CN104669232A - 中指力反馈装置 - Google Patents

Abstract

中指力反馈装置，它涉及一种检测人手手指运动状态并具有反馈从手相应的手指关节所受的力的装置。本发明是为了解决现有的力反馈装置关节测量机构与力反馈机构分离，系统复杂结构臃肿，维护困难，且不能实现双向主动驱动及价格昂贵等缺点，将关节检测机构和力反馈机构集成于一体，并采用独特的连接方式和巧妙的关节测量点布局，使操作者在使用该设备时，被检测的手指能保持最大程度的灵活，且运动状态能被精确检测到，使被控制的从手相应的手指关节能与操作者对应的手指关节协同一致动作，并能将从手在具体的工作环境中的受力情况反馈给操作者，以增强虚拟现实或遥操作的临场感。

Description

中指力反馈装置

技术领域

本发明涉及一种检测人手手指运动状态，并具有双向反馈力的作用的装置。

背景技术

由于科学技术的发展，机器人逐渐在越来越大的范围内被使用，遥操作机器人作为一种性能可靠、技术成熟的机器人被广泛用于各种危险的、情况复杂的、人类无法到达的环境中工作，它采用的是非常可靠的控制方式，直接由操作者发出指令来控制。随着遥操作机器人执行的任务越来越复杂，使得人们在追求可靠性的同时，还对其灵活性提出了更高的要求，而要对复杂的机械手实施遥操作，控制机械手多个手指的多个关节一起协调运动，以实现特定功能，这就需用到数据手套，而具有力反馈功能的数据手套是对机器人的机械手实施遥操作的最有效装置，它通过测量操作者手指各个指节的位置信息作为控制指令控制机械手的手指跟踪人手手指运动，并能将机械手各个关节在运动过程中的受力情况在数据手套上模拟出来，作用在操作者的手上，使操作者产生很强的临场感。此外，近年来虚拟仿真技术不断发展，其主要的交互设备就是力反馈数据手套，例如在一个由计算机虚拟的场景里，控制一双虚拟的人手拆卸或装配机器等，还有游戏、3D动画制作等都需要用到力反馈数据手套，但目前市场上的力反馈数据手套系统复杂，价格极为昂贵，使其无法大量普及、推广和使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的力反馈数据手套价格昂贵、系统复杂、维护困难等缺点，提出了一种将外置角度传感器和关节双向主动驱动装置结合为一体，在检测人手关节运动信息的同时也将反馈回来的力觉信息转化成力或力矩直接作用于人手的方法，极大简化了复杂的力反馈数据手套系统。本发明是用于与计算机、机械手交互作用的装置，由中指远指节基座，关节检测驱动机构，掌指关节检测驱动机构和手掌基座组成，该装置固定在操作者手指上，中指力反馈装置在检测手指关节运动的角度和状态的同时可根据需要对其施加力的作用实现力反馈控制。本发明在关节的驱动部件里加入了离合器，当系统有力反馈信号时，驱动电机连接被驱动的关节，并对关节施加力的作用，当系统没有力反馈信号时，驱动电机断开被驱动关节的连接，减少和降低了关节运动的阻力，使关节的运动更加顺畅。本发明检测关节运动的角度由设置在装置上相应的角度传感器通过相应的数学算法测量，被检测的关节在其运动方向或复杂运动的分解方向上都设置有独立的驱动部件，每一个驱动部件又与被检测的关节上相应的角度传感器配合工作形成闭环控制，以实现力反馈控制并提高其精确性。本发明可以精确、灵敏地检测出相应的手指关节运动的角度和状态，并对被检测的关节具有双向力反馈功能，使用简单，穿戴方便，容易维护，并可极大降低力反馈数据手套的成本。

附图说明

图1是中指力反馈装置的轴测图。。

图2是驱动部件111的结构示意图。

图3是中指力反馈装置的结构示意图。

图4是掌指关节检测驱动机构108的三视图及轴测图。

图5是掌指关节检测驱动机构108的结构示意图。

图6是关节检测驱动机构109的三视图及轴测图。

图7是关节检测驱动机构109的结构示意图。

具体实施方式

本发明主要零部件：

102.手掌基座            60.减速齿轮组      108.掌指关节检测驱动机构

109.关节检测驱动机构    111.驱动部件       9.中指远指节基座

18.角度传感器           20.球头            21.球头扣连杆

22.齿轮箱底座           29.掌指关节基座    40.微型电机

41.离合器摩擦片         42.摩擦片滑杆      43.回位拉簧

44.离合器盖             53.指节基座        58.指节基座

具体实施方式一：如图2所示，所述中指力反馈装置包括驱动部件111，所述驱动部件111包括微型电机40和离合器，所述离合器由离合器摩擦片41、摩擦片滑杆42、回位拉簧43、离合器盖44组成，摩擦片滑杆42与微型电机40的轴固接，两片离合器摩擦片41分别套入摩擦片滑杆42两端，两片离合器摩擦片41之间连接有回位拉簧43，离合器盖44套入微型电机40的轴，离合器盖44与微型电机40的轴之间为滑动接触，离合器盖44上设有传动齿轮。动作实施过程：当微型电机40转速高于一定值时，两片离合器摩擦片41克服回位拉簧43的拉力分别向摩擦片滑杆42的两末端滑动并与离合器盖44的内壁接触，对离合器盖44产生摩擦力，带动离合器盖44转动；当微型电机40转速低于一定值时，两片离合器摩擦片41在回位拉簧43的作用下向轴心方向滑动，与离合器盖44的内壁分离，切断离合器盖44与微型电机40的连接。

具体实施方式二：如图1、图4和图5所示，所述掌指关节检测驱动机构108包括驱动部件111、摇臂27、掌指关节基座29、连杆38、齿轮箱盖50和两个角度传感器18。掌指关节基座29底部(内嵌轴承39)与一个角度传感器18的轴通过螺钉36固接，所述掌指关节基座29可绕底部角度传感器18的轴心转动，所述掌指关节基座29下部外缘设有齿轮59，齿轮59的轴心与掌指关节基座29底部的角度传感器18的轴心重合，另一个角度传感器18通过螺钉35固定在掌指关节基座29的孔座L内，所述角度传感器18的轴与摇臂27(内嵌轴承23)的一端通过螺钉36固接，所述摇臂27上的齿轮轴心与摇臂转动的轴心重合，所述摇臂27的齿轮通过减速齿轮组60的配合与驱动部件111的齿轮啮合，所述驱动部件111安装在掌指关节基座29上，所述摇臂27另一端与连杆38一端通过螺钉24铰接。

具体实施方式三：如图1、图6和图7所示，所述关节检测驱动机构109包括驱动部件111、角度传感器18、摇臂19、齿轮箱盖51、齿轮箱盖52和指节基座53。所述指节基座53设有一个孔座M和一排用于球头20或螺钉24的安装孔Q，所述角度传感器18通过螺钉36固定于指节基座53的孔座M内，所述孔座M内的角度传感器18的轴与摇臂19通过螺钉35固接，所述摇臂19上的齿轮轴心与摇臂转动的轴心重合，所述摇臂19的齿轮通过减速齿轮组60的配合与驱动部件111的齿轮啮合，所述驱动部件111安装在指节基座53上，所述摇臂19另一端固接球头20。

具体实施方式四：如图1、图3所示，所述中指力反馈装置包括与手掌基座102顺序铰接的掌指关节检测驱动机构108、中指近指节部位的关节检测驱动机构109、中指中指节部位的关节检测驱动机构109和中指远指节基座9，每相邻的两个机构铰接处均安装有检测关节动作的角度传感器18及驱动部件111，检测中指各个指节在三维空间中的位置和运动状态，并在驱动部件111的作用下实现力反馈功能。

所述中指近指节部位的关节检测驱动机构109上的指节基座53半包围中指近指节，其包围结合处的横截面为“C”形，开口朝向手掌正面一侧。所述掌指关节检测驱动机构108的连杆38与中指近指节部位的关节检测驱动机构109通过螺钉24铰接于安装孔Q处，所述掌指关节检测驱动机构108底部的角度传感器18固定在手掌基座102的孔座C内，所述掌指关节检测驱动机构108的外缘齿轮59通过减速齿轮组60的配合与安装在手掌基座102上的驱动部件111的齿轮啮合，该驱动机构通过齿轮箱盖55固定。动作实施过程：人手中指的近指节可绕掌指关节(MP)转动，可将其分解为两个方向上的分运动，一个是平行于中指近指节侧面的屈伸运动，另一个是平行于中指近指节背面的外展或内收运动，当操作者中指的掌指关节(MP)做屈伸运动时，依附于中指近指节的关节检测驱动机构109跟随一起运动并通过连杆38带动摇臂27转动，使得孔座L内与摇臂27联动的角度传感器18能测量出操作者中指的掌指关节(MP)屈伸的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则掌指关节检测驱动机构108上的驱动部件111无动作，摇臂27动作不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则掌指关节检测驱动机构108上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂27在其运动方向上施加一个同向或反向的力，同时控制系统再根据孔座L内的角度传感器18检测到的关节角度的变化，运用相应的数学算法持续地输出和修正驱动力的大小，推动或阻碍中指的掌指关节(MP)屈伸运动，实现该关节的力反馈功能；当操作者中指的掌指关节(MP)做外展或内收运动时，在该动作方向上，关节检测驱动机构109与连杆38、摇臂27是刚性连接的，所以关节检测驱动机构109直接带动掌指关节检测驱动机构108绕其底部的角度传感器18的轴心转动，使得孔座C内的角度传感器18能测量出操作者中指的掌指关节(MP)外展或内收的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则手掌基座102上的驱动部件111无动作，掌指关节检测驱动机构108的运动不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则手掌基座102上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对掌指关节检测驱动机构108在其运动方向上施加一个同向或反向的力，同时控制系统再根据孔座C内的角度传感器18检测到的关节角度的变化，运用相应的数学算法持续地输出和修正驱动力的大小，推动或阻碍中指的掌指关节(MP)外展或内收运动，实现该关节的力反馈功能。

所述中指中指节部位的关节检测驱动机构109上的指节基座53半包围中指中指节，其包围结合处的横截面为“C”形，开口朝向手掌正面一侧。所述中指近指节部位的关节检测驱动机构109的摇臂19与中指中指节部位的关节检测驱动机构109的指节基座53通过球头20和球头扣连杆21配合的球形铰链连接。动作实施过程：当操作者中指的近端指间关节(PIP)做屈伸运动时，依附于中指中指节部位的关节检测驱动机构109跟随一起运动，并通过球头扣连杆21带动中指近指节部位的关节检测驱动机构109上的摇臂19转动，使得与摇臂19联动的角度传感器18能测量出操作者中指的近端指间关节(PIP)屈伸的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则中指近指节部位的关节检测驱动机构109上的驱动部件111无动作，操作者中指的中指节可绕中指的近端指间关节(PIP)转动不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则中指近指节部位的关节检测驱动机构109上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂19在其运动方向上施加一个同向或反向的力，同时控制系统再根据与摇臂19联动的角度传感器18检测到的关节角度的变化，运用相应的数学算法持续地输出和修正驱动力的大小，推动或阻碍中指的近端指间关节(PIP)运动，实现该关节的力反馈功能。

所述中指远指节基座9固定于人手中指远指节部位，所述中指远指节基座9的一端为包围中指远指节的柱形，另一端为半球形，整个基座的纵截面为“U”形，开口朝向中指的远端指间关节(DIP)，在该基座位于中指远指节背面的位置设有一摇臂，摇臂垂直于所在的指节背面。所述中指中指节部位的关节检测驱动机构109的摇臂19与中指远指节基座9通过球头20和球头扣连杆21配合的球形铰链连接。动作实施过程：当操作者中指的远端指间关节(DIP)做屈伸运动时，依附于中指远指节上的中指远指节基座9跟随一起运动，并通过球头扣连杆21带动中指中指节部位的关节检测驱动机构109上的摇臂19转动，使得与摇臂19联动的角度传感器18能测量出操作者中指的远端指间关节(DIP)屈伸的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则中指中指节部位的关节检测驱动机构109上的驱动部件111无动作，操作者中指的远指节可绕中指的远端指间关节(DIP)转动不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则中指中指节部位的关节检测驱动机构109上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂19在其运动方向上施加一个同向或反向的力，同时控制系统再根据与摇臂19联动的角度传感器18检测到的关节角度的变化，运用相应的数学算法持续地输出和修正驱动力的大小，推动或阻碍中指的远端指间关节(DIP)运动，实现该关节的力反馈功能。

作为本发明的另一实例，也可以用其他传感器代替角度传感器，同样可以起到检测中指关节运动的角度和状态的目的，实现本发明的目的。

作为本发明的又一实例，也可以让固接有传动齿轮的微型驱动电机代替驱动部件111，直接驱动减速齿轮组60或关节，省去离合器环节，同样可以对关节起到施加力的作用，实现本发明的目的。

在不使本发明的原理受到损害的情况下，上述构成的细节和具体实施方式仅仅是当做例子和图示的东西，它可以不脱离本发明的范围而广泛改变，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种中指力反馈装置，用于与计算机、机械手交互作用的装置，由中指远指节基座(9)，关节检测驱动机构(109)，掌指关节检测驱动机构(108)和手掌基座(102)组成；

其特征在于：

该装置固定在操作者手指上；

中指力反馈装置在检测手指关节运动的角度和状态的同时可根据需要对其施加力的作用实现力反馈控制。

2.根据权利要求1所述的中指力反馈装置，其特征在于：所述驱动部件(111)包括微型电机(40)和离合器，所述离合器由离合器摩擦片(41)、摩擦片滑杆(42)、回位拉簧(43)、离合器盖(44)组成，摩擦片滑杆(42)与微型电机(40)的轴固接，两片离合器摩擦片(41)分别套入摩擦片滑杆(42)两端，两片离合器摩擦片(41)之间连接有回位拉簧(43)，离合器盖(44)套入微型电机(40)的轴，离合器盖(44)与微型电机(40)的轴之间为滑动接触，离合器盖(44)上设有传动齿轮。

3.根据权利要求1所述的中指力反馈装置，其特征在于：所述掌指关节检测驱动机构(108)包括驱动部件(111)、摇臂(27)、掌指关节基座(29)、螺钉(24、35、36)、轴承(23、39)、连杆(38)、齿轮箱盖(50)、齿轮(59)、减速齿轮组(60)和两个角度传感器(18)；掌指关节基座(29)底部内嵌轴承(39)并与一个角度传感器(18)的轴通过螺钉(36)固接，所述掌指关节基座(29)可绕角度传感器(18)的轴心转动，掌指关节基座(29)下部外缘设有齿轮(59)，齿轮(59)的轴心与底部的角度传感器(18)的轴心重合，另一个角度传感器(18)通过螺钉(35)固定于掌指关节基座(29)的孔座(L)内，并与内嵌轴承(23)的摇臂(27)通过螺钉(36)固接，摇臂(27)上的齿轮通过减速齿轮组(60)的配合与驱动部件(111)的齿轮啮合，驱动部件(111)安装在掌指关节基座(29)上，摇臂(27)另一端与连杆(38)通过螺钉(24)铰接。

4.根据权利要求1所述的中指力反馈装置，其特征在于：所述关节检测驱动机构(109)包括驱动部件(111)、减速齿轮组(60)、角度传感器(18)、摇臂(19)、螺钉(35、36)、齿轮箱盖(51、52)和指节基座(53)；所述关节检测驱动机构(109)上的指节基座(53)设有一个孔座(M)和一排用于螺钉(24)的安装孔(Q)，角度传感器(18)通过螺钉(36)固定在指节基座(53)的孔座(M)内并与摇臂(19)通过螺钉(35)固接，摇臂(19)上齿轮的轴心与摇臂转动的轴心重合，摇臂(19)的齿轮通过减速齿轮组(60)的配合与驱动部件(111)的齿轮啮合，驱动部件(111)安装在指节基座(53)上，摇臂(19)另一端固接球头(20)。

5.根据权利要求1所述的中指力反馈装置，其特征在于：关节检测驱动机构(109)上的指节基座(53)分别半包围中指近指节和中指节，其包围结合处的横截面为“C”形，开口朝向手掌正面一侧，掌指关节检测驱动机构(108)的连杆(38)通过螺钉(24)与中指近指节部位的关节检测驱动机构(109)铰接于安装孔(Q)处，掌指关节检测驱动机构(108)底部的角度传感器(18)固定在手掌基座(102)的孔座(C)内，其外缘齿轮(59)通过减速齿轮组(60)的配合与安装在手掌基座(102)上的驱动部件(111)的齿轮啮合，该驱动机构通过齿轮箱盖(55)固定；中指近指节部位的关节检测驱动机构(109)的摇臂(19)通过球头扣连杆(21)与中指中指节部位的关节检测驱动机构(109)安装孔(Q)上的球头(20)铰接；中指远指节基座(9)通过粘合或其他方式固定于手套(101)上所对应的中指远指节部位，中指远指节基座(9)的一端为包围中指远指节的柱形，另一端为半球形，整个基座的纵截面为“U”形，开口朝向中指的远端指间关节(DIP)，在中指远指节基座(9)上位于中指远指节背面的位置设有一摇臂，摇臂垂直于所在的指节背面，中指中指节部位的关节检测驱动机构(109)的摇臂(19)与中指远指节基座(9)通过球头(20)和球头扣连杆(21)配合的球形铰链连接。