CN109375772A - 一种多元触觉反馈手套 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多元触觉反馈手套，包括手指位置跟踪单元，用于测量手指在空间中的位置；运动角度测量装置，用于测量手指的各个关节的运动角度；指尖力反馈单元，设置于手背侧，由指尖驱动器提供指尖力反馈；关节力反馈单元，设置于手指的关节处，由变刚度的关节驱动器提供关节力反馈；指尖触觉反馈单元，选自温度反馈单元、纹理反馈单元或温度纹理联合反馈单元中的一种，设置于指尖力反馈单元与指尖相连的手掌一侧的位置处，用于提供手指指尖的温度反馈或纹理反馈或者温度和纹理的同时反馈。本发明的反馈手套提供的刚度(力)反馈可以同时满足人手抓握和捏握两种抓取方式的力反馈；能提供刚度反馈，温度反馈，纹理反馈的多元触觉融合反馈，让用户能有一个多元触觉融合反馈的丰富体验。

Description

一种多元触觉反馈手套
技术领域
本发明涉及一种触觉反馈装置，特别涉及一种多元触觉反馈手套。
背景技术
目前，绝大多数触觉装置都是单一反馈，比如说刚度(力)反馈，纹理反馈，温度反馈等等。并且也有部分学者对多元触觉反馈做了研究，将两种到三种性质集成到一起，比如说刚度和形状的结合，温度和刚度的结合。在可穿戴触觉设备上，能进行多元触觉反馈的装置更少。尤其是绝大多数反馈手套只能模拟抓握力和测量手指运动位置，并不能模拟温度反馈。同时，如图1所示，人手具有抓握和捏握两种抓取方式，人手捏握时，手指上只有指尖受力。人手抓握时，手指上所有部位都受力。目前的力反馈手套上只能进行指尖力反馈或者只能进行全部位力反馈，还没有一款能够同时满足两种抓取方式的力反馈手套。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多元触觉反馈手套，不仅可以进行刚度、温度和纹理反馈，并且刚度(力)反馈可以同时满足抓握和捏握两种抓取方式的力反馈。
本发明的技术方案是：一种多元触觉反馈手套，包括手指位置跟踪单元，用于测量手指在空间中的位置；运动角度测量装置，用于测量手指的各个关节的运动角度；指尖力反馈单元，设置于手背侧，由指尖驱动器提供指尖力反馈；关节力反馈单元，设置于手指的关节处，由变刚度的关节驱动器提供关节力反馈；指尖触觉反馈单元，选自温度反馈单元、纹理反馈单元或温度纹理联合反馈单元中的一种，设置于指尖力反馈单元与指尖相连的手掌一侧的位置处，用于提供手指指尖的温度反馈或纹理反馈或者温度和纹理的同时反馈。
进一步地，所述关节驱动器包括变刚度密封结构和与所述变刚度密封结构内部联通的气管；通过气管对变刚度密封结构进行充气或抽气，通过控制变刚度密封结构内部的气压来控制关节驱动器的刚度。
进一步地，所述变刚度密封结构内部包括多层薄片，多层薄片叠加在一起。
进一步地，所述指尖驱动器可以为软体驱动器。
进一步地，所述软体驱动器可弯曲并产生弹力；所述软体驱动器的一端与手背连接，另一端通过刚性连杆与手指指尖连接，从而实现力的传递；在自由空间状态下，手指可抓握的范围内，所述软体驱动器弯曲产生的阻力不超过限定数值；在约束空间状态时，所述软体驱动器充气弯曲，所述软体驱动器产生的力通过所述刚性连杆传递到手指，从而产生反馈力。
进一步地，所述刚性连杆与手指指尖之间还设置有连接件。
进一步地，指尖触觉反馈单元设置于连接件与手指指尖接触的表面。
本发明具有以下有益效果：本发明的反馈手套提供的刚度(力)反馈可以同时满足人手抓握和捏握两种抓取方式的力反馈；能提供刚度反馈，温度反馈，纹理反馈的多元触觉融合反馈，让用户能有一个多元触觉融合反馈的丰富体验。该反馈手套增加了用户与虚拟现实交互的沉浸感，允许用户以直观和直接的方式触摸和操作虚拟物体，其重量轻、成本低，同时仍然能提供逼真的触觉反馈。
附图说明
图1是人手两种抓取方式示意图。
图2是反馈手套结构示意图。
图3是具有充放气结构的关节驱动器的结构示意图。
图4是关节力反馈单元的控制系统各个参数的示意图。
图5是指尖力反馈单元结构示意图。
图6是指尖力反馈单元的软体驱动器长度示意图。
图7是指尖力反馈单元的软体驱动器结构示意图。
图8是自由空间下手指展开状态示意图。
图9是自由空间下手指抓握状态示意图。
图10是刚性连杆结构示意图。
图11是连接件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种多元触觉反馈手套，包括手指位置跟踪单元，用于测量手指在空间中的位置；关节运动角度测量装置，用于测量手指的各个关节的运动角度；指尖力反馈单元1，设置于手背侧，由指尖驱动器提供指尖力反馈；关节力反馈单元2，设置于手指的关节处，由变刚度的关节驱动器提供关节力反馈；指尖触觉反馈单元3，选自温度反馈单元、纹理反馈单元或温度纹理联合反馈单元中的一种，设置于指尖力反馈单元1与指尖相连的手掌一侧的位置处，用于提供手指指尖的温度反馈或纹理反馈或者温度和纹理的同时反馈。
关节力反馈单元2包括关节驱动器，关节驱动器可以采用充放气结构，也可以采用磁流变液体。关节驱动器的刚度可以根据模拟的不同状态来改变。当不需要对手指关节提供力的时候，变刚度驱动器的刚度尽可能小，让手指关节不受力。当需要对手指关节提供力的时候，变刚度驱动器的刚度尽可能大。
图3给出了一种关节驱动器的采用充放气结构时的示意图，关节驱动器包括变刚度密封结构6和与变刚度密封结构6内部联通的气管4，变刚度密封结构6内包括多个薄片5，薄片5由纤维、或纸(包括砂纸，粗糙的纸)等制成，多个薄片5叠加在一起。
当关节驱动器内的气压与外界气压相同时，关节驱动器可随着手指旋转自由弯曲，为手指关节提供很小的阻力力矩，这时是自由空间的仿真模拟。
当关节驱动器被充气时，变刚度密封结构6内的气压大于外界气压，变刚度密封结构6由于内部气压的作用而难以弯曲。当手指关节尝试旋转时，关节驱动器将为手指关节提供一个大的阻力力矩。这时是约束空间的一种模拟方式。
当关节驱动器被抽气时，变刚度密封结构6内的多个薄片5贴在一起，彼此之间存在很大的摩擦力，使得整个变刚度密封结构6变硬并且难以弯曲。当手指关节尝试旋转时，关节驱动器将为手指关节提供一个大的阻力力矩。这时是约束空间的另外一种模拟方式。
对于单层薄片5可以将其剪出裂缝来降低其刚度，从而减少自由空间带来的阻力。
关节驱动器可以设置在手指关节的手掌一侧或手背一侧或相邻手指侧，或半包裹手指关节或全包裹手指关节，关节驱动器在安装时应避免与指尖力反馈单元发生干涉。可以在每个关节位置处设置独立的关节驱动器即单关节约束模式，也可以在多个关节位置处设置共用的关节驱动器即多关节约束模式。
如图4所示，关节力反馈单元2的控制方法如下:利用触觉绘制算法设定每个指尖的虚拟抓取力；通过雅可比矩阵将指尖力转化为每个指关节的阻力力矩；
如下述公式所示，τ为关节力矩，F为折合的指尖力，J为雅可比矩阵。
τ＝JTF
公式里面各个字母表示的意义参见图4所示。
指尖力反馈单元1，包括指尖驱动器，指尖驱动器可以用电机来提供反馈力，也可以用气体来提供受反馈力，还可以用软体驱动器来提供反馈力，如图5-11所示，一种采用软体驱动器的指尖力反馈单元1的结构示意图。
指尖驱动器为软体驱动器7，软体驱动器7可弯曲并产生弹力；软体驱动器7的一端与手背连接，另一端通过刚性连杆8与手指指尖连接，从而实现力的传递；在自由空间状态下，手指可抓握的范围内，软体驱动器7弯曲产生的阻力不超过限定数值；在约束空间状态时，软体驱动器7充气弯曲，软体驱动器7产生的力通过刚性连杆8传递到手指指尖，从而产生反馈力，即同时满足了指尖力反馈单元1在自由空间和约束空间的双重要求。刚性连杆8与手指指尖之间还设置有连接件9。刚性连杆8和连接件9均采用树脂材料3D打印制成，在保证足够的刚度下，保证结构轻量美观，大大减少了手套的整体质量，手套的整体部分采用魔术贴缝制，保证了手套整体的轻便。
软体驱动器7可以在一定气压下弯曲产生作用力，最先运用在医疗康复领域，但是医疗康复领域所需求的是主动力，而在力反馈设备中要求的是被动力，因此其使用原理和使用目的不同，从而其结构也不相同。如图7所示，软体驱动器7可以为纤丝增强型软体驱动器，软体驱动器7包括变形层、非变形层13，变形层由硅胶11和纤维丝12制成，可以伸展，非变形层13由玻璃纤维网制成，不可伸展，非变形层13用于限制软体驱动器一面的伸展，配合变形层的伸展从而实现了软体驱动器7的弯曲；纤维丝12可以限制软体驱动器的膨胀，以提高软体驱动器可承受的气压，提高其输出力，纤维丝12采用凯夫拉纤维。软体驱动器7的一端与手背连接，一端与刚性连杆8连接，如图6所示，软体驱动器7与手背的连接部分不可弯曲，这部分的长度为固定长度，软体驱动器7可发生弯曲的长度为有效长度，软体驱动器的真实长度＝有效长度+固定长度。软体驱动器7的有效长度越长可输出的力越大，但是软体驱动器7的长度受限于人手的尺寸要适中，以保证手套的体积不会太过于大，影响其便携性与轻巧性，因此，优选软体驱动器7的有效长度与手指相同。
刚性连杆9是力反馈手套的重要组成部分，其形状与结构的设计直接影响到手套的使用效果。在设计过程中主要考虑软体驱动器力反馈手套在自由空间与约束空间的要求指标，以及在使用过程中，手掌伸展与抓握的两个状态。
在自由空间状态下即软体驱动器处于空压状态时，手指可抓握的范围内，软体驱动器7弯曲产生的阻力必须足够小，本实施例设定手指在可抓握的范围为手指的完全伸展状态到抓握极限状态，手指抓握极限状态是指手指抓握直径为20mm的柱状物体的状态，软体驱动器1弯曲产生的阻力不超过1N。
如图8所示，刚性连杆8地两端分别与手指指尖和软体驱动器7的端部连接，手指指尖的长度和软体驱动器的有效长度都已经确定，当手指处于伸展状态时，由于刚性连杆8的支撑作用，软体驱动器7会形成一个预弯曲量，此时软体驱动器7的法向弯曲力为F,F相对于手指是一个推力；如图9所示，当手指处于抓握状态时，软体驱动器7的法向弯曲力为F′，F′相对于手指是一个拉力，当软体驱动器1的两个法向弯曲力F和F′为1N时，即为软体驱动器允许的最大弯曲量，在这两种状态下刚性连杆的长度即为刚性连杆允许的最大长度和最小长度，此时软体驱动器7与刚性连杆8连接点的位置分别为A(xA，yA)与A′(xA′，yA′)，刚性连杆8与手指指尖连接点的位置分别为B(xB，yB)与B′(xB′，yB′)，同时两个位置即为软体驱动器7弯曲量的限定范围，自由状态下，刚性连杆8与软体驱动器7连接点的运动位置必须在A与A′之间，刚性连杆8与手指尖连接点的运动位置必须在B(xB，yB)与B′(xB′，yB′)之间。
为了保证力反馈手套结构轻便，连杆的结构也需要追求简单轻便，于是采用最简单的单连杆形式。在手套的使用过程中，由于连杆是刚性的，所以无论连杆的形状是怎样的，刚性连杆8两端的直线长度L是固定的，得出刚性连杆8两端的直线长度的取值范围。
如图8所示，在自由空间下手指伸展状态时：
如图9所示，在自由空间下手指抓握状态时：
由此得到刚性连杆的直线长度范围lA′B′≤L≤lAB。经分析，在抓握状态下L越小，软体驱动器的变形越大，产生的力越大，手掌的抓握阻力越大，充气之后，阻力增大的更加明显，不利于约束空间性能的优化，所以L应尽可能大一些，最终选择L＝lAB。
如图9所示，用户在使用力反馈手套时，在抓握过程中刚性连杆8容易与手指发生干涉，当刚性连杆8在手指抓握极限的时候(抓握直径为20mm的柱状物体)与手指不发生干涉时，则在其他状态下也不会发生干涉，因此，确定了刚性连杆8的长度之后，还需要确定刚性连杆8的形状，而采用有角度过度的刚性结构会产生应力集中，于是优选光滑曲线作为刚性连杆8的形状。因此需要确定在手指抓握极限状态时，手指与刚性连杆8不发生干涉的条件下，刚性连杆8的形状曲线方程。
圆弧为最常见的光滑曲线，本发明给出了一种圆弧的曲线方程的确定方法，为了计算圆弧的半径R，有以下计算模型：
刚性连杆所在圆弧的方程为：
x2+y2+Dx+Ey+F＝0(D2+E2-4F＞0)
其中A′(xA′，yA′)、B′(xB′，yB′)为刚性连杆的两个端点，必在圆弧上。刚性连杆2的长度为L＝lAB，为了确定A′的具体位置，可以通过作图法确定：如图10所示，以B′为圆心，半径为lAB、O点为圆心，半径为lAB为半径作圆，两圆相交的交点即为A′的位置。
考虑到手指结构，刚性连杆8最先和靠近手指端部的指尖关节发生干涉，将其定义为点C′(xC′，yC′)，在临界状态即刚性连杆刚好与手指刚刚发生干涉时，C′点正好在连杆所在的圆弧上。确定圆弧上A′、B′、C′的三个点后，将三个点坐标代入到圆弧所在方程中即可求出D、E、F三点的值，根据下方公式可得所在圆弧的半径R，即可求出连杆形状。
为保证刚性连杆8与手指指尖连接可靠，于是在刚性连杆8与手指指尖设置了连接件9。
如图11所示，连接件9包括指尖套14与指尖槽15，指尖套14将手指指尖夹紧，手指指尖放置于指尖槽15内，指尖套14的轴线与指尖槽15的轴线有一个夹角θ，保证了手指尖在穿戴连接件9时足够的舒适，便捷。同时连接件9的指尖套14的上下均有螺丝开孔，可以通过对两颗螺丝的调节，来适应不同用户的手指的粗细。
在指尖力反馈单元1与指尖相连的部位，可以设置指尖触觉反馈单元3，在上述软体驱动器作为指尖力驱动器的实施力中，指尖触觉反馈单元3设置在连接件9与手指指尖接触的表面。
指尖触觉反馈单元3选自温度反馈单元、纹理反馈单元或温度纹理联合反馈单元中的一种，温度纹理联合反馈单元包括温度反馈薄片(如帕尔帖)和纹理反馈薄片，纹理反馈薄片包括表面有大起伏的材料(如金属筛网等)，将纹理反馈薄片和温度反馈薄片封装进塑料外皮中，连上气管。温度纹理联合反馈单元的温度可以被电信号控制而改变，可以将温度传递到指尖上。至于单独的温度反馈单元或纹理反馈单元，只设置温度反馈薄片或纹理反馈薄片中的一种即可。
反馈手套和VR头盔一起使用，当人们在头盔中看到一个虚拟物体，并用手去触摸抓取的时候，反馈手套根据要触摸的位置以及其应该产生的力反馈、温度或者纹理信息调整自身的状态，从而让手触摸感受到和虚拟场景相近的触觉感受。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多元触觉反馈手套，包括手指位置跟踪单元，用于测量手指在空间中的位置；运动角度测量装置，用于测量手指的各个关节的运动角度；其特征在于：包括指尖力反馈单元，设置于手背侧，由指尖驱动器提供指尖力反馈；关节力反馈单元，设置于手指的关节处，由变刚度的关节驱动器提供关节力反馈；指尖触觉反馈单元，选自温度反馈单元、纹理反馈单元或温度纹理联合反馈单元中的一种，设置于指尖力反馈单元与指尖相连的手掌一侧的位置处，用于提供手指指尖的温度反馈或纹理反馈或者温度和纹理的同时反馈。
2.根据权利要求1所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述关节驱动器包括变刚度密封结构和与所述变刚度密封结构内部联通的气管；通过气管对变刚度密封结构进行充气或抽气，通过控制变刚度密封结构内部的气压来控制关节驱动器的刚度。
3.根据权利要求2所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述变刚度密封结构内部包括多层薄片，多层薄片叠加在一起。
4.根据权利要求1所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述指尖驱动器为软体驱动器。
5.根据权利要求4所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述软体驱动器可弯曲并产生弹力；所述软体驱动器的一端与手背连接，另一端通过刚性连杆与手指指尖连接，从而实现力的传递；在自由空间状态下，手指可抓握的范围内，所述软体驱动器弯曲产生的阻力不超过限定数值；在约束空间状态时，所述软体驱动器充气弯曲，所述软体驱动器产生的力通过所述刚性连杆传递到手指，从而产生反馈力。
6.根据权利要求5所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述刚性连杆与手指指尖之间还设置有连接件。
7.根据权利要求6所述的一种多元触觉反馈手套，其特征在于：所述指尖触觉反馈单元设置于连接件与手指指尖接触的表面。
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