CN108720806B - 一种穿戴式手臂力触觉反馈装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿戴式手臂力触觉反馈装置，包括环形壳体和安装在环形壳体内的一个或多个振动电机；在振动电机和环形壳体的内壁之间，设有气囊，用于调节振动电机和皮肤接触力，所述气囊通过气泵实现充气或者放气；本发明的振动电机位置可调节，振动电机与皮肤间的接触力可调节，能够适应手臂粗细不同的人使用；气压传感器检测气囊内的气压能够定量的反应出振动电机与皮肤间的接触力，确保重复穿戴时振动电机与皮肤间的接触力保持恒定；由于气囊内部各处的气压是一致的而且各个振动电机的大小相同，能够保证各个振动电机与皮肤间接触力的一致性，进一步确保了使用者感知振动信息的准确性；左右壳体的设计便于残疾人独立佩戴使用。

Description

一种穿戴式手臂力触觉反馈装置
技术领域
本发明涉及人机交互设备，尤其涉及一种穿戴式手臂力触觉反馈装置。
背景技术
触觉是人体获取外界信息的一个重要途径，人体全身遍布了大量的触觉感知器，这些感知器能够将感知到的信息传递给大脑，大脑可以综合运用这些信息来控制肢体做出相应的反应。对于缺失手部的残疾人而言，虽然假手在一定程度上重建了他们缺失的肢体，但是由于缺少了手部皮肤的感受器，他们使用假手时无法感知假手与外界环境之间的力触觉信息(包括假手握力、物体在假手上的滑动信息、外界环境作用在假手上的力信息等)，这给他们使用假手带来不便。研究力触觉再现技术和力触觉反馈装置，将假手的状态信息反馈给佩戴者有助于提高残疾人使用假手的效果。机械振动刺激是力触觉反馈装置中常用的一种刺激方式，具有感知舒适性好、响应速度快、可调范围大、平均功耗低等优点。现有的振动式力触觉反馈装置体积较大、不易便携穿戴，不适合残疾人随身使用。同时，现有的振动式力触觉反馈装置触点大多是位置固定不可调节的，触点与皮肤间的压力也不可调节，而振动触点在皮肤上的分布位置、触点与皮肤间的压力都会影响触觉感知的准确性。因此，针对残疾人使用假手时的力触觉反馈需求，研制一种可穿戴、振动触点位置可调、触点与皮肤间压力可调的力触觉反馈装置具有重要的应用价值和实际的紧迫性。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于辅助残疾人士控制假肢，帮助残疾人感知假手抓取物体或其它动作时的相关力触觉信息的力触觉反馈装置。
技术方案：一种穿戴式手臂力触觉反馈装置，包括环形壳体和安装在环形壳体内的一个或多个振动电机；在振动电机和环形壳体的内壁之间，设有气囊，用于调节振动电机和皮肤接触力，所述气囊通过气泵实现充气或者放气；所述气囊上设有柔性导轨，振动电机安装在柔性导轨上，可在柔性导轨的行程范围内滑动。优选的，所述气囊中还设有气压传感器。
进一步优选的，所述环形壳体包括左半壳和右半壳，所述左半壳和右半壳的一侧侧边通过第一关联轴形成转动连接，当左半壳和右半壳转动至扣合状态时，左半壳和右半壳的另一侧侧边通过卡扣固定或者通过连接部件固定扣合；所述连接部件为挂钩和钩槽。
所述环形壳体上设有气泵支架、导气管和进气管，气泵通过气泵支架固定在环形壳体上，进气管设在气囊的底部，导气管的两端分别与气泵和进气管相连接。
所述柔性导轨为凸字型柔性导轨，该凸字型柔性导轨上设有一个或多个凹字型滑块，凸字型柔性导轨设在气囊上，凹字型滑块和凸字型柔性导轨相契合，振动电机设在凹字型滑块上。所述凹字型滑块为短凹字型滑块，各个短凹字型滑块上设有一个振动电机；一种假手握力信息反馈的振动编码同时控制多个振动电机以相同强度进行振动。此外，所述凹字型滑块也可以采取长凹字型滑块，各个长凹字型滑块上设有多个竖向排列的振动电机；一种物体在假手上的滑动信息反馈的振动编码依次控制竖向排列的振动电机进行振动。每个振动电机的振动时间为100-300ms，起振间隔为100-300ms
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、通过柔性导轨使得振动电机的位置可调节，相同的振动刺激可以作用在皮肤的不同位置。2、通过气囊使得振动电机与皮肤间的接触力可调节，能够适应手臂粗细不同的人使用。同时通过气囊中设置的气压传感器检测气囊内的气压能够定量的反应出振动电机与皮肤间的接触力，确保重复穿戴时振动电机与皮肤间的接触力保持恒定，保证了使用者感知振动信息的准确性。3、将振动电机通过柔性导轨连接在气囊上，并向气囊充气来调节振动电机与皮肤间的压力，由于气囊内部各处的气压是一致的而且各个振动电机的大小相同，能够保证各个振动电机与皮肤间接触力的一致性，进一步确保了使用者感知振动信息的准确性。4、左右壳体的设计便于残疾人独立佩戴使用。
附图说明
图1为本发明的一种穿戴式手臂力触觉反馈装置的闭合结构示意图；
图2为图1装置的打开效果图；
图3(a)为穿戴式手臂力触觉反馈装置的主视图；
图3(b)为图3(a)中主视图的A-A剖视图；
图4(a)为穿戴式手臂力触觉反馈装置的俯视图；
图4(b)为图4(a)中附视图的B-B剖视图；
图5是本发明装置的穿戴示意图；
图6是本发明装置的滑动信息振动编码时序图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1、图2、图3(a)-3(b)及图4(a)-4(b)所示，一种穿戴式手臂力触觉反馈装置，包括左半壳1、右半壳2、第一关联轴3、挂钩4、钩槽5、气泵支架6、气泵7、导气管8、气囊9、进气管10、气压传感器11、凸字型柔性导轨12、第一短凹字型滑块13、第二短凹字型滑块14、第三短凹字型滑块15、长凹字型滑块16、第一振动电机17、第二振动电机18、第三振动电机19、第四振动电机20、第五振动电机21、第六振动电机22，挂钩4设在左半壳1上，钩槽5设在右半壳2上，左半壳1和右半壳2的一侧通过第一关联轴3连接，左半壳1和右半壳2合拢时，挂钩4可钩入钩槽5中实现左半壳1和右半壳2合拢时另一侧的连接固定，气泵支架6设在右半壳2上，气泵7通过气泵支架6固定，气囊9设在左半壳1和右半壳2的内侧，气压传感器11设在气囊9的内部，进气管10设在气囊9的底部，导气管8的两端分别与气泵7和进气管10相连接，凸字型柔性导轨12设在气囊9上，第一短凹字型滑块13、第二短凹字型滑块14、第三短凹字型滑块15及长凹字型滑块16均和凸字型柔性导轨12相契合，第一振动电机17设在第一短凹字型滑块13上，第二振动电机18设在第二短凹字型滑块14上，第三振动电机19设在第三短凹字型滑块15上，第四振动电机20、第五振动电机21及第六振动电机22设在长凹字型滑块16上。
进行假手握力信息反馈，一种振动编码为，同时控制第一振动电机17、第二振动电机18、第三振动电机19、第五振动电机21以相同强度进行振动，使使用者获得假手握力信息的感知。
参阅图6，进行物体在假手上的滑动信息反馈，一种振动编码为，依次控制第四振动电机20、第五振动电机21、第六振动电机22进行振动，每个振动电机的振动时间为300ms，起振间隔为200ms，使使用者获得滑动信息的感知。
综上可见，本发明提供的是一种可穿戴、振动触点位置可调、触点与皮肤间压力可调节的力触觉反馈装置。首先，本实施例中的装置外壳分为左半壳和右半壳，左、右半壳通过第一关联轴相连，左半壳上的挂钩可以扣入右半壳的钩槽内起固定连接作用，这使得整个装置可以方便的张、合，使用者单手即可完成穿戴，便于残疾人独立佩戴使用。传统的捆绑带式力触觉反馈装置需要在他人的辅助下通过捆绑才能将其佩戴在使用者的手臂上，不利于佩戴者独立使用。从使用效果上来讲，由于相同的振动刺激作用在皮肤的不同位置时，人们感知到的信息会存在差异，其次，将振动电机放置在皮肤上并产生振动刺激时，若振动电机与皮肤间的接触力不同，则使用者感知到的振动信息会存在较大的差异，而振动电机与皮肤间的接触力与绑带捆绑的松紧程度相关。如果只通过使用者的主观感受来调节振动电机与皮肤间的接触力，调节过程麻烦且缺乏客观依据，重复穿戴使用力触觉反馈设备时无法确保振动电机与皮肤间的接触力保持恒定，不利于使用者准确地感知振动信息。传统的捆绑式振动力触觉反馈装置其振动电机位置大多是固定不可调节的，振动电机与皮肤间的接触力也不可调节，对于不同手臂粗细的使用者，无法保证信息感知的准确性。而本发明首先通过设置柔性导轨，使得使用时可以根据需要将振动电机移动至不同的位置，其次，本装置中设置有气泵和气囊，可以通过气泵向气囊充气来调节振动电机与皮肤间的接触力，调节过程简单方便，同时通过气囊中设置的气压传感器检测气囊内的气压能够定量的反应出振动电机与皮肤间的接触力，确保重复穿戴时振动电机与皮肤间的接触力保持恒定，保证了使用者感知振动信息的准确性。此外，本发明将振动电机通过柔性导轨连接在气囊上，并向气囊充气来调节振动电机与皮肤间的压力，由于气囊内部各处的气压是一致的而且各个振动电机的大小相同，结合压力和压强的关系可知，能够保证各个振动电机与皮肤间接触力的一致性，以此进一步提高使用者感知振动信息的准确性。

Claims (6)

1.一种穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：包括环形壳体，环形壳体的内壁周圈设有气囊(9)，用于调节振动电机和皮肤接触力，所述气囊(9)通过气泵(7)实现充气或者放气；
所述气囊周圈布设有凸字型柔性导轨(12)，该凸字型柔性导轨(12)上设有多个凹字型滑块，所述凹字型滑块和凸字型柔性导轨(12)相契合；所述凸字型柔性导轨(12)可随着气囊(9)的形变进行伸缩；
所述凹字型滑块上安装有振动电机，所述振动电机通过凹字型滑块在柔性导轨的行程范围内滑动；所述凹字型滑块包括长凹字型滑块，其长度沿手臂轴向延伸，长凹字型滑块上设有多个竖向排列的振动电机，用于滑动信息反馈，一种物体在假手上的滑动信息反馈的振动编码依次控制竖向排列的振动电机进行振动；所述凹字型滑块还包括多个短凹字型滑块，各个短凹字型滑块上均安装有一个振动电机，用于假手握力信息反馈，假手握力信息反馈的振动编码同时控制多个振动电机以相同强度进行振动。
2.根据权利要求1所述的穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：所述气囊中设有气压传感器。
3.根据权利要求1所述的穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：所述环形壳体包括左半壳(1)和右半壳(2)，所述左半壳(1)和右半壳(2)的一侧侧边通过第一关联轴(3)形成转动连接，当左半壳(1)和右半壳(2)转动至扣合状态时，左半壳(1)和右半壳(2)的另一侧侧边通过卡扣固定或者通过连接部件固定扣合。
4.根据权利要求3所述的穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：所述连接部件为挂钩(4)和钩槽(5)。
5.根据权利要求1所述的穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：所述环形壳体上设有气泵支架(6)、导气管(8)和进气管(10)，气泵(7)通过气泵支架(6)固定在环形壳体上，进气管(10)设在气囊(9)的底部，导气管(8)的两端分别与气泵(7)和进气管(10)相连接。
6.根据权利要求1所述的穿戴式手臂力触觉反馈装置，其特征在于：每个振动电机的振动时间为100-300ms，起振间隔为100-300ms。
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