CN117064698A - 一种轻量化手部外骨骼力反馈装置 - Google Patents

一种轻量化手部外骨骼力反馈装置 Download PDF

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CN117064698A CN202311088293.9A CN202311088293A CN117064698A CN 117064698 A CN117064698 A CN 117064698A CN 202311088293 A CN202311088293 A CN 202311088293A CN 117064698 A CN117064698 A CN 117064698A
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彭维锋
宋爱国
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Abstract

本发明提供一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，包括驱动器、驱动器动力固定件、驱动器固定转轴固定件、驱动器拉杆固定件、第一转动连杆、第二转动连杆、第一联动连杆、第二联动连杆、轴承、指套、压力传感器固定件；驱动器通过绑带穿戴在用户掌骨背部，指套固定在人手的食指上，压力传感器固定件通过绑带固定在人手的食指下方，人手弯曲模拟抓握物体时的状态，通过驱动器带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，对指尖实施力反馈，且对压力传感器固定件中的压力传感器造成压力，从而实现力反馈闭环控制；该装置结构简洁可实现穿戴外骨骼力反馈装置的轻量化，将减少装置由于用户长时间佩戴而造成的不适。

Description

一种轻量化手部外骨骼力反馈装置
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种轻量化手部外骨骼力反馈装置。
背景技术
全球人口老龄化趋势加剧，老年人生活自理能力下降，表现为功能受损或丧失，包括脱离日常生活活动的困难或无法完成基本自理活动，如进食、洗漱、穿衣、如厕和行走等。而力反馈外骨骼有望成为应对老龄化社会挑战的一种解决方案，可以帮助老年人保持身体活动能力，延缓肌肉力量衰退，提高生活自理能力。同时，力反馈外骨骼装置与虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等技术相结合，可以提供更沉浸式的体感交互体验，佩戴者可以通过外骨骼与虚拟环境进行互动，增强娱乐体验和训练效果。
传统的手指力反馈外骨骼装置存在一定的局限性，同时存在佩戴不适，由于结构的复杂而造成装置重量过重，使得患者在佩戴和使用时可能感到不便，容易给佩戴者造成伤害且不能长时间佩戴，且多为开环控制，无法针对驱动器输出进行闭环控制等缺点。同时传统的手指力反馈外骨骼装置结构为固定转轴的，而人体食指骨骼转动时是多轴转动的，且发力方向是改变的，传统的外骨骼结构设计大多无法改变转轴。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，结构简洁且带有压力传感器，从而实现闭环控制的食指力反馈。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，包括驱动器、驱动器动力固定件、驱动器固定转轴固定件、驱动器拉杆固定件、第一转动连杆、第二转动连杆、第一联动连杆、第二联动连杆、轴承、垫片、指套、压力传感器固定件；
所述驱动器安装在驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件上，驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件通过绑带穿戴在用户掌骨背部，驱动器的驱动拉杆通过驱动器拉杆固定件与第一转动连杆的第一段转动相连，第一转动连杆的后端与第二转动连杆的前端转动相连，第一联动连杆的前端与驱动器固定转轴固定件转动相连，第一联动连杆的后端和第二联动连杆的前端转动相连，第二联动连杆的后端与第二转动连杆的中心转动轴承孔转动相连，第二转动连杆的后端与指套转动相连，压力传感器固定件通过绑带与指套相连并固定在指尖下；通过驱动器带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，对指尖实施力反馈，对压力传感器固定件中的压力传感器造成压力，从而实现力反馈闭环控制模块；该装置结构简洁可实现穿戴外骨骼力反馈装置的轻量化，将减少装置由于用户长时间佩戴而造成的不适。
进一步地，所述轴承包括两种轴承，分别为十二个转动轴承以及一个滑动轴承；
所述驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件通过绑带固定在用户掌背，并靠近食指一侧固定，所述驱动器基座通过驱动器动力固定件以及驱动器固定转轴固定件固定，所述驱动器固定转轴固定件位于掌骨近指端，设置有转动轴承孔A，该转动轴承孔A内放置转动轴承A；
所述驱动器为直流无线伺服电机，该电机驱动时推拉该驱动器拉杆，所述拉杆与驱动器拉杆固定件刚性固定；
所述驱动器拉杆固定件设有转动轴承孔B，该转动轴承孔B内放置转动轴承B；
所述第一转动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔C以及转动轴承孔D，且均放置转动轴承，分别为转动轴承C以及转动轴承D，第一转动连杆的前端通过转动轴承C以及滑动轴承a与驱动器拉杆固定件转动轴承B转动相连，特别地，所述第一转动连杆在其中心位置设有滑槽，所述滑槽内放置滑动轴承b；
所述第二转动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔E以及转动轴承孔F，且均放置转动轴承，分别为转动轴承E以及转动轴承F，第二转动连杆的前端通过转动轴承E与第一转动连杆的后端转动轴承C转动相连，特别地，所述第二转动连杆在连杆中心位置设有转动轴承孔G，该转动轴承孔G内放置转动轴承G；
所述指套的设有转动轴承孔H，该转动轴承孔H内放置转动轴承H，指套通过转动轴承H与第二转动拉杆的后端转动轴承F转动相连，特别地，指套通过绑带与手指以及压力传感器固定件固定连接；
所述第一联动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔I以及转动轴承孔J，且均放置转动轴承，分别为转动轴承I以及转动轴承J；
所述第二联动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔K以及转动轴承孔L，且均放置转动轴承，分别为转动轴承K以及转动轴承L。
进一步地，所述第一联动连杆的前端通过转动轴承I与驱动器拉杆固定件的转动轴承B转动相连，第一联动连杆的后端通过转动轴承J与滑动轴承b以及所述垫片转动连接，同时，所述垫片与第二联动连杆的前端通过转动轴承K转动连接。
进一步地，所述第二联动连杆的后端通过转动轴承L与第二转动连杆的中心位置处的转动轴承G转动连接。
进一步地，所述压力传感器固定件通过绑带与手指及所述指套固定连接。
进一步地，所述压力传感器与压力传感器固定件紧密固定，所述力反馈闭环控制模块用于设置期待驱动力。
进一步地，所述驱动器驱动时设置当前控制周期期待力反馈值Fc，所述驱动器拉杆带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，对指尖实施力反馈，与此同时，压力传感器固定件中的压力传感器在当前控制周期内采集一次实际力反馈值Fr，比较期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr的大小，根据期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr差值计算得出直流无线伺服电机力反馈值增量Δd并叠加至前一个控制周期的直流无线伺服电机力反馈值上，作为当前控制周期的直流无线伺服电机力反馈值增量进行输出，从而实现力反馈闭环控制模块。
进一步地，若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr大，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为正值，若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr小，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为负值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的第一转动连杆通过第一联动连杆以及第二联动连杆以及滑动轴承与第二转动连杆进行耦合，能够实现本发明的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置驱动器驱动时可同时改变第一转动连杆以及第二转动连杆转轴，使本发明的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置对人体食指进行力反馈时符合人体食指骨骼转动的多轴转动特性，从而避免对人体的伤害，而且能够提供高效率的指尖力反馈；
(2)本发明所述的驱动拉杆带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，控制方法简单有效，且能对指尖提供足够的力反馈大小，同时结构的简洁实现了穿戴外骨骼力反馈装置的轻量化，减轻了食指外骨骼装置的重量，可实现人体的长时间佩戴；
(3)本发明所述的力反馈闭环控制模块通过压力传感器实时监测实际力反馈值并做出输出调整，使得食指外骨骼装置施加在人体食指指尖的力反馈值达到期待力反馈值，实现准确控制，同时，使得所述轻量化手部外骨骼力反馈装置具有一定的鲁棒性，可以应对环境变化造成的干扰，并减少由于环境干扰而可能会对人体造成的损害。
附图说明
图1是本发明所述的轻量化手部外骨骼力反馈装置处于伸展状态的整体结构示意图；
图2是本发明所述的轻量化手部外骨骼力反馈装置处于弯曲状态的整体结构示意图；
图3是本发明所述的驱动器固定转轴固定件与第一联动连杆配合的结构示意图；
图4是本发明所述的驱动器拉杆固定件与驱动器拉杆配合的结构示意图；
图5是本发明所述的第一转动连杆与第一联动连杆以及第二联动连杆配合的结构示意图；
图6是本发明所述的第二转动连杆与第二联动连杆配合的结构示意图；
图7是本发明所述的第二转动连杆与指套配合的结构示意图；
图8是本发明所述的力反馈闭环控制模块的原理图。
附图标识列表：
1、驱动器拉杆，2、驱动器，3、垫片，4、垫片，5、第一转动连杆，6、第二联动连杆，7、第二转动连杆，8、指套，9、压力传感器固定件，10、第一联动连杆，11、驱动器拉杆固定件，12、驱动器固定转轴固定件，13、驱动器动力固定件，14～25、均为转动轴承，26、滑动轴承，27、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1-图8所示，本发明所述的轻量化手部外骨骼力反馈装置的具体实施例，包括：驱动器拉杆1，驱动器2，垫片3，垫片4，第一转动连杆5，第二联动连杆6，第二转动连杆7，指套8，压力传感器固定件9，第一联动连杆10，驱动器拉杆固定件11，驱动器固定转轴固定件12，驱动器动力固定件13，转动轴承14～25，滑动轴承26，压力传感器27，力反馈闭环控制模块。具体地，第二转动连杆7为弧形杆，第一转动连杆5、第二联动连杆6和第一联动连杆10均为直杆。
如图1所示，人手的食指指尖佩戴指套8，指套8通过绑带与压力传感器固定件9以及食指指尖固定连接。指套8通过绑带固定在人手的食指上方，压力传感器固定件9通过绑带固定在人手的食指下方，人手弯曲模拟抓握物体时的状态，驱动器2推拉驱动器拉杆1带动第一转动连杆5经由第二转动连杆7耦合第一联动连杆10和第二联动连杆6带动指套8屈伸，对指尖实施力反馈，此时人手以及本发明所述的轻量化手部外骨骼力反馈装置状态如图2。同时，压力传感器固定件中9的压力传感器27监测实际力反馈值，比较期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr的大小，根据期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr差值计算得出直流无线伺服电机力反馈值增量Δd并叠加至前一个控制周期的直流无线伺服电机力反馈值上，作为当前控制周期的直流无线伺服电机力反馈值增量进行输出，从而实现力反馈闭环控制模块，如图8所示。
如图1-图3所示，驱动器固定转轴固定件12和驱动器动力固定件13通过绑带固定在用户掌背上方，特别地，驱动器动力固定件13靠近手腕固定，驱动器固定转轴固定件12靠近食指固定，二者均靠近食指一侧固定，本发明所述的驱动器2则固定在驱动器动力固定件以及驱动器固定转轴固定件的上方，且驱动器2的驱动方向为手腕到食指方向。
驱动器固定转轴固定件12和驱动器动力固定件13靠近掌背的一侧均为弧形设计，如图3所示，符合人手掌背的弧度，从而避免本发明佩戴时可能对人手造成的伤害。
其中，驱动器固定转轴固定件12靠近中指方向底部设有转动轴承孔，在转动轴承孔内放置转动轴承14，第一联动连杆10的第一端内设有转动轴承孔，在转动轴承孔内放置转动轴承17，如图5所示。通过转动轴承20与转动轴承25，第一联动连杆10转动连接在驱动器固定转轴固定件12的左侧。
本发明实施例提供的驱动器2内带有驱动器拉杆1，且驱动器拉杆1可在一定范围内在自由移动，从而不会对人手的自由抓握动作产生阻力，在本实施例中，当人手弯曲模拟抓握物体时的状态，驱动器拉杆1锁定不可自由活动，力反馈闭环控制模块计算所需的期待力反馈值并转换成驱动力值输出给驱动器2，驱动器2推拉驱动器拉杆1带动第一转动连杆5经由第二转动连杆7耦合第一联动连杆10和第二联动连杆6带动指套8屈伸，此时人手以及本发明所述的轻量化手部外骨骼力反馈装置状态如图2所示。
如图4所示的驱动器拉杆固定件11刚性固定在驱动器拉杆1的靠近食指一端的顶部，锁定转轴，驱动器拉杆固定件11与驱动器拉杆1的右侧面对齐且无相对运动。驱动器拉杆固定件11顶部设有转动轴承孔，在转动轴承孔内放置转动轴承16。
参照图1在驱动器拉杆固定件11的左侧通过垫片3以及转动轴承16以及转动轴承17与第一转动连杆5的第一端转动连接，垫片3处于驱动器拉杆固定件11和第一转动连杆5之间，避免驱动器拉杆固定件11和第一转动连杆5转动时发生偏斜。
在本发明一具体实施例中，如图5所示，第一转动连杆5的中心位置设有滑槽，滑动轴承26放置于所述滑槽中且可以自由滑动，第二联动连杆6的第一端设有转动轴承孔，在转动轴承孔内放置转动轴承20，第一联动连杆10的第二端设有转动轴承孔，在转动轴承孔内放置转动轴承18，第二联动连杆6的第一端的左侧依次放置垫片4、第一转动连杆5、第一联动连杆10，并通过转动轴承20、垫片4、滑动轴承26、转动轴承18实现所述零件之间的转动连接。通过可滑动的滑动轴承26，第一转动连杆5以及第二转动连杆7的转轴可随着人手运动而改变，达到使本发明的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置对人体食指进行力反馈时符合人体食指骨骼转动的多轴转动特性的目的。垫片3处于第二联动连杆6和滑动轴承26之间，避免第二联动连杆6和滑动轴承26转动时发生偏斜。
如图6所示，第二转动连杆7第一端设有转动轴承孔，在该转动轴承孔内放置转动轴承24，第二端设有转动轴承孔，在该转动轴承孔内放置转动轴承22，第二转动连杆7的中心位置设有转动轴承孔，在该转动轴承孔内放置转动轴承23，第二转动连杆7的中心位置通过转动轴承21以及转动轴承23与第二联动连杆6转动连接，而且第二转动连杆7位于第二联动连杆6的左侧。
进一步地，第二转动连杆7的第一端通过转动轴承18以及转动轴承24与第一转动连杆5的第二端转动连接，如图1所示，而且第二转动连杆7位于第一转动连杆5的右侧。
参照图1与图7，指套8顶部设有转动轴承孔，在该转动轴承孔内放置转动轴承25，指套8顶部通过转动轴承25以及转动轴承22与第二转动连杆7的第二端转动连接，而且第二转动连杆7位于指套8的左侧。指套8靠近食指的一侧为弧形设计，如图7所示，符合人手食指背部的弧度，从而避免本发明佩戴时可能对人手造成的伤害，提高佩戴者的舒适度。指套8靠近食指的一侧通过绑带与压力传感器固定件9以及食指指尖固定连接。指套8通过绑带固定在人手的食指上方，压力传感器固定件9通过绑带固定在人手的食指下方，如图1所示。
其中，本发明所述的绑带为魔术贴，用于将驱动器固定转轴固定件12以及驱动器动力固定件13固定在用户掌背上方，以及将指套8以及压力传感器固定件9固定在食指指尖，如图1所示。
值得注意的是，压力传感器固定件9靠近食指的一侧为弧形设计，如图1所示，符合人手食指指腹的弧度，压力传感器27位于压力传感器固定件9与人手食指指腹之间，且固定于压力传感器固定件9靠近人手食指的一侧。
本发明实施例的轻量化手部外骨骼力反馈装置实现对食指力反馈运动过程：驱动器2拉动驱动器拉杆1往手腕方向运动，使得驱动器拉杆1带动第一转动连杆5经由第二转动连杆7耦合第一联动连杆10和第二联动连杆6从而带动指套8向食指指腹朝食指指背方向运动，实现对食指力反馈动作。
在本发明一具体实施例中，如图8所示，本发明的力反馈闭环控制模块中包括压力传感器27、轻量化手部外骨骼力反馈装置、控制器、电脑端虚拟环境、双目摄像头。其中电脑端虚拟环境通过UART与控制器进行通讯，传感器组27布置于食指指腹下并将测得的实际力反馈值Fr传输给控制器；电脑端虚拟环境可发送控制指令至控制器，同时控制器可将获得的传感器信息发送至电脑端虚拟环境；双目摄像头将检测到的人手姿态信息发送给电脑端虚拟环境作为判断是否装置实施力反馈动作的依据。
进一步地，当电脑端虚拟环境根据人手姿态信息判断虚拟环境中的模拟手抓握到虚拟物体时计算出所需的期待力反馈值Fc，并通过UART将所述指令传送给控制器，从而控制器设定当前控制周期期待力反馈值Fc，与此同时压力传感器固定件中的压力传感器27在当前控制周期内采集一次实际力反馈值Fr，比较期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr的大小，根据期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr差值计算得出直流无线伺服电机力反馈值增量Δd并叠加至前一个控制周期的直流无线伺服电机力反馈值上，作为当前控制周期的直流无线伺服电机力反馈值增量进行输出，从而实现力反馈闭环控制模块。
进一步地，若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr大，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为正值，若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr小，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为负值。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：包括驱动器、驱动器动力固定件、驱动器固定转轴固定件、驱动器拉杆固定件、第一转动连杆、第二转动连杆、第一联动连杆、第二联动连杆、轴承、垫片、指套、压力传感器固定件；
所述驱动器安装在驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件上，驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件通过绑带穿戴在用户掌骨背部，驱动器的驱动拉杆通过驱动器拉杆固定件与第一转动连杆的第一段转动相连，第一转动连杆的后端与第二转动连杆的前端转动相连，第一联动连杆的前端与驱动器固定转轴固定件转动相连，第一联动连杆的后端和第二联动连杆的前端转动相连，第二联动连杆的后端与第二转动连杆的中心转动轴承孔转动相连，第二转动连杆的后端与指套转动相连，压力传感器固定件通过绑带与指套相连并固定在指尖下；通过驱动器带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，对指尖实施力反馈，对压力传感器固定件中的压力传感器造成压力，从而实现力反馈闭环控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：所述轴承包括两种轴承，分别为十二个转动轴承以及一个滑动轴承；
所述驱动器动力固定件和驱动器固定转轴固定件通过绑带固定在用户掌背，并靠近食指一侧固定，所述驱动器基座通过驱动器动力固定件以及驱动器固定转轴固定件固定，所述驱动器固定转轴固定件位于掌骨近指端，设置有转动轴承孔A，该转动轴承孔A内放置转动轴承A；
所述驱动器为直流无线伺服电机，该电机驱动时推拉该驱动器拉杆，所述拉杆与驱动器拉杆固定件刚性固定；
所述驱动器拉杆固定件设有转动轴承孔B，该转动轴承孔B内放置转动轴承B；
所述第一转动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔C以及转动轴承孔D，且均放置转动轴承，分别为转动轴承C以及转动轴承D，第一转动连杆的前端通过转动轴承C以及滑动轴承a与驱动器拉杆固定件转动轴承B转动相连，特别地，所述第一转动连杆在其中心位置设有滑槽，所述滑槽内放置滑动轴承b；
所述第二转动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔E以及转动轴承孔F，且均放置转动轴承，分别为转动轴承E以及转动轴承F，第二转动连杆的前端通过转动轴承E与第一转动连杆的后端转动轴承C转动相连，特别地，所述第二转动连杆在连杆中心位置设有转动轴承孔G，该转动轴承孔G内放置转动轴承G；
所述指套的设有转动轴承孔H，该转动轴承孔H内放置转动轴承H，指套通过转动轴承H与第二转动拉杆的后端转动轴承F转动相连，特别地，指套通过绑带与手指以及压力传感器固定件固定连接；
所述第一联动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔I以及转动轴承孔J，且均放置转动轴承，分别为转动轴承I以及转动轴承J；
所述第二联动连杆的前后端均设有转动轴承孔，分别为转动轴承孔K以及转动轴承孔L，且均放置转动轴承，分别为转动轴承K以及转动轴承L。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：所述第一联动连杆的前端通过转动轴承I与驱动器拉杆固定件的转动轴承B转动相连，第一联动连杆的后端通过转动轴承J与滑动轴承b以及所述垫片转动连接，同时，所述垫片与第二联动连杆的前端通过转动轴承K转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：所述第二联动连杆的后端通过转动轴承L与第二转动连杆的中心位置处的转动轴承G转动连接。
5.根据权利要求1所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：所述压力传感器固定件通过绑带与手指及所述指套固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：所述驱动器驱动时设置当前控制周期期待力反馈值Fc，所述驱动器拉杆带动第一转动连杆经由第二转动连杆耦合第一联动连杆和第二联动连杆带动指套屈伸，对指尖实施力反馈，与此同时，压力传感器固定件中的压力传感器在当前控制周期内采集一次实际力反馈值Fr，比较期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr的大小，根据期待力反馈值Fc和实际力反馈值Fr差值计算得出直流无线伺服电机力反馈值增量Δd并叠加至前一个控制周期的直流无线伺服电机力反馈值上，作为当前控制周期的直流无线伺服电机力反馈值增量进行输出，从而实现力反馈闭环控制模块。
7.根据权利要求6所述的一种轻量化手部外骨骼力反馈装置，其特征在于：若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr大，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为正值，若期待力反馈值Fc比实际力反馈值Fr小，则直流无线伺服电机力反馈值增量Δd为负值。
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