CN101450484A - 具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指 - Google Patents

Abstract

具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，它涉及一种具有双向主动驱动和力反馈的数据手套手指。本发明的目的是为解决现有力反馈数据手套存在的需与人手手指指节配合才能运动；不能实现双向主动驱动；结构臃肿，集成度低；力反馈时，不能很好的区分“接触”和“非接触”模式。摩擦问题突出，不利于控制的缺陷。本发明的电机驱动系统的输出端与可伸长外骨骼机构的输入端相连接，可伸长外骨骼机构的输出端与指尖力反馈装置和位置跟随装置连接，组成一个模块化的力反馈手指，其优点是结构更为紧凑、系统带宽较高、能根据从手工作在自由空间或者约束空间进而实现对操作者手指运动的位置跟随或者力反馈，以增强虚拟现实或遥操作的临场感。

Description

具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指

技术领域

本发明涉及一种具有双向主动驱动和力反馈的数据手套手指。

背景技术

目前，国内外常用的力反馈数据手套主要有以下几种Cyber-Grasp(力反馈数据手套)，Sensor Glove II力反馈数据手套，中国科学院自动化研究所的力反馈数据手套CAS-Grasp等，这些数据手套手指存在以下缺点：一、需与人手手指的每段指节配合组成多边形连杆机构才能运动。二、都不能实现双向主动驱动只能使人手产生伸展运动，且运动源自人手，因而，只能实现指腹的力反馈，无法实现指背的力反馈。三、结构臃肿、集成度低。四、在力反馈时，不能很好的区分“接触”和“非接触”模式。五、采用绳索传动，带来强摩擦问题，不利于控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有(力反馈数据)手套手指存在的上述各种缺点，提出了一种具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指。本发明由电机驱动系统、可伸长外骨骼机构和手指指尖组成，电机驱动系统的输出端与可伸长外骨骼机构的输入端相连接，可伸长外骨骼机构的输出端与手指指尖相连接。本发明的功能在于能够协调控制被控从机械手的位置，并对受控从手手指的受力状况进行两个方向的精确反馈。结构精巧，结合外骨骼机构的优势，伸长范围大，巧妙地选择传感器使系统的集成化程度很高，便于携带、动态响应快、操作简便、承载力大、力反馈进度高、真实感强、工作可靠。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明整体结构的轴测图，图3是电机驱动系统101的结构示意图，图4是可伸长外骨骼机构102的结构示意图，图5是可伸长外骨骼机构102的轴测图，图6是手指指尖103的结构示意图，图7是手指指尖103的轴测图，图8是工作机构原理简图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1和图2)本实施方式由电机驱动系统101、可伸长外骨骼机构102和手指指尖103组成，电机驱动系统101的输出端与可伸长外骨骼机构102的输入端相连接，可伸长外骨骼机构102的输出端与手指指尖103相连接。

具体实施方式二：(参见图1～图3)本实施方式所述的电机驱动机构101由直流无刷电机41、电机固定螺钉42、电机座43、电机座安装螺钉44、电机输出联轴器45、电机座定位销46、安装垫套47、减速箱安装螺钉48、减速箱安装基座49、垫片50、第一机架51、伞齿轮固定螺钉52、输出伞齿轮53、内套筒54、外套筒55、套筒固定螺钉56、谐波减速器输出联轴器57和谐波减速箱58组成，直流无刷电机41通过电机固定螺钉42固定在电机座43上，减速箱安装基座49与电机座43之间连接有电机座安装螺钉44，减速箱安装基座49后端的边沿处设有减速箱安装螺钉48，减速箱安装基座49的后部设有安装垫套47，电机输出联轴器45设置在安装垫套47的后部并通过电机座定位销46与减速箱安装基座49的后部相连接，谐波减速箱58的后部与减速箱安装基座49的前部相连接，谐波减速箱58与减速箱安装基座49之间设有垫片50，谐波减速箱58的前端与谐波减速器输出联轴器57的后端相连接，内套筒54和外套筒55均设置在谐波减速器输出联轴器57的前部上面内套筒54和外套筒55均通过套筒固定螺钉56与谐波减速器输出联轴器57固定连接，输出伞齿轮53通过伞齿轮固定螺钉52固定在谐波减速器输出联轴器57的前端上面，输出伞齿轮53设置在第一机架51内。

具体实施方式三：(参见图1、图2、图4和图7)本实施方式的可伸长外骨骼机构102由输入伞齿轮1、第二机架81、第三机架82、两个第一连接板18、两个第二连接板21、指尖接口15、第一平行四边形连杆机构2、第二平行四边形连杆机构8、第三平行四边形连杆机构14、第一钢丝绳传动机构5和第二钢丝绳传动机构11组成，两个第一连接板18分别设置在第三机架82的两侧上，两个第二连接板21分别设置在第二机架81的两侧上，所述第一平行四边形连杆机构2由第一连杆2-1、第二连杆2-2、第三连杆2-3和第四连杆2-4组成，第二平行四边形连杆机构8由一号连杆8-1、二号连杆8-2、三号连杆8-3和四号连杆8-4组成，第三平行四边形连杆机构14由连杆一14-1、连杆二14-2、连杆三14-3和连杆四14-4组成，输入伞齿轮1设置在第一机架51内且与输出伞齿轮53啮合，第一连杆2-1的一端与输入伞齿轮1的中部固接，第一连杆2-1的另一端与第二连杆2-2的一端铰接，第二连杆2-2的中心和第三连杆2-3的中心铰接，第三连杆2-3的一端与第一机架51的下部铰接，第二连杆2-2的另一端与第二机架81下部的一端铰接，第三连杆2-3的另一端与第四连杆2-4的一端铰接，第四连杆2-4的另一端与第二机架81上部的一端铰接；一号连杆8-1的一端与第二机架81上部的另一端铰接，三号连杆8-3的一端与第二机架81下部的另一端铰接，二号连杆8-2的一端与一号连杆8-1的另一端铰接，二号连杆8-2的中心和三号连杆8-3的中心铰接，三号连杆8-3的另一端与四号连杆8-4的一端铰接，四号连杆8-4的另一端与第三机架82上部的一端铰接，二号连杆8-2的另一端与第三机架82下部的一端铰接；连杆一14-1的一端与第三机架82上部的另一端铰接，连杆一14-1的另一端与连杆二14-2的一端铰接，连杆三14-3的一端与第三机架82下部的另一端铰接，连杆二14-2的中心和连杆三14-3的中心铰接，连杆三14-3的另一端与连杆四14-4的一端铰接，连杆四14-4的另一端与指尖接口15的一侧铰接，连杆二14-2的另一端铰接指尖接口15的另一侧铰接；所述第一钢丝绳传动机构5由第一线轮5-1、第二线轮5-2、第一钢丝绳21-1、第二钢丝绳21-2、第一调整螺钉3、第一调整滑块4、第二调整螺钉7、第二调整滑块6、压板24和固定螺钉23组成，第一线轮5-1和第二线轮5-2分别设置在第二机架81上部的两侧上，第一线轮5-1与第四连杆2-4的一端同轴，第二线轮5-2与一号连杆8-1的一端同轴，第一调整滑块4设置在第四连杆2-4上，第一调整螺钉3设置在第一调整滑块4上，第二调整螺钉7设置在第二调整滑块6上，固定螺钉23和压板24均设置在第一线轮5-1上，第一钢丝绳21-1的一端与一号连杆8-1固定连接，第一钢丝绳21-1的另一端与第一调整滑块4相连接，第二钢丝绳21-2的一端与压板24相连接，第二钢丝绳21-2的另一端设置在第二调整滑块6上，第二钢丝绳传动机构11由第三线轮11-1、第四线轮11-2、第三钢丝绳19-1、第四钢丝绳19-2、第二固定导向块9、螺钉10、第三调整螺钉12、第一固定导向块13、第一随动滑块17和第二随动滑块20组成，第一随动滑块17设置在连杆一14-1上，第三调整螺钉12和第一固定导向块13均设置在第一随动滑块17上，第二随动滑块20设置在四号连杆8-4上，第二固定导向块9和螺钉10均设置在第二随动滑块20上，第四钢丝绳19-2的一端与四号连杆8-4固定连接，第四钢丝绳19-2的另一端与第一固定导向块13相连接，第三钢丝绳19-1的一端与连杆一14-1固定连接，，第三钢丝绳19-1的另一端与螺钉10相连接，第三线轮11-1和第四线轮11-2分别设置在第三机架82上部的两侧上，第三线轮11-1和四号连杆8-4同轴，第四线轮11-2和连杆四14-1同轴。

第一平行四边形连杆机构2通过第一钢丝绳传动机构5和第二平行四边形连杆机构8相关联，第二平行四边形连杆机构8通过第二钢丝绳传动机构11和第三平行四边形连杆机构14相关联。

第一平行四边形连杆机构2中的第一连杆2-1作为整个机构的动力输入杆，当第一连杆2-1上有力矩作用时，使其沿轴转动，进而驱动整个机构的运动。外骨骼机构依附于操作者的手背和手指上，外骨骼手指随操作者的手指转动而转动，转动的同时按外骨骼规律伸长，使机架和连接板相对于手指的位置保持不变，外骨骼手指各关节的旋转中心分别与操作者手指对应关节的旋转中心保持一致，外骨骼手装置准确跟随操作者手指及指尖实现包络运动而不发生任何干涉。如图7(工作机构原理简图)所示轴一25-5和轴二25-7的中心连线L1与轴三25-1和轴四25-2的中心连线L2始终相交于MCP(基关节)关节34，同理第二平行四边形连杆机构8中相关轴的中心连线L3与中心连线L4始终相交于PIP(中间指节关节)关节35，第三平行四边形连杆机构14中相关轴的中心连线L5与中心连线L6始终相交于DIP(指尖关节)关节36。

具体实施方式四：(参见图1、图2和图4)本实施方式所述第一钢丝绳传动机构5的传动比为1：1.4，第二钢丝绳传动机构11的传动比为1.4：1。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：(参见图1、图2和图4)本实施方式所述第二机架81、第三机架82、两个第一连接板18、两个第二连接板21、指尖接口15、第一平行四边形连杆机构2、第二平行四边形连杆机构8和第三平行四边形连杆机构14的材料均为LC4。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：(参见图1、图2和图4)本实施方式所述第一线轮5-1、第二线轮5-2、第一调整螺钉3、第一调整滑块4、第二调整螺钉7、第二调整滑块6、压板24、固定螺钉23、第三线轮11-1、第四线轮11-2、第二固定导向块9、螺钉10、第三调整螺钉12、第一固定导向块13、第一随动滑块17和第二随动滑块20的材料均为11SMnPb30。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式所述用于铰接的轴的材料均为45#钢。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：(参见图1、图2、图5和图6)本实施方式的手指指尖103由指背固定基座62、第一安装基座63-1、第一压阻传感器64-1、第一覆盖层65-1、第二安装基座63-2、第二压阻传感器64-2、第二覆盖层65-2、指面固定基座安装螺钉66、位置跟踪检测部件67、指面固定基座68、指尖挡板69和指尖安装基座辅助固定帽70组成，指尖挡板69固定在指面固定基座68一端的外侧面上，第二安装基座63-2由指尖安装基座辅助固定帽70固定在指面固定基座68一端的内侧面上，第二压阻传感器64-2固定在第二安装基座63-2上，第二覆盖层65-2固定在第二压阻传感器64-2上，指背固定基座62由指面固定基座安装螺钉66固定在指面固定基座68的另一端上，位置跟踪检测部件67设置在指背固定基座62和指尖挡板69之间，位置跟踪检测部件67的一端与指背固定基座62的一端铰接，第一安装基座63-1固定在指背固定基座62朝向位置跟踪检测部件67的一侧上，第一压阻传感器64-1固定在第一安装基座63-1上，第一覆盖层65-1固定在第一压阻传感器64-1上。其它与具体实施方式一相同。本实施方式由第二安装基座、第二压阻传感器和第二覆盖层组成了指面传感器部件，由第一安装基座、第一压阻传感器和第一覆盖层组成了指背传感器部件。在和人手协调运动时，始终保证指面传感器或者指背传感器和人手的指面或者指背接触，产生很真实的触觉临场感觉。

具体实施方式九：(参见图1、图2、图5和图6)本实施方式的第一覆盖层65-1和第二覆盖层65-2均为球冠形状。第一压阻传感器64-1和第二压阻传感器64-2的作用部位是自身的敏感区域，敏感区域的受力要均匀，故第一覆盖层65-1和第二覆盖层65-2做成球冠形状用以保证球冠面和人手指接触良好。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：(参见图1、图2、图5和图6)本实施方式第一覆盖层65-1和第二覆盖层65-2的材质均为聚四氟乙烯材料。本实施方式第一覆盖层65-1和第二覆盖层65-2均使用聚四氟乙烯材料，用来保证和人手指尖的接触均匀。其它与具体实施方式八相同。

Claims (10)

1、一种具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，它由电机驱动系统(101)、可伸长外骨骼机构(102)和手指指尖(103)组成，其特征在于：电机驱动系统(101)的输出端与可伸长外骨骼机构(102)的输入端相连接，可伸长外骨骼机构(102)的输出端与手指指尖(103)相连接。

2、根据权利要求1所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：所述的电机驱动机构(101)由直流无刷电机(41)、电机固定螺钉(42)、电机座(43)、电机座安装螺钉(44)、电机输出联轴器(45)、电机座定位销(46)、安装垫套(47)、减速箱安装螺钉(48)、减速箱安装基座(49)、垫片(50)、第一机架(51)、伞齿轮固定螺钉(52)、输出伞齿轮(53)、内套筒(54)、外套筒(55)、套筒固定螺钉(56)、谐波减速器输出联轴器(57)和谐波减速箱(58)组成，直流无刷电机(41)通过电机固定螺钉(42)固定在电机座(43)上，减速箱安装基座(49)与电机座(43)之间连接有电机座安装螺钉(44)，减速箱安装基座(49)后端的边沿处设有减速箱安装螺钉(48)，减速箱安装基座(49)的后部设有安装垫套(47)，电机输出联轴器(45)设置在安装垫套(47)的后部并通过电机座定位销(46)与减速箱安装基座(49)的后部相连接，谐波减速箱(58)的后部与减速箱安装基座(49)的前部相连接，谐波减速箱(58)与减速箱安装基座(49)之间设有垫片(50)，谐波减速箱(58)的前端与谐波减速器输出联轴器(57)的后端相连接，内套筒(54)和外套筒(55)均设置在谐波减速器输出联轴器(57)的前部上面，内套筒(54)和外套筒(55)均通过套筒固定螺钉(56)与谐波减速器输出联轴器(57)固定连接，输出伞齿轮(53)通过伞齿轮固定螺钉(52)固定在谐波减速器输出联轴器(57)的前端上面，输出伞齿轮(53)设置在第一机架(51)内。

3、根据权利要求2所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：所述的可伸长外骨骼机构(102)由输入伞齿轮(1)、第二机架(81)、第三机架(82)、两个第一连接板(18)、两个第二连接板(21)、指尖接口(15)、第一平行四边形连杆机构(2)、第二平行四边形连杆机构(8)、第三平行四边形连杆机构(14)、第一钢丝绳传动机构(5)和第二钢丝绳传动机构(11)组成，两个第一连接板(18)分别设置在第三机架(82)的两侧上，两个第二连接板(21)分别设置在第二机架(81)的两侧上，所述第一平行四边形连杆机构(2)由第一连杆(2-1)、第二连杆(2-2)、第三连杆(2-3)和第四连杆(2-4)组成，第二平行四边形连杆机构(8)由一号连杆(8-1)、二号连杆(8-2)、三号连杆(8-3)和四号连杆(8-4)组成，第三平行四边形连杆机构(14)由连杆一(14-1)、连杆二(14-2)、连杆三(14-3)和连杆四(14-4)组成，输入伞齿轮(1)设置在第一机架(51)内且与输出伞齿轮(53)啮合，第一连杆(2-1)的一端与输入伞齿轮(1)的中部固接，第一连杆(2-1)的另一端与第二连杆(2-2)的一端铰接，第二连杆(2-2)的中心和第三连杆(2-3)的中心铰接，第三连杆(2-3)的一端与第一机架(51)的下部铰接，第二连杆(2-2)的另一端与第二机架(81)下部的一端铰接，第三连杆(2-3)的另一端与第四连杆(2-4)的一端铰接，第四连杆(2-4)的另一端与第二机架(81)上部的一端铰接；一号连杆(8-1)的一端与第二机架(81)上部的另一端铰接，三号连杆(8-3)的一端与第二机架(81)下部的另一端铰接，二号连杆(8-2)的一端与一号连杆(8-1)的另一端铰接，二号连杆(8-2)的中心和三号连杆(8-3)的中心铰接，三号连杆(8-3)的另一端与四号连杆(8-4)的一端铰接，四号连杆(8-4)的另一端与第三机架(82)上部的一端铰接，二号连杆(8-2)的另一端与第三机架(82)下部的一端铰接；连杆一(14-1)的一端与第三机架(82)上部的另一端铰接，连杆一(14-1)的另一端与连杆二(14-2)的一端铰接，连杆三(14-3)的一端与第三机架(82)下部的另一端铰接，连杆二(14-2)的中心和连杆三(14-3)的中心铰接，连杆三(14-3)的另一端与连杆四(14-4)的一端铰接，连杆四(14-4)的另一端与指尖接口(15)的一侧铰接，连杆二(14-2)的另一端铰接指尖接口(15)的另一侧铰接；所述第一钢丝绳传动机构(5)由第一线轮(5-1)、第二线轮(5-2)、第一钢丝绳(21-1)、第二钢丝绳(21-2)、第一调整螺钉(3)、第一调整滑块(4)、第二调整螺钉(7)、第二调整滑块(6)、压板(24)和固定螺钉(23)组成，第一线轮(5-1)和第二线轮(5-2)分别设置在第二机架(81)上部的两侧上，第一线轮(5-1)与第四连杆(2-4)的一端同轴，第二线轮(5-2)与一号连杆(8-1)的一端同轴，第一调整滑块(4)设置在第四连杆(2-4)上，第一调整螺钉(3)设置在第一调整滑块(4)上，第二调整螺钉(7)设置在第二调整滑块(6)上，固定螺钉(23)和压板(24)均设置在第一线轮(5-1)上，第一钢丝绳(21-1)的一端与一号连杆(8-1)固定连接，第一钢丝绳(21-1)的另一端与第一调整滑块(4)相连接，第二钢丝绳(21-2)的一端与压板(24)相连接，第二钢丝绳(21-2)的另一端设置在第二调整滑块(6)上，第二钢丝绳传动机构(11)由第三线轮(11-1)、第四线轮(11-2)、第三钢丝绳(19-1)、第四钢丝绳(19-2)、第二固定导向块(9)、螺钉(10)、第三调整螺钉(12)、第一固定导向块(13)、第一随动滑块(17)和第二随动滑块(20)组成，第一随动滑块(17)设置在连杆一(14-1)上，第三调整螺钉(12)和第一固定导向块(13)均设置在第一随动滑块(17)上，第二随动滑块(20)设置在四号连杆(8-4)上，第二固定导向块(9)和螺钉(10)均设置在第二随动滑块(20)上，第四钢丝绳(19-2)的一端与四号连杆(8-4)固定连接，第四钢丝绳(19-2)的另一端与第一固定导向块(13)相连接，第三钢丝绳(19-1)的一端与连杆一(14-1)固定连接，第三钢丝绳(19-1)的另一端与螺钉(10)相连接，第三线轮(11-1)和第四线轮(11-2)分别设置在第三机架(82)上部的两侧上，第三线轮(11-1)和四号连杆(8-4)同轴，第四线轮(11-2)和连杆四(14-1)同轴。

4、根据权利要求3所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：所述第一钢丝绳传动机构(5)的传动比为1：1.4，第二钢丝绳传动机构(11)的传动比为1.4：1。

5、根据权利要求4所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：第二机架(81)、第三机架(82)、两个第一连接板(18)、两个第二连接板(21)、指尖接口(15)、第一平行四边形连杆机构(2)、第二平行四边形连杆机构(8)和第三平行四边形连杆机构(14)的材料均为LC4。

6、根据权利要求5所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：第一线轮(5-1)、第二线轮(5-2)、第一调整螺钉(3)、第一调整滑块(4)、第二调整螺钉(7)、第二调整滑块(6)、压板(24)、固定螺钉(23)、第三线轮(11-1)、第四线轮(11-2)、第二固定导向块(9)、螺钉(10)、第三调整螺钉(12)、第一固定导向块(13)、第一随动滑块(17)和第二随动滑块(20)的材料均为11SMnPb30。

7、根据权利要求6所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：所述用于铰接的轴的材料均为45#钢。

8、根据权利要求2所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：所述的手指指尖(103)由指背固定基座(62)、第一安装基座(63-1)、第一压阻传感器(64-1)、第一覆盖层(65-1)、第二安装基座(63-2)、第二压阻传感器(64-2)、第二覆盖层(65-2)、指面固定基座安装螺钉(66)、位置跟踪检测部件(67)、指面固定基座(68)、指尖挡板(69)和指尖安装基座辅助固定帽(70)组成，其特征在于：指尖挡板(69)固定在指面固定基座(68)一端的外侧面上，第二安装基座(63-2)由指尖安装基座辅助固定帽(70)固定在指面固定基座(68)一端的内侧面上，第二压阻传感器(64-2)固定在第二安装基座(63-2)上，第二覆盖层(65-2)固定在第二压阻传感器(64-2)上，指背固定基座(62)由指面固定基座安装螺钉(66)固定在指面固定基座(68)的另一端上，位置跟踪检测部件(67)设置在指背固定基座(62)和指尖挡板(69)之间，位置跟踪检测部件(67)的一端与指背固定基座(62)的一端铰接，第一安装基座(63-1)固定在指背固定基座(62)朝向位置跟踪检测部件(67)的一侧上，第一压阻传感器(64-1)固定在第一安装基座(63-1)上，第一覆盖层(65-1)固定在第一压阻传感器(64-1)上。

9、根据权利要求8所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：第一覆盖层(65-1)和第二覆盖层(65-2)均为球冠形状。

10、根据权利要求9所述的具有指尖位置跟随和指尖双向力反馈功能的外骨骼手指，其特征在于：第一覆盖层(65-1)和第二覆盖层(65-2)的材质均为聚四氟乙烯材料。

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