CN102152321A - 实现手指多自由度力反馈的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现手指多自由度力反馈的装置。本发明的目的是为了解决现有力反馈数据手套存在的:力反馈自由度少,限制操作手的自由运动;结构臃肿,不能实现双向主动力反馈驱动的缺陷。本发明的固定于手指上的驱动器固定架,固定于驱动器固定架上的驱动器,固定于驱动器输出轴上的摇臂,铰接于摇臂上的拉杆,铰接于拉杆上的力反馈指环,组成了平行四边形连杆力反馈机构。本发明具有结构简单紧凑、力反馈自由度丰富、能根据从机械手(或虚拟手)工作在自由空间或约束空间进而实现对操作者手指运动的自由跟随或力反馈,而增强遥操作或虚拟现实的临场感。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强遥操作或虚拟现实临场感的人机接口装置,尤其涉及一种实现手指多自由度力反馈的装置。
背景技术
工作在交互式下具有临场感的遥操作机器人系统是在复杂或非确定环境下完成作业任务的有效手段。另一方面,随着虚拟现实技术的不断发展,力觉临场感正逐渐成为其重要的一个发展方向。于是具有力反馈功能的数据手套成为了实现力觉临场感的主要的人机交互装置。
目前,国际上发展发展较为成熟的力反馈数据手套,是Cyber-Grasp手套,其主要的结构特点是:其是在传统数据手套的基础上,再加装力反馈装置以实现对操作手的力反馈。但其存在以下缺点:一、对操作手的力反馈自由度少、摩擦大,限制了操作手的自由运动。二、采用绳索传递力反馈驱动力,使得结构臃肿,且不能实现对操作手手指的双向主动力反馈。
发明内容
针对现有力反馈数据手套存在的上述各种缺点,本发明的目的在于提供一种结构简单的实现手指多自由度力反馈的装置;能实现对操作手单个手指3个自由度的关节角度信息检测及对对应各指节实现力反馈的装置。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明包括第一驱动器固定架、第一驱动器、第一轴连接器、第二驱动器固定架、第二驱动器、第二轴连接器、第一摇臂、П字形第一拉杆、П字形第二拉杆、第一固定辅助片、П字形第一拉杆固定架、П字形第二拉杆固定架、第一指节固定座、第一力反馈指环、第三驱动器固定座、第三驱动器、第三轴连接器、第二摇臂、П字形第三拉杆、第二固定辅助片和第二力反馈指环;
第一驱动器输出轴向下固定在第一驱动器固定架上, 第二驱动器固定架通过第一轴连接器固定在第一驱动器的输出轴上,第二驱动器输出轴水平固定在第二驱动器固定架上 ,第一摇臂通过第二轴连接器固定在第二驱动器的输出轴上,П字形第一拉杆的中部上端与П字形第二拉杆的中部上端都通过第一固定辅助片铰接在第一摇臂上,П字形第一拉杆固定架铰接在П字形第一拉杆的两端头上,П字形第二拉杆固定架铰接在П字形第二拉杆的两端头上,П字形第一拉杆固定架和П字形第二拉杆固定架固定在第一指节固定座上,第一力反馈指环固定在第一指节固定座上,第三驱动器固定座固定在第一指节固定座上,第三驱动器输出轴水平固定在第三驱动器固定座上;第二摇臂通过第三轴连接器固定在第三驱动器的输出轴上,П字形第三拉杆的中部上端通过第二固定辅助片铰接在第二摇臂上,第二力反馈指环铰接在П字形第三拉杆的两端头上。
所述的第一驱动器的输出轴为第一转动副,第二驱动器的输出轴为第二转动副,П字形第一拉杆铰接在第一摇臂上为第三转动副,П字形第二拉杆铰接在第一摇臂上为第四转动副,П字形第一拉杆固定架铰接在П字形第一拉杆的两端头上为第五转动副,П字形第二拉杆固定架铰接在П字形第二拉杆的两端头上为第六转动副,第三驱动器输出轴为第七转动副,П字形第三拉杆铰接在第二摇臂上为第八转动副,第二力反馈指环铰接在П字形第三拉杆的两端头上为第九转动副。
所述的第二转动副、第四转动副、第六转动副和操作手自身对应关节共同构成第一个平行四边形连杆结构;所述的第三转动副、第四转动副、第五转动副和第六转动副构成第二个平行四边形连杆结构;所述的第七转动副、第八转动副、第九转动副和操作手自身对应关节共同构成第三个平行四边形连杆结构;以上连杆结构构成了实现对操作手指对应关节角度的间接检测与主动控制的三个平行四边形连杆结构。
所述的两个力反馈指环结构相同,都集成有压力传感器;力反馈指环主体由高密度海绵构成,力反馈指环内壁上下左右各有一个压力传感器;其中一个力反馈指环外壁水平两对侧均粘接有第一金属固定片和第二金属固定片,第一金属固定片和第二金属固定片的中间开有用于铰接于拉杆上的小孔,。
所述的三个驱动器都是由各自的驱动电机、齿轮减速器和角度传感器所组成,各自的驱动电机通过各自的齿轮减速器把驱动力传递给各自的输出轴,在每个输出轴上均安装有角度传感器来检测各自的控制输出的角度。
本发明具有的有益效果是:
1、采用摇臂铰接П字形拉杆、П字形拉杆两端头铰接于力反馈指环的机械结构,并利用操作手自身对应关节使其与上述力反馈机构共同组成平行四边形连杆结构,实现了对操作手对应关节角度姿态的间接检测与主动控制。这种设计结构比以往的力反馈结构更加简洁,提高了系统的可靠性。
2、采用模块化的设计思路,各驱动器都是通用模块,且本发明即为能对一个手指实现力反馈控制的模块,通过增加组合本发明模块,即可构建能实现对多个手指进行力反馈控制的反馈数据手套。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明的立体结构原理示意图。
图3是本发明的爆炸结构原理示意图。
图4是本发明的力反馈指环的结构原理示意图。
图中:1、第一驱动器固定架,2、第一驱动器, 2-1、第一轴连接器, 2-2、第二驱动器固定架,3、第二驱动器,3-1、第二轴连接器,4、第一摇臂,4-1、第一固定辅助片,4-2、第一指节固定座,4-3第三驱动器固定座,5、П字形第一拉杆,5-1、П字形第一拉杆固定架,6、П字形第二拉杆,6-1、П字形第二拉杆固定架,7、第三驱动器,7-1、第三轴连接器,8、第二摇臂,8-1、第二固定辅助片,9、П字形第三拉杆,10、第二力反馈指环,11、第一力反馈指环,12、力反馈指环主体,13-1、第一金属固定片,13-2第二金属固定片,14-1、第一压力传感器,14-2、第二压力传感器,14-3、第三压力传感器,14-4、第四压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示,本发明包括第一驱动器固定架1、第一驱动器2、第一轴连接器2-1、第二驱动器固定架2-2、第二驱动器3、第二轴连接器3-1、第一摇臂4、П字形第一拉杆5、П字形第二拉杆6、第一固定辅助片4-1、П字形第一拉杆固定架5-1、П字形第二拉杆固定架6-1、第一指节固定座4-2、第一力反馈指环11、第三驱动器固定座4-3、第三驱动器7、第三轴连接器7-1、第二摇臂8、П字形第三拉杆9、第二固定辅助片8-1和第二力反馈指环10;
如图1所示,所述的第一驱动器固定架1安装于手套上,从而使其固定于操作手的手背上,第一驱动器2输出轴向下固定在第一驱动器固定架1上, 第二驱动器固定架2-2通过第一轴连接器2-1固定在第一驱动器2的输出轴上,第二驱动器3输出轴水平固定在第二驱动器固定架2-2上 ,第一摇臂4通过第二轴连接器3-1固定在第二驱动器3的输出轴上,П字形第一拉杆5的中部上端与П字形第二拉杆6的中部上端都通过第一固定辅助片4-1铰接在第一摇臂4上,П字形第一拉杆固定架5-1铰接在П字形第一拉杆5的两端头上,П字形第二拉杆固定架6-1铰接在П字形第二拉杆6的两端头上,П字形第一拉杆固定架5-1和П字形第二拉杆固定架6-1固定在第一指节固定座4-2上,第一力反馈指环11固定在第一指节固定座4-2上,第三驱动器固定座4-3固定在第一指节固定座4-2上,第三驱动器7输出轴水平固定在第三驱动器固定座4-3上;第二摇臂8通过第三轴连接器7-1固定在第三驱动器7的输出轴上,П字形第三拉杆9的中部上端通过第二固定辅助片8-1铰接在第二摇臂8上,第二力反馈指环10铰接在П字形第三拉杆9的两端头上。
如图1所示,所述的第一驱动器2的输出轴为第一转动副0-1,第二驱动器3的输出轴为第二转动副0-2,П字形第一拉杆5铰接在第一摇臂4上为第三转动副0-3,П字形第二拉杆6铰接在第一摇臂4上为第四转动副0-4,П字形第一拉杆固定架5-1铰接在П字形第一拉杆5的两端头上为第五转动副0-5,П字形第二拉杆固定架6-1铰接在П字形第二拉杆6的两端头上为第六转动副0-6,第三驱动器输出轴为第七转动副0-7,П字形第三拉杆9铰接在第二摇臂(8)上为第八转动副0-8,第二力反馈指环10铰接在П字形第三拉杆9的两端头上为第九转动副0-9。
如图1所示,所述的第二转动副0-2、第四转动副0-4、第六转动副0-6和操作手自身对应关节共同构成第一个平行四边形连杆结构;所述的第三转动副0-3、第四转动副0-4、第五转动副0-5和第六转动副0-6构成第二个平行四边形连杆结构;所述的第七转动副0-7、第八转动副0-8、第九转动副0-9和操作手自身对应关节共同构成第三个平行四边形连杆结构;以上连杆结构构成了实现对操作手指对应关节角度的间接检测与主动控制的三个平行四边形连杆结构。
如图4所示,所述的两个力反馈指环10、11结构相同,都集成有压力传感器;力反馈指环主体12由高密度海绵构成,力反馈指环内壁上下左右各有一个压力传感器,分别为第一压力传感器14-1、第二压力传感器14-2、第三压力传感器14-3、第四压力传感器14-4;其中一个力反馈指环10外壁水平两对侧均粘接有第一金属固定片13-1和第二金属固定片13-2,第一金属固定片13-1和第二金属固定片13-2的中间开有用于铰接于拉杆上的小孔。
所述的三个驱动器都是由各自的驱动电机、齿轮减速器和角度传感器所组成,各自的驱动电机通过各自的齿轮减速器把驱动力传递给各自的输出轴,在每个输出轴上均安装有角度传感器来检测各自的控制输出的角度。
本发明的工作过程如下:
如图1所示,工作时,第一驱动器固定架1需固定在操作手所佩戴的手套上,即使第一驱动器固定架1固定在操作手的手背上,而操作手对应手指指节穿戴进所对应的力反馈指环里。
则通过所述的第二转动副0-2、第四转动副0-4、第六转动副0-6和手指自身对应关节共同构成第一个平行四边形连杆结构,从而使得第二驱动器输出轴的转角与手指对应关节所弯曲角度实现实时同步联动。通过所述的第三转动副0-3、第四转动副0-4、第五转动副0-5和第六转动副0-6构成第二个平行四边形连杆结构,使第一指节固定座4-2与第一摇臂4在运动过程中始终平行,化解了由于第三驱动器运动所产生的对手指额外的力作用。通过所述的第七转动副0-7、第八转动副0-8、第九转动副0-9和手指自身对应关节共同构成第三个平行四边形连杆结构,从而使得第三驱动器输出轴的转角与手指对应关节所弯曲角度实现实时同步联动。
当操作者的操作手有运动趋势时(如弯曲手指),会对所对应力反馈指环施加一个作用力,而同时控制器能通过力反馈指环上的压力传感器而检测到这个作用力。从而控制器便能判断出操作手的运动意图,继而通过控制对应驱动器的运转状态来实现对对应关节运动状态的控制,实现对操作者手指运动的自由跟随或力反馈。而另一方面,驱动器输出轴的转角与手指对应关节所弯曲角度是实时同步联动的,即当前驱动器输出轴的运动姿态即为对应操作手手指关节的运动姿态,实现了对手指实时运动姿态的检测。
Claims (5)
1.一种实现手指多自由度力反馈的装置,其特征在于:包括第一驱动器固定架(1)、第一驱动器(2)、第一轴连接器(2-1)、第二驱动器固定架(2-2)、第二驱动器(3)、第二轴连接器(3-1)、第一摇臂(4)、П字形第一拉杆(5)、П字形第二拉杆(6)、第一固定辅助片(4-1)、П字形第一拉杆固定架(5-1)、П字形第二拉杆固定架(6-1)、第一指节固定座(4-2)、第一力反馈指环(11)、第三驱动器固定座(4-3)、第三驱动器(7)、第三轴连接器(7-1)、第二摇臂(8)、П字形第三拉杆(9)、第二固定辅助片(8-1)和第二力反馈指环(10);
第一驱动器(2)输出轴向下固定在第一驱动器固定架(1)上, 第二驱动器固定架(2-2)通过第一轴连接器(2-1)固定在第一驱动器(2)的输出轴上,第二驱动器(3)输出轴水平固定在第二驱动器固定架(2-2)上 ,第一摇臂(4)通过第二轴连接器(3-1)固定在第二驱动器(3)的输出轴上,П字形第一拉杆(5)的中部上端与П字形第二拉杆(6)的中部上端都通过第一固定辅助片(4-1)铰接在第一摇臂(4)上,П字形第一拉杆固定架(5-1)铰接在П字形第一拉杆(5)的两端头上,П字形第二拉杆固定架(6-1)铰接在П字形第二拉杆(6)的两端头上,П字形第一拉杆固定架(5-1)和П字形第二拉杆固定架(6-1)固定在第一指节固定座(4-2)上,第一力反馈指环(11)固定在第一指节固定座(4-2)上,第三驱动器固定座(4-3)固定在第一指节固定座(4-2)上,第三驱动器(7)输出轴水平固定在第三驱动器固定座(4-3)上;第二摇臂(8)通过第三轴连接器(7-1)固定在第三驱动器(7)的输出轴上,П字形第三拉杆的中部上端(9)通过第二固定辅助片(8-1)铰接在第二摇臂(8)上,第二力反馈指环(10)铰接在П字形第三拉杆(9)的两端头上。
2.根据权利要求1所述的一种实现手指多自由度力反馈的装置,其特征在于:所述的第一驱动器(2)的输出轴为第一转动副(0-1),第二驱动器(3)的输出轴为第二转动副(0-2),П字形第一拉杆(5)铰接在第一摇臂(4)上为第三转动副(0-3),П字形第二拉杆(6)铰接在第一摇臂(4)上为第四转动副(0-4),П字形第一拉杆固定架(5-1)铰接在П字形第一拉杆(5)的两端头上为第五转动副(0-5),П字形第二拉杆固定架(6-1)铰接在П字形第二拉杆(6)的两端头上为第六转动副(0-6),第三驱动器输出轴为第七转动副(0-7),П字形第三拉杆(9)铰接在第二摇臂(8)上为第八转动副(0-8),第二力反馈指环(10)铰接在П字形第三拉杆(9)的两端头上为第九转动副(0-9)。
3.根据权利要求2所述的一种实现手指多自由度力反馈的装置,其特征在于:所述的第二转动副(0-2)、第四转动副(0-4)、第六转动副(0-6)和操作手自身对应关节共同构成第一个平行四边形连杆结构;所述的第三转动副(0-3)、第四转动副(0-4)、第五转动副(0-5)和第六转动副(0-6)构成第二个平行四边形连杆结构;所述的第七转动副(0-7)、第八转动副(0-8)、第九转动副(0-9)和操作手自身对应关节共同构成第三个平行四边形连杆结构;以上连杆结构构成了实现对操作手指对应关节角度的间接检测与主动控制的三个平行四边形连杆结构。
4.根据权利要求1所述的一种实现手指多自由度力反馈的装置,其特征在于:所述的两个力反馈指环(10、11)结构相同,都集成有压力传感器;力反馈指环主体(12)由高密度海绵构成,力反馈指环内壁上下左右各有一个压力传感器,分别为第一压力传感器(14-1)、第二压力传感器(14-2)、第三压力传感器(14-3)、第四压力传感器(14-4);其中一个力反馈指环(10)外壁水平两对侧均粘接有第一金属固定片(13-1)和第二金属固定片(13-2),第一金属固定片(13-1)和第二金属固定片(13-2)的中间开有用于铰接于拉杆上的小孔。
5.根据权利要求1所述的一种实现手指多自由度力反馈的装置,其特征在于:所述的三个驱动器都是由各自的驱动电机、齿轮减速器和角度传感器所组成,各自的驱动电机通过各自的齿轮减速器把驱动力传递给各自的输出轴,在每个输出轴上均安装有角度传感器来检测各自的控制输出的角度。
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