CN105291139A - 一种基于霍尔效应的手指动作检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于霍尔效应的手指动作检测装置涉及机器人控制的人机交互装置。本发明的目的是针对现有人机交互接口不能及时、高效、准确的表达人对机器人的控制意识；不能满足人对机器人各关节灵活性的控制要求。提出了一种检测人手关节信息的检测装置。技术关键在于依附于人手上的外骨架的设计，各个关节之间采用巧妙的联接，能够准确、可靠的实时采集手指信息，且能适应不同手的大小，以致可以用于机器人控制领域。使人的大脑充分发挥作用，由人去实现机器人在空间未知环境或任务中难以做到的规划和决策。既发挥了机器人应对恶劣环境的能力，又发挥了人的智能，实现人与机器人之间的有机交互。

Description

一种基于霍尔效应的手指动作检测装置

技术领域

本发明涉及一种实现遥控操作机器人的人机交互装置，特别是涉及一种检测人手手指在三维空间位置及运动状态的外骨架式数据手套。

背景技术

随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在复杂、危险、恶劣环境中的应用，而现有工业机器人又不能很好的应对多变的环境，因而如何使机器人能够灵活、智能的为人类服务，已成为现在机器人研究领域的焦点问题。

机器人有两个发展方向：一、全自主方式工作的机器人，二、遥控操作的机器人。全自主方式工作的机器人一直是科研工作者所追求的目标。然而上世纪八十年代以来对智能机器人的研究表明全自主式智能机器人的应用在今后可以预见的时间内是难以实现的，这是因为几项支撑技术——控制、传感和人工智能等目前还不能满足发展全自主式智能机器人的需要。但是，随着原子能技术、空间技术和海洋技术的迅速发展，迫切需要大量能在危险环境下工作的机器人，因而工作在交互方式下遥控操作的机器人是一种现实可行的选择。工作在交互方式下的遥控机器人是完成远程作业任务的有力手段，所谓交互技术包括人与机器人的交互以及机器人与环境的交互。前者的意义在于由人去完成机器人在空间未知环境或任务中难以做到的规划和决策，后者的意义在于由机器人去完成人所不宜到达或不能到达的空间环境中的作业任务。例如，在原子能利用、空间探测、海洋开发、排险、医疗、军事等领域的应用。

手是人与外界进行接触及意识表达的主要媒介。人与机器人进行交互的传统接口设备无非就是按钮、手柄等，只能是间断性的操作按钮进行简单运动控制的设备，然而作为表达意识的主体——手运动的灵巧性被牺牲了，不能让人脑更好的解放出来，阻碍了人对系统控制意识表达的全面性与灵活性，导致机器人难以在恶劣和危险的环境下迅速完成各种复杂的作业任务。

发明内容

本发明的目的是针对现有人机交互接口不能及时、高效、可靠的表达人对机器人的控制意识；不能满足人对机器人各关节灵活性的要求。提出了一种检测手部动作的外骨架式数据手套，高的检测精度、可靠性、长的使用寿命，且穿戴方便，以致可以用于工程控制领域。本发明的技术关键在于依附于人手上的外骨架的设计，各个关节之间采用巧妙的联接，减小或消除检测机构对人手手指灵活度的影响。

外骨架由掌指关节外壳、关节内回转体、霍尔电路、磁铁、空心轴、定位卡、近节指骨内、近节指骨外、中节指骨内、中节指骨外、远节指骨内、远节指骨外、复位装置及定位销组成。掌指关节手指弯曲角度信息检测原理：将磁铁安装于空心轴内，通过空心轴将近节指骨内和关节内回转体组成相对运动的转动副，手指弯曲运动时带动近节指骨内及空心轴与磁铁相对于安装于关节内回转体的霍尔电路相对转动，进而检测出旋转的角度；手指在手背平面内左右摆动角度信息检测原理：手指左右摆动通过近节指骨内带动关节内回转体左右摆动，从而使得置于关节内回转体上端的磁铁相对于霍尔电路转动，进而获得角度信息；指骨间关节的角度信息检测原理：通过空心轴将近节指骨外与中节指骨外、中节指骨内与远节指骨外组成可以相对运动的转动副，磁铁置于空心轴内，并跟随近节指骨外、中节指骨内绕轴心旋转，使得磁铁相对于置于中节指骨外、远节指骨外的霍尔电路旋转，进而获得角度信息；为了适应不同手指的大小及补偿手指弯曲运动过程中对外骨架手指尺寸需求的变化，该发明中近节指骨内与近节指骨外、中节指骨内与中节指骨外、远节指骨内与远节指骨外之间沿手指轴线方向可以相对滑动，并有复位装置提供回复力。

附图说明

图1是手指动作检测装置的轴测图。

图2是手指动作检测装置沿手指轴线方向的剖视图。

图3是手指动作检测装置的局部剖视图。

具体实施方式

本实发明的关节名称及主要零部件：

1.掌指关节2.指骨间关节

11.霍尔电路12.磁铁13.关节内回转体14.掌指关节外壳15.定位销16.复位装置17.中节指骨外18.远节指骨外19.远节指骨内20.空心轴21.中节指骨内22.近节指骨内23.近节指骨外24.定位卡

所述的外骨架手指动作检测装置由霍尔电路11、磁铁12、关节内回转体13、掌指关节外壳14、定位销15、复位装置16、中节指骨外17、远节指骨外18、远节指骨内19、空心轴20、中节指骨内21、近节指骨内22、近节指骨外23及定位卡24组成。掌指关节1手指弯曲角度信息检测原理：将磁铁12安装于空心轴20内，通过空心轴20将近节指骨内22和关节内回转体13组成相对运动的转动副，手指弯曲运动时带动近节指骨内22及空心轴20与磁铁12相对于安装于关节内回转体13的霍尔电路11相对转动，进而检测出旋转的角度；手指在手背平面内左右摆动角度信息检测原理：手指左右摆动通过近节指骨内22带动关节内回转体13左右摆动，从而使得置于关节内回转体13上端的磁铁12相对于霍尔电路11转动，进而获得角度信息；指骨间关节2的角度信息检测原理：通过空心轴20将近节指骨外23与中节指骨外17、中节指骨内21与远节指骨外18组成可以相对运动的转动副，磁铁12置于空心轴20内，并跟随近节指骨外23、中节指骨内21绕轴心旋转，使得磁铁12相对于置于中节指骨外17、远节指骨外18的霍尔电路11旋转，进而获得角度信息；为了适应不同手指的大小及补偿手指弯曲运动过程中对外骨架手指尺寸需求的变化，该发明中近节指骨内22与近节指骨外23、中节指骨内21与中节指骨外17、远节指骨内19与远节指骨外18之间可以沿手指轴线方向相对滑动，并有复位装置16提供回复力。手指动作检测装置的安装及佩戴方法：将掌指关节外壳14与依附在手背上的外骨架相连，远节指骨内19远指端与人手指相连，手指运动带动与手指关节相对应的外骨架关节的运动，从而引起磁铁12与霍尔电路11之间的相对角位移，获取角度信息。

Claims (4)

1.一种基于霍尔效应的手指动作检测装置，包括掌指关节（1）、指骨间关节（2）、霍尔电路（11）、磁铁（12）、关节内回转体（13）、掌指关节外壳（14）、定位销(15)、复位装置(16)、中节指骨外(17)、远节指骨外(18)、远节指骨内(19)、空心轴(20)、中节指骨内(21)、近节指骨内(22)、近节指骨外(23)、定位卡（24），其特征在于：手指动作检测装置能沿其轴向自动改变长度、霍尔电路（11）与磁铁（12）置于与人手关节相对应的外骨架关节内部。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的手指动作检测装置，其特征在于：所述的掌指关节（1）检测原理是，手指弯曲运动带动近节指骨内（22）以关节内回转体（13）内的空心轴(20)为回转中心做转动运动，并使得空心轴（20）及其内部的磁铁（12）跟随其同步转动，获取磁铁（12）相对于霍尔电路(11)的角位移，手指的左右摆动通过近节指骨内（22）带动关节内回转体（13）在掌指关节外壳（14）内做回转运动，并带动置于关节内回转体（13）上端的磁铁（12）相对于霍尔电路（11）转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的手指动作检测装置，其特征在于：所述的指骨间关节（2）内的磁铁（12）置于空心轴（20）内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的手指动作检测装置，其特征在于：所述的中近节指骨内（22）与近节指骨外（23）之间可以沿手指轴线方向相对滑动，并由复位装置（16）提供回复力。