CN109363686A - 手部机械外骨骼设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手部机械外骨骼设备，该手部机械外骨骼设备包括：主体部分，所述主体部分可用于四指，以及手掌的穿戴；拇指机构，所述拇指机构可用于拇指的穿戴；贴合结构，所述贴合结构可贴合在拇指上，所述贴合结构一端与所述主体部分相接,另一端与所述拇指机构相接；弹性机构，所述弹性机构设于所述贴合结构以及所述主体部分之间，可在所述拇指机构运动时产生形变，进而对所述贴合结构施力，使所述贴合结构始终与拇指贴合接触。本发明提供的手部机械外骨骼设置，在拇指机构动作时，使贴合结构受力从而紧贴于拇指上，进而使捕捉到的拇指运动信息与拇指的实际运动信息一致，提高手部机械外骨骼设备对拇指运动信息采集的准确度。

Description

手部机械外骨骼设备
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种手部机械外骨骼设备。
背景技术
在虚拟现实的场景中，常常会用到手部机械外骨骼设备来捕捉人手的运动信息，手部机械外骨骼设备具有与人手的五指相适配的五指机构，穿戴后人的五个手指与手部机械外骨骼穿戴设备的五指机构相对应。当人的手指运动时，手部机械外骨骼设备上相应的传感器便会捕捉人手指的运作角度，实现手部机械外骨骼设备对人手运动信息的捕捉。
实际使用过程中，人的拇指相比于其他四指灵活度更高，活动时容易与手部机械外骨骼设备失去贴合，导致传感器捕捉到的角度信息与拇指的实际动作角度不一致，进而导致手部机械外骨骼设备对拇指的运动信息追踪产生偏差。
发明内容
本发明提供一种手部机械外骨骼设备，旨在解决现有手部机械外骨骼设备使用时容易与拇指失去贴合的问题。
一种手部机械外骨骼设备，包括：主体部分，所述主体部分可用于四指以及手掌的穿戴；拇指机构，所述拇指机构可用于拇指的穿戴；贴合结构，所述贴合结构可贴合在拇指上，所述贴合结构一端与所述主体部分相接,使所述贴合结构可以相对所述主体部分转动；另一端与所述拇指机构相接，使所述拇指机构可以相对所述贴合结构转动；弹性机构，所述弹性机构设于所述贴合结构以及所述主体部分之间，可在所述拇指机构运动时产生形变，进而对所述贴合结构施力，使所述贴合结构始终与拇指贴合接触。
进一步的，所述贴合结构一端通过第一连接机构与所述拇指机构相连，使所述拇指机构相对所述贴合结构具有一个第一旋转自由度；所述贴合结构的另一端通过第二连接机构与所述主体部分相连，使所述贴合结构相对于所述主体部分具有一个第二旋转自由度；所述第一旋转自由度的旋转平面与所述第二旋转自由度的旋转平面呈预定角度设置，使所述手部机械外骨骼设备被穿戴后，拇指可在远离或靠近食指的方向上做张合运动，并可在靠近或远离手掌心的方向上做旋转运动。
进一步的，所述第二连接机构为四连杆机构，包括：第一连杆，所述第一连杆的一端铰接于所述主体部分；第二连杆，所述第二连杆的一端铰接于所述第一连杆的另一端，所述第二连杆的另一端铰接于所述贴合结构；第三连杆，所述第三连杆的一端铰接于所述贴合结构，另一端铰接于所述主体部分；其中，所述第三连杆与所述第二连杆铰接于所述贴合结构的同一点，所述第三连杆与所述第一连杆分别铰接于所述主体部分的不同位置。
进一步的，所述弹性机构为弹簧装置，所述弹簧装置的一端固定在所述第三连杆与所述主体部分的铰接位置，另一端固定在所述第二连杆与所述第一连杆铰接的位置。
进一步的，所述贴合结构上设有可遮挡所述贴合结构的第一甲片，所述第一甲片可随所述贴合结构一起运动；
所述第一连杆上设有可遮挡所述四连杆机构的第二甲片，所述第二甲片随所述第一连杆一起运动；
所述第一甲片设有避空位，以避免对所述第二甲片和所述四连杆机构的运动造成干涉。
进一步的，所述拇指机构包括：第一杆件；第二杆件，所述第二杆件的一端与所述第一杆件的一端铰接；拇指固定结构，所述拇指固定结构设于所述第一杆件的另一端；第一力反馈装置，所述第一力反馈装置可为所述拇指机构的运动提供力反馈调节，其中，所述力第一反馈装置一端与所述第二杆件的另一端相接，所述第一力反馈装置的另一端与所述贴合结构相接。
进一步的，所述第一力反馈装置包括：驱动装置和扭矩输出杆；所述驱动装置包括：机壳，以及设置在所述机壳内的电机和齿轮变速系统；所述机壳与所述贴合结构相接；所述齿轮变速系统的输入轴与所述电机的主轴相接；所述扭矩输出杆的一端与所述齿轮变速系统的输出轴相接，另一端与所述第二杆件相接。
进一步的，所述贴合结构与拇指背侧接触的位置设有软垫。
进一步的，所述贴合结构与所述拇指机构连接处设有第一角度传感器，所述贴合结构与所述主体部分连接处设有第二角度传感器。
进一步的，所述贴合结构与所述主体部分连接处设有第二力反馈装置，以便在所述贴合结构相对与所述主体部分转动时提供力反馈调节。
本发明提供的手部机械外骨骼设置，在贴合结构和主体部分之间设置有弹性机构，使得拇指机构动作时弹性机构可以产生形变，进而对贴合结构施力，使之紧贴于拇指上，从而使捕捉到的拇指运动信息与拇指的实际运动信息一致，提高手部机械外骨骼设备对拇指运动信息采集的准确度。
附图说明
图1为本发明提供的手部机械外骨骼设备的整体结构示意图；
图2为本发明提供的手部机械外骨骼设备M处的局部放大视图；
图3为本发明提供的手部机械外骨骼设备的另一视角的整体结构示意图；
图4为本发明提供的手部机械外骨骼设备N处的局部放大视图；
图5为本发明提供的手部机械外骨骼设备的设有第一甲片和第二甲片的示意图；
图6为本发明提供的手部机械外骨骼设备的拇指机构的整体结构示意图；
图7为本发明提供的手部机械外骨骼设备的第一力反馈装置的结构示意图；
图8为本发明提供的手部机械外骨骼设备的第一力反馈装置的另一视角的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于或安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接或相接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
如图1至图4所示，在本发明提供的实施例中，该手部机械外骨骼设备包括：主体部分1、拇指机构2、贴合结构3，以及弹性机构4。其中，主体部分1包括四指机构11、手掌固定机构12(手掌固定机构12可以是手套或者绑带等)等，可用于四指以及手掌的穿戴，拇指机构2可用于拇指的穿戴；贴合结构3可贴合在拇指上(本实施例中，贴合结构3与拇指根部背侧贴合)，贴合结构3一端与主体部分1相接，使贴合结构3可以相对主体部分1转动；贴合结构3的另一端与拇指机构2相接，使拇指机构2可以相对贴合结构3转动；弹性机构4设于贴合结构3以及主体部分1之间，当拇指机构2运动时，弹性机构4会产生形变，使贴合结构3一直在弹性机构4回复力的作用下贴合在拇指上，从而使捕捉到的拇指运动信息与拇指的实际运动信息一致，提高手部机械外骨骼设备对拇指运动信息采集的准确度。
具体的，如图4所示，在本实施例中，贴合结构3与拇指机构2以及主体部分1的连接具体为：贴合结构3一端通过第一连接机构5与拇指机构2相连，使拇指机构2相对贴合结构3具有一个第一旋转自由度；贴合结构3的另一端通过第二连接机构6与主体部分1相连，使贴合结构3相对于主体部分1具有一个第二旋转自由度；第一旋转自由度的旋转平面与第二旋转自由度的旋转平面不为同一平面，并且呈预定角度设置，使所述手部机械外骨骼设备被穿戴后，拇指可在远离或靠近食指的方向上做张合运动，并可在靠近或远离手掌心的方向上做弯折运动。其中，为了使拇指的动作更顺畅，这个预定角度设置在70度～110度之间，优选的，设置为90度。
如图4所示，在本发明提供的实施例中，贴合结构3与拇指机构2连接处设有第一角度传感器7，贴合结构3与主体部分1连接处设有第二角度传感器8。即在本实施例中，利用第一角度传感器7来监测拇指机构在第一旋转自由度上的转动角度，利用第二角度传感器8来监测拇指机构在第二旋转自由度上的转动角度。
可以理解的，贴合结构3实际上相当于一个用于连接拇指机构2与主体部分1的过渡机构，通过这个过渡机构可以使拇指机构2获得两个自由度，从而提高拇指机构的灵活度，使之更符合正常人拇指的生理特性。当贴合结构3与拇指根部贴合紧密时，角度传感器在这两个自由度上捕捉到的角度信息与拇指的实际动作信息更接近。另外，在本实施例中，贴合结构3为一壳体结构，其具有一与拇指根部适配的下凹结构31(拇指从下凹结构31处穿过与下凹结构31的端面贴合)，使得二者贴合的更紧密。当贴合结构3采用壳体结构时，一些元器件(比如角度传感器等)可以设置在壳体内，使得手部机械外骨骼设备更美观。一些可以理解的，在本发明提供的其他实施例中，贴合结构3也可以是板结构等，本发明在此不做过多限制说明。此外为了使穿戴更舒适，贴合结构3与拇指接触的位置设有软垫，比如硅胶垫等。
如图4所示，第一连接机构5为铰链机构，包括设置在贴合结构3上的基座，设置在拇指机构上的孔位，以及连接二者的销轴。
第二连接机构6为四连杆机构，包括：第一连杆61、第二连杆62和第三连63杆，其中，第一连杆61的一端铰接于主体部分1；第一连杆61的另一端铰接于第二连杆62的一端，第二连杆62的另一端铰接于贴合结构3；第三连杆63的一端铰接于贴合结构3，另一端铰接于主体部分1；其中，第三连杆63与第二连杆62铰接于贴合结构3的同一点，第三连杆63与第一连杆61分别铰接于主体部分1的不同位置。即，相当于四连杆机构具有四个旋转点A、B、C、D，其中A、B两点固定在主体部分1上，C点固定在贴合结构3上，D点悬空设置。与之对应的，第一连杆61铰接在主体部分的A点，第一连杆61与第二连杆62铰接与D点，第二连杆62铰接与贴合结构3的C点，第三连杆63一端铰接与C点，一端铰接与D点。另外如图4所示，第二角度传感器8设置在C点位置，以便监测第二连杆62的转动角度。
如图5所示，在本发明提供的实施例中，贴合结构3上设有可遮挡贴合结构3的第一甲片32，第一甲片32可随贴合结构3一起运动；第一连杆61上设有可遮挡四连杆机构的第二甲片611，第二甲片611可随第一连杆61一起运动；第一甲片32设有避空位321，以避免对第二甲片611和四连杆机构的运动造成干涉。通过第一甲片32和第二甲片611的遮挡不仅可以使产品更加美观，还能对产品起到一定的保护效果。具体的，在本实施例中，第一甲片32和第二甲片611均为遮挡板，其中第一甲片32固定在贴合结构3的上端(在本发明中，设定拇指机构被穿戴后远离手部的一端为上端)，第二甲片611固定在第一连杆的上端，第一甲片上端避空位321为一开口槽。
在本实施例中，弹性机构4为弹簧装置，弹簧装置的一端固定在第三连杆63与主体部分1的铰接位置，另一端固定在第二连杆62与第一连杆61铰接的位置，即弹簧装置一端固定在B点，另一端固定在D点。弹簧装置可以间接对贴合结构3施力，使之与拇指贴合。进一步的，弹簧装置的长度适中，使人手穿戴好手部机械外骨骼设备后便产生形变，这样可以使贴合装置在手部机械外骨骼设备使用过程中一直与拇指贴合。
可以理解的，在本发明提供的其他实施例中，弹簧装置也可以直接与主体部分1以及贴合结构3连接，从而在拇指机构2运动时直接对贴合结构3施力。当然，在这些实施例中，第二连接机构6也可以是三连杆机构、铰链机构等，弹性机构4也可以是扭簧等。
如图6所示，在本发明提供的实施例中，拇指机构2包括：第一杆件21、第二杆件22、拇指固定结构23，以及第一力反馈装置24。其中，在本实施例中，第一杆件21为异形杆，第二杆件22为直杆，第二杆件的22一端与第一杆件21的一端铰接。拇指固定结构23设于第一杆件21的另一端，其可以是指套结构、扎带结构等。第一力反馈装置24一端与第二杆件22的另一端相接，第一力反馈装置24的另一端与贴合结构3相接。通过第一力反馈装置24可为拇指机构的运动提供力反馈调节，即在拇指机构2动作时，向用户施加反作用力，使用户产生把持感，增强用户的体验效果。可以理解的，在本发明提供的其他实施例中，第一力反馈装置24也可以设置在其他能够对拇指机构2施力的位置，比如第一力反馈装置直接设置在主体部分1上，通过相应的连杆机构将力传递至拇指机构2。其具体设置对于本领域人员来说并无难度，故本发明在此不做过多说明。另外，应当理解的，第一杆件21和第二杆件22等杆件的结构样式可以根据实际情况进行调整，比如都采用弧形结构等，本发明在此不做过多限制。
如图7和图8所示，在本发明提供的实施例中，第一力反馈装置24包括：驱动装置和扭矩输出杆；驱动装置包括：机壳241，以及设置在机壳241内的电机242和齿轮变速系统243；机壳241与贴合结构3相接；齿轮变速系统243的输入轴与电机242的主轴相接；扭矩输出杆244的一端与齿轮变速系统243的输出轴相接，另一端与第二杆件22相接。可以理解的，齿轮变速系统243可以是减速系统也可以是加速系统。
可以理解的，为了实现第一力反馈装置24的力反馈调节，还需要控制器对角度传感器的监测信号进行处理，并控制第一力反馈装置24的工作，这个控制装置可以是直接设置在手部机械外骨骼设备上，这时第一力反馈装置24、第一角度传感器7、第二角度传感器8等可与控制器直接连接。当然控制器也可以是与手部机械外骨骼设备分离设置，此时手部机械外骨骼设备可以通过无线通信方式与控制器相接，与之对应的，手部机械外骨骼设备上还设置有无线信号收发装置。
在实际使用过程中，需要捕捉拇指三个自由度的运动信息才能对拇指的运动进行准确判断。这三个自由度主要是拇指远离或靠近食指的方向的自由度(即第一旋转自由度)，靠近或远离手掌心的方向的自由度(即第二旋转自由度)，以及弯曲方向的自由度(即第三旋转自由度，该旋转自由度为上述实施例中第一杆件相对于第二杆件转动的自由度)。故，拇指机构的第一杆件21与第二杆件22铰接处设有第三角度传感器9，用于监测拇指机构在第三旋转自由度上的转动情况。其中作为优选的，如图7所示，第三角度传感器9设置在第一力反馈装置24的齿轮变速系统的输出轴处，以便使拇指机构2更加美观。
在本发明提供的实施例中，贴合结构3与主体部分1连接处设有第二力反馈装置，以便在贴合结构3相对与主体部分1转动时提供力反馈调节，使拇指机构2上增加了一个旋转自由度上的力反馈，从而使拇指机构2的力反馈效果更加真实。第二力反馈装置的具体结构可以设置与第一力反馈装置相同，其可以直接固定在贴合结构3上，比如，当贴合结构3与主体部分1通过四连杆机构连接时，驱动装置直接设置在贴合结构3上，通过扭矩输出杆在第二连杆62与贴合结构3的铰接位置对第二连杆62进行施力。
另外，在本发明提供的实施例中，贴合结构3与拇指机构连接处设有第三力反馈装置，以便在拇指机构2相对于贴合结构3转动时提供力反馈调节，使整个手部外骨骼设备具有更好的力反馈调节功能。其中，第三驱动装置的结构也可以设置的与第一力反馈装置相同，第三力反馈装置可以固定在贴合结构3上，第三力反馈装置的扭矩输出杆可以直接与拇指机构2接触进行施力。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手部机械外骨骼设备，其特征在于包括：
主体部分，所述主体部分可用于四指以及手掌的穿戴；
拇指机构，所述拇指机构可用于拇指的穿戴；
贴合结构，所述贴合结构可贴合在拇指上，所述贴合结构一端与所述主体部分相接，使所述贴合结构可以相对所述主体部分转动；所述贴合结构的另一端与所述拇指机构相接，使所述拇指机构可以相对所述贴合结构转动；
弹性机构，所述弹性机构设于所述贴合结构以及所述主体部分之间，可在所述拇指机构运动时产生形变，进而对所述贴合结构施力，使所述贴合结构始终与拇指贴合接触。
2.根据权利要求1所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述贴合结构一端通过第一连接机构与所述拇指机构相连，使所述拇指机构相对所述贴合结构具有一个第一旋转自由度；
所述贴合结构的另一端通过第二连接机构与所述主体部分相连，使所述贴合结构相对于所述主体部分具有一个第二旋转自由度；
所述第一旋转自由度的旋转平面与所述第二旋转自由度的旋转平面呈预定角度设置，使得穿戴所述手部机械外骨骼设备后，拇指可在远离或靠近食指的方向上做张合运动，并可在靠近或远离手掌心的方向上做旋转运动。
3.根据权利要求2所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述第二连接机构为四连杆机构，包括：
第一连杆，所述第一连杆的一端铰接于所述主体部分；
第二连杆，所述第二连杆的一端铰接于所述第一连杆的另一端，所述第二连杆的另一端铰接于所述贴合结构；
第三连杆，所述第三连杆的一端铰接于所述贴合结构，另一端铰接于所述主体部分；
其中，所述第三连杆与所述第二连杆铰接于所述贴合结构的同一点，所述第三连杆与所述第一连杆分别铰接于所述主体部分的不同位置。
4.根据权利要求3所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述弹性机构为弹簧装置，所述弹簧装置的一端固定在所述第三连杆与所述主体部分的铰接位置，另一端固定在所述第二连杆与所述第一连杆铰接的位置。
5.根据权利要求3所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述贴合结构上设有可遮挡所述贴合结构的第一甲片，所述第一甲片可随所述贴合结构一起运动；
所述第一连杆上设有可遮挡所述四连杆机构的第二甲片，所述第二甲片随所述第一连杆一起运动；
所述第一甲片设有避空位，以避免对所述第二甲片和所述四连杆机构的运动造成干涉。
6.根据权利要求1所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述拇指机构包括：
第一杆件；
第二杆件，所述第二杆件的一端与所述第一杆件的一端铰接；
拇指固定结构，所述拇指固定结构设于所述第一杆件的另一端；
第一力反馈装置，所述第一力反馈装置可为所述拇指机构的运动提供力反馈调节，其中，所述第一力反馈装置一端与所述第二杆件的另一端相接，所述第一力反馈装置的另一端与所述贴合结构相接。
7.根据权利要6所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述第一力反馈装置包括：驱动装置和扭矩输出杆；
所述驱动装置包括：机壳，以及设置在所述机壳内的电机和齿轮变速系统；
所述机壳与所述贴合结构相接；
所述齿轮变速系统的输入轴与所述电机的主轴相接；
所述扭矩输出杆的一端与所述齿轮变速系统的输出轴相接，另一端与所述第二杆件相接。
8.根据权利要求1所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述贴合结构与拇指背侧接触的位置设有软垫。
9.根据权利要求1所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述贴合结构与所述拇指机构连接处设有第一角度传感器；所述贴合结构与所述主体部分连接处设有第二角度传感器。
10.根据权利要求1所述的手部机械外骨骼设备，其特征在于，所述贴合结构与所述主体部分连接处设有第二力反馈装置，以便在所述贴合结构相对与所述主体部分转动时提供力反馈调节。
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