CN109669532B - 手部机械外骨骼力反馈的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手部机械外骨骼力反馈的控制方法及系统。该控制方法根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息，利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，进行运算获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制方法能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。

Description

手部机械外骨骼力反馈的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种手部机械外骨骼力反馈的控制方法及系统。

背景技术

在虚拟现实的场景中，为了增强用户对虚拟世界的感知，常常会用到手部动作捕获装置来捕捉人手的运动信息，手部动作捕获装置具有与人手的五指相适配的五指机构。穿戴后，当用户的手指运动时，手部动作捕获装置便会捕捉人手指的运作情况，实现对人手运动信息的捕捉。随着虚拟现实技术的发展，手部动作捕获装置也开始同时具备力反馈功能。

然而，目前的手部动作捕获装置的力反馈功能仅是从无和有的区别，无法精准控制在不同位置的力反馈的大小，从而无法使用户产生真实的握持感。

发明内容

基于此，有必要针对目前的手部动作捕获装置的力反馈功能无法精准控制在不同位置的力反馈的大小，从而无法使用户产生真实的握持感的问题，提供一种手部机械外骨骼力反馈的控制方法及系统。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种手部机械外骨骼力反馈的控制方法，所述手部机械外骨骼包括多个手指连杆结构以及设置在手指连杆结构驱动关节上的一个或多个力反馈驱动装置，所述控制方法包括如下步骤：

读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值；

根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置；

若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈；

根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

上述控制方法，根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息；利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制方法能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。

在其中一个实施例中，所述控制方法还包括如下步骤：

实时采集所述力反馈驱动装置的工作状态值，若所述工作状态值超出预设阈值，则控制所述力反馈驱动装置启动过载保护。

在其中一个实施例中，所述根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质、需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置以及输出的力反馈的方向的步骤，包括：

根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，判断所述虚拟手部模型和所述目标接触物是否发生碰撞；

若发生碰撞则获取所述目标接触物的物理性质；

根据所述物理性质计算获取需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置。

在其中一个实施例中，所述若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈的步骤，包括：

若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置；

若所述目标接触位置位于所述目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向；

若所述目标接触位置位于所述目标接触物的内部，则判定所述力反馈为阻尼力反馈。

在其中一个实施例中，所述根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出的步骤，包括：

根据所述当前角度位置、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取所述力反馈驱动装置的目标工作状态值；

根据将所述当前工作状态值和所述目标工作状态值，获取目标力反馈输出值；

根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

在其中一个实施例中，所述目标力反馈输出值包括目标输出扭矩；所述根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出的步骤，包括：

获取目标输出扭矩对应的脉冲宽度调制波形；

根据所述脉冲宽度调制波形控制所述力反馈驱动装置的扭矩输出。

为了实现本发明的目的，本发明还采用如下技术方案：

一种手部机械外骨骼力反馈的控制系统，所述手部机械外骨骼包括多个手指连杆结构以及设置在手指连杆结构驱动关节上的一个或多个力反馈驱动装置，所述控制系统包括：

读取模块，用于读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值；

获取模块，用于根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置；

判定模块，用于若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定所述力反馈驱动装置需要开启力反馈；

控制模块，用于根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

上述控制系统，包括读取模块、获取模块、判定模块以及控制模块，系统根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息；利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制系统能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。

在其中一个实施例中，所述控制系统还包括：

保护模块，用于实时采集所述力反馈驱动装置的工作状态值，若所述工作状态值超出预设阈值，则控制所述力反馈驱动装置启动过载保护。

在其中一个实施例中，所述判定模块包括：

第一判定单元，用于若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置；

第二判定单元，用于若所述目标接触位置位于所述目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向；

第三判定单元，用于若所述目标接触位置位于所述目标接触物的内部，则判定所述力反馈为阻尼力反馈。

在其中一个实施例中，所述控制模块包括：

第一获取单元，用于根据所述当前角度位置、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取所述力反馈驱动装置的目标工作状态值；

第二获取单元，用于根据所述当前工作状态值和所述目标工作状态值，获取目标力反馈输出值；

控制单元，用于根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

附图说明

图1为一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制方法的方法流程图；

图2为另一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制方法的方法流程图；

图3为一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制系统的系统结构图；

图4为另一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制系统的系统结构图。

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例。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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参见图1，图1为一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制方法的方法流程图。

在本实施例中，该手部机械外骨骼具有力反馈功能，包括多个手指连杆结构以及设置在手指连杆结构驱动关节上的一个或多个力反馈驱动装置，可在用户手部提供可调节的连续力反馈，用以模拟虚拟物体的形状及刚度，这可被用于机器人控制、机械控制以及游戏等等。本申请的控制方法则用于控制该手部机械外骨骼的力反馈驱动装置的力反馈输出，具体地，该控制方法包括步骤S101、S102、S103以及S104。详述如下：

在步骤S101中，读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值。

在本发明实施例中，各驱动关节的当前角度位置包括手部机械外骨骼不同连杆结构关节间手指横向旋转的当前角度位置信息以及同一连杆结构不同连杆关节间旋转的当前角度位置信息。各驱动关节对应力反馈驱动装置的当前工作状态值包括设置在手部机械外骨骼不同连杆结构关节间力反馈驱动装置的当前工作状态值，以及设置在同一连杆结构上不同连杆关节间的一个或多个力反馈驱动装置的当前工作状态值。其中，当前工作状态值包括力反馈驱动装置输出的当前电流值或者当前电压值。

在一个实施例中，S101可以通过手部机械外骨骼上设置在各连杆结构上的角度传感器、微处理器以及设置在手部机械外骨骼手掌底座的主处理器实现当前角度位置和当前工作状态值的读取。S101通过角度传感器采集角度信息，获取各驱动关节的当前角度位置，继而通过微处理器读取各驱动关节的当前角度位置，同时读取对应力反馈驱动装置的当前工作状态值并反馈至主处理器，由此，主处理器汇总来自各连杆结构上各连杆结构驱动关节上的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值。其中，微处理器与主处理器可以通过信号线连接实现双向通讯(串口或I2C通讯或其他任何通讯形式)。

在步骤S102中，根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置。

在本发明实施例中，S102根据S101获取的不同连杆结构关节间手指横向旋转的当前角度位置信息以及同一连杆结构不同连杆关节间旋转的当前角度位置信息，可以获取虚拟手部模型的当前坐标位置，映射虚拟手部模型当前动作，进而判断虚拟手部模型当前是否与虚拟场景中目标接触物进行碰撞接触。在判断与目标接触物有碰撞接触时，则获取目标接触物的物理性质，并根据该物理性质计算获得需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置。其中，目标角度是指在需要进行力反馈时，驱动关节开始进行力反馈的临界角度位置。

在一个实施例中，S102包括：S1021、S1022以及S1023。

在S1021中，根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，判断虚拟手部模型和目标接触物是否发生碰撞。具体地，当虚拟手部模型的坐标与目标接触物的坐标有部分重合时，判定为发生碰撞。

在S1022中，若发生碰撞则获取目标接触物的物理性质。

在S1023中，根据物理性质计算获取需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置以及输出的力反馈的方向。

其中，目标接触物的物理性质包括刚度值和物体形状。根据目标接触物形状和刚度值的不同，每个手指连杆结构需要开启力反馈的驱动关节角度范围、输出力反馈的方向和大小也是不同的，进而用户可以感受目标接触物的形状和刚度。当目标接触物完全在虚拟手部模型的抓取范围内时，用户还可以感受出目标接触物的大小。

在步骤S103中，若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈。

在本发明实施例中，S103对当前角度位置和需要开启力反馈的预设工作范围进行比较，根据比较结果判定力反馈驱动装置是否需要开启力反馈。若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则需要开启力反馈，并进行力反馈的计算，否则不需开启力反馈。根据实际使用场景的不同，力反馈的预设工作范围也有不同。在一个实施例中，力反馈的预设工作范围可以是当前角度位置与目标角度位置的预设差值范围，若当前角度位置与目标角度位置的差值范围在预设差值范围内时，判定需要开启力反馈。在另一个实施例中，力反馈的预设工作范围还可以是预设的虚拟空间分布位置，若当前角度位置构建的虚拟手部模型处在预设的虚拟空间分布位置时，判定为需要开启力反馈。需要说明的是，力反馈的预设工作范围并不仅仅局限于此，任何与当前角度位置相关的因素都可以被设置为力反馈的预设工作范围，具体根据实际使用场景进行选择。

在一个实施例中，S103包括：S1031、S1032以及S1033。

在S1031中，若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置。

在S1032中，若目标接触位置位于目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向。

在S1033中，若目标接触位置位于目标接触物的内部，则判定力反馈为阻尼力反馈。

其中，目标接触位置是指虚拟场景中手部模型与目标接触物发生碰撞时，手部模型在目标接触物上的接触位置。目标接触位置可以是一个或多个。

力反馈的类型包括弹性力反馈、刚性力反馈以及阻尼力反馈。当目标接触位置处于目标接触物的表面时，手部机械外骨骼的相关位置可能与弹性体物质或刚性体物质的表面接触，或者也可能与液体(包括混合液)的表面接触，则判定该位置需要开启弹性力反馈或刚性力反馈同时获取需要输出的力反馈的方向，此时，手部机械外骨骼的相关位置即可模拟抓取或触碰到弹性物体的效果，使用户体验弹性力反馈效果；当手部机械外骨骼开启最大力反馈时，则手部机械外骨骼模拟直接抓取到刚性物体的效果，使用户体验刚性力反馈效果。例如，手部机械外骨骼的相关位置与虚拟场景中杯子的表面发生碰撞，则手部机械外骨骼的相关位置可以模拟抓取或触碰杯子的效果。需要说明的是，目标接触物不局限于弹性体物质、刚性体物质或者液体(包括混合液)，仅仅是举例说明。

当目标接触位置位于目标接触物的内部时，手部机械外骨骼的相关位置可能沉浸于液体(包括混合液)中，则判定需要开启阻尼力反馈。阻尼力反馈的方向不受限制，具体根据目标接触物的物理性质、目标接触位置的面积大小、碰撞速度或者手部机械外骨骼的运动方向等进行判断，有可能与弹性力反馈、刚性力反馈的方向相同，也有可能相反。在一个实施例中，力反馈驱动装置被配置为包括阻尼驱动机构和与阻尼驱动机构连接的输出连杆，当阻尼力反馈的方向与弹性力反馈、刚性力反馈的方向相反时，输出连杆旋转时，阻尼驱动机构则会启动，持续输出与输出连杆运动方向相反的力，模拟阻尼效果。

在一个实施例中，S102和S103可以通过与手部机械外骨骼通信连接的上位机实现。当手部机械外骨骼电源开启后，手部机械外骨骼内部的处理器与上位机建立无线通讯，进行信息的发送和接收，上位机在当前角度位置处于力反馈的预设工作范围内时判定需要开启力反馈，获取目标接触物的物理性质、目标角度位置以及力反馈的方向，并反馈回手部机械外骨骼的处理器。

在步骤S104中，根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质，获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

在本发明实施例中，S104具体可以通过力反馈控制算法，将当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质进行运算，获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。其中，相应力反馈输出是指在相应的力反馈方向上输出目标力反馈输出值；目标力反馈输出值为力反馈驱动装置的输出值，根据力反馈形式的不同，输出值的形式也不同。力反馈形式包括但不限于驱动力反馈、振动力反馈以及驱动力反馈或振动力反馈与温度反馈的结合。在一个实施例中，当力反馈驱动装置以电机驱动的形式进行力反馈时，则目标力反馈输出值为对应力反馈的扭矩输出值。在另一个实施例中，当力反馈驱动装置以电机振动的形式进行力反馈时，则目标力反馈输出值为对应力反馈的振动幅度大小、振动波形以及振动频率等的输出值。不同驱动关节处的当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置均有可能相同或者不同，即获取的不同力反馈驱动装置的目标力反馈输出值有可能相同或者不同，因而可以通过S104实现不同位置力反馈的大小精准控制，并且通过力反馈的输出，实现不同的力反馈效果，使用户通过力反馈体验虚拟物体中与手指、指尖以及手掌虚拟接触的对应区域的形状和硬度，甚至体验虚拟物体的大小。在一个实施例中，S104可以由手部机械外骨骼上设置的处理器执行动作。

在一个实施例中，S104包括：S1041、S1042以及S1043。

在S1041中，根据当前角度位置、目标角度位置以及物理性质，获取力反馈驱动装置的目标工作状态值。在一个实施例中，当前工作状态值具体指当前工作电流值，物理性质指刚度值，目标工作状态值指目标工作电流，根据当前角度位置、目标角度位置以及刚度值进行运算获取目标工作电流值。具体地，目标工作电流值正比于当前角度位置和目标角度位置的差值，当前角度位置和目标角度位置的差值越大，目标工作电流值越大。具体地，目标工作电流值还正比于刚度值，刚度值越大，目标工作电流值越大。

在S1042中，根据当前工作状态值和目标工作状态值，获取目标力反馈输出值。在一个实施例中，当前工作状态值具体指当前工作电流值，目标工作状态值指目标工作电流，目标力反馈输出值指目标输出扭矩，根据当前工作电流值和目标工作电流值，获取各力反馈驱动装置的目标输出扭矩。具体地，将当前工作电流值和目标工作电流值进行比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后获取目标输出扭矩。

在S1043中，根据目标力反馈输出值控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。在一个实施例中，力反馈驱动装置包括力反馈驱动机构，目标力反馈输出值包括目标输出扭矩。在一个实施例中，S1043包括获取目标输出扭矩对应的脉冲宽度调制波形，根据脉冲宽度调制波形控制各力反馈驱动装置的扭矩输出。即将目标力反馈输出值经过比例换算后成为力反馈驱动电机的PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制波形)波形的占空比，并据此生成PWM波输出到力反馈驱动电机。PWM波的占空比越大力反馈驱动电机输出扭矩越大，反之亦然，所以可以通过改变PWM波占空比的形式控制力反馈驱动电机扭矩。

本发明实施例提供的控制方法，根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息，利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制方法能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状、大小及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。

参见图2，图2为另一实施例中手部机械外骨骼力反馈的控制方法的方法流程图。

在本实施例中，该控制方法包括步骤S201、S202、S203、S204以及S205。详述如下：

在步骤S201中，读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值。

在步骤S202中，根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质、需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置以及输出的力反馈的方向。

在步骤S203中，若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈。

在步骤S204中，将当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质进行运算，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

在步骤S205中，实时采集力反馈驱动装置的工作状态值，若工作状态值超出预设阈值，则控制力反馈驱动装置启动过载保护。

在本发明实施例中，S201、S202、S203以及S204参见上一实施例中S101、S102、S103以及S104的相关描述，在此不再赘述。且S201、S202、S203、S204以及S205并不限定先后顺序。例如，步骤S205可以在任意步骤之前，也可以在任意步骤之后。

在本发明实施例中，S205实时采集力反馈驱动装置的工作状态值，若工作状态值超出预设阈值，则控制力反馈驱动装置停止输出力反馈或者根据实际情况重新设置预设阈值，降低最大力反馈上限，以保护力反馈驱动装置和使用者。

本发明实施例提供的控制方法，根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息，利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制方法能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状、大小以及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。同时，在力反馈驱动装置的工作状态值超出预设阈值时，对力反馈驱动装置和使用者进行保护，以提高力反馈的安全性和稳定性。

参见图3，图3为一实施例提供的一种手部机械外骨骼力反馈的控制系统的系统结构图。

本实施例的控制系统包括的各模块用于执行图1对应的实施例中的各步骤，具体请参阅图1以及图1对应的实施例中的相关描述，此处不赘述。本实施例的控制系统包括：读取模块101、获取模块102、判定模块103以及控制模块104。具体地：

读取模块101，用于读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值。

获取模块102，用于根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质、需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置以及输出的力反馈的方向。

判定模块103，用于若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈。

控制模块104，用于将当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质进行运算，获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

在一个实施例中，判定模块103包括第一判定单元、第二判定单元以及第三判定单元。

第一判定单元，用于若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置。

第二判定单元，用于若目标接触位置位于目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向。

第三判定单元，用于若目标接触位置位于目标接触物的内部，则判定力反馈为阻尼力反馈。

在一个实施例中，控制模块104包括第一运算单元、第二运算单元以及控制单元。

第一获取单元，用于根据当前角度位置、目标角度位置以及物理性质，获取力反馈驱动装置的目标工作状态值。

第二获取单元，用于根据当前工作状态值和目标工作状态值，获取目标力反馈输出值。

控制单元，用于根据目标力反馈输出值控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

在一个实施例中，获取模块102包括判断单元、第三获取单元以及第四获取单元。

判断单元，用于根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，判断虚拟手部模型和目标接触物是否发生碰撞。

第三获取单元，用于若发生碰撞则获取目标接触物的物理性质。

第四获取单元，用于根据物理性质计算获取需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置。

本发明实施例提供的控制系统，包括读取模块101、获取模块102、判定模块103以及控制模块104，系统根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息，利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置，在判定需要开启力反馈时，根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制系统能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。

参见图4，图4为另一实施例提供的一种手部机械外骨骼力反馈的控制系统的系统结构图。

本实施例的控制系统包括的各模块用于执行图2对应的实施例中的各步骤，具体请参阅图2以及图2对应的实施例中的相关描述，此处不赘述。在本实施例的控制系统包括：读取模块201、获取模块202、判定模块203、控制模块204以及保护模块205。

读取模块201，用于读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值。

获取模块202，用于根据当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质和需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置。

判定模块203，用于若当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈。

控制模块204，用于根据当前角度位置、当前工作状态值、目标角度位置以及物理性质，获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

保护模块205，用于实时采集所述力反馈驱动装置的工作状态值，若工作状态值超出预设阈值，则控制力反馈驱动装置启动过载保护。

本发明实施例提供的控制系统，包括读取模块201、获取模块202、判定模块203、控制模块204以及保护模块205，系统根据各驱动关节的当前角度位置，实时捕捉驱动关节的角度信息，利用驱动关节的角度信息构建手部模型，获取虚拟场景中目标接触物的物理性质、需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置以及输出的力反馈的方向，在判定需要开启力反馈时，进行运算获取目标力反馈输出值以控制力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。由此，该控制系统能够实现手指动作和手部动作的细致捕捉，并精准控制在不同位置力反馈的大小，同时实现维度更丰富、体验更精细的力反馈，用以模拟虚拟物体的形状、大小及刚度，为用户提供更加真实的触感体验。同时，在力反馈驱动装置的工作状态值超出预设阈值时，对力反馈驱动装置和使用者进行保护，以提高力反馈的安全性和稳定性。

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 (9)

1.一种手部机械外骨骼力反馈的控制方法，其特征在于，所述手部机械外骨骼包括多个手指连杆结构以及设置在手指连杆结构驱动关节上的一个或多个力反馈驱动装置，所述控制方法包括如下步骤：

读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值；

根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，判断所述虚拟手部模型和目标接触物是否发生碰撞；若发生碰撞则获取虚拟场景中所述目标接触物的物理性质，和根据所述物理性质计算获取需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置；

若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈；

根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括如下步骤：

实时采集所述力反馈驱动装置的工作状态值，若所述工作状态值超出预设阈值，则控制所述力反馈驱动装置启动过载保护。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈的步骤，包括：

若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置；

若所述目标接触位置位于所述目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向；

若所述目标接触位置位于所述目标接触物的内部，则判定所述力反馈为阻尼力反馈。

4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出的步骤，包括：

根据所述当前角度位置、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取所述力反馈驱动装置的目标工作状态值；

根据将所述当前工作状态值和所述目标工作状态值，获取目标力反馈输出值；

根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述目标力反馈输出值包括目标输出扭矩；所述根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出的步骤，包括：

获取目标输出扭矩对应的脉冲宽度调制波形；

根据所述脉冲宽度调制波形控制所述力反馈驱动装置的扭矩输出。

6.一种手部机械外骨骼力反馈的控制系统，其特征在于，所述手部机械外骨骼包括多个手指连杆结构以及设置在手指连杆结构驱动关节上的一个或多个力反馈驱动装置，所述控制系统包括：

读取模块，用于读取各驱动关节的当前角度位置和对应力反馈驱动装置的当前工作状态值；

获取模块，用于根据所述当前角度位置映射虚拟手部模型当前动作，判断所述虚拟手部模型和目标接触物是否发生碰撞；若发生碰撞则获取虚拟场景中所述目标接触物的物理性质，和根据所述物理性质计算获取需要进行力反馈的驱动关节的目标角度位置；

判定模块，用于若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，则判定力反馈驱动装置需要开启力反馈；

控制模块，用于根据所述当前角度位置、所述当前工作状态值、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取目标力反馈输出值以控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

保护模块，用于实时采集所述力反馈驱动装置的工作状态值，若所述工作状态值超出预设阈值，则控制所述力反馈驱动装置启动过载保护。

8.根据权利要求6或7所述的控制系统，其特征在于，所述判定模块包括：

第一判定单元，用于若所述当前角度位置在力反馈的预设工作范围内，判断虚拟场景中目标接触物的目标接触位置；

第二判定单元，用于若所述目标接触位置位于所述目标接触物的表面，则判定需要开启弹性力反馈或刚性力反馈，获取需要输出的力反馈的方向；

第三判定单元，用于若所述目标接触位置位于所述目标接触物的内部，则判定所述力反馈为阻尼力反馈。

9.根据权利要求6或7所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

第一获取单元，用于根据所述当前角度位置、所述目标角度位置以及所述物理性质，获取所述力反馈驱动装置的目标工作状态值；

第二获取单元，用于根据所述当前工作状态值和所述目标工作状态值，获取目标力反馈输出值；

控制单元，用于根据目标力反馈输出值控制所述力反馈驱动装置进行相应力反馈输出。

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