了人机交互，提高了虚拟现实的真实感。
在其中一个实施例中，所述滚转动力件具有第一固定端和第一转动端；所述第一固定端固定连接所述壳体，所述第一转动端固定连接所述滚转支撑件远离俯仰动力件的一端。
在其中一个实施例中，所述俯仰动力件具有第二固定端和第二转动端；所述第二固定端固定连接所述滚转支撑件远离滚转动力件的一端，所述第二转动端固定连接所述俯仰支撑件。
在其中一个实施例中，所述俯仰机构包括连接所述俯仰支撑件一侧的俯仰限位件，所述滚转机构包括连接所述滚转支撑件一侧的滚转限位件。
在其中一个实施例中，所述俯仰动力件垂直于滚转动力件；所述俯仰限位件连接所述滚转支撑件的一端，所述滚转限位件连接所述壳体。
在其中一个实施例中，包括散热机构；所述散热机构设置于壳体的一端。
在其中一个实施例中，包括控制机构；所述控制机构包括连接壳体的主控制板、连接主控制板的若干接口、及连接壳体的电源开关。
在其中一个实施例中，包括防呆机构；所述防呆机构包括连接所述壳体一侧的固定座、及穿设固定座的安全销。
在其中一个实施例中，包括防尘机构；所述防尘机构套设于所述摇杆安装座。
一种摇杆模拟装置，包括上述的摇杆操纵负荷装置、及连接上述摇杆安装座的摇杆。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的摇杆操纵负荷装置的立体结构示意图；
图2为图1中除围板及防尘机构外的结构示意图；
图3为图2的另一角度示意图；
图4为发明实施例中提供的摇杆操纵负荷装置的一种摇杆模拟装置应用实例图。
附图标注说明：
摇杆操纵负荷装置100；
壳体10、第一承载板11、第二承载板12、围板13；
滚转机构20、滚转动力件21、滚转支撑件22、滚转限位件23、俯仰机构30、俯仰动力件31、俯仰支撑件32、俯仰限位件33、摇杆安装座40、控制机构50、主控制板51、接口52、电源开关53、指示灯54；
防呆机构60、固定座61、安全销62、散热机构70、防尘机构80；
摇杆模拟装置200；
摇杆操纵负荷装置100、摇杆210。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1至图4，为本发明一较佳实施方式的一种摇杆操纵负荷装置100，包括壳体10、滚转机构20、连接滚转机构20的俯仰机构30、及连接俯仰机构30的摇杆安装座40；滚转机构20包括安装在壳体10上的滚转动力件21、及连接滚转动力件21的滚转支撑件22，滚转动力件21用于驱动滚转支撑件22摆动；俯仰机构30包括与滚转支撑件22连接的俯仰动力件31、及连接俯仰动力件31的俯仰支撑件32，俯仰动力件31用于驱动俯仰支撑件32摆动；摇杆安装座40连接俯仰支撑件32。本摇杆操纵负荷装置100通过俯仰动力件31直驱俯仰支撑件32摆动，从而带动摇杆安装座40前后摆动；通过滚转动力件21直驱滚转支撑件22摆动，从而带动摇杆安装座40左右摆动；通过摇杆安装座40连接不同的摇杆，提高摇杆的互换性与真实度。
如图1与图2所示，在本实施例中，壳体10包括第一承载板11、与第一承载板11平行设置的第二承载板12、及连接第一承载板11与第二承载板12的围板13；可选地，第一承载板11的一端设有若干散热出气孔；第二承载板12远离散热出气孔的一端设有若干散热进气孔。滚转动力件21具有第一固定端和第一转动端；第一固定端固定连接壳体10，第一转动端固定连接滚转支撑件22的一端，使滚转支撑件22得到滚转方向的力矩；可选地，第一转动端为动子，第一固定端为定子；第一固定端连接第二承载板12。进一步地，滚转机构20包括连接滚转支撑件22一侧的滚转限位件23，滚转限位件23靠近滚转支撑件22的一端呈三角形；当滚转支撑件22抵接滚转限位件23时，滚转限位件23限制滚转支撑件22的进一步移动。请一并参阅图3，俯仰动力件31具有第二固定端和第二转动端；第二固定端固定连接滚转支撑件22远离滚转动力件21的一端，第二转动端连接俯仰支撑件32，给俯仰支撑件32提供俯仰方向的摆动及力矩，约束滚转方向的摆动；可选地，第二转动端为动子，第二固定端为定子。进一步地，俯仰机构30包括连接俯仰支撑件32一侧的俯仰限位件33，俯仰限位件33靠近俯仰支撑件32的一端呈三角形；当俯仰支撑件32抵接俯仰限位件33时，俯仰限位件33限制俯仰支撑件32的进一步移动。
为了限制俯仰支撑件32及滚转支撑件22的移动，俯仰支撑件32与俯仰限位件33的夹角的角度范围为-40°～40°，滚转支撑件22与滚转限位件23的夹角的角度范围为-40°～40°。可选地，俯仰支撑件32与俯仰限位件33的夹角的角度范围为-20°～20°，从而限制俯仰支撑件32的移动范围为-20°～20°；滚转支撑件22与滚转限位件23的夹角的角度范围为-20°～20°，从而限制滚转支撑件22的移动范围为-20°～20°。可选地，俯仰支撑件32与滚转支撑件22均呈l型；俯仰动力件31与滚转动力件21均为无刷电机，采用无刷电机直驱的形式与外部摇杆连接，没有采用减速齿轮及其他机械传动装置，模拟逼真度高；俯仰动力件31与滚转动力件21均内置角度传感件(图未示)及编码器(图未示)，角度传感器用于采集俯仰动力件31的第二转动端及滚转动力件21的第一转动端转动的角度，编码器信号作为控制模拟器的姿态的主要信号来源。进一步地，无刷电机使用了矢量控制技术，相比正弦波控制的电机在运转稳定性和力矩平顺变化上有明显的优势，电机在换向时的力矩顺滑无突变。在一具体实施例中，俯仰动力件31垂直于滚转动力件21；在其他实施例中，俯仰动力件31与滚转动力件21平行设置。可选地，俯仰限位件33连接滚转支撑件22的一端，滚转限位件23连接壳体10。进一步地，俯仰限位件33设置于滚转支撑件22连接滚转动力件21的一端，滚转限位件23连接壳体10的围板13。在其他实施例中，俯仰限位件33连接滚转动力件21的第一转动端，滚转限位件23连接壳体10的第一承载板11。
为了便于安装外部摇杆，摇杆安装座40凸设于围板13，该摇杆安装座40的一端连接外部摇杆，另一端连接俯仰支撑件32远离俯仰动力件31的一端，实现外部摇杆与摇杆安装座40分离，提高外部摇杆的互换性，可以模拟对应真实机型的摇杆外形。为了控制设备，本摇杆操纵负荷装置100包括控制机构50；控制机构50包括连接壳体10的主控制板51、连接主控制板51的若干接口52、及连接壳体10的电源开关53。可选地，主控制板51连接第一承载板11的内侧，各接口52设置于主控制板51下方，电源开关53设置于第一承载板11。进一步地，控制机构50设置电源接口、usb接口及总线接口；电源接口用于给俯仰动力件31及滚转动力件21提供驱动力；usb接口通过hid协议与外部的pc上位机连接输出给设备不同平台上通用的控制力；总线接口实现设备与设备之间的相互连接，供多设备同时使用。电源开关53用于控制动力电源的开合，也作为应急情况下的应急断电开关使用。为了提醒操作员设备的运作状态，控制机构50包括连接壳体10的指示灯54；可选地，指示灯54连接于第一承载板11。
为了防止误碰摇杆安装座40导致设备运作，本摇杆操纵负荷装置100包括防呆机构60；防呆机构60包括连接壳体10一侧的固定座61、及穿设固定座61的安全销62。可选地，固定座61连接第二承载板12靠近俯仰支撑件32的一端。锁定状态时，安全销62穿设固定座61后插入俯仰支撑件32的一侧；使用状态时，将安装销62抽离俯仰支撑件32。为了及时散热，延长设备的使用寿命，本摇杆操纵负荷装置100包括散热机构70，散热机构70设置于壳体10的一端。可选地，散热机构70为散热扇，该散热机构70连接第一承载板11靠近散热出气口的一端。空气从散热进气口流入，再将壳体10内的热气从散热出气口排到外面。为了防止灰尘或其他杂质落入壳体10内，本摇杆操纵负荷装置100包括防尘机构80；防尘机构80套设于摇杆安装座40，该防尘机构80呈锥形，长度较小的一端连接摇杆安装座40，长度较大的一端连接围板13的外侧。
还请参阅图4，为本发明实施例中提供的摇杆操纵负荷装置100的一种摇杆模拟装置200的应用实例图。在上述实施例的基础上，一种可选实施例中，摇杆模拟装置200包括摇杆操纵负荷装置100、及连接摇杆安装座的摇杆210。
使用本摇杆操纵负荷装置100时，将外部的摇杆安装在摇杆安装座40上，连接外部的pc上位机及电源后，将安全销62拔出俯仰支撑件32；接着，操作员移动外部的摇杆，该信号通过usb接口输入到pc上位机的控制程序中；另一方面，当模拟器的模型力、路径引导力及人手操作力共同作用时，通过动力学系统模型和加权力融合策略产生融合力，通过采集外部摇杆在融合力作用下的位移参数，再通过算法解算分别提供俯仰动力件31及俯仰动力32件的驱动力矩，最终引导摇杆动作。同时，俯仰动力件31的编码器及俯仰动力32件的编码器分别获得摇杆在俯仰方向和滚转方向运动分量上的位置信息和转速信息，所测信息通过usb接口输入到pc上位机的控制程序中。所测信息在pc上位机的控制程序中作为模拟器系统模型的输入参与模型仿真计算，并得到下一时刻的融合力，最终得到俯仰动力件31及滚转动力件21下一时刻的转动角度及转速信息。根据转速信息对俯仰动力件31及滚转动力件21进行pwm控制，编码器实时检测俯仰动力件31及滚转动力件21的转速，最终使摇杆能够反馈特定的力感并以特定的速度到达指定的位置，提供给操作员真实的力回馈感受。当融合力使摇杆做周期运动时，其运动可分解为俯仰运动和滚转运动。俯仰机构30的俯仰动力件31带动俯仰支撑件32绕俯仰动力件31的中心轴线摆动，从而带动摇杆做俯仰运动；同时，滚转机构20的滚转动力件21带动滚转支撑件22、俯仰动力件31及俯仰支撑件32绕滚转动力件21的中心轴线摆动，从而带动摇杆做滚转运动。两种周期运动的合运动最终形成了摇杆的特定运动轨迹。
本摇杆操纵负荷装置100可以应用于各种(飞行、太空舱、船舶)模拟器的力反馈操纵平台；亦可应用于无人机地面站控制，无人机通过数传将飞机飞行参数(速度、高度、迎角、侧滑角、过载、振动、舵机偏角等参数)回传到地面控制台，通过算法实时解算无人机的气动参数，驱动摇杆运动。在无人机自动驾驶模式时，摇杆可以随无人机的舵偏度实时变化；在无人机失速时可以产生震动信号使摇杆微弱震动，供地面操作员直观感受无人机在空中的控制以及飞行状态，增加无人机飞行安全性，使无人机操作员能够体会到有人机驾驶的感觉。
本发明的摇杆操纵负荷装置100通过俯仰动力件31直驱俯仰支撑件32摆动，从而带动摇杆安装座40前后摆动；通过滚转动力件21直驱滚转支撑件22摆动，从而带动摇杆安装座40左右摆动；通过摇杆安装座40连接不同的摇杆，提高摇杆的互换性与真实度。本摇杆操纵负荷装置100结构简单、易于维护，实现了人机交互，提高了虚拟现实的真实感。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。