CN109542236B - 具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，包括手背手腕穿戴装置以及分别固定在手背手腕穿戴装置上的小拇指外骨骼机构、无名指外骨骼机构、中指外骨骼机构、食指外骨骼机构以及大拇指外骨骼机构，外骨骼机构中的关节长度可调。由上述技术方案可知，本发明的外骨骼手套能同时实现手指位置的同步测量以及指尖力的反馈，结构简单，控制方便，安全可靠。

Description

具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套

技术领域

本发明涉及人机交互穿戴领域，具体涉及一种具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套。

背景技术

随着人机交互的广泛应用，人机交互的体验也愈发的重要，数据手套作为一种可穿戴设备，应用于人机交互过程中。传统的数据手套一般能够测量手指关节的角度，进而通过测得的位姿，实现对执行机械手的控制。传统的数据手套不具有力反馈的功能，力反馈数据手套不仅能实现对执行机械手的主从控制，而且可以将末端执行机械手的受力通过力反馈装置反馈到人手，实现更好的临场感，从而进行精密复杂的主从作业。

传统的外骨骼力反馈数据手套，如：公开号CN100372503C的中国专利申请公开了一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套、Cyber-grasp（力反馈数据手套）、SensoerGloveII力反馈数据手套等，一般有以下缺点：1）为了提供足够的反馈力，驱动结构较为臃肿，大多数主动力反馈方式存在安全隐患；2）角度测量、驱动和外骨骼机构相分离，导致结构比较复杂；3）使用时手套必须和操作者手指紧密固定，运动和力反馈过程中指节额外受力，影响临场感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，该手套结构简单，佩戴方便，并能同时实现手指位置同步测量和力反馈功能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括手背手腕穿戴装置以及分别固定在手背手腕穿戴装置上的小拇指外骨骼机构、无名指外骨骼机构、中指外骨骼机构、食指外骨骼机构以及大拇指外骨骼机构，其中：

小拇指外骨骼机构、无名指外骨骼机构、中指外骨骼机构、食指外骨骼机构均为三指节外骨骼机构，所述的三指节外骨骼机构包括依次相连的掌骨外骨骼、近指节外骨骼、中指节外骨骼及远指节外骨骼，所述的掌骨外骨骼与近指节外骨骼之间、近指节外骨骼与中指节外骨骼之间、中指节外骨骼与远指节外骨骼之间分别通过近指关节组件、中指关节组件、远指关节组件相连；所述的三指节外骨骼机构还包括第一磁流变力反馈机构以及第一微电机和棘轮锁定机构；

所述的大拇指外骨骼机构为两指节外骨骼机构，所述的两指节外骨骼机构包括依次相连的拇指近指节外骨骼、拇指中指节外骨骼及拇指远指节外骨骼，所述的拇指近指节外骨骼与拇指中指节外骨骼之间、拇指中指节外骨骼与拇指远指节外骨骼之间分别通过拇指中指节关节组件、拇指远指节关节组件相连；所述的两指节外骨骼机构还包括第二磁流变力反馈机构以及第二微电机和棘轮锁定机构；

所述的近指关节组件、中指关节组件、远指关节组件、拇指中指节关节组件、拇指远指节关节组件的长度可调；

所述的第一磁流变力反馈机构包括第一盘式磁流变阻尼器、固定在第一盘式磁流变阻尼器转轴上的第一直齿轮、固定在第一转轴上的第三直齿轮以及同时与第一直齿轮及第三直齿轮相啮合的第二直齿轮；

所述的第二磁流变力反馈机构包括第二盘式磁流变阻尼器、固定在第二盘式磁流变阻尼器转轴上的第四直齿轮、固定在第四转轴上的第六直齿轮以及同时与第四直齿轮及第六直齿轮相啮合的第五直齿轮。

所述的手背手腕穿戴装置包括固定架主体，所述固定架主体的前端上部形成用于固定小拇指外骨骼机构、无名指外骨骼机构、中指外骨骼机构及食指外骨骼机构的台阶面，该台阶面的高低分布形态与人手小拇指、无名指、中指及食指的基关节高低位置相对应；所述固定架主体的后端设有用于固定大拇指外骨骼机构的拇指近指节固定板，所述的拇指近指节固定板通过第六转轴与固定架主体的后端相铰接，所述的第六转轴上设有第六角度传感器；

所述固定架主体的前端下部及后端下部分别设有手掌可调节绑带及手腕可调节绑带，所述的手掌可调节绑带及手腕可调节绑带分别穿戴在人手的手掌部位及手腕部位，且手掌可调节绑带及手腕可调节绑带的松紧及大小可调；

所述的小拇指外骨骼机构与无名指外骨骼机构、无名指外骨骼机构与中指外骨骼机构、中指外骨骼机构与食指外骨骼机构之间沿手掌水平方向的安装夹角为3度。

所述的掌骨外骨骼、近指节外骨骼、中指节外骨骼及远指节外骨骼均为槽状结构，所述的掌骨外骨骼由第一底板及垂直连接在第一底板上的第一肋板、第二肋板组成，所述的近指节外骨骼由第二底板及垂直连接在第二底板上的第三肋板、第四肋板组成，所述的中指节外骨骼由第三底板及垂直连接在第三底板上的第五肋板、第六肋板组成，所述的远指节外骨骼由第四底板及垂直连接在第四底板上的第七肋板、第八肋板组成，所述的第一底板通过螺钉与固定架主体上的台阶面连接固定，所述第二底板及第三底板的底面分别设有近指节绑带及中指节绑带，所述第四底板的底面设有第一指托，所述的第一指托呈U型，由相平行的第一板、第二板以及连接第一板、第二板的第三板组成，所述的第一板与第四底板相固定，所述第二板的内侧板面固定有第一触力传感器。

所述的近指关节组件包括近指节固定块，所述的近指节固定块设置在近指节外骨骼靠近掌骨外骨骼的一端，所述近指节固定块的一端与近指节外骨骼形成水平方向的滑动配合，所述近指节固定块的另一端与掌骨外骨骼上设置的第一转轴铰接相连，所述的第一转轴上设有第一角度传感器，所述的近指关节组件还包括用于连接近指节外骨骼与掌骨外骨骼的第一连杆，所述第一连杆的一端与近指节外骨骼固定连接，所述第一连杆的另一端与设置在掌骨外骨骼上的第一凸轮槽形成滑动配合。

所述的第三肋板及第四肋板上分别对称设有第一滑槽，所述的第一滑槽为水平方向设置的腰形槽，所述近指节固定块的左右侧面分别设有与第一滑槽形成滑动配合的第一支撑销，所述的第一支撑销及第一滑槽均呈上下方向布置两组，所述第一连杆的一端通过螺钉固定在第三肋板及第四肋板的外侧面且位于两组第一滑槽之间，所述第一连杆的另一端设有与第一凸轮槽形成滑动配合的第一柱状凸台，所述的第一柱状凸台设置在第一连杆的内侧面上，所述的第一肋板及第二肋板上分别对称设有第一凸轮槽，所述的第一转轴固定在第一肋板及第二肋板之间。

所述第一盘式磁流变阻尼器的背面通过螺钉与第二肋板的内板面相固定，所述第二直齿轮的齿轮轴一端固定在第一肋板上，另一端固定在第一盘式磁流变阻尼器的外壳上，所述的第三直齿轮为扇形齿轮，其角度为120度。

所述的第一微电机和棘轮锁定机构包括固定在第四肋板内板面上的第一微型步进电机，所述第一微型步进电机的输出轴上设有第一滑轮，所述的第一滑轮为双槽滑轮，还包括与第二转轴同轴设置的第一棘轮及第二滑轮，所述的第二滑轮为单槽滑轮，所述的第一棘轮与第一棘爪相配合，且第一棘轮与第一棘爪处在同一平面内，所述的第一棘爪与设置在第三肋板上的第一销轴铰接相连，所述的第一销轴上设有第一扭簧，所述第一扭簧的一端与第一棘爪相固定，第一扭簧的另一端与第三肋板的内板面相固定；

所述的第一微电机和棘轮锁定机构还包括与第三转轴同轴设置的第二棘轮，所述的第二棘轮与第二棘爪相配合，且第二棘轮与第二棘爪处在同一平面内，所述的第二棘爪与设置在第五肋板上的第二销轴铰接相连，所述的第二销轴上设有第二扭簧，所述第二扭簧的一端与第二棘爪相固定，第二扭簧的另一端与第五肋板的内板面相固定；

所述的第一微电机和棘轮锁定机构还包括第一绳索及第二绳索，所述第一绳索的一端固定在第一滑轮的一个轮槽中，第一绳索的另一端与第一棘爪后侧设置的凹槽缠绕固定，所述第二绳索的一端固定在第一滑轮的另一个轮槽中，第二绳索的另一端绕经第二滑轮后与第二棘爪后侧设置的凹槽缠绕固定。

所述的拇指近指节外骨骼、拇指中指节外骨骼及拇指远指节外骨骼均为槽状结构，所述的拇指近指节外骨骼由第五底板及垂直连接在第五底板上的第九肋板、第十肋板组成，所述的拇指中指节外骨骼由第六底板及垂直连接在第六底板上的第十一肋板、第十二肋板组成，所述的拇指远指节外骨骼由第七底板及垂直连接在第七底板上的第十三肋板、第十四肋板组成，所述的第五底板通过螺钉与固定架主体上的拇指近指节固定板连接固定，所述第六底板的底面设有拇指中指节绑带，所述第七底板的底面设有第二指托，所述的第二指托上设有第二触力传感器。

所述第二盘式磁流变阻尼器的背面通过螺钉与第十肋板的内板面相固定，所述第五直齿轮的齿轮轴一端固定在第九肋板上，另一端固定在第二盘式磁流变阻尼器的外壳上，所述的第六直齿轮为扇形齿轮，其角度为120度。

所述的第二微电机和棘轮锁定机构包括固定在第十二肋板内板面上的第二微型步进电机，所述第二微型步进电机的输出轴上设有第三滑轮，所述的第三滑轮为单槽滑轮，还包括与第五转轴同轴设置的第三棘轮，所述的第三棘轮与第三棘爪相配合，且第三棘轮与第三棘爪处在同一平面内，所述的第三棘爪与设置在第十一肋板上的第三销轴铰接相连，所述的第三销轴上设有第三扭簧，所述第三扭簧的一端与第三棘爪相固定，第三扭簧的另一端与第十一肋板的内板面相固定；

所述的第二微电机和棘轮锁定机构还包括第三绳索，所述第三绳索的一端固定在第三滑轮的轮槽中，第三绳索的另一端与第三棘爪后侧设置的凹槽缠绕固定。

由上述技术方案可知，本发明的外骨骼手套能同时实现手指位置的同步测量以及指尖力的反馈，结构简单，控制方便，安全可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明手背手腕穿戴装置的结构示意图；

图3是本发明三指节外骨骼机构的主视图；

图4是本发明三指节外骨骼机构的立体结构示意图；

图5是本发明三指节外骨骼机构的剖面图；

图6是本发明两指节外骨骼机构的主视图；

图7是本发明两指节外骨骼机构的立体结构示意图；

图8是本发明两指节外骨骼机构的剖面图。

上述各图中的附图标记为：手背手腕穿戴装置100、固定架主体110、台阶面120、拇指近指节固定板130、第六转轴140、第六角度传感器150、手掌可调节绑带160、手腕可调节绑带170、小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400、食指外骨骼机构500、大拇指外骨骼机构600、掌骨外骨骼1、第一底板101、第一肋板102、第二肋板103、第一转轴104、第一角度传感器105、第一凸轮槽106、近指节外骨骼2、第二底板201、第三肋板202、第四肋板203、近指节绑带204、第一滑槽205、第二转轴206、第二角度传感器207、第二凸轮槽208、第一销轴209、中指节外骨骼3、第三底板301、第五肋板302、第六肋板303、中指节绑带304、第二滑槽305、第三转轴306、第三角度传感器307、第三凸轮槽308、第二销轴309、远指节外骨骼4、第四底板401、第七肋板402、第八肋板403、第一指托404、第一板4041、第二板4042、第三板4043、第一触力传感器405、第三滑槽406、近指关节组件5、近指节固定块501、第一连杆502、第一支撑销503、第一柱状凸台504、中指关节组件6、中指节固定块601、第二连杆602、第二支撑销603、第二柱状凸台604、远指关节组件7、远指节固定块701、第三连杆702、第三支撑销703、第三柱状凸台704、第一磁流变力反馈机构8、第一盘式磁流变阻尼器801、第一直齿轮802、第三直齿轮803、第二直齿轮804、第一微电机和棘轮锁定机构9、第一微型步进电机901、第一滑轮902、第一棘轮903、第二滑轮904、第一棘爪905、第二棘轮906、第二棘爪907、第一绳索908、第二绳索909、拇指近指节外骨骼10、第五底板1001、第九肋板1002、第十肋板1003、第四转轴1004、第四角度传感器1005、第四凸轮槽1006、拇指中指节外骨骼11、第六底板1101、第十一肋板1102、第十二肋板1103、拇指中指节绑带1104、第四滑槽1105、第五转轴1106、第五角度传感器1107、第五凸轮槽1108、第三销轴1109、拇指远指节外骨骼12、第七底板1201、第十三肋板1202、第十四肋板1203、第二指托1204、第二触力传感器1205、第五滑槽1206、拇指中指节关节组件13、拇指中指节固定块1301、第四连杆1302、第四支撑销1303、第四柱状凸台1304、拇指远指节关节组件14、拇指远指节固定块1401、第五连杆1402、第五支撑销1403、第五柱状凸台1404、第二磁流变力反馈机构15、第二盘式磁流变阻尼器1501、第四直齿轮1502、第六直齿轮1503、第五直齿轮1504、第二微电机和棘轮锁定机构16、第二微型步进电机1601、第三滑轮1602、第三棘轮1603、第三棘爪1604、第三绳索1605。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，包括手背手腕穿戴装置100以及分别固定在手背手腕穿戴装置100上的小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400、食指外骨骼机构500以及大拇指外骨骼机构600，其中：

如图3、图4所示，小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400、食指外骨骼机构500均为三指节外骨骼机构，三指节外骨骼机构包括依次相连的掌骨外骨骼1、近指节外骨骼2、中指节外骨骼3及远指节外骨骼4，掌骨外骨骼1与近指节外骨骼2之间、近指节外骨骼2与中指节外骨骼3之间、中指节外骨骼3与远指节外骨骼4之间分别通过近指关节组件5、中指关节组件6、远指关节组件7相连；三指节外骨骼机构还包括第一磁流变力反馈机构8以及第一微电机和棘轮锁定机构9；

如图6、图7所示，大拇指外骨骼机构600为两指节外骨骼机构，两指节外骨骼机构包括依次相连的拇指近指节外骨骼10、拇指中指节外骨骼11及拇指远指节外骨骼12，拇指近指节外骨骼10与拇指中指节外骨骼11之间、拇指中指节外骨骼11与拇指远指节外骨骼12之间分别通过拇指中指节关节组件13、拇指远指节关节组件14相连；两指节外骨骼机构还包括第二磁流变力反馈机构15以及第二微电机和棘轮锁定机构16；

近指关节组件5、中指关节组件6、远指关节组件7、拇指中指节关节组件13、拇指远指节关节组件14的长度可调。

进一步的，如图2所示，手背手腕穿戴装置100包括固定架主体110，固定架主体110的前端上部形成用于固定小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400及食指外骨骼机构500的台阶面120，台阶面120为中间高、两边低的阶梯结构，该台阶面120的高低分布形态与人手小拇指、无名指、中指及食指的基关节高低位置相对应；固定架主体110的后端设有用于固定大拇指外骨骼机构600的拇指近指节固定板130，拇指近指节固定板130通过第六转轴140与固定架主体110的后端相铰接，第六转轴140上设有第六角度传感器150；具体的，第六角度传感器150的外圈粘贴在拇指近指节固定板130上，内圈空心转子固定在第六转轴140上，大拇指外骨骼机构600整体绕第六转轴140横向转动，以对应人手大拇指基关节的横向转动。

固定架主体110的前端下部及后端下部分别设有手掌可调节绑带160及手腕可调节绑带170，手掌可调节绑带160及手腕可调节绑带170分别穿戴在人手的手掌部位及手腕部位，且手掌可调节绑带160及手腕可调节绑带170的松紧及大小可调。

小拇指外骨骼机构200与无名指外骨骼机构300、无名指外骨骼机构300与中指外骨骼机构400、中指外骨骼机构400与食指外骨骼机构500之间沿手掌水平方向的安装夹角为3度。也就是小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400与食指外骨骼机构500之间的夹角与人手四根手指之间的夹角相对应。

进一步的，如图3、图4、图5所示，掌骨外骨骼1、近指节外骨骼2、中指节外骨骼3及远指节外骨骼4均为槽状结构，掌骨外骨骼1由第一底板101及垂直连接在第一底板101上的第一肋板102、第二肋板103组成，近指节外骨骼2由第二底板201及垂直连接在第二底板201上的第三肋板202、第四肋板203组成，中指节外骨骼3由第三底板301及垂直连接在第三底板301上的第五肋板302、第六肋板303组成，远指节外骨骼4由第四底板401及垂直连接在第四底板401上的第七肋板402、第八肋板403组成，第一底板101通过螺钉与固定架主体110上的台阶面120连接固定，第二底板201及第三底板301的底面分别设有近指节绑带204及中指节绑带304，第四底板401的底面设有第一指托404，第一指托404呈U型，由相平行的第一板4041、第二板4042以及连接第一板4041、第二板4042的第三板4043组成，第一板4041与第四底板401相固定，第二板4042的内侧板面固定有第一触力传感器405，第一触力传感器405粘贴在第一指托404上，用于测量手指指尖的受力。

进一步的，近指关节组件5包括近指节固定块501，近指节固定块501设置在近指节外骨骼2靠近掌骨外骨骼1的一端，近指节固定块501的一端与近指节外骨骼2形成水平方向的滑动配合，近指节固定块501的另一端与掌骨外骨骼1上设置的第一转轴104铰接相连，第一转轴104上设有第一角度传感器105，近指关节组件5还包括用于连接近指节外骨骼2与掌骨外骨骼1的第一连杆502，第一连杆502的一端与近指节外骨骼2固定连接，第一连杆502的另一端与设置在掌骨外骨骼1上的第一凸轮槽106形成滑动配合。

具体的，第三肋板202及第四肋板203上分别对称设有第一滑槽205，第一滑槽205为水平方向设置的腰形槽，近指节固定块501的左右侧面分别设有与第一滑槽205形成滑动配合的第一支撑销503，第一支撑销503及第一滑槽205均呈上下方向布置两组，第一连杆502的一端通过螺钉固定在第三肋板202及第四肋板203的外侧面且位于两组第一滑槽205之间，第一连杆502的另一端设有与第一凸轮槽106形成滑动配合的第一柱状凸台504，第一柱状凸台504设置在第一连杆502的内侧面上，第一肋板102及第二肋板103上分别对称设有第一凸轮槽106，第一转轴104固定在第一肋板102及第二肋板103之间。

进一步的，中指关节组件6包括中指节固定块601，中指节固定块601设置在中指节外骨骼3靠近近指节外骨骼2的一端，中指节固定块601的一端与中指节外骨骼3形成水平方向的滑动配合，中指节固定块601的另一端与近指节外骨骼2上设置的第二转轴206铰接相连，第二转轴206上设有第二角度传感器207，中指关节组件6还包括用于连接中指节外骨骼3与近指节外骨骼2的第二连杆602，第二连杆602的一端与中指节外骨骼3固定连接，第二连杆602的另一端与设置在近指节外骨骼2上的第二凸轮槽208形成滑动配合。

具体的，第五肋板302及第六肋板303上分别对称设有第二滑槽305，第二滑槽305为水平方向设置的腰形槽，中指节固定块601的左右侧面分别设有与第二滑槽305形成滑动配合的第二支撑销603，第二支撑销603及第二滑槽305均呈上下方向布置两组，第二连杆602的一端通过螺钉固定在第五肋板302及第六肋板303的外侧面且位于两组第二滑槽305之间，第二连杆602的另一端设有与第二凸轮槽208形成滑动配合的第二柱状凸台604，第二柱状凸台604设置在第二连杆602的内侧面上，第三肋板202及第四肋板203上分别对称设有第二凸轮槽208，第二转轴206固定在第三肋板202及第四肋板203之间。

进一步的，远指关节组件7包括远指节固定块701，远指节固定块701设置在远指节外骨骼4靠近中指节外骨骼3的一端，远指节固定块701的一端与远指节外骨骼4形成水平方向的滑动配合，远指节固定块701的另一端与中指节外骨骼3上设置的第三转轴306铰接相连，第三转轴306上设有第三角度传感器307，远指节关节组件7还包括用于连接远指节外骨骼4与中指节外骨骼3的第三连杆702，第三连杆702的一端与远指节外骨骼4固定连接，第三连杆702的另一端与设置在中指节外骨骼3上的第三凸轮槽308形成滑动配合。

具体的，第七肋板402及第八肋板403上分别对称设有第三滑槽406，第三滑槽406为水平方向设置的腰形槽，远指节固定块701的左右侧面分别设有与第三滑槽406形成滑动配合的第三支撑销703，第三支撑销703及第三滑槽406均呈上下方向布置两组，第三连杆702的一端通过螺钉固定在第七肋板402及第八肋板403的外侧面且位于两组第三滑槽406之间，第三连杆702的另一端设有与第三凸轮槽308形成滑动配合的第三柱状凸台704，第三柱状凸台704设置在第三连杆702的内侧面上，第五肋板302及第六肋板303上分别对称设有第三凸轮槽308，第三转轴306固定在第五肋板302及第六肋板303之间。

进一步的，第一磁流变力反馈机构8包括第一盘式磁流变阻尼器801、固定在第一盘式磁流变阻尼器801转轴上的第一直齿轮802、固定在第一转轴104上的第三直齿轮803以及同时与第一直齿轮802及第三直齿轮803相啮合的第二直齿轮804，第一盘式磁流变阻尼器801的背面通过螺钉与第二肋板103的内板面相固定，第二直齿轮804的齿轮轴一端固定在第一肋板102上，另一端固定在第一盘式磁流变阻尼器801的外壳上，第三直齿轮803为扇形齿轮，其角度为120度。

进一步的，第一微电机和棘轮锁定机构9包括固定在第四肋板203内板面上的第一微型步进电机901，第一微型步进电机901的输出轴上设有第一滑轮902，第一滑轮902为双槽滑轮，还包括与第二转轴206同轴设置的第一棘轮903及第二滑轮904，第二滑轮904为单槽滑轮，第一棘轮903与第一棘爪905相配合，且第一棘轮903与第一棘爪905处在同一平面内，第一棘爪905与设置在第三肋板202上的第一销轴209铰接相连，第一销轴209上设有第一扭簧，第一扭簧的一端与第一棘爪905相固定，第一扭簧的另一端与第三肋板202的内板面相固定；

第一微电机和棘轮锁定机构9还包括与第三转轴306同轴设置的第二棘轮906，第二棘轮906与第二棘爪907相配合，且第二棘轮906与第二棘爪907处在同一平面内，第二棘爪907与设置在第五肋板302上的第二销轴309铰接相连，第二销轴309上设有第二扭簧，第二扭簧的一端与第二棘爪907相固定，第二扭簧的另一端与第五肋板302的内板面相固定；

第一微电机和棘轮锁定机构9还包括第一绳索908及第二绳索909，第一绳索908的一端固定在第一滑轮902的一个轮槽中，第一绳索908的另一端与第一棘爪905后侧设置的凹槽缠绕固定，第二绳索909的一端固定在第一滑轮902的另一个轮槽中，第二绳索909的另一端绕经第二滑轮904后与第二棘爪907后侧设置的凹槽缠绕固定。

进一步的，如图6、图7、图8所示，拇指近指节外骨骼10、拇指中指节外骨骼11及拇指远指节外骨骼12均为槽状结构，拇指近指节外骨骼10由第五底板1001及垂直连接在第五底板1001上的第九肋板1002、第十肋板1003组成，拇指中指节外骨骼11由第六底板1101及垂直连接在第六底板1101上的第十一肋板1102、第十二肋板1103组成，拇指远指节外骨骼12由第七底板1201及垂直连接在第七底板1201上的第十三肋板1202、第十四肋板1203组成，第五底板1001通过螺钉与固定架主体110上的拇指近指节固定板130连接固定，第六底板1101的底面设有拇指中指节绑带1104，第七底板1201的底面设有第二指托1204，第二指托1204上设有第二触力传感器1205。

进一步的，拇指中指节关节组件13包括拇指中指节固定块1301，拇指中指节固定块1301设置在拇指中指节外骨骼11靠近拇指近指节外骨骼10的一端，拇指中指节固定块1301的一端与拇指中指节外骨骼11形成水平方向的滑动配合，拇指中指节固定块1301的另一端与拇指近指节外骨骼10上设置的第四转轴1004铰接相连，第四转轴1004上设有第四角度传感器1005，拇指中指节关节组件13还包括用于连接拇指中指节外骨骼11与拇指近指节外骨骼10的第四连杆1302，第四连杆1302的一端与拇指中指节外骨骼11固定连接，第四连杆1302的另一端与设置在拇指近指节外骨骼10上的第四凸轮槽1006形成滑动配合。

具体的，第十一肋板1102及第十二肋板1103上分别对称设有第四滑槽1105，第四滑槽1105为水平方向设置的腰形槽，拇指中指节固定块1301的左右侧面分别设有与第四滑槽1105形成滑动配合的第四支撑销1303，第四支撑销1303及第四滑槽1105均呈上下方向布置两组，第四连杆1302的一端通过螺钉固定在第十一肋板1102及第十二肋板1103的外侧面且位于两组第四滑槽1105之间，第四连杆1302的另一端设有与第四凸轮槽1006形成滑动配合的第四柱状凸台1304，第四柱状凸台1304设置在第四连杆1302的内侧面上，第九肋板1002及第十肋板1003上分别对称设有第四凸轮槽1006，第四转轴1004固定在第九肋板1002及第十肋板1003之间。

进一步的，拇指远指节关节组件14包括拇指远指节固定块1401，拇指远指节固定块1401设置在拇指远指节外骨骼12靠近拇指中指节外骨骼11的一端，拇指远指节固定块1401的一端与拇指远指节外骨骼12形成水平方向的滑动配合，拇指远指节固定块1401的另一端与拇指中指节外骨骼11上设置的第五转轴1106铰接相连，第五转轴1106上设有第五角度传感器1107，拇指远指节关节组件14还包括用于连接拇指远指节外骨骼12与拇指中指节外骨骼11的第五连杆1402，第五连杆1402的一端与拇指远指节外骨骼12固定连接，第五连杆1402的另一端与设置在拇指中指节外骨骼11上的第五凸轮槽1108形成滑动配合。

具体的，第十三肋板1202及第十四肋板1203上分别对称设有第五滑槽1206，第五滑槽1206为水平方向设置的腰形槽，拇指远指节固定块1401的左右侧面分别设有与第五滑槽1206形成滑动配合的第五支撑销1403，第五支撑销1403及第五滑槽1206均呈上下方向布置两组，第五连杆1402的一端通过螺钉固定在第十三肋板1202及第十四肋板1203的外侧面且位于两组第五滑槽1206之间，第五连杆1402的另一端设有与第五凸轮槽1108形成滑动配合的第五柱状凸台1404，第五柱状凸台1404设置在第五连杆1402的内侧面上，第十一肋板1102及第十二肋板1103上分别对称设有第五凸轮槽1108，第五转轴1106固定在第十一肋板1102及第十二肋板1103之间。

进一步的，第二磁流变力反馈机构15包括第二盘式磁流变阻尼器1501、固定在第二盘式磁流变阻尼器1501转轴上的第四直齿轮1502、固定在第四转轴1004上的第六直齿轮1503以及同时与第四直齿轮1502及第六直齿轮1503相啮合的第五直齿轮1504，第二盘式磁流变阻尼器1501的背面通过螺钉与第十肋板1003的内板面相固定，第五直齿轮1504的齿轮轴一端固定在第九肋板1002上，另一端固定在第二盘式磁流变阻尼器1501的外壳上，第六直齿轮1503为扇形齿轮，其角度为120度。

进一步的，第二微电机和棘轮锁定机构16包括固定在第十二肋板1103内板面上的第二微型步进电机1601，第二微型步进电机1601的输出轴上设有第三滑轮1602，第三滑轮1602为单槽滑轮，还包括与第五转轴1106同轴设置的第三棘轮1603，第三棘轮1603与第三棘爪1604相配合，且第三棘轮1603与第三棘爪1604处在同一平面内，第三棘爪1604与设置在第十一肋板1102上的第三销轴1109铰接相连，第三销轴1109上设有第三扭簧，第三扭簧的一端与第三棘爪1604相固定，第三扭簧的另一端与第十一肋板1102的内板面相固定；

第二微电机和棘轮锁定机构16还包括第三绳索1605，第三绳索1605的一端固定在第三滑轮1602的轮槽中，第三绳索1605的另一端与第三棘爪1604后侧设置的凹槽缠绕固定。

本发明中，小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400、食指外骨骼机构500中均分别设有第一角度传感器、第二角度传感器、第三角度传感器，大拇指外骨骼机构600中设有第四角度传感器、第五角度传感器和第六角度传感器，一共设置15个角度传感器，分别对应本发明外骨骼手套的15个自由度，角度传感器采用R24HS机器人关节角度传感器，其中心转轴为中空结构，体积小，易于安装；小拇指外骨骼机构200、无名指外骨骼机构300、中指外骨骼机构400、食指外骨骼机构500中均分别设有一个第一触力传感器，大拇指外骨骼机构600中设有一个第二触力传感器，也就是一共设置五个触力传感器装置，用于测量5个手指指尖的受力，触力传感器采用FSR402薄膜压力传感器。

本发明的工作原理如下：

1、手指位置同步测量的原理：人手手指在弯曲过程中，手指背部长度伸长，手指掌部长度缩短，本发明的外骨骼手套佩戴在人手的背部，具有随着人手指弯曲自动增加长度的功能，可以完全同步跟随人手手指的运动；以三指节外骨骼的基关节为例，当人手近指节弯曲时，带动近指节外骨骼和近指节固定块向下转动，近指节外骨骼和近指节固定块滑动连接，近指节外骨骼与第一连杆通过螺钉固定连接，近指节外骨骼在转动过程中，第一连杆左端的第一柱状凸台在掌骨外骨骼上的第一凸轮槽中滑动，第一凸轮槽的半径逐渐变小，带动近指节外骨骼沿着近指节固定块向右下方滑动，使近指节外骨骼与第一转轴的距离变远，从而使得外骨骼近指节的相对长度变长，且手指弯曲角度越大，外骨骼近指节的相对长度增加的越多，通过优化凸轮槽的形状，可以实现手指外骨骼和人手手指背部的完美契合；第一转轴处设有第一角度传感器，用于实时测量手指外骨骼基关节的弯曲角度，即实现同步测量人手基关节的旋转角度。

2、指尖力反馈的原理：以第一磁流变力反馈机构为例，第一盘式磁流变阻尼器是提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，可以通过控制通过阻尼器线圈的电流，控制产生的阻尼力；没有反馈力时，本发明的外骨骼手套可以自由跟随人手手指的运动，当需要产生反馈力时，通过控制磁流变阻尼器的电流，产生相应的阻尼力，同时控制第一微型步进电机的转动，通过第一绳索拉动第一棘爪，卡住关节处的第一棘轮，通过第二绳索拉动第二棘爪，卡住关节处的第二棘轮，使外骨骼手套的手指关节锁定，无法继续转动，此时整根外骨骼手指可以当成一根杆，第一盘式磁流变阻尼器的阻尼力通过齿轮传递到外骨骼的基关节处，阻碍人手手指带动外骨骼的继续转动，人手指尖放置在外骨骼手套末端的第一指托上，感受到相应的反馈力；当没有反馈力时，第一盘式磁流变阻尼器阻尼力减小，第一微型步进电机反转，拉动第一棘爪、第二棘爪放松关节处的第一棘轮、第二棘轮，外骨骼手套恢复自由跟随手指运动的状态。

本发明的有益效果在于：1）采用盘式磁流变阻尼器进行被动的力反馈，结构简单，控制方便，安全可靠；2）能够实现关节弯曲时外骨骼关节的自动伸长，通过优化凸轮槽的形状，可以实现手指外骨骼和人手手指背部的完美契合；穿戴舒适，没有多余的束缚，更好的实现临场感；3）利用棘轮机构的单向锁死功能，在需要力反馈时，实现外骨骼各指节转轴的锁定，将基关节处的阻尼力转化为指尖的反馈力，结构简单，高效可靠，避免了手指关节的被迫传力；4）集角度测量、驱动和力反馈于一体，结构精简，便于穿戴；5）合理选择触力传感器和角度传感器，满足外骨骼手套的位置测量和力反馈的双重功能，动态响应快，力反馈精度高。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：包括手背手腕穿戴装置（100）以及分别固定在手背手腕穿戴装置（100）上的小拇指外骨骼机构（200）、无名指外骨骼机构（300）、中指外骨骼机构（400）、食指外骨骼机构（500）以及大拇指外骨骼机构（600），其中：

小拇指外骨骼机构（200）、无名指外骨骼机构（300）、中指外骨骼机构（400）、食指外骨骼机构（500）均为三指节外骨骼机构，所述的三指节外骨骼机构包括依次相连的掌骨外骨骼（1）、近指节外骨骼（2）、中指节外骨骼（3）及远指节外骨骼（4），所述的掌骨外骨骼（1）与近指节外骨骼（2）之间、近指节外骨骼（2）与中指节外骨骼（3）之间、中指节外骨骼（3）与远指节外骨骼（4）之间分别通过近指关节组件（5）、中指关节组件（6）、远指关节组件（7）相连；所述的三指节外骨骼机构还包括第一磁流变力反馈机构（8）以及第一微电机和棘轮锁定机构（9）；

所述的大拇指外骨骼机构（600）为两指节外骨骼机构，所述的两指节外骨骼机构包括依次相连的拇指近指节外骨骼（10）、拇指中指节外骨骼（11）及拇指远指节外骨骼（12），所述的拇指近指节外骨骼（10）与拇指中指节外骨骼（11）之间、拇指中指节外骨骼（11）与拇指远指节外骨骼（12）之间分别通过拇指中指节关节组件（13）、拇指远指节关节组件（14）相连；所述的两指节外骨骼机构还包括第二磁流变力反馈机构（15）以及第二微电机和棘轮锁定机构（16）；

所述的近指关节组件（5）、中指关节组件（6）、远指关节组件（7）、拇指中指节关节组件（13）、拇指远指节关节组件（14）的长度可调；

所述的第一磁流变力反馈机构（8）包括第一盘式磁流变阻尼器（801）、固定在第一盘式磁流变阻尼器（801）转轴上的第一直齿轮（802）、固定在第一转轴（104）上的第三直齿轮（803）以及同时与第一直齿轮（802）及第三直齿轮（803）相啮合的第二直齿轮（804）；

所述的第二磁流变力反馈机构（15）包括第二盘式磁流变阻尼器（1501）、固定在第二盘式磁流变阻尼器（1501）转轴上的第四直齿轮（1502）、固定在第四转轴（1004）上的第六直齿轮（1503）以及同时与第四直齿轮（1502）及第六直齿轮（1503）相啮合的第五直齿轮（1504）。

2.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的手背手腕穿戴装置（100）包括固定架主体（110），所述固定架主体（110）的前端上部形成用于固定小拇指外骨骼机构（200）、无名指外骨骼机构（300）、中指外骨骼机构（400）及食指外骨骼机构（500）的台阶面（120），该台阶面（120）的高低分布形态与人手小拇指、无名指、中指及食指的基关节高低位置相对应；所述固定架主体（110）的后端设有用于固定大拇指外骨骼机构（600）的拇指近指节固定板（130），所述的拇指近指节固定板（130）通过第六转轴（140）与固定架主体（110）的后端相铰接，所述的第六转轴（140）上设有第六角度传感器（150）；

所述固定架主体（110）的前端下部及后端下部分别设有手掌可调节绑带（160）及手腕可调节绑带（170），所述的手掌可调节绑带（160）及手腕可调节绑带（170）分别穿戴在人手的手掌部位及手腕部位，且手掌可调节绑带（160）及手腕可调节绑带（170）的松紧及大小可调；

所述的小拇指外骨骼机构（200）与无名指外骨骼机构（300）、无名指外骨骼机构（300）与中指外骨骼机构（400）、中指外骨骼机构（400）与食指外骨骼机构（500）之间沿手掌水平方向的安装夹角为3度。

3.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的掌骨外骨骼（1）、近指节外骨骼（2）、中指节外骨骼（3）及远指节外骨骼（4）均为槽状结构，所述的掌骨外骨骼（1）由第一底板（101）及垂直连接在第一底板（101）上的第一肋板（102）、第二肋板（103）组成，所述的近指节外骨骼（2）由第二底板（201）及垂直连接在第二底板（201）上的第三肋板（202）、第四肋板（203）组成，所述的中指节外骨骼（3）由第三底板（301）及垂直连接在第三底板（301）上的第五肋板（302）、第六肋板（303）组成，所述的远指节外骨骼（4）由第四底板（401）及垂直连接在第四底板（401）上的第七肋板（402）、第八肋板（403）组成，所述的第一底板（101）通过螺钉与固定架主体（110）上的台阶面（120）连接固定，所述第二底板（201）及第三底板（301）的底面分别设有近指节绑带（204）及中指节绑带（304），所述第四底板（401）的底面设有第一指托（404），所述的第一指托（404）呈U型，由相平行的第一板（4041）、第二板（4042）以及连接第一板（4041）、第二板（4042）的第三板（4043）组成，所述的第一板（4041）与第四底板（401）相固定，所述第二板（4042）的内侧板面固定有第一触力传感器（405）。

4.根据权利要求3所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的近指关节组件（5）包括近指节固定块（501），所述的近指节固定块（501）设置在近指节外骨骼（2）靠近掌骨外骨骼（1）的一端，所述近指节固定块（501）的一端与近指节外骨骼（2）形成水平方向的滑动配合，所述近指节固定块（501）的另一端与掌骨外骨骼（1）上设置的第一转轴（104）铰接相连，所述的第一转轴（104）上设有第一角度传感器（105），所述的近指关节组件（5）还包括用于连接近指节外骨骼（2）与掌骨外骨骼（1）的第一连杆（502），所述第一连杆（502）的一端与近指节外骨骼（2）固定连接，所述第一连杆（502）的另一端与设置在掌骨外骨骼（1）上的第一凸轮槽（106）形成滑动配合。

5.根据权利要求4所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的第三肋板（202）及第四肋板（203）上分别对称设有第一滑槽（205），所述的第一滑槽（205）为水平方向设置的腰形槽，所述近指节固定块（501）的左右侧面分别设有与第一滑槽（205）形成滑动配合的第一支撑销（503），所述的第一支撑销（503）及第一滑槽（205）均呈上下方向布置两组，所述第一连杆（502）的一端通过螺钉固定在第三肋板（202）及第四肋板（203）的外侧面且位于两组第一滑槽（205）之间，所述第一连杆（502）的另一端设有与第一凸轮槽（106）形成滑动配合的第一柱状凸台（504），所述的第一柱状凸台（504）设置在第一连杆（502）的内侧面上，所述的第一肋板（102）及第二肋板（103）上分别对称设有第一凸轮槽（106），所述的第一转轴（104）固定在第一肋板（102）及第二肋板（103）之间。

6.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述第一盘式磁流变阻尼器（801）的背面通过螺钉与第二肋板（103）的内板面相固定，所述第二直齿轮（804）的齿轮轴一端固定在第一肋板（102）上，另一端固定在第一盘式磁流变阻尼器（801）的外壳上，所述的第三直齿轮（803）为扇形齿轮，其角度为120度。

7.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的第一微电机和棘轮锁定机构（9）包括固定在第四肋板（203）内板面上的第一微型步进电机（901），所述第一微型步进电机（901）的输出轴上设有第一滑轮（902），所述的第一滑轮（902）为双槽滑轮，还包括与第二转轴（206）同轴设置的第一棘轮（903）及第二滑轮（904），所述的第二滑轮（904）为单槽滑轮，所述的第一棘轮（903）与第一棘爪（905）相配合，且第一棘轮（903）与第一棘爪（905）处在同一平面内，所述的第一棘爪（905）与设置在第三肋板（202）上的第一销轴（209）铰接相连，所述的第一销轴（209）上设有第一扭簧，所述第一扭簧的一端与第一棘爪（905）相固定，第一扭簧的另一端与第三肋板（202）的内板面相固定；

所述的第一微电机和棘轮锁定机构（9）还包括与第三转轴（306）同轴设置的第二棘轮（906），所述的第二棘轮（906）与第二棘爪（907）相配合，且第二棘轮（906）与第二棘爪（907）处在同一平面内，所述的第二棘爪（907）与设置在第五肋板（302）上的第二销轴（309）铰接相连，所述的第二销轴（309）上设有第二扭簧，所述第二扭簧的一端与第二棘爪（907）相固定，第二扭簧的另一端与第五肋板（302）的内板面相固定；

所述的第一微电机和棘轮锁定机构（9）还包括第一绳索（908）及第二绳索（909），所述第一绳索（908）的一端固定在第一滑轮（902）的一个轮槽中，第一绳索（908）的另一端与第一棘爪（905）后侧设置的凹槽缠绕固定，所述第二绳索（909）的一端固定在第一滑轮（902）的另一个轮槽中，第二绳索（909）的另一端绕经第二滑轮（904）后与第二棘爪（907）后侧设置的凹槽缠绕固定。

8.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的拇指近指节外骨骼（10）、拇指中指节外骨骼（11）及拇指远指节外骨骼（12）均为槽状结构，所述的拇指近指节外骨骼（10）由第五底板（1001）及垂直连接在第五底板（1001）上的第九肋板（1002）、第十肋板（1003）组成，所述的拇指中指节外骨骼（11）由第六底板（1101）及垂直连接在第六底板（1101）上的第十一肋板（1102）、第十二肋板（1103）组成，所述的拇指远指节外骨骼（12）由第七底板（1201）及垂直连接在第七底板（1201）上的第十三肋板（1202）、第十四肋板（1203）组成，所述的第五底板（1001）通过螺钉与固定架主体（110）上的拇指近指节固定板（130）连接固定，所述第六底板（1101）的底面设有拇指中指节绑带（1104），所述第七底板（1201）的底面设有第二指托（1204），所述的第二指托（1204）上设有第二触力传感器（1205）。

9.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述第二盘式磁流变阻尼器（1501）的背面通过螺钉与第十肋板（1003）的内板面相固定，所述第五直齿轮（1504）的齿轮轴一端固定在第九肋板（1002）上，另一端固定在第二盘式磁流变阻尼器（1501）的外壳上，所述的第六直齿轮（1503）为扇形齿轮，其角度为120度。

10.根据权利要求1所述的具有手指位置同步测量和指尖力反馈功能的外骨骼手套，其特征在于：所述的第二微电机和棘轮锁定机构（16）包括固定在第十二肋板（1103）内板面上的第二微型步进电机（1601），所述第二微型步进电机（1601）的输出轴上设有第三滑轮（1602），所述的第三滑轮（1602）为单槽滑轮，还包括与第五转轴（1106）同轴设置的第三棘轮（1603），所述的第三棘轮（1603）与第三棘爪（1604）相配合，且第三棘轮（1603）与第三棘爪（1604）处在同一平面内，所述的第三棘爪（1604）与设置在第十一肋板（1102）上的第三销轴（1109）铰接相连，所述的第三销轴（1109）上设有第三扭簧，所述第三扭簧的一端与第三棘爪（1604）相固定，第三扭簧的另一端与第十一肋板（1102）的内板面相固定；

所述的第二微电机和棘轮锁定机构（16）还包括第三绳索（1605），所述第三绳索（1605）的一端固定在第三滑轮（1602）的轮槽中，第三绳索（1605）的另一端与第三棘爪（1604）后侧设置的凹槽缠绕固定。

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