CN107422855B - 一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套及制作方法，该球囊型触觉手套包括手套本体，所述手套本体包括指套，掌心和掌背；所述球囊型触觉手套还包括位于手套本体掌心部位的球囊、设于指套和掌背处的若干九轴陀螺传感器、穿过球囊导孔并与手套的指套部位连接的波纹管气囊组件以及套于所述波纹管气囊组件引出端外部的总线束管；所述波纹管气囊组件由腕部引出与外部控制系统相连。本发明可满足虚拟抓取中接触觉和力觉显示的功能需求，提供真实的接触感觉，并可极大地降低触觉手套的体积和成本，且其制作方法简单，从而为触觉通道的人机交互和触觉显示器的广泛应用做出贡献，具有广阔市场前景。

Description

一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套及制作 方法

技术领域

本发明涉及一种触觉手套，尤其是一种通过弹性波纹管线束管的伸张和收缩为虚拟环境中的抓取操作提供夹持力感觉显示的球囊型触觉手套及制作方法。

背景技术

触觉感知是人类与生俱来的一种基本能力，借助触觉通道，人们可以感知接触对象的温度、形状、纹理、质地等信息，并能够通过接触力实现与环境的交互。

显示器则是指通过物理刺激使得皮肤器官产生虚拟接触觉和力感觉的装置；触觉手套是一种用于感知虚拟接触觉和力觉的手套，属于触觉显示器的范畴。

上世纪80年代，随着计算机技术的快速发展，人类在视觉和听觉领域二百多年的研究探索率先获得了突破性进展并取得了丰硕成果，目前，视觉听觉显示器在应用层面已经能够以极低廉的价格为人们提供近乎完美的高保真视听觉感受。

触觉通道的开发利用虽然与视觉通道同时起步，然而时至今日，目前尚无可市售的廉价触觉显示器产品。专业定制的可提供接触感觉的触觉显示器价格通常高达十数万元，如MIT研制的电触觉显示器，该显示器由行列式排列的电极构成触觉显示阵列，将触觉显示阵列置于舌头之上时，电极流过的电流可以产生电接触感觉，电触觉显示器目前已能够为完全视盲的人群恢复部分视力，我国山西眼球被挖的儿童即借助MIT电触觉显示器实现了一定程度的视力恢复，在国外，电触觉甚至可以达到在开阔地带辅助驾驶的水平，此外，西班牙NeuroDigital公司也于2015年研制了一种基于振动刺激的gloveone触觉手套，该手套在手掌和指尖分布有10个制动器，可以将触感转换为震动，并通过频率和强度的差异还原真实的触感，gloveone实施之后有望达到平民化的价格，但该手套不能提供真实的夹持力，其基于振动强度的触感与真实的触感之间尚有较大差距，除电刺激触觉和振动触觉外，可用于提供接触感觉显示的物理刺激还包括顶针刺激、振动刺激、气动刺激、射流刺激和声波刺激等；用于虚拟抓取的力感觉显示装置包括手臂力感觉显示装置和指爪力感觉显示装置，用于手臂力感觉显示的装置主要包括PhantoM、Per-Force Hand Controller、Exos Arm Master等，用于指爪力感觉显示的装置主要包括Cybergrasp、CMU ExoskeletonHand、Rutgers Master、LRP Hand Master和Sensor Glove II等。与提供接触觉的显示器相比，能够提供力感觉的显示器极其昂贵，力觉显示器价格通常高达数十万元。现有的触觉显示器就其技术方案来看短期内尚无广泛应用的可能。

总体来说，现有的触觉显示器存在技术复杂、价格昂贵以及触感不真实的缺陷。

发明内容

发明目的：针对上述现有触觉手套存在的结构复杂、价格昂贵、触感不真实等不足，提供一种结构简单、成本低廉以及具有接触觉和力觉显示的可提供加持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套及制作方法。

技术方案：本发明的一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套，该球囊型触觉手套包括手套本体，所述手套本体包括指套，掌心和掌背；

所述球囊型触觉手套还包括位于手套本体掌心部位的球囊、设于指套和掌背处的若干九轴陀螺传感器、穿过球囊导孔并与手套的指套部位连接的波纹管气囊组件以及套于所述波纹管气囊组件引出端外部的总线束管；所述波纹管气囊组件由腕部引出，所述九轴陀螺传感器的引出线与波纹管气囊组件的引出线均与外部控制系统相连。

其中，所述球囊为中空并带有按压帽导孔和波纹管线束管出孔的球状体，该球囊与手套本体的掌心部位粘接在一起；防止抓取时球囊移动引起波纹管气囊组件的不稳定，造成抓取目标不准确。

优选的，所述手套本体的指套为四个，包括拇指指套、食指指套、中指指套和无名指指套；沿手掌向拇指末端的方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；沿手掌向食指末端的方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；中指指套、无名指指套以及掌背上分别设置有一个九轴陀螺传感器；九轴陀螺传感器是根据人体手指的生理特点进行设置的，拇指，食指，中指和无名指比较灵敏，可以较准确和灵活的抓取目标。

进一步的，所述拇指指套的末节指端设有第一九轴陀螺传感器，拇指指套的基节设有第二九轴陀螺传感器，拇指指套的掌骨处设有第三九轴陀螺传感器；所述食指指套的末节指端设有第四九轴陀螺传感器，食指指套的第二指节设有第五九轴陀螺传感器，食指指套的第一指节设有第六九轴陀螺传感器；所述中指指套的末节指端设有第八九轴陀螺传感器；所述无名指指套的末节指端设有第九九轴陀螺传感器；所述掌背处设有第七九轴陀螺传感器；所述拇指指套、食指指套、中指指套和无名指指套的末节指端分别连接有穿过球囊导孔并与外部控制系统连接的第一波纹管气囊组件，第二波纹管气囊组件，第三波纹管气囊组件和第四波纹管气囊组件。

进一步的，所述波纹管气囊组件包括按压帽，上端部伸入所述按压帽的波纹管气囊，罩于所述按压帽和波纹管气囊下端部的按压帽导管，一端与所述波纹管气囊连接的波纹管连接管，与所述波纹管连接管另一端连接的波纹管线束，与波纹管线束连接的波纹管活塞推杆以及套设于波纹管线束外部的波纹管线束管；所述波纹管连接管与波纹管气囊和波纹管线束连接处分别设有带中心孔的第一固定塞和第二固定塞。该第一固定塞和第二固定塞可以防止波纹管连接管与波纹管气囊和波纹管线束连接处漏气，使其具有完全气密性。

优选的，所述波纹管连接管为无弹性管，防止抓取时波纹管气囊里的气体使其变形，进而影响波纹管活塞推杆的移动，影响抓取的准确度；所述波纹管线束管为弹性管，可以根据波纹管气囊里的气体移动而伸长并外推波纹管活塞推杆，保证抓取的准确度。

一种制作所述可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的方法，包括以下步骤：

(1)缝制具有若干指套、掌心和掌背的手套本体；

(2)制作带有多个按压帽导孔和波纹管线束管出孔的中空球囊；

(3)制作波纹管气囊组件；

(4)将波纹管气囊组件安装在所述球囊的对应孔中，并固定；

(5)在波纹管气囊组件的端部盖上按压帽，并将波纹管线束的端部和活塞推杆固定在一起；

(6)在手套本体的若干指套关节位置上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(7)将所述九轴陀螺传感器的数据线束引出，并将活塞推杆和外部驱动机构联接，以接受来自虚拟现实系统的交互控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套，利用掌心部位设置球囊，并在球囊内设置有多路可按压并可由推杆限位的波纹管气囊，另外，各指套上还设置有九轴陀螺传感器以精确感知各个指骨的实时三轴转角，由于指骨长度为定值，所以触觉手套指端的精确坐标可由指骨长度和三轴转角数据进行解析得到。因此，本发明可满足虚拟抓取中接触觉和力觉显示的功能需求，提供真实的接触感觉，并具有较好的实时性，同时可极大地降低触觉手套的体积和成本；从而为触觉通道的人机交互和触觉显示器的广泛应用做出贡献。

附图说明

图1为本发明一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的穿戴示意图。

图2为本发明一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的结构示意图。

图3为本发明一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的波纹管气囊组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套可以像普通手套一样穿戴在手上，其穿戴示意图如图1所示。手套本体1穿戴在手上，球囊2位于手套本体的掌心部位，并与掌心粘接在一起，波纹管气囊组件3穿过球囊与手套本体相连，其引出端由腕部引出与外部控制系统连接，该手套本体上设有九轴陀螺传感器4。

如图2所示，该球囊型触觉手套示意图为四指结构手套结构示意图。其中，手套本体包括拇指指套11，食指指套12，中指指套13，无名指指套14，掌心15和掌背16；球囊为中空的带有四个按压帽导孔和四个波纹管线束管出孔的球状体；波纹管气囊组件有四组，分别穿过球囊与各个指套连接，总线束管5套于四组波纹管气囊组件引出端的外部；

所述拇指指套上沿手掌向拇指末端方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；食指指套上沿手掌向食指末端的方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；中指指套、无名指指套以及掌背上分别设置有一个九轴陀螺传感器。

其中，拇指指套的末节指端设置有第一九轴陀螺传感器，基节设置有第二九轴陀螺传感器，掌骨处设置有第三九轴陀螺传感器；食指指套的末节指端设置有第四九轴陀螺传感器，第二指节设置有第五九轴陀螺传感器，第一指节设置有第六九轴陀螺传感器；中指的末节指端设置有第七九轴陀螺传感器；无名指的末节指端设置有第八九轴陀螺传感器；掌背处设置有第九九轴陀螺传感器；所述九轴陀螺传感器的引出线与外部控制系统相连。

其中，第一波纹管气囊组件穿过球囊的第一按压帽导孔和第一波纹管线束管出孔与拇指指套的末节指端相连；第二波纹管气囊组件穿过球囊的第二按压帽导孔和第二波纹管线束管出孔与食指指套的末节指端相连；第三波纹管气囊组件穿过球囊的第三按压帽导孔和第三波纹管线束管出孔与中指末节指端相连；第四波纹管气囊组件穿过球囊的第四按压帽导孔和第四波纹管线束管出孔与无名指末节指端相连。所述第一波纹管气囊组件至第四波纹管气囊组件的引出端外部套有总线束管，由腕部引出。

波纹管气囊组件的结构示意图如图3所示，其中，按压帽301罩于波纹管气囊302的上端部，按压帽和波纹管气囊作为一个整体嵌于按压帽导管303中；波纹管气囊的下端与波纹管连接管304相连，波纹管连接管的另一端与波纹管线束305相连，波纹管线束的另一端与波纹管活塞推杆306相连，波纹管活塞推杆与外部控制系统相连，波纹管线束的外部套有波纹管线束管307。

所述波纹管气囊与波纹管连接管的连接处设有带中心孔的第一固定塞308，该第一固定塞位于按压帽导管的底部用以支撑波纹管气囊，波纹管连接管通过固定塞的中心孔与波纹管气囊相连。

所述波纹管连接管与波纹管线束连接处设有带中心孔的第二固定塞309，该第二固定塞位于波纹管线束管的端部，用以固定和支撑波纹管线束管内的波纹管线束，波纹管连接管通过第二固定塞的中心孔与波纹管线束相连。

波纹管气囊和波纹管线束管之间通过波纹管连接管连接和相通，并具有完全气密性，波纹管连接管的管壁为无弹性管，波纹管线束管的管壁为弹性管。

一种制作所述可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的方法，包括以下步骤：

(1)缝制具有若干指套、掌心和掌背的手套本体；

(2)制作带有多个按压帽导孔和波纹管线束管出孔的中空球囊；

(3)制作波纹管气囊组件；

(4)将波纹管气囊组件安装在所述球囊的对应孔中，并固定；

(5)在波纹管气囊组件的端部盖上按压帽，并将波纹管线束的端部和活塞推杆固定在一起；

(6)在手套本体的若干指套关节位置上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(7)将所述九轴陀螺传感器的数据线束引出，并将活塞推杆和外部驱动机构联接，以接受来自虚拟现实系统的交互控制。

在虚拟目标抓取中，通过指套按压按压帽时，波纹管气囊内的气体将通过波纹管连接管进入波纹管线束管，导致波纹管线束管伸长并外推波纹管活塞推杆，当波纹管活塞推杆因为外部系统控制不能外推时，按压按压帽的动作将不能继续压下，手套本体的指套将产生触碰到障碍不能自由抓握的感觉，此时，操作者将由于手套本体所受到的反作用力获得抓取操作的夹持力感觉；而当波纹管活塞推杆受系统控制推入波纹管线束管使得波纹管线束收缩时，其内的气体将进入波纹管气囊抬升按压帽，使操作者能够被动地感受到虚拟对象形态的变化。

在虚拟环境中，当操作者通过手套本体抓取虚拟目标时，虚拟目标被投射到现实空间中，在任一确定的时刻，其几何外形尺寸及空间位置是已知的，手套本体是否触碰到虚拟目标取决于手套本体外周与虚拟目标轮廓在空间位置上是否发生干涉，因此需要实时计算手套本体各指爪的空间位置。由于分布于手套各指爪上的九轴陀螺传感器可实时采集各指爪的三轴角度，而指骨长度亦为固定值，当两者数值均为已知时，可据此实时求解计算得到手套本体的指爪的空间位置，据此可进一步分析得到手套本体与虚拟环境中目标对象之间的相互关系，并对是否发生触碰和运动干涉等进行实时判断，当发生空间干涉时，可通过控制系统控制波纹管活塞推杆的位置，进而限制手套本体指爪端部相对于掌心的极坐标自由度，使得空间干涉不再继续，从而借助触觉手套的反作用力使操作者获得虚拟抓取的夹持力感觉。

本发明为原创性、具有自主知识产权的波纹管式球囊型触觉手套，可克服现有触觉手套存在的结构复杂、价格昂贵、触感不真实等不足，从而为虚拟环境中的抓取操作提供一种结构简单、成本低廉且可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。

Claims (2)

1.一种可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套，其特征在于，该球囊型触觉手套包括手套本体，所述手套本体包括指套，掌心和掌背；

所述球囊型触觉手套还包括位于手套本体掌心部位的球囊、设于指套和掌背处的若干九轴陀螺传感器、穿过球囊导孔并与手套的指套部位连接的波纹管气囊组件以及套于所述波纹管气囊组件引出端外部的总线束管；所述波纹管气囊组件由腕部引出，所述九轴陀螺传感器的引出线与波纹管气囊组件的引出线均与外部控制系统相连；

所述球囊为中空并带有按压帽导孔和波纹管线束管出孔的球状体，该球囊与手套本体的掌心部位粘接在一起；

所述波纹管气囊组件包括按压帽，上端部伸入所述按压帽的波纹管气囊，罩于所述按压帽和波纹管气囊下端部的按压帽导管，一端与所述波纹管气囊连接的波纹管连接管，与所述波纹管连接管另一端连接的波纹管线束，与波纹管线束连接的波纹管活塞推杆以及套设于波纹管线束外部的波纹管线束管；

所述波纹管连接管与波纹管气囊和波纹管线束连接处分别设有带中心孔的第一固定塞和第二固定塞；

所述波纹管连接管为无弹性管，所述波纹管线束管为弹性管；

所述手套本体的指套为四个，包括拇指指套、食指指套、中指指套和无名指指套；

沿手掌向拇指末端的方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；

沿手掌向食指末端的方向，依次设置有三个九轴陀螺传感器；

中指指套、无名指指套以及掌背上分别设置有一个九轴陀螺传感器；

所述拇指指套的末节指端设有第一九轴陀螺传感器，拇指指套的基节设有第二九轴陀螺传感器，拇指指套的掌骨处设有第三九轴陀螺传感器；

所述食指指套的末节指端设有第四九轴陀螺传感器，食指指套的第二指节设有第五九轴陀螺传感器，食指指套的第一指节设有第六九轴陀螺传感器；

所述中指指套的末节指端设有第八九轴陀螺传感器；

所述无名指指套的末节指端设有第九九轴陀螺传感器；

所述掌背处设有第七九轴陀螺传感器；

所述拇指指套、食指指套、中指指套和无名指指套的末节指端分别连接有穿过球囊导孔并与外部控制系统连接的第一波纹管气囊组件，第二波纹管气囊组件，第三波纹管气囊组件和第四波纹管气囊组件。

2.一种制作权利要求1所述可提供夹持力感觉的波纹管式球囊型触觉手套的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)缝制具有若干指套、掌心和掌背的手套本体；

(2)制作带有多个按压帽导孔和波纹管线束管出孔的中空球囊；

(3)制作波纹管气囊组件；

(4)将波纹管气囊组件安装在所述球囊的对应孔中，并固定；

(5)在波纹管气囊组件的端部盖上按压帽，并将波纹管线束的端部和活塞推杆固定在一起；

(6)在手套本体的若干指套关节位置上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(7)将所述九轴陀螺传感器的数据线束引出，并将活塞推杆和外部驱动机构联接，以接受来自虚拟现实系统的交互控制。

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