CN1239296C - 一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，主要包括测量手臂七自由度运动的测量机构，面向肩关节和肘关节四个自由度的力反馈机构和安装力反馈电机和角度传感器的控制箱，以及将控制箱和数据臂与人体和手臂连接的绑定机构。本发明的交互装置分别与手臂腕关节、肘关节和肩关节形成有确定运动闭链机构，并利用局部自由度进行充分解耦，减小了关节测量时的耦合干涉，提高了关节测量的准确性。采用环形气囊加扎带方法实现了刚性机构和柔性手臂的连接，将力反馈伺服电机置于后背控制箱内，采用抱闸和钢丝绳套管传动方法，减轻了手臂佩戴部分的重量，提高佩戴的舒适性，保证了操作者的安全。

Description

一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂

                              技术领域

本发明涉及一种应用于遥操作、虚拟现实和医疗康复等领域的人机交互的装置，具体的说是指一种面向人手臂关节的带有力反馈的可佩戴外骨架式人机交互装置。

                              背景技术

数据臂是一种可穿戴在人手臂上的外骨架式装置，是一种新型的对人友好的人机交互设备。受到韩国、美国、日本、意大利等国家的重视和研究，并被认为会在增强士兵力量、医疗康复、遥操作、虚拟环境体验、虚拟装配与制造、游戏等领域内大有作为。力反馈数据臂与传统的PHANToM、手控器或空间鼠标一样可以作为主从遥操作与VR中的3D人机交互接口。但是PHANToM工作空间较小，手控器比较笨重，空间鼠标提供增量式输入。传统的外骨架式机械臂，需要一个固定的基座，限制了操作者的移动。而可佩戴式数据臂的基座在人的身体上，因而人可以自由移动；同时数据臂是基于人手臂的运动学而设计，不会限制人手臂的运动空间，因而具有较大的工作空间，更符合人的控制习惯。此外数据臂的力反馈功能可以增强用户交互的真实感。

                               发明内容

本发明的目的之一是提供一种分别与人手臂的腕关节、肘关节和肩关节形成有确定运动闭链的人机交互机构，同时提供一种将力反馈伺服电机置于后背控制箱内，采用绑定机构实现基座在人身体上，采用抱闸和钢丝绳套管传动的实现力反馈的装置。

本发明的另一目的是采用面向人手臂关节的测量机构和力反馈装置，提供一种可以准确测量人手臂关节运动并对肩关节和肘关节四个自由度的实施力反馈的人机交互装置。

本发明的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，包括分别与手臂腕关节、肘关节和肩关节形成有确定运动闭链的测量机构，面向肩关节和肘关节四个自由度的力反馈机构和安装力反馈电机和角度传感器的控制箱，以及将控制箱和数据臂与人体和手臂连接的绑定机构。其中测量机构由腕部测量机构、肘部测量机构和肩部测量机构组成。腕部测量机构前端为供人手握持的握柄和腕部角度传感器一起固定在支架上，腕部前端转铰分别与支架和腕部前连杆铰接，带轮固连在手部角度传感器轴上，与前端转铰通过传动带传动。腕部前连杆与腕部后连杆铰接，铰接轴为腕部角度传感器轴，腕部角度传感器与腕部后连杆固连，其轴与腕部前连杆固连。腕部转铰分别腕部后连杆和前臂内环铰接，前臂外环与肘部固定环通过连接板固连。前臂外环与前臂内环间隙配合构成滑动轴承。前臂角度传感器固连在前臂内环上，传动带将前臂角度传感器轴上的带轮和前臂外环以带传动形式连接。在前臂内环和肘部固定环内分别固定有环形气袋，用于将手臂与机构固定连接，充气囊通过气管给环形气袋充气，肘部固定环上还有肘部扎带用于将机构与手臂紧固连接。肘部测量机构的肘部铰座固定在肘部固定环上，肘部转铰分别与肘部铰座和肘部前连杆铰接。肘部前连杆与肘部后连杆铰接，铰接轴为肘部角度传感器轴，肘部角度传感器与肘部后连杆固连，其轴与肘部前连杆固连。上臂转铰分别与肘部后连杆和上臂铰座铰接，上臂铰座固定在上臂内环上。在上臂内环和肘部固定环内分别固定有环形气袋，用于将手臂与肘部机构固定连接，充气囊通过气管给环形气袋充气，肘部固定环和上臂内环上还有肘部扎带用于将机构与手臂紧固连接。肩部测量机构的上臂外环同心套在上臂内环外，其内壁与上臂内环外臂间有轴承滚珠，在上臂外环两侧有固定在上臂外环上的挡圈，上臂内环与上臂外环构成滚珠球轴承。传感器法兰固定在上臂外环上，上臂旋转传感器固定在传感器法兰上，上臂旋转传感器肘上的带轮与固定在上臂内环上的一个挡圈通过传动带连接。上臂外环铰座固定在上臂外环上，上臂外环转铰分别与上臂外环铰座和上臂前连杆铰接，上臂前连杆与上臂后连杆铰接，铰接轴为肩部角度传感器轴，肩部角度传感器与上臂后连杆固连，其轴与上臂前连杆连。背部转铰与上臂后连杆铰接，并和滚动轴承内圈固连，滚动轴承外圈固定在控制箱上，闸轮固定在背部转铰轴上，背部角度传感器安装在控制箱内，其轴上固定有带轮，带轮与闸轮通过传动带连接。控制箱上的背带用来将控制箱与人体绑定。力反馈机构采用固定在控制箱内的电机法兰上的四个伺服电机作为力反馈动力，抱闸制动和钢丝绳传动两种力反馈方法，在抱闸制动中，制动带包在闸轮上，两端与固定在抱闸伺服电机轴上的制动轮固定连接。钢丝绳制动包括肩部制动系统、上臂制动系统和肘部制动系统：肩部制动系统的肩部伺服电机固定在控制箱内的电机法兰上，绳轮固定在肩部伺服电机轴上，两根传动钢丝绳一端分别固定在绳轮上，并沿相反方向在绳轮上缠绕，再穿过套管，沿相反方向绕过导绳轮，另一端与上臂前连杆固连。套管一端固定在套管座上，另一端固定在上臂后连杆上，套管座固定在电机法兰上；上臂制动系统的上臂伺服电机固定在控制箱内的电机法兰上，绳轮固定在肩部伺服电机轴上，两根传动钢丝绳一端分别固定在绳轮上，并沿相反方向在绳轮上缠绕，再穿过套管，另一端与挡圈固连。套管一端固定在套管座上，另一端固定在传感器法兰上，套管座固定在电机法兰上；肘部制动系统的肘部伺服电机固定在控制箱内的电机法兰上，绳轮固定在肩部伺服电机轴上，两根传动钢丝绳一端分别固定在绳轮上，并沿相反方向在绳轮上缠绕，再穿过套管，沿相反方向绕过导绳轮，另一端与肘部前连杆固连。套管一端固定在套管座上，另一端固定在肘部后连杆上，套管座固定在电机法兰上。绑定机构包括前臂内环、肘部固定环、上臂内环内壁的环形气袋、充气囊通以及将它们连接起来的气管，还包括控制箱上的背带。

本发明的优点是：体积小，重量轻，易操作，利用局部自由度进行充分解耦，即减小了关节测量时的耦合干涉，提高了单关节测量的准确性，又保证了佩带者运动的灵活性。采用环形气囊加扎带方法实现了刚性机构和柔性手臂的连接，使装置可以方便各种尺寸臂形的人佩戴。操作者自行使用冲气囊充气，根据自己舒适感决定充气量。

将力反馈伺服电机至于后背控制箱内，采用抱闸和钢丝绳套管传动方法，减轻了手臂佩戴部分的重量，提高佩戴的舒适性，保证了操作者的安全。将力反馈作用机构和运动测量装置置于同一铰接轴处，但相互没有连接干涉。这样即保证运动测量的精度，又保证了力反馈系统的伺服性能。

                             附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的腕部测量机构结构示意图。

图3是本发明的肘部测量机构结构示意图。

图4是本发明的肩部测量机构结构示意图。

图5是本发明的力反馈机构结构示意图。

图6是本发明的上臂滚动轴承结构示意图。

图7是本发明的制动轮结构示意图。

图8是本发明的肘部后连杆结构示意图。

图9(a)是腕部测量机构示意简图。

图9(b)是腕关节几何模型图。

图10(a)是肘部测量机构示意简图。

图10(b)是肘部测量机构关系示意图。

图10(c)是肘部关节原理图。

图11(a)是肩关节测量机构原理图。

图11(b)是肩关节几何模型图。

图中：1.腕部测量机构                  2.肘部测量机构

3.肩部测量机构                           4.力反馈机构  5.控制箱       6.绑定机构

101.握柄            102.手部角度传感器                 103.腕部支架

104.腕部前端转铰                         105.腕部前连杆               106.带轮

107.传动带          108.腕部后连杆                     109.腕部角度传感器

110.腕部转铰        111.前臂内环         112.前臂外环  113.环形气袋

114.前臂角度传感器                       115.传动带    116.带轮       117.充气囊

118.肘部扎带        119.连接板           120.气管

201.肘部固定环                           202.肘部铰座  203.肘部转铰

204.肘部前连杆                           205.肘部后连杆

206.肘部角度传感器                       207.上臂转铰  208.上臂铰座   209.安装孔

210.槽口            211.侧套孔           212.螺孔

301.传感器法兰                           302.上臂旋转传感器

305.上臂外环铰座                         303.带轮      304.传动带

306.上臂外环转铰                         307.上臂前连杆

308.上臂后连杆                           309.肩部角度传感器           310.背部转铰

311.背部角度传感器                       312.带轮      313.闸轮       314.传动带

315.滚动轴承        316.上臂内环         317.上臂外环  318.上挡圈     319.下挡圈

320.固定螺钉        321.滚珠             322.导绳轮    323.导绳轮

401.电机法兰        402.制动带           403.抱闸伺服电机             404.制动轮

405.肩部伺服电机                         406.绳轮      407.传动钢丝绳

408.套管            409.套管座           410.上臂伺服电机             411.绳轮

412.传动钢丝绳                           413.套管      414.套管座

415.肘部伺服电机                         416.绳轮      417.传动钢丝绳

418.套管            419.通孔             420.安装孔    421.展板       422.环形槽

423.挡边

                              具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

请参见附图1～4、6～8所示，本发明的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，包括手臂运动测量机构，力反馈机构4和安装力反馈电机和角度传感器的控制箱5，以及将控制箱和数据臂与人体和手臂连接的绑定机构6。通过数据臂的测量机构可以测量佩戴者手臂运动时七个自由度的运动变化。通过力反馈系统可以将虚拟力反馈置肩部三个关节和肘关节。

所述的腕部测量机构1，包括前端供人手握持的握柄101和手部角度传感器102一起固定在前端支架103上，前端转铰104分别与前端支架103和腕部前连杆105铰接，两铰接轴垂直，带轮106固连在手部角度传感器102的轴上，与前端转铰104通过传动带107传动，腕部前连杆105与腕部后连杆108铰接，铰接轴为腕部角度传感器109的轴，腕部角度传感器109与腕部后连杆108固连，其腕部角度传感器109的轴与腕部前连杆105固连，腕部转铰110分别与腕部后连杆108和前臂内环111铰接，两铰接轴垂直，在前臂内环111内固定有环形气袋113保证其与前臂前端固连，这样，腕部机构就和人的手腕一构成了两自由度空间机构，机构内的转铰的变化是关于腕部抬、放，内外展变化量的函数，反之，使用腕部机构两个角度传感器测出两个转铰的角度变化，也就可以求出腕部抬、放，内外展的角度变化量。前臂外环112与肘部固定环201通过连接板119固连，肘部固定环201通过内圈环形气袋113和扎带118固定在前臂根部。前臂外环112与前臂内环111间隙配合构成滑动轴承，当手臂绕前臂转动时，带动前臂外环112与前臂内环111构成的滑动轴承相对转动，传动带115带动前臂外环112上的前臂角度传感器114的轴转动，就可以测得手腕绕前臂转动的角度。前臂角度传感器114固连在前臂内环111上，传动带115将前臂角度传感器114轴上的带轮116和前臂外环112以带传动形式连接，在前臂内环111和肘部固定环201内分别固定有环形气袋113，用于将人手手臂与该机构固定连接，充气囊117通过气管120给环形气袋113充气，肘部固定环201上还有肘部扎带118用于将机构与人手手臂紧固。

所述的肘部测量机构2，包括肘部铰座202固定在肘部固定环201上，肘部转铰203分别与肘部铰座202和肘部前连杆204铰接，且两铰接轴垂直。肘部前连杆204与肘部后连杆205铰接，铰接轴为肘部角度传感器206的轴，肘部角度传感器206与肘部后连杆205固连，其轴与肘部前连杆204固连，上臂转铰207分别与肘部后连杆205和上臂铰座207铰接，上臂铰座208固定在上臂内环316上，在上臂内环316和肘部固定环201内分别固定有环形气袋113，用于将手臂与肘部机构固定连接，充气囊117通过气管120给环形气袋113充气，肘部固定环201和上臂内环316上还有肘部扎带118用于将机构与人手手臂紧固。这样肘部机构与人肘关节构成了自由度为一的闭链机构，当轴关节产生变化量时，肘部角度传感器206所在的铰接轴角度也相应发生变化，通过读取该值，就可以计算出肘关节变化。

所述的肩部测量机构3，包括滚动轴承，所述滚动轴承由上挡圈318、下挡圈319、上臂内环316、上臂外环317和滚珠321组成，所述上臂外环317同心套在上臂内环316外，上臂外环317的内壁与上臂内环316的外臂间设置所述滚珠321，所述上挡圈318和下挡圈319分别固定在上臂内环316的两端，所述上臂外环317固定有传感器法兰(301)，上臂旋转传感器302固定在传感器法兰301上，上臂旋转传感器302肘上的带轮303与固定在上臂内环316上的上挡圈318通过传动带304连接，上臂外环铰座305固定在上臂外环317上，上臂外环转铰306分别与上臂外环铰座305和上臂前连杆307铰接，上臂前连杆307与上臂后连杆308铰接，铰接轴为肩部角度传感器309的轴，肩部角度传感器309与上臂后连杆308固连，其轴与上臂前连杆307固连，背部转铰310与上臂后连杆308铰接，并和滚动轴承315的内圈固连，滚动轴承315的外圈固定在控制箱5上，闸轮313固定在背部转铰310的轴上，背部角度传感器311安装在控制箱5内，其轴上固定有带轮312，带轮312与闸轮313通过传动带314连接。控制箱5上的绑定机构6用来将控制箱5与人体进行绑定。这样，肩部测量机构就与肩关节构成了空间三自由度闭链机构，其中上臂内环111与上臂外环112构成滚珠球轴承，属局部自由度，该局部自由度正好可以测量上臂绕自身旋转的角度。除去局部自由度之后，闭链机构还可以保证肩关节外展内收和前抬两个自由度的运动，并保证这两个运动变化量与闭链机构中其他转铰的运动有确定的函数关系，因此，我们就可以通过肩部角度传感器309和背部角度传感器311测得的闭链机构中两个转铰的变化，来求出肩关节外展内收和前抬的角度。

由于人手臂的各关节的运动范围、尺寸并不相同，所以在使用测量机构之前，应对各关节进行标定，进而通过计算出具体佩戴者手臂的运动参数。

本发明力反馈机构设计遵循以下原则：

请参见图5所示，由于肩关节测量机构与肩关节构成有确定运动的闭链机构，所以如果也可以求出该机构各关节转铰之间的转矩关系式，由此我们可以通过在机构转铰上施加力矩的方法使肩关节外展内收和前抬两个自由度的运动时，感觉到力的存在。肩部力反馈机构采用抱闸制动和钢丝绳传动两种力反馈方法，在肩部测量机构的三个转铰加上了力反馈。在抱闸制动中，制动带402包在闸轮313上，两端与固定在抱闸伺服电机403轴上的制动轮404固定连接。无力反馈时，制动带402不限制闸轮313的转动，当需要是力反馈时，抱闸伺服电机403轴上的制动轮404转动，制动带402抱紧闸轮313，阻碍其转动。钢丝绳制动包括肩部制动系统、上臂制动系统，肩部制动系统的肩部伺服电机405固定在控制箱5内的电机法兰401上，绳轮406固定在肩部伺服电机405的轴上，两根传动钢丝绳407一端分别固定在绳轮406上，并沿相反方向在绳轮406上缠绕，再穿过套管408，沿相反方向绕过导绳轮322，另一端与上臂前连杆307固连。套管408一端固定在套管座409上，另一端固定在上臂后连杆308上，套管座409固定在电机法兰401上；不需要力反馈时，肩部伺服电机405根据肩部角度传感器309转动角度带动钢丝绳407跟随转铰转动，需要力反馈时，肩部伺服电机405主动转动，带动钢丝绳407使转铰转动时受到阻力。上臂制动系统的上臂伺服电机410固定在控制箱5内的电机法兰401上，绳轮411固定在肩部伺服电机410的轴上，两根传动钢丝绳412一端分别固定在绳轮411上，并沿相反方向在绳轮411上缠绕，再穿过套管413，另一端与下挡圈319固连。套管413一端固定在套管座414上，另一端固定在传感器法兰301上，套管座414固定在电机法兰401上，不需要力反馈时，上臂伺服电机410根据上臂旋转传感器302转动角度带动钢丝绳412跟随转铰转动，需要力反馈时，上臂伺服电机410主动转动，带动钢丝绳412使转铰转动时受到阻力。肘部制动系统的肘部伺服电机415固定在控制箱5内的电机法兰401上，绳轮416固定在肘部伺服电机415的轴上，两根传动钢丝绳417一端分别固定在绳轮416上，并沿相反方向在绳轮416上缠绕，再穿过套管418，沿相反方向绕过导绳轮323，另一端与肘部前连杆204固连。套管418一端固定在套管座414上，另一端固定在肘部后连杆204上，套管座414固定在电机法兰401上。不需要力反馈时，肘部伺服电机415根据肘部角度传感器206转动角度带动钢丝绳417跟随转铰转动，需要力反馈时，肘部伺服电机415主动转动，带动钢丝绳417使转铰转动时受到阻力。

由于肩部机构除局部自由度外有两个自由度，所以实际进行力反馈时，要实现肩部外展内收和前抬的力反馈，需要抱闸制动和肩部制动系统协调动作，才有真实的力感。

在本发明中所述上臂外环317的内壁与上臂内环316的外壁间的间隙为0.5mm，所述上臂外环317与上挡圈318和下挡圈319间距1mm，上臂外环317的两端为倒角形。为保证滚表沿上臂外环与上下挡圈轨道滚动，该部件采用硬铝作为材料，使用直径较小滚珠，使部件不但实现了滚珠轴承的功能，而且重量仅为0.15公斤，比同尺寸标准滚动轴承的重量降低50％。

在本发明中肘部后连杆，不仅实现连接杆件的作用，而且是同时也是力反馈机构的作用件。其肘部后连杆205的两端分别开有安装孔209，一端开有槽口210，用于导绳轮的安装。槽口210的一侧端开有侧套孔211，用于安装钢丝绳套管。肘部后连杆205上开有用于固定套管的螺孔212，用于将钢丝绳套管固定。肘部后连杆205采用合金铝材质。

在本发明中制动轮404的圆柱中心有通孔419用于和抱闸伺服电机轴403连接，圆柱体上有环形槽422用于和传动带轮312连接，环形槽422内有螺孔用于安装紧钉螺钉，圆柱体的两侧有伸展至距圆柱体中心的展板421，展板421上开有安装孔420，用于将制动带和制动轮连接。当系统需要制动时，电机带动该零件转动，该零件利用杠杆原理使制动带张紧，进而抱紧闸轮313，实现制动。

在本发明中采用环形气袋113加扎带118方法实现了刚性机构和柔性手臂的连接，使装置可以方便各种尺寸臂形的人佩戴，操作者自行使用冲气囊117充气，根据自己舒适感决定充气量。

在本发明中将力反馈伺服电机至于后背控制箱5内，采用制动轮404、制动带402、闸轮313和钢丝绳407、412、417、套管408、413、418传动方法，减轻了手臂佩戴部分的重量，提高佩戴的舒适性，保证了操作者的安全。

在本发明中力反馈作用机构和运动测量装置置于同一铰接轴，相互没有连接干涉，保证运动测量的精度和力反馈机构的伺服性能。

本发明在进行整体设计原则和设计方法如下：

由于手臂运动存在关节间的耦合，为了能提高关节测量的精度，采用面向关节的机构形势，并利用局部自由度进行充分解耦，使用精度较高的码盘，可以精确的测量手臂运动时七个自由度的变化，并可由此计算出手臂末端位姿的变化量。为了不限制人体和手臂关节的自由运动，使与各关节组成闭链的机构与相应关节自由度相同。为了使佩戴着佩戴时感到舒适，减轻佩戴部分的重量，将力反馈机构电机置于后背箱内，并采用铝合金、尼龙的轻质材料，自制了重量较轻的铝合金轴承。

本发明测量机构设计原则和设计方法如下：

腕部测量机构原理如图9所示。其中腕关节O为球销副，B、D关节也为球销副。因此该空间机构属于1R3S′机构。为方便起见，将球销副B分解为两个轴线正交的转动副，通过杆件连接，杆件长度为0。图9中OA为机架，OD为原动件，CD、BC为连杆。

根据空间单封闭性机构自由度分析公式：

$F=\mathrm{\Σf}-\mathrm{\λ}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{\λ}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_k-\mathrm{\λ}$

其中，∑f为空间机构开链自由度总和，λ为闭链约束数，p_k表示机构中k类运动副的个数。图9中有三个球销副(O、B、D关节)和一个转动副(C关节)，所以，p₂＝3，p₁＝1；而闭合约束数λ＝5(平动约束数3，转动约束数2)，所以，

                      F＝1+2×3-5＝2(DOF)

而原动件OED(手掌)具有两个自由度，因此，图9所示的空间运动机构具有确定的运动规律，因而可以通过测量机构的输出间接测量手腕的运动。

在图9中，以O为原点，前臂轴线向外为Z轴，垂至于手掌方向为X轴建立右手法则坐标系，如图10所示。不失一般性，让手掌作任意的抬压和内外展运动，图7中用OD代表手掌，自D点向OXZ平面作垂线，交点为G，自G点向X轴、Z轴作垂线并连接各点，|OD|、|OA|、|AB|为佩戴参数，假设已知，γ为B关节垂至于手掌轴转动的测量角度，∠BCD为C关节传感器测量角度。而|BC|、|CD|为连杆长度。由方程组：

|OD|sinβ＝(|OD|cosαcosβ+|OA|)tgγ

sin(α+∠OBA)cosβ＝-cos∠BOD

可以确定α、β变化角度。

前臂可以认为是根部固定，端部转动的转动机构。前臂测量机构由内外同轴的滑环组成。内环通过气囊与前臂端部连接，外环与前臂根部固连。当前臂端部转动时，带动内环转动，角度传感器安装在外环上。通过检测内环相对与外环的转动，就可测出前臂的旋转角度。如图10所示，设内环半径为R，传感器半径为r，固定在外环上，与内环高副接触，当内环转动θ₁时，传感器传动角度为θ₂，则Rθ₁＝rθ₂，从而，

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{r}{R}{\mathrm{\θ}}_2=k_{\mathrm{forearm}}{\mathrm{\θ}}_2,$ 其中k_forearm＝r/R。

由上式即可得到前臂的转动角度。

测量肘部关节的机构是一个四杆机构，如图10所示。其中O为肘部关节，OA为上臂作为机架，OC为前臂是原动件。图中C虽为球销关节，但只是起调整佩戴误差增加运动灵活性的作用，因而仍可作为平面四杆机构进行分析。根据平面机构的自由度计算公式可知：

             F＝3n-2P_L-P_H＝3×3-2×4-0＝1(DOF)

所以该机构有确定的运动规律。

图9中，肘部关节角度设为θ_elbow，相应传感器角度为θ_sonsor，|AB|、|BC|为机构本身参数，可以通过测量确定；而|OA|、|OC|为佩戴参数，

θ_elbow＝arccos(k_elbowcosθ_sensor+b_elbow)

由上式即可得到肘部的转动角度。

肩关节测量机构原理如图11所示，其中球关节O为肩关节；A、C关节为转动副；B和D是球销副，其中D由两轴线正交而且相距很近的关节副组成；OA代表前臂，为原动件；杆件0代表身体，为机架；其余为机构连杆。该空间机构属于SRS′RS′机构。

根据空间机构自由度分析公式：

$F=\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_k-\mathrm{\λ}=2\×1+2\×2+3\×1-6=3\left(\mathrm{DOF}\right)$

因肩关节为球关节，所以上臂OA具有3个运动输入(前屈/后伸运动、内收/外展运动和绕上臂自身轴线转动)。因此，图11所示的空间运动机构具有确定的运动规律，因而可以通过测量机构的输出间接测量肩关节的运动。注意：A关节与上臂同轴，因而，上臂绕自身轴线运动为局部自由度，除对A关节处的传感器产生影响外，不影响其它关节。

以O为原点，指向身体外侧为Z轴，指向身体前方为X轴，建立右手系笛卡儿空间。不失一般性，上臂做一任意的前屈、外展运动后，几何模型如图11所示。自A向XOY平面作垂线垂点为M，自M向Y轴作垂线垂点为H；D点所在位置坐标为D_xyz＝(D_x，D_y，D_z)^T，过D点作平面DPK平行∥面XOY，自B向该面DPK作垂线，设垂足为K，设DP∥Y轴，自K向DP作垂线，设垂足为P。令γ＝∠PDK，η＝∠BDK，受机械结构约束，不难证明B、C、D、K四点共面。

同腕关节分析测量角度一样，为便于齐次坐标变换，我们取图中α、β做为对肩关节前屈/后伸运动和内收/外展运动的衡量，α以Z轴为轴心按右手系法则定正负，β始终为正。φ为上述运动引起的A关节绕上臂轴线的转动，暂不考虑上臂绕自身轴线的转动。可以求解关于α、β和φ的三角函数方程组，

$\left[\begin{array}{c}{l}_2\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\φ}-l_2\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}-l_1\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ l_2\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\φ}+l_2\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}-l_2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ l_2\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\φ}+l_1\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{D}_x+l^{\′}\cos \mathrm{\η}\sin \mathrm{\γ}\\ D_y-l^{\′}\cos \mathrm{\η}\cos \mathrm{\γ}\\ D_z+l^{\′}\sin \mathrm{\η}\end{array}\right]$

本发明提供了一种面向人手臂关节的带有力反馈的佩戴式人机交互装置，在军事反恐、医疗康复、遥操作、虚拟环境体验、虚拟装配与制造、游戏等领域都有很大的实用意义。

Claims (7)

1、一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，包括运动测量机构、力反馈机构，其特征在于：运动测量机构由腕部测量机构(1)、肘部测量机构(2)、肩部测量机构(3)组成，还包括安装力反馈机构(4)的控制箱(5)，以及将控制箱(5)和数据臂与人体连接的绑定机构(6)；

所述的腕部测量机构(1)，包括前端供人手握持的握柄(101)和手部角度传感器(102)一起固定在前端支架(103)上，前端转铰(104)分别与前端支架(103)和腕部前连杆(105)铰接，带轮(106)固连在手部角度传感器(102)的轴上，与前端转铰(104)通过传动带(107)传动，腕部前连杆(105)与腕部后连杆(108)铰接，铰接轴为腕部角度传感器(109)的轴，腕部角度传感器(109)与腕部后连杆(108)固连，其腕部角度传感器(109)的轴与腕部前连杆(105)固连，腕部转铰(110)分别与腕部后连杆(108)和前臂内环(111)铰接，前臂外环(112)与肘部固定环(201)通过连接板(119)固连，前臂外环(112)与前臂内环(111)间隙配合构成滑动轴承，前臂角度传感器(114)固连在前臂内环(111)上，传动带(115)将前臂角度传感器(114)轴上的带轮(116)和前臂外环(112)以带传动形式连接，在前臂内环(111)和肘部固定环(201)内分别固定有环形气袋(113)，用于将人手手臂与该机构固定连接，充气囊(117)通过气管(120)给环形气袋(113)充气，肘部固定环(201)上还有肘部扎带(118)用于将机构与人手手臂紧固；

所述的肘部测量机构(2)，包括肘部铰座(202)固定在肘部固定环(201)上，肘部转铰(203)分别与肘部铰座(202)和肘部前连杆(204)铰接，肘部前连杆(204)与肘部后连杆(205)铰接，铰接轴为肘部角度传感器(206)的轴，肘部角度传感器(206)与肘部后连杆(205)固连，其轴与肘部前连杆(204)固连，上臂转铰(207)分别与肘部后连杆(205)和上臂铰座(208)铰接，上臂铰座(208)固定在上臂内环(316)上，在上臂内环(316)和肘部固定环(201)内分别固定有环形气袋(113)，用于将手臂与肘部机构固定连接，充气囊(117)通过气管(120)给环形气袋(113)充气，肘部固定环(201)和上臂内环(316)上还有肘部扎带(118)用于将机构与人手手臂紧固；

所述的肩部测量机构(3)，包括滚动轴承，所述滚动轴承由上挡圈(318)、下挡圈(319)、上臂内环(316)、上臂外环(317)和滚珠(321)组成，所述上臂外环(317)同心套在上臂内环(316)外，上臂外环(317)的内壁与上臂内环(316)的外臂间设置所述滚珠(321)，所述上挡圈(318)和下挡圈(319)分别固定在上臂内环(316)的两端，所述上臂外环(317)固定有传感器法兰(301)，上臂旋转传感器(302)固定在传感器法兰(301)上，上臂旋转传感器(302)肘上的带轮(303)与固定在上臂内环(316)上的上挡圈(318)通过传动带(304)连接，上臂外环铰座(305)固定在上臂外环(317)上，上臂外环转铰(306)分别与上臂外环铰座(305)和上臂前连杆(307)铰接，上臂前连杆(307)与上臂后连杆(308)铰接，铰接轴为肩部角度传感器(309)的轴，肩部角度传感器(309)与上臂后连杆(308)固连，其轴与上臂前连杆(307)固连，背部转铰(310)与上臂后连杆(308)铰接，并和滚动轴承(315)的内圈固连，滚动轴承(315)的外圈固定在控制箱(5)上，闸轮(313)固定在背部转铰(310)的轴上，背部角度传感器(311)安装在控制箱(5)内，其轴上固定有带轮(312)，带轮(312)与闸轮(313)通过传动带(314)连接；

所述的力反馈机构(4)，包括制动带(402)包在闸轮(313)上，两端与固定在抱闸伺服电机(403)轴上的制动轮(404)固定连接，肩部伺服电机(405)固定在控制箱(5)内的电机法兰(401)上，绳轮(406)固定在肩部伺服电机(405)的轴上，两根传动钢丝绳(407)一端分别固定在绳轮(406)上，并沿相反方向在绳轮(406)上缠绕，再穿过套管(408)，沿相反方向绕过导绳轮(322)，另一端与上臂前连杆(307)固连，套管(408)一端固定在套管座(409)上，另一端固定在上臂后连杆(308)上，套管座(409)固定在电机法兰(401)上，上臂制动系统的上臂伺服电机(410)固定在控制箱(5)内的电机法兰(401)上，绳轮(411)固定在肩部伺服电机(405)的轴上，两根传动钢丝绳(412)一端分别固定在绳轮(411)上，并沿相反方向在绳轮(411)上缠绕，再穿过套管(413)，另一端与下挡圈(319)固连，套管(413)一端固定在套管座(414)上，另一端固定在传感器法兰(301)上，套管座(414)固定在电机法兰(401)上，肘部制动系统的肘部伺服电机(415)固定在控制箱(5)内的电机法兰(401)上，绳轮(416)固定在肘部伺服电机(415)的轴上，两根传动钢丝绳(417)一端分别固定在绳轮(416)上，并沿相反方向在绳轮(416)上缠绕，再穿过套管(418)，沿相反方向绕过导绳轮(323)，另一端与肘部前连杆(204)固连，套管(418)一端固定在套管座(414)上，另一端固定在肘部后连杆(205)上，套管座(414)固定在电机法兰(401)上。

2、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：所述上臂外环(317)的内壁与上臂内环(316)的外壁间的间隙为0.5mm，所述上臂外环(317)与上挡圈(318)和下挡圈(319)间距1mm，上臂外环(317)的两端为倒角形。

3、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：肘部后连杆(205)的两端分别开有安装孔(209)，一端开有槽口(210)，槽口(210)的一侧端开有侧套孔(211)，肘部后连杆(205)上开有用于固定套管的螺孔(212)，肘部后连杆(205)采用合金铝材质。

4、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：制动轮(404)的圆柱中心有通孔(419)用于和抱闸伺服电机轴(403)连接，圆柱体上有环形槽(422)用于和传动带轮(312)连接，环形槽(422)内有螺孔用于安装紧钉螺钉，圆柱体的两侧有伸展至距圆柱体中心的展板(421)，展板(421)上开有安装孔(420)，该零件利用杠杆原理使制动带张紧，进而抱紧闸轮(313)，实现制动。

5、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：采用环形气袋(113)加扎带(118)方法实现了刚性机构和柔性手臂的连接，使装置可以方便各种尺寸臂形的人佩戴，操作者自行使用冲气囊(117)充气，根据自己舒适感决定充气量。

6、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：将力反馈伺服电机至于后背控制箱(5)内，采用制动轮(404)、制动带(402)、闸轮(313)和钢丝绳(407、412、417)、套管(408、413、418)传动方法，减轻了手臂佩载部分的重量，提高佩戴的舒适性，保证了操作者的安全。

7、根据权利要求1所述的一种面向人机交互的带有力反馈的外骨架式可佩戴数据臂，其特征在于：力反馈作用机构和运动测量装置置于同一铰接轴，相互没有连接干涉，保证运动测量的精度和力反馈机构的伺服性能。

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