CN105892622A - 数据手套拇指近端关节检测装置 - Google Patents

Abstract

数据手套拇指近端关节检测装置，它涉及了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

数据手套拇指近端关节检测装置

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数据手套。

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，由拇指掌指节基座、拇指近指节基座和驱动部件组成；该装置通过穿戴的方式固定在操作者手上；拇指掌指节基座固定于人手的拇指掌指节位置，拇指近指节基座固定于人手的拇指近指节部位，拇指掌指节基座和拇指近指节基座通过连杆铰接，铰接处安装有驱动部件；数据手套拇指近端关节检测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装置，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是数据手套拇指近端关节检测装置的轴侧图。

图2是数据手套拇指近端关节检测装置的结构示意图。

图3是驱动部件111的轴测图及结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：图3所示，所述数据手套拇指近端关节检测装置，包括驱动部件111，所述驱动部件111包括电机40和离合装置，所述离合装置由离合装置摩擦片41、摩擦片滑杆42、回位拉簧43、离合装置盖44组成，摩擦片滑杆42与电机40的轴固接，两片离合装置摩擦片41分别套入摩擦片滑杆42两端，两片离合装置摩擦片41之间连接有回位拉簧43，离合装置盖44套入电机40的轴，离合装置盖44与电机40的轴之间为滑动接触，离合装置盖44上设有传动齿轮。动作实施过程：当电机40转速高于一定值时，两片离合装置摩擦片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装置盖44的内壁接触，对离合装置盖44产生摩擦力，带动离合装置盖44转动；当电机40转速低于一定值时，两片离合装置摩擦片41在回位拉簧43的作用下向轴心方向滑动，与离合装置盖44的内壁分离，切断离合装置盖44与电机40的连接。

具体实施方式二：如图1、图2和图3所示，所述拇指近指节基座4固定于人手的拇指近指节部位，拇指近指节基座4半包围拇指近指节，其包围结合处的横截面为“C”形，开口朝向手掌正面一侧，在该基座位于拇指近指节外侧面的位置设有两个孔座H和K，两个孔座的位置分别对应于拇指的掌指关节(MP)和指间关节(DIP)。拇指近指节基座4与拇指掌指节基座5通过摇臂28、连杆26、摇臂27铰接，所述摇臂28(内嵌轴承23)的底部与角度传感器18的轴通过螺钉36固接，所述角度传感器18由齿轮箱底座22及螺钉35固定在拇指近指节基座4的孔座H内，所述摇臂28上的齿轮轴心与摇臂转动的轴心重合，所述摇臂28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安装在拇指近指节基座4上，该驱动机构通过齿轮箱盖47和齿轮箱盖48固定。所述摇臂28与连杆26一端通过螺钉24铰接，所述连杆26另一端与摇臂27通过螺钉24铰接，所述摇臂27(内嵌轴承23)与角度传感器18的轴通过螺钉36固接，所述角度传感器18通过螺钉35固定在拇指掌指节基座5的孔座G内，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安装在拇指掌指节基座5上，该驱动机构通过齿轮箱盖46固定。动作实施过程：人手拇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，一个是平行于拇指近指节侧面的屈伸运动，另一个是平行于拇指近指节背面的外展或内收运动，当操作者拇指的掌指关节(MP)做屈伸运动时，依附于拇指近指节上的拇指近指节基座4跟随一起运动，并通过摇臂28和连杆26带动摇臂27转动，使得孔座G内与摇臂27联动的角度传感器18能测量出操作者拇指的掌指关节(MP)屈伸的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则拇指掌指节基座5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，则拇指掌指节基座5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G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，推动或阻碍拇指的掌指关节(MP)屈伸运动，实现该关节的力反馈功能；当操作者拇指的掌指关节(MP)做外展或内收运动时，在该动作方向上，拇指掌指节基座5与摇臂27、连杆26、摇臂28是刚性连接的，所以依附于拇指近指节上的拇指近指节基座4直接带动孔座H内的角度传感器18转动，使得孔座H内的角度传感器18能测量出操作者拇指的掌指关节(MP)外展或内收的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则拇指近指节基座4上的驱动部件111无动作，摇臂28动作不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则拇指近指节基座4上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂28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H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，推动或阻碍拇指的掌指关节(MP)外展或内收运动，实现该关节的力反馈功能。

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，同样可以起到检测人手拇指近指节运动的角度和状态，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，省去离合装置环节，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 (3)

1.一种数据手套拇指近端关节检测装置，用于与计算机、机械手交互作用的装置，由拇指掌指节基座(5)、拇指近指节基座(4)和驱动部件(111)组成；

其特征在于：

该装置通过穿戴的方式固定在操作者手上；

拇指掌指节基座(5)固定于人手的拇指掌指节位置，拇指近指节基座(4)固定于人手的拇指近指节部位，拇指掌指节基座(5)和拇指近指节基座(4)通过连杆铰接，铰接处安装有驱动部件(111)；

数据手套拇指近端关节检测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所述的数据手套拇指近端关节检测装置，其特征在于：所述驱动部件(111)包括电机(40)和离合装置，所述离合装置由离合装置摩擦片(41)、摩擦片滑杆(42)、回位拉簧(43)、离合装置盖(44)组成，摩擦片滑杆(42)与电机(40)的轴固接，两片离合装置摩擦片(41)分别套入摩擦片滑杆(42)两端，两片离合装置摩擦片(41)之间连接有回位拉簧(43)，离合装置盖(44)套入电机(40)的轴，离合装置盖(44)与电机(40)的轴之间为滑动接触，离合装置盖(44)上设有传动齿轮。

3.根据权利要求1所述的数据手套拇指近端关节检测装置，其特征在于：所述拇指近指节基座(4)固定于人手的拇指近指节部位，且半包围拇指近指节，其包围结合处的横截面为“C”形，开口朝向手掌正面一侧，在该基座位于拇指近指节外侧面的位置设有两个孔座(H、K)，两个孔座的位置分别对应于拇指的掌指关节MP和指间关节DIP，角度传感器(18)由齿轮箱底座(22)及螺钉(35)固定在拇指近指节基座(4)的孔座(H)内，所述角度传感器(18)的轴通过螺钉(36)固接于内嵌轴承(23)的摇臂(28)底部，摇臂(28)上的齿轮通过减速齿轮组(60)的配合与安装在拇指近指节基座(4)上的驱动部件(111)的齿轮啮合，该驱动机构通过齿轮箱盖(47、48)固定，所述摇臂(28)与连杆(26)一端通过螺钉(24)铰接，连杆(26)另一端与摇臂(27)通过螺钉(24)铰接，摇臂(27)内嵌轴承(23)并与角度传感器(18)的轴通过螺钉(36)固接，所述角度传感器(18)固定在拇指掌指节基座(5)的孔座(G)内，所述摇臂(27)上的齿轮通过减速齿轮组(60)的配合与安装在拇指掌指节基座(5)上的驱动部件(111)的齿轮啮合，该驱动机构通过齿轮箱盖(46)固定。