CN113485521B - 一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄 - Google Patents

一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄，包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输单元；握柄本体分为上部握柄本体和下部握柄本体，二者之间采用可拆卸且可旋转方式同轴连接；在上部握柄本体内部安装有内部安装有姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元；上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，通过六个拉压力传感器配合工作实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，得到使用者对握柄各个方向的施力大小。本发明能够对使用者施力情况进行全面分析，实时感知手部运动状态从而全方位感知操作者意图。

Description

一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄
技术领域
本发明涉及遥操作、康复训练和人机协作等领域，具体是一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄。
背景技术
在遥操作和人机协作领域，需要一种制作简易、价格低廉、高精度的装置来感知人手部在空间六个维度的施力状态，并能测量出操作者手部的运动方向，从而充分估计出操作者的运动意图。同样，医疗康复领域中也需要实现对患者的运动状态与施力情况进行实时测量。目前，多选择使用六维力传感器来实现上述需求，但六维力传感器成本较高、安装方式受限，且不能同时测量手部运动状态信息。相关替代设备只能实现部分维度的测量功能，不满足六个维度力的测量要求。
公开号为CN 111488060 A的中国专利提出了一种交互式手柄，该手柄通过安装于手柄顶部的陀螺仪测量使用者的手部运动姿态，并使用震动器来实现操作反馈。但该交互式手柄在测量方面仅仅使用陀螺仪实现了运动位姿测量，对操作时手部力量的测量功能是该申请所不具备的。
公开号为CN111467781A的专利提供了一种基于多感知系统的电容触觉手柄及其制作方法。该手柄包括圆柱形手柄主体、手柄主体外表面的柔性压力传感器、手柄顶端的拉压力传感器、手柄内部的惯性测量装置IMU。在手臂肌力测量方面，通过使用手柄顶端的拉压力传感器实现对人手施加于手柄上力的测量。但该手柄仅能实现手柄轴向一个方向的力测量，且不能实现手柄位姿状态的运动检测。要想实现对使用者的运动意图预测，要求设备能够实时检测手柄所受个方向力及手柄所处位姿。该申请所述手柄显然不能满足这些功能要求。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄。该手柄使用一个陀螺仪姿态传感器和六个拉压力传感器，可对人手施加在握柄机构上的力与运动情况进行实时测量，分析测量数据可得知手部施力情况和运动意图。该手柄轻便简单、成本低、测量精度高且容易设计实现。同时，根据本发明可实现的功能，该发明也可用于需要感知使用者施力情况的人机协作及医疗康复训练领域。
本发明的技术方案为：
所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输单元；
所述握柄本体分为上部握柄本体和下部握柄本体，二者之间采用可拆卸且可旋转方式同轴连接；在上部握柄本体内部安装有姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元；其中柔性器件两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动；
所述上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，所述上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，通过六个拉压力传感器配合工作实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，得到使用者对握柄各个方向的施力大小。
进一步的，所述握柄本体为圆柱体结构；上部握柄本体中的柔性器件采用扭簧，扭簧轴线与握柄轴线相重合，扭簧两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，下部握柄本体固定在所述上肢肌力检测单元上，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动，反映操控者手部运动状态的同时提高设备的使用舒适度。
进一步的，上部握柄本体和下部握柄本体之间采用挂钩暗槽方式的相互咬合固定方式；上部握柄本体壳体在靠近下端的外侧面上设有挂钩，如环形挂钩，在下部握柄本体上端内侧面上设有暗槽，暗槽与挂钩能够配合实现上部握柄本体和下部握柄本体之间的可拆卸且可旋转同轴连接。
进一步的，所述上部握柄本体沿圆柱轴线对半切分成两块，内部形成圆孔型槽位和方形槽位，用于安装姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元。
这样，整个圆柱体握柄本体就是由三部分组件拼装而成，具体形式为，首先平行于圆柱体握柄底面在圆柱体三分之一处切分为上下两部分，上部握柄本体沿圆柱底面直径对半切分成对称的两块组件，两块组件之间通过螺钉连接。
进一步的，所述上肢肌力检测单元作用为检测使用者施加于握柄的力与扭矩大小，通过对检测数据的分析可了解使用者的腕部肌力情况；上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，所述六个拉压力传感器分两组安装于三片圆形金属夹板之间；
三片圆形金属夹板自上而下同心放置；
上方金属夹板上端面与握柄本体下端面固定连接，且上方金属夹板中心圆心与握柄本体底面圆心重合；
上方金属夹板下端面中心与中间金属夹板上端面中心之间自上而下由通过轴承、转轴、圆柱、第一拉压力传感器和虎克铰链依次连接；第一拉压力传感器的轴线与握柄本体的轴线重合，第一拉压力传感器测量人手作用于握柄上的竖直方向力的大小；
上方金属夹板下端面与中间金属夹板上端面之间，在圆柱周围还布置有另外三个拉压力传感器，用以测量握柄在使用时沿竖直方向及水平方向的受力情况；
中间金属夹板下端面中心与下方金属夹板上端面中心之间通过万向联轴器连接，中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间还布置有两个拉压力传感器，用以测量握柄在使用时在水平方向所受力与力矩，这两个拉压力传感器的轴线相互垂直，且均与万向联轴器轴线垂直相交，这两个拉压力传感器的两条轴线所成的平面与金属夹板所在平面相平行。
进一步的，在上肢肌力检测单元下端还通过压簧连接底座，实现握柄机构使用时的柔性体验。
进一步的，上方金属夹板下端面中心设有轴承槽，轴承安装于所设的轴承槽内，轴承槽与上方金属夹板下端面同心；转轴一端同轴安装在轴承上，另一端底面与一个同等端面尺寸的圆柱端面连接，圆柱的另一个端面与第一拉压力传感器的工作面固定连接，第一拉压力传感器的另一端工作面与虎克铰链的端面固定连接；且第一拉压力传感器的轴线穿过虎克铰链内部十字转动轴的中心点。
进一步的，上方金属夹板下端面与中间金属夹板上端面之间，在圆柱周围还布置有第二拉压力传感器、第三拉压力传感器和第四拉压力传感器；
第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的两端均分别通过球形铰链与上方金属夹板下端面以及中间金属夹板上端面连接，第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线分别对应与所述虎克铰链内部十字转轴的两条轴线垂直相交，第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线均与握柄轴线相平行，并且第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线与握柄轴线的距离相同；
第二拉压力传感器的两端分别通过球形铰链与两块平板连接，其中一块平板连接在所述圆柱上，且该平板与第二拉压力传感器连接的平面过握柄轴线，另一块平板固定在上方金属夹板下端面；第二拉压力传感器轴线垂直于连接在所述圆柱上的平板平面。
进一步的，中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间靠近金属夹板外沿处沿周向均布有多根限位用的金属圆柱，所述金属圆柱长度相同，两端通过球形铰链分别与中间金属夹板下端面以及下方金属夹板上端面连接，且金属圆柱轴线与万向联轴器轴线距离相同，金属圆柱之间的轴线距离也相同。
进一步的，中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间布置有第五拉压力传感器和第六拉压力传感器，第五拉压力传感器和第六拉压力传感器均分别通过球形铰链连接在两个平板上，其中一个平板固定在中间金属夹板下端面，另一个平板固定在下方金属夹板上端面。
有益效果
本发明所提出的操控手柄的一个重要功能为检测使用者的运动意图。根据人体解剖学及人体运动学研究表明，正常人体的上肢腕关节的复杂运动可分解为尺偏、桡偏、掌缩、背伸、旋前、旋后这六个单自由度的基本运动动作。握柄本体内部上端安装有可测量握柄本体在空间角度变化的陀螺仪姿态传感器，该传感器可以测量自身空间三维的角度变化值以及角度变化的速度和加速度。同时握柄内部下端和底座上安装有两个弹性元件，给予了整个握柄机构一定的活动度，使整个握柄机构在将底座固定于某处时，握柄本体部分依旧可以在受到外力作用是产生相应的小幅度运动。通过将陀螺仪姿态传感器和弹性元件功能相结合，可以在使用者使用握柄时，将施加给握柄本体的力的作用效果通过握柄本体的运动展现出来，并根据运动情况与人体腕关节六种单自由度的基本运动进行映射分析，实现对使用者运动意图的分析。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的握柄本体结构爆炸图。
图3为本发明的上、中两夹板间的零件布局情况示意图。
图4为本发明的中、下两夹板间的零件布局情况示意图
图5为本发明所用虎克铰链的零件示意图。
图6为本发明中拉压力传感器通过球形铰链进行连接的方法示意图。
图7、图8为本发明握柄机构具体使用时受力测量的工作原理示意图。
图9、图10为本发明握柄机构具体使用时的受力运动示意图。
附图标记说明：1.上部握柄本体前半部分；2.陀螺仪传感器；3.电池组件；4.信号处理传输芯片；5.上部握柄本体后半部分；6.扭簧；7.下部握柄本体；8.圆形金属夹板；9.第一拉压力传感器；10.第二拉压力传感器；11.长方形金属板；12.虎克铰链；13.第三拉压力传感器；14.长方形金属板；15.第四拉压力传感器；16.圆形金属夹板；17.金属圆柱体支撑件；18.长方形金属板；19.万向联轴器；20.第五拉压力传感器；21.长方形金属板；22.圆形金属夹板；23.金属圆柱体支撑件；24.长方形金属板；25.第六拉压力传感器；26.长方形金属板；27.金属圆柱体支撑件；28.压簧；29.底座。
具体实施方式
本发明提供了一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄，该手柄使用一个可测量的陀螺仪姿态传感器和六个拉压力传感器，可对人手施加在握柄机构上的力与运动情况进行实时测量，分析测量数据可得知手部施力情况和运动意图。该手柄轻便简单、成本低、测量精度高且容易设计实现。同时，根据本发明可实现的功能，该发明也可用于需要感知使用者施力情况的人机协作及医疗康复训练领域。
该握柄机构包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输元件；所述握柄本体形状为圆柱体，由上下分离的两部分通过暗扣连接。所述上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，所述上肢力检测单元包含有六个拉压力传感器，使用时通过六个拉压力传感器配合工作可实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，即测量出使用者对握柄各个方向的施力大小。
具体的，所述圆柱体形握柄本体外壳为三部分组件拼装而成，具体形式为，首先平行于圆柱体握柄底面在圆柱体三分之一处切分为上下两部分。在所述握柄端部分壳体在断开处设有挂钩，在另一部分柱体断开处设有暗槽，使所述两个部分壳体能够相互咬合固定。上部握柄部分沿圆柱底面直径对半切分成对称的两块组件，所述两组件之间通过螺钉连接。在上部握柄本体内部开有圆孔型槽位和方形槽位，其中安装有姿态传感器、柔性器件、电源及传输元件。
具体的，所述柔性器件为一圆柱形扭簧，所述圆柱形扭簧安装于握柄内部，扭簧轴线与圆柱形握柄轴线相重合，扭簧两端分别和所述握柄本体的上下两部分固定连接，使握柄上下两部分之间能够实现绕圆柱体握柄轴线的微小旋转运动，反映操控者手部运动状态的同时提高设备的使用舒适度。
所述上肢肌力测试单元作用为检测使用者施加于握柄的力与扭矩大小，通过对检测数据的分析可了解使用者的腕部肌力情况。具体的，肌力测试单元包含有六个拉压力传感器，所述六个拉压力传感器分两组安装于三片圆形金属夹板之间。各拉压传感器固定端均采用球形铰链连接，目的为防止拉压传感器受到扭力作用而损坏。除所述拉压力传感器外，所述上肢肌力检测单元还包含有一个虎克铰链和一个万向联轴器用以实现肌力测试单元内部各部分的相对转动。具体的，所述三片圆形金属夹板及其间零件的具体布置形式为：整体结构上三个金属板自上而下同心放置。
其中上方金属板与握柄本体的下底面固定连接，并且上方金属板圆心与圆柱形握柄底面圆心同轴。上金属板与中间金属板间的中心连接部件依次为轴承、金属转轴、金属圆柱、第一拉压力传感器和虎克铰链，具体形式为上方金属板下底面中心设有一个轴承槽，轴承安装于所设的轴承槽内。圆柱转轴一端穿过轴承，另一端底面与同等端面尺寸的金属圆柱的一个端面连接，金属圆柱的另一个端面与第一拉压传感器的工作面固定连接，第一拉压传感器的轴线与所述金属圆柱的轴线重合。所述第一拉压传感器的作用是测量人手作用于握柄上的竖直方向力的大小。第一拉压传感器另一端工作面与虎克铰链的一个端面固定连接。具体的，圆柱形的第一拉压传感器的轴线穿过虎克铰链内部十字转动轴的中心点。采用该布置方式的作用是，虎克铰链上部分和下部分可以通过虎克铰链内转轴实现正交旋转，而无其它形式的运动自由度。
除与所述金属圆柱一端底面所连接的第一拉压传感器外，在上方金属板与中间金属板之间另布置有第二拉压传感器、第三拉压传感器和第四拉压传感器，用以测量握柄在使用时沿竖直方向及水平方向的受力情况。在所述金属圆柱的母线中段处设有一块突出的金属平板，握柄轴线处于金属平板的一侧板面上，其该板面与第二拉压传感器的一个作用端通过球形铰链连接，且第二拉压传感器的轴线与该金属平板板面垂直；所述第二拉压传感器的另一作用端通过球形铰链连接安装在上方金属板下表面上的一个长方形金属平板上。
另外第三拉压传感器和第四拉压传感器的布置形式为，传感器的两个作用端分别通过球形铰链与上方金属板的下平面和中间金属夹板的上平面连接。具体的，两个传感器的轴线分别与所述虎克铰链的内部十字转轴的两条轴线垂直相交，两个传感器的轴线分别与握柄轴线相平行，并且两个传感器的轴线与握柄轴线之间的距离值相同。
中间金属板与下方金属板之间通过一个安装在金属板圆心处的万向联轴器连接，并在中、下方金属板之间靠近金属板外沿处安装有三个限位用的金属圆柱，所述金属圆柱长度相同，两端通过球形铰链分别与中间金属板的下表面和下方金属板的上表面连接，三个金属圆柱的轴线与联轴器的轴线之间的距离相同，且金属圆柱之间的轴线距离也相同。在中下两金属板之间布置有第三拉压传感器和第四拉压传感器，其作用是检测握柄在水平方向所受力与力矩。两个传感器均通过球形铰链安装，传感器的两个作用端一端连接至下方金属板向上伸出的突出平面，另一端连接至中间金属板向下伸出的突出平面，且两个传感器的轴线相互垂直，两条轴线所成的平面与金属板所在平面相平行。
在握柄本体的上半部分所设的槽孔内安装有一个小型数据传输元件，本发明所使用的传感器的测量数据通过传感器自带的数据传输线连接至所述数据传输元件的数据接口上，所述数据传输元件将测量数据通过无线发送接口传给上位机。
以上所述传感器及数据传输元件均为电子元器件，使用时需要对其提供电源。本发明为实现使用便捷，容易携带等特点，设计了手柄内部供电电源及电路。根据对所述传感器及其它电子元件的使用电压要求，决定使用电池实现内部供电。根据所设计的供电电路在握柄本体内部开有走线槽位，实现各元件与电池的电连接。
下面结合附图详细描述本发明：
从图1可以看出本发明为一个垂直放置的握柄机构，握柄本体部分位于机构的最上端，六个拉压力传感器分别布置在三片圆形的金属夹板之间，底座29上方设计有压簧28以实现握柄机构使用时的柔性体验。如图2所示，握柄本体外壳由上部握柄本体前半部分1、上部握柄本体后半部分5、下部握柄本体7三部分组成。对于上部握柄本体内部，姿态传感器、电池、信号处理传输芯片分别安装在预设的凹糟中。上、下部分的握柄本体零件之间通过凹槽和挂钩固定连接。在上、下部握柄本体连接处的凹槽内安装弹性元件扭簧6。下部握柄本体的下底面与最上方金属板之间固定连接。
图3所示为上、中两块金属夹板之间零件布置情况，第一拉压传感器9的轴线与圆形金属夹板8的轴线重合。金属平板14的板面与第二拉压传感器10的一个作用端通过球形铰链连接，第二拉压传感器10的另一作用端通过球形铰链安装在上圆形金属夹板8的下表面上所设的长方形金属板11上。两个拉压传感器13、15的布置形式为，传感器13、15的两个作用端分别通过球形铰链与上方金属板8的下平面和中间金属板16的上平面连接。
图4为中、下两块金属夹板之间零件布置情况，在中间金属板16与下方金属板22之间通过一个安装在金属夹板圆心处的万向联轴器19连接。第五拉压力传感器20通过球形铰链使一作用端连接至固定在下方金属板22上的长方形金属板21上，另一端连接至固定于中间金属板16上的长方形金属板18，第六拉压力传感器25使用球形铰链一作用端连接至固定于下方金属板22上的长方形金属板26，另一端连接至固定于中间金属板16上的长方形金属板24，且两个传感器20、25的轴线相互垂直，两条轴线所成的平面与下方金属板所在平面相平行。三个金属圆柱支撑件17、23、27均通过球形铰链固定连接在中间金属板16与下方金属板22之间。
图5所示为本发明所述握柄机构中所使用虎克铰链12的零件图。
图6为本发明所述握柄机构所用拉压力传感通过球形铰链进行固定的方法示意图。
图7、图8是本发明所述握柄机构在使用时，对握柄本体所受力与力矩进行检测的原理图。为方便理解与计算，以虎克铰链12的内部转轴中心为原点建立一个三维直角坐标系，设圆柱体握柄本体的轴线方向为Z轴，以虎克铰链12的内部十字转轴的两个轴向方向为X轴和Y轴。现自上而下对力学标记及一些距离标记进行讲解。力FZ表示握柄所受竖直方向的作用力。扭矩M2表示握柄受到的绕图中坐标系Z轴的扭矩。M1表示握柄受到绕图中坐标系Y轴的扭矩。Fm为扭矩M1的一对等效水平作用力，l5为Fm的作用力臂。FX表示握柄所受平行于坐标轴X轴的水平力。l4表示第二拉压力传感器10的中轴线与握柄本体轴线间的距离。l3表示第三拉压力传感器13轴线与握柄本体轴线间的距离。l2表示握柄受到力FX作用时，FX与图示坐标轴X轴的距离。l6表示第五拉压力传感器20轴线与图示坐标轴X轴的距离。
不难看出，第四拉压力传感器15与第三拉压力传感器13所能检测到的力与力矩之间相互正交，所以在此只考虑其中一个，即第三拉压力传感器13。同理，第五拉压力传感器20与第六拉压力传感器25在此只分析第五拉压力传感器20的工作情况。
在日常使用中，握柄机构的握柄本体部分所受的力与力矩属于以下几种情况之一：
1.沿握柄本体圆柱轴线方向的竖直力(如图8内FZ所示)；
2.垂直于握柄本体轴线的水平力(如图8内FX所示)；
3.在Z轴上某一点绕X或Y轴旋转的扭矩，旋转扭矩可等价转换为相互平行的两个水平力(如图8内M1与Fm所示)；
4.绕Z轴的旋转扭矩(如图8内M2所示)。
现对这4种受力模型依次进行分析。在下文中通过FSXX的形式表示标号为XX的拉压力传感器的受力大小(即拉压力传感器读数所代表的力的大小)。
(1)当握柄仅受到如图8所示的竖直力FZ时，由于底座29固定于放置位置，力FZ会由握柄本体传导作用于拉压力传感器9，此时通过序号为9的拉压力传感器的读数FS9即可推知FZ大小。
FS9＝FZ
(2)当握柄受到如图8所示的水平力FX时，分析可知FX会在原点O处产生一个绕Y轴的扭矩，其值设为MY，大小为：
MY＝FX×l2
扭矩作用在拉压力传感器13上，此时拉压力传感器的读数FS13为：
FS13×l3＝MY＝FX×l2
Figure GDA0003825805090000101
即由FS13可推得FX的大小。由力的平衡可知当有力作用于拉压力传感器13时，拉压力传感器9会受到与之大小相等，方向相反的力的作用，所以此时FS9的读数为：
Figure GDA0003825805090000102
同时FX会传导作用于拉压力传感器20上，此时拉压力传感器20的读数FS20即为FX的大小。
FS20＝FX
(3)当握柄受到如图8所示的在Z轴上某一点绕Y轴旋转的扭矩M1，旋转扭矩可等价转换为相互平行的两个水平力Fm，分析可知扭矩M1作用于拉压力传感器13和拉压力传感器9上。
Figure GDA0003825805090000103
由上式可知，通过FS13的读数可推得M1的大小。
FS13×l3＝M1
(4)当握柄受到如图8所示的绕Z轴的旋转扭矩M2，扭矩M2作用于拉压力传感器10，此时拉压力传感器10的读数FS10为：
FS10×l4＝M2
可知通过FS10可推得M2大小。
上述情况皆为握柄仅受单一方向力或力矩作用，这属于理想情况，日常使用中此类情况极为少见，大多数情况下握柄会受到空间多个方向力与力矩的作用。通过分析上面的四种情况可以发现，第2种情况即受到水平力作用时会使拉压力传感器13、9、20同时受到力的作用。而当握柄受到在Z轴上某一点绕X或Y轴旋转的扭矩作用时，通过上面分析可知此时扭矩会作用于拉压力传感器13、9上。握柄分析竖直力FZ的作用时，需要使用拉压力传感器9的读数。于是这三种情况之间会产生干涉。所以需要额外分析当握柄同时受到水平力FX、竖直力FZ与扭矩M1时传感器的工作情况。
此时，拉压力传感器13会受到水平力FX和扭矩M1的作用，其的读数FS13为：
Figure GDA0003825805090000111
拉压力传感器20只受水平力FX的作用影响，读数FS20为：
F20＝FX
拉压力传感器9会受到水平力FX、竖直力FZ与扭矩M1的作用，其读数为：
Figure GDA0003825805090000112
联合上三式可得：
FX＝FS20
M1＝l3×FS13-FS20×l2
FZ＝FS9+FS13
由上式可知，本发明所述握柄机构能够分辨该混合施力模式下各力与力矩分量值大小。
图9、图10所示为本发明所述握柄机构在具体使用时受力运动的示意图。其中图9是握柄机构受到水平方向扭矩作用时的具体运动情况，水平扭矩M的作用为模拟使用者使用握柄时进行掌曲和背伸动作时的施力情况。由于握柄本体内部装有扭簧6来连接握柄本体的上下两部分，当扭矩M作用于握柄本体上端且握柄底座固定时，握柄本体的上端和握柄机构其余部分之间会产生相对转动的位移，而安装于握柄本体上端内部的陀螺仪姿态传感器2会读取水平转动的角度等信息，用以分析使用者的运动意图。图10所示为模拟使用者进行尺桡偏和回转运动时握柄机构的受力运动情况，使用者在进行尺桡偏(两个水平力Fm)和回转运动(水平力F)时对握柄机构的运动情况影响相同，所以统一进行讨论。在握柄本体上部受到如图10所示的力Fm或F作用时，由于底部编号为28的压簧具有一定弹性，压簧以上的握柄部件会沿力或力矩作用方向进行轻微的旋转偏移，而握柄本体内部安装的陀螺仪姿态传感器2可以实时测量偏移的角度，依此分析使用者的运动意图。
综上所述，本发明提供了一种可实现上肢肌力及运动功能测量的握柄机构。该测量手柄使用有六个拉压力传感器，可对人手施加在握柄机构上的力与运动情况进行测量，对腕部在空间三个坐标轴的分力和绕三个坐标轴的扭矩状态进行实时感知，能够分析复杂受力情况下各方向力与力矩值的大小，实现对使用者施力情况的全面分析，实时感知手部运动状态从而全方位感知操作者意图。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输单元；
所述握柄本体分为上部握柄本体和下部握柄本体，二者之间采用可拆卸且可旋转方式同轴连接；在上部握柄本体内部安装有姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元；其中柔性器件两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动；
所述上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，所述上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，通过六个拉压力传感器配合工作实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，得到使用者对握柄各个方向的施力大小；
所述上肢肌力检测单元中的六个拉压力传感器分两组安装于三片圆形金属夹板之间；
三片圆形金属夹板自上而下同心放置；
上方金属夹板上端面与握柄本体下端面固定连接，且上方金属夹板中心圆心与握柄本体底面圆心重合；
上方金属夹板下端面中心与中间金属夹板上端面中心之间自上而下由通过轴承、转轴、圆柱、第一拉压力传感器和虎克铰链依次连接；第一拉压力传感器的轴线与握柄本体的轴线重合，第一拉压力传感器测量人手作用于握柄上的竖直方向力的大小；
上方金属夹板下端面与中间金属夹板上端面之间，在圆柱周围还布置有另外三个拉压力传感器，用以测量握柄在使用时沿竖直方向及水平方向的受力情况；
中间金属夹板下端面中心与下方金属夹板上端面中心之间通过万向联轴器连接，中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间还布置有两个拉压力传感器，用以测量握柄在使用时在水平方向所受力与力矩，这两个拉压力传感器的轴线相互垂直，且均与万向联轴器轴线垂直相交，这两个拉压力传感器的两条轴线所成的平面与金属夹板所在平面相平行。
2.根据权利要求1所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：所述握柄本体为圆柱体结构；上部握柄本体中的柔性器件采用扭簧，扭簧轴线与握柄轴线相重合，扭簧两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，下部握柄本体固定在所述上肢肌力检测单元上，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动。
3.根据权利要求1所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：上部握柄本体和下部握柄本体之间采用挂钩暗槽方式的相互咬合固定方式；上部握柄本体壳体在靠近下端的外侧面上设有挂钩；在下部握柄本体上端内侧面上设有暗槽，暗槽与挂钩能够配合实现上部握柄本体和下部握柄本体之间的可拆卸且可旋转同轴连接。
4.根据权利要求3所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：所述上部握柄本体沿圆柱轴线对半切分成两块，内部形成圆孔型槽位和方形槽位，用于安装姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元。
5.根据权利要求1所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：在上肢肌力检测单元下端还通过压簧连接底座，实现握柄机构使用时的柔性体验。
6.根据权利要求4所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：上方金属夹板下端面中心设有轴承槽，轴承安装于所设的轴承槽内，轴承槽与上方金属夹板下端面同心；转轴一端同轴安装在轴承上，另一端底面与一个同等端面尺寸的圆柱端面连接，圆柱的另一个端面与第一拉压力传感器的工作面固定连接，第一拉压力传感器的另一端工作面与虎克铰链的端面固定连接；且第一拉压力传感器的轴线穿过虎克铰链内部十字转动轴的中心点。
7.根据权利要求4所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：上方金属夹板下端面与中间金属夹板上端面之间，在圆柱周围还布置有第二拉压力传感器、第三拉压力传感器和第四拉压力传感器；
第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的两端均分别通过球形铰链与上方金属夹板下端面以及中间金属夹板上端面连接，第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线分别对应与所述虎克铰链内部十字转轴的两条轴线垂直相交，第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线均与握柄轴线相平行，并且第三拉压力传感器以及第四拉压力传感器的轴线与握柄轴线的距离相同；
第二拉压力传感器的两端分别通过球形铰链与两块平板连接，其中一块平板连接在所述圆柱上，且该平板与第二拉压力传感器连接的平面过握柄轴线，另一块平板固定在上方金属夹板下端面；第二拉压力传感器轴线垂直于连接在所述圆柱上的平板平面。
8.根据权利要求4所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间靠近金属夹板外沿处沿周向均布有多根限位用的金属圆柱，所述金属圆柱长度相同，两端通过球形铰链分别与中间金属夹板下端面以及下方金属夹板上端面连接，且金属圆柱轴线与万向联轴器轴线距离相同，金属圆柱之间的轴线距离也相同。
9.根据权利要求4所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，其特征在于：中间金属夹板下端面与下方金属夹板上端面之间布置有第五拉压力传感器和第六拉压力传感器，第五拉压力传感器和第六拉压力传感器均分别通过球形铰链连接在两个平板上，其中一个平板固定在中间金属夹板下端面，另一个平板固定在下方金属夹板上端面。
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