CN106249884A - 一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，包括：触力觉反馈手套装置与触力觉控制系统；其中：所述触力觉控制系统包括：主控制模块、触觉反馈模块、力反馈模块与AD转换模块；所述AD转换模块对设置在所述触力觉反馈手套装置上的传感器采集到指力数据进行模数转换；所述主控制模块根据转换后的指力数据，控制所述力反馈模块中的气缸开闭从而产生力反馈，并根据转换后的指力数据，控制所述触觉反馈模块中的隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈；所述触力觉反馈手套装置根据力反馈模块中活塞运动产生的力反馈，以及触觉反馈模块中安装在手套上的气囊产生的触觉反馈进行运动。其具有安全、轻便、低成本的优点。

Description

一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置

技术领域

本发明涉及触、力觉人机交互技术领域，尤其涉及一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置。

背景技术

虚拟现实技术的出现改变了人类与计算机的交互方式。VR头盔，如Oculus Rift允许使用者利用视觉体验用户所期望的虚拟环境。除了视觉和听觉，研究者开始意识到，采用更自然的交互方式可以更好的理解信息。为了提高虚拟世界中交互的沉浸感，触力觉交互装置允许人类以一个更加直观的方式去触碰和操作虚拟物体，可以说触力觉交互打破了虚拟和现实之间的界限。

在众多可以为人身体各个部位提供触力觉反馈的设备中，触力觉手套是最重要，也是最有用的。因为人类的手在感知和操作任务中扮演了很重要的角色，并且触力觉手套在抓取物体时可以给人更直观自然的触力觉感受。和视觉、听觉相比，触力觉反馈技术在手套中的应用还没有被很好的研究。

在过去的几十年中，发明了很多触力觉手套。一个非常著名的商业手套是由Immersion Corp公司发明的CyberGrasp。它是由5个独立电机驱动的提供指尖力反馈的手套，但是手掌无法感受到力，并且它整体重量较沉，长时间使用会产生疲劳。除了利用电机驱动以外，还研究了很多驱动方式，如气压驱动。针对气压操作系统有很多的研究，德国Festo气动公司成功研制直接传动的气压驱动手套，它利用传统的双作用气缸和压电阀，并且利用压缩空气来驱动装置。Rutgers大学发明了Rutgers Master II-ND，它可以提供最大16N的连续力，气流用伺服阀控制，但是这套驱动装置限制了手指运动的范围。这些气压装置都需要较贵的伺服阀或者压电阀，并且利用压缩空气驱动使整个装置不够安全，便携性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其具有安全、轻便、低成本的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，包括：触力觉反馈手套装置与触力觉控制系统；其中：

所述触力觉控制系统包括：主控制模块、触觉反馈模块、力反馈模块与AD转换模块；所述AD转换模块对设置在所述触力觉反馈手套装置上的传感器采集到指力数据进行模数转换；所述主控制模块根据转换后的指力数据，控制所述力反馈模块中的气缸开闭从而产生力反馈，并根据转换后的指力数据，控制所述触觉反馈模块中的隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈；

所述触力觉反馈手套装置根据力反馈模块产生的力反馈，以及触觉反馈模块产生的触觉反馈进行运动。

所述触力觉反馈手套装置为外骨骼形式，能够与任一个手指或多个手指相配合；

当与食指、中值或者无名指相配合时，其具有与手指各关节相对应的且依次连接的三个驱动杆，以及三个连杆；所述三个连杆的一端固定在中间驱动杆的下方位置处，第一连杆与第二连杆的另一端分别对应的固定在最外侧与最内侧驱动杆上，第三连杆的另一端与气缸连接。

所述触力觉反馈手套装置满足3个弯曲自由度和1个外展自由度；

其中，满足3个弯曲自由度表示为：F＝3n-2P_l-P_h＝3×7-2×9＝3；，式中，n为触力觉反馈手套装置中构件以及与其活动相关构件的总数量，p_l代表低副的个数，p_h代表高副的个数；

第一连杆与第二连杆满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_4+l_5>\max \left(l_{ED}\right)\\ |l_4-l_5|<\min \left(l_{ED}\right)\end{array}\right.$

其中，l₄、l₅分别为第一连杆与第二连杆的长度；假设第一连杆另一端在最外侧驱动杆上的固定点为E，第二连杆另一端在最内侧驱动杆上的固定点为D，则触力觉反馈手套装置在伸展状态下固定点E与固定点D的最大距离为max(l_ED)，触力觉反馈手套装置在弯曲状态下固定点E与固定点D的最小距离为min(l_ED)。

所述触力觉控制系统还包括：用于显示当前力大小的LED灯，以及用于控制所述触力觉反馈手套装置开合的PWM伺服控制回路。

所述力反馈模块包括：气缸、气管及转换元件，其中，所述气缸设置在一固定板上，该固定板用于固定在操纵者的手背上；所述转换元件为设置在气缸入口处与出口处的气密性元件；

所述触觉反馈模块包括：隔膜泵、气囊、气管及转换元件；所述转换元件为设置在隔膜泵入口处与出口处的气密性元件；所述隔膜泵通过气管与气囊连接；

主控制模块包括：依次连接的处理器、放大电路以及三个零压电磁阀；其中，两个零压电磁阀分别通过气管连接气缸的两个端口，通过控制气缸的开闭来产生力反馈，另一个零压电磁阀与隔膜泵相连，通过控制隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈。

所述触力觉控制系统的工作过程如下：

安装在触力觉反馈手套装置的传感器为弯曲传感器，其通过生成模拟信号测量触力觉反馈手套装置中驱动杆的弯曲量；

所述弯曲传感器采集到的指力数据经过AD转换模块进行模数转换后，通过计算机将相应的数字量传输给主控制模块；

所述主控制模块接收到相应的数字量后，通过处理器转换成PWM波，再经由放大电路进行放大处理后输出给三个电磁阀，由三个电磁阀来相应的控制气缸与隔膜泵；所述触力觉反馈手套装置，根据力反馈模块中气缸活塞运动产生的力反馈，以及触觉反馈模块中隔膜泵向气囊充气产生的触觉反馈进行运动；

同时，所述PWM波还输出给PWM LED回路，从而通过LED灯显示当前力大小；以及，输出给PWM伺服控制回路，以控制触力觉反馈手套装置的开合动作。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，(1)采用气缸直接驱动的方式，增加了装置的紧凑性与便携性；(2)人手被动受力，与主动受力不同，在装置失控或者突发意外状况时不易发生危险，安全性高；(3)人手活动范围自由，不受机械结构的约束，可以达到自然运动的要求；(4)采用隔膜泵，安全性高；(5)成本低，适合普通人使用，不局限于研究机构；(6)维修简单、不易引起火花和起火的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的触力觉反馈手套装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的固定点E与固定点D的距离最大与最小时的示意图；

图4为本发明实施例提供的触力觉控制系统的数据处理示意图；

图5为本发明实施例提供的处理器引脚连接示意图；

图6为本发明实施例提供的PWM波控制流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，如图1所示，其主要包括：触力觉反馈手套装置与触力觉控制系统；其中：

所述触力觉控制系统包括：主控制模块、触觉反馈模块、力反馈模块与AD转换模块；所述AD转换模块对设置在所述触力觉反馈手套装置上的传感器采集到指力数据进行模数转换；所述主控制模块根据转换后的指力数据，控制所述力反馈模块中的气缸开闭从而产生力反馈，并根据转换后的指力数据，控制所述触觉反馈模块中的隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈；

所述触力觉反馈手套装置根据力反馈模块产生的力反馈，以及触觉反馈模块产生的触觉反馈进行运动。具体的，所述触力觉反馈手套装置根据力反馈模块中活塞运动产生的力反馈，以及触觉反馈模块中安装在手套上的气囊产生的触觉反馈进行运动。

本领域技术人员可以理解，指力与触摸力存在一定的对应关系，本发明实施例中的主控制模块可以根据指力数据所在的区间范围，来控制隔膜泵向气囊充气的程度，从而控制触摸力大小。

本发明实施例中，所述触力觉反馈手套装置为外骨骼形式，能够与任一个手指或多个手指相配合。触力觉反馈手套装置为方便操作者穿戴，要求操作者将机械装置安装在手指上后，可以进行弯曲、伸展等动作，不对操作者手的自由活动造成干扰，并且基于装置轻便的要求，触力觉反馈手套装置要尽可能简单，材料选用要尽可能轻便，在本发明实施例中可以选用加工难度小、加工周期短的碳纤维。

由生理学知识可知，手指有4个自由度，包括3个弯曲自由度和1个外展自由度。

当与食指、中值或者无名指相配合时，触力觉反馈手套装置的示意图可参见图2。图2中的连杆1～3为驱动杆，与手指各关节相对应的且依次连接，A、B、C对应手指的关节。在无外界力限制运动时，系统被操作者食指肌肉伸展所提供的力矩驱动。利用手指自身特点的设计，可以避免在机构设计中引入过多的连杆机构，从而尽可能减少连杆之间产生的干涉，达到操作者手指可以自由运动的要求。另外的三连杆4～6是力传递部分，三个连杆的一端固定在中间驱动杆的下方位置处(即F位置处)，第一连杆(即图2中的连杆4)与第二连杆(即图2中的连杆5)的另一端分别对应的固定在最外侧与最内侧驱动杆(即图2中的连杆3与连杆1)上，第三连杆(即图2中的连杆6)的另一端与气缸中的活塞连接。在模拟抓取物体的时候，滑块7(即气缸的活塞)会产生阻抗力，这部分力会通过连杆6和4传递到操作者的指尖。在达到与关节力平衡的状态时，关节的运动会被阻碍以此产生一种抓持物体的感觉。连杆5只是因为装置自由度的限制而充当了连接杆。

该触力觉反馈手套装置的自由度为：F＝3n-2P_l-P_h＝3×7-2×9＝3，即满足手指的3个弯曲自由度，其中，n为触力觉反馈手套装置中构件以及与其活动相关构件的总数量(如图2中的连杆1～6为触力觉反馈手套装置中构件，气缸中的活塞7为与其活动相关构件，其总数量n＝7)，p_l代表低副的个数，p_h代表高副的个数。另外，各个连杆的长度可以根据操作者的各个手指长度来适应性的调整，并通过不断调整参数使手指运动更接近真实的运动状态。

此外，由于手指的运动范围被很多因素影响，其中连杆4和连杆5起了很大的作用。为了使手指达到自然运动的状态，需要满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_4+l_5>\max \left(l_{ED}\right)\\ |l_4-l_5|<\min \left(l_{ED}\right)\end{array}\right.$

其中，l₄、l₅分别为第一连杆与第二连杆的长度。假设第一连杆另一端在最外侧驱动杆上的固定点为E，第二连杆另一端在最内侧驱动杆上的固定点为D，如图3a所示，触力觉反馈手套装置在伸展状态下固定点E与固定点D的最大距离为max(l_ED)；如图3b所示，触力觉反馈手套装置在弯曲状态下固定点E与固定点D的最小距离为min(l_ED)。

本发明实施例中，所述触力觉控制系统还包括：用于显示当前力大小的LED灯，以及用于控制所述触力觉反馈手套装置开合的PWM(脉冲宽度调制)伺服控制回路。

为了便于理解，下面针对触力觉控制系统所包含的各个模块做详细的说明。

本发明实施例中，所述力反馈模块包括：气缸、气管及转换元件，其中，所述气缸设置在一固定板上，该固定板用于固定在操纵者的手背上；所述转换元件为设置在气缸入口处与出口处的气密性元件。

示例性的，所述气缸可以为CDJ2B16-45型号，因为力反馈的性能和幅值在很大程度上取决于气缸的内径和密封性，经过试验16×45mm的气缸在密闭条件下所能阻碍最大的连续力为9N，满足食指的运动要求；所述气管可以为直径为4mm的聚合物元件；所述转换元件可以为入口端为8mm出口端为4mm的元件。

本发明实施例中，所述触觉反馈模块包括：隔膜泵、气囊、气管及转换元件；所述转换元件为设置在隔膜泵入口处与出口处的气密性元件；所述隔膜泵通过气管与气囊连接。

示例性的，所述隔膜泵可以为工作电压50Kpa，工作电压12V的气泵，避免使用压缩空气泵所带来的噪声，降低成本，提高安全性；所述气管可以为直径为4mm的聚合物元件；所述转换元件可以为入口端为8mm出口端为4mm的元件。所述气囊需要尽可能的小并且对细微的压力变化很敏感。

本发明实施例中，主控制模块包括：依次连接的处理器、放大电路以及三个零压电磁阀；其中，两个零压电磁阀分别通过气管连接气缸的两个端口，通过控制气缸的开闭来产生力反馈，另一个零压电磁阀与隔膜泵相连，通过控制隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈。

示例性的，所述处理器可以为ATmega328，采用STK500通信协议，可配置6个PWM管脚，通过USB口直接与电脑相连，和电脑之间的数据传输速率达到9600bps。

本发明实施例中，所述AD转换模块用于将输入的模拟量转换为数字量。

示例性的，所述AD转换模块可以为10位A/D转换器。

本发明实施例中，触力觉控制系统的上述各个模块的数据处理过程如图4所示，处理器引脚连接图如图5所示；具体如下：

安装在触力觉反馈手套装置的传感器包括：弯曲传感器，其通过生成模拟信号测量触力觉反馈手套装置中驱动杆的弯曲量。所述的弯曲传感器采集到的数据即为图4中的编码器数据，其构成了输入回路。如图5所示，所述弯曲传感器通过弯曲传感器输入回路经AD转换模块与处理器的输入引脚A(0)相连。

所述弯曲传感器采集到的指力数据经过AD转换模块进行模数转换。本发明实施例中，AD转换模块将弯曲传感器的模拟量信号分成0～1024以获得合适的分辨率。

所述主控制模块接收到相应的数字量后，通过处理器转换成PWM波，再经由放大电路进行放大处理后输出给三个电磁阀，由三个电磁阀来相应的控制气缸与隔膜泵。

如图4所示，电磁阀A和B与双作用气缸的1、2端口相连，以控制气缸的开闭从而产生力反馈；电磁阀C用来控制隔膜泵向气囊(触觉启动器)充气从而产生触觉反馈。如前所示，由于指力与触摸力存在一定的对应关系，因此，本实施例中不仅可以根据采集到的指力数据来产生力反馈，还可以根据指力数据所在的区间范围，来产生相应大小的触觉反馈。

如图5所示，电磁阀A与处理器的PWM pin(9)间接相连，电磁阀B与处理器的PWMpin(10)间接相连，电磁阀C与处理器的PWM pin(11)间接相连。因为处理器的的电压值5V较小，无法直接驱动电磁阀动作，所以在电磁阀与处理器的之间需要连接驱动电压为12V直流电的MOSFET信号放大电路，从而使电磁阀正常动作。相应的PWM波控制流程图请参见图6。

力反馈与触觉反馈的具体实现过程为：1)力反馈实现过程：电磁阀A、B完全关闭使气缸端口完全被关闭，空气阻塞在气缸中，保持气缸中的压力，阻碍活塞的继续运动，从而使手指无法继续运动；当气缸入口重新打开，空气逸出时活塞可以继续运动，手指恢复正常运动。2)触觉反馈实现过程：当施加的力最大时，电磁阀C完全打开，气囊充满气；当没有施加力时，电磁阀C完全关闭，气囊中没有气。

同时，所述PWM波还通过处理器的PWM pin(3)输出给PWM LED回路，从而通过LED灯显示当前力大小；以及，通过处理器的PWM pin(5)输出给PWM伺服控制回路，以控制触力觉反馈手套装置的开合动作。

另一方面，本发明实施例提供的气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，还包括：底板，其用于布线，使线路美观，干扰小；触力觉反馈手套装置，电磁阀，隔膜泵，控制板等都可以固定在底板上，避免其移动，也方便携带。

本发明上述实施例的优点为：(1)采用气缸直接驱动的方式，增加了装置的紧凑性与便携性；(2)人手被动受力，与主动受力不同，在装置失控或者突发意外状况时不易发生危险，安全性高；(3)人手活动范围自由，不受机械结构的约束，可以达到自然运动的要求；(4)采用隔膜泵，安全性高；(5)成本低，适合普通人使用，不局限于研究机构；(6)维修简单、不易引起火花和起火的危险。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，包括：触力觉反馈手套装置与触力觉控制系统；其中：

所述触力觉控制系统包括：主控制模块、触觉反馈模块、力反馈模块与AD转换模块；所述AD转换模块对设置在所述触力觉反馈手套装置上的传感器采集到指力数据进行模数转换；所述主控制模块根据转换后的指力数据，控制所述力反馈模块中的气缸开闭从而产生力反馈，并根据转换后的指力数据，控制所述触觉反馈模块中的隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈；

所述触力觉反馈手套装置根据力反馈模块产生的力反馈，以及触觉反馈模块产生的触觉反馈进行运动。

2.根据权利要求1所述的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，所述触力觉反馈手套装置为外骨骼形式，能够与任一个手指或多个手指相配合；

当与食指、中值或者无名指相配合时，其具有与手指各关节相对应的且依次连接的三个驱动杆，以及三个连杆；所述三个连杆的一端固定在中间驱动杆的下方位置处，第一连杆与第二连杆的另一端分别对应的固定在最外侧与最内侧驱动杆上，第三连杆的另一端与气缸连接。

3.根据权利要求2所述的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，

所述触力觉反馈手套装置满足3个弯曲自由度和1个外展自由度；

其中，满足3个弯曲自由度表示为：F＝3n-2P_l-P_h＝3×7-2×9＝3；，式中，n为触力觉反馈手套装置中构件以及与其活动相关构件的总数量，p_l代表低副的个数，p_h代表高副的个数；

第一连杆与第二连杆满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_4+l_5>\max \left(l_{ED}\right)\\ |l_4-l_5|<\min \left(l_{ED}\right)\end{array}\right.$

其中，l₄、l₅分别为第一连杆与第二连杆的长度；假设第一连杆另一端在最外侧驱动杆上的固定点为E，第二连杆另一端在最内侧驱动杆上的固定点为D，则触力觉反馈手套装置在伸展状态下固定点E与固定点D的最大距离为max(l_ED)，触力觉反馈手套装置在弯曲状态下固定点E与固定点D的最小距离为min(l_ED)。

4.根据权利要求1所述的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，所述触力觉控制系统还包括：用于显示当前力大小的LED灯，以及用于控制所述触力觉反馈手套装置开合的PWM伺服控制回路。

5.根据权利要求1或4所述的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，

所述力反馈模块包括：气缸、气管及转换元件，其中，所述气缸设置在一固定板上，该固定板用于固定在操纵者的手背上；所述转换元件为设置在气缸入口处与出口处的气密性元件；

所述触觉反馈模块包括：隔膜泵、气囊、气管及转换元件；所述转换元件为设置在隔膜泵入口处与出口处的气密性元件；所述隔膜泵通过气管与气囊连接；

主控制模块包括：依次连接的处理器、放大电路以及三个零压电磁阀；其中，两个零压电磁阀分别通过气管连接气缸的两个端口，通过控制气缸的开闭来产生力反馈，另一个零压电磁阀与隔膜泵相连，通过控制隔膜泵向气囊充气从而产生触觉反馈。

6.根据权利要求5所述的一种气压驱动的力反馈和触觉反馈装置，其特征在于，所述触力觉控制系统的工作过程如下：

安装在触力觉反馈手套装置的传感器为弯曲传感器，其通过生成模拟信号测量触力觉反馈手套装置中驱动杆的弯曲量；

所述弯曲传感器采集到的指力数据经过AD转换模块进行模数转换后，通过计算机将相应的数字量传输给主控制模块；

所述主控制模块接收到相应的数字量后，通过处理器转换成PWM波，再经由放大电路进行放大处理后输出给三个电磁阀，由三个电磁阀来相应的控制气缸与隔膜泵；所述触力觉反馈手套装置，根据力反馈模块中气缸活塞运动产生的力反馈，以及触觉反馈模块中隔膜泵向气囊充气产生的触觉反馈进行运动；

同时，所述PWM波还输出给PWM LED回路，从而通过LED灯显示当前力大小；以及，输出给PWM伺服控制回路，以控制触力觉反馈手套装置的开合动作。