CN206703005U - 基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，包括模拟手掌、五个模拟手指，五个模拟手指的指根处分别通过传动轴与舵机活动连接；五个模拟手指的指节处分别具有一个自由度，模拟手指的指尖处分别活动连接一指套，指套上固设有震动片；模拟手掌具有空腔结构，模拟手掌上设置有与空腔联通的第一进气口，指套上设置有喷气口，五个模拟手指上均设置有导气管，导气管的一端与模拟手掌的空腔联通，导气管的另一端与喷气口联通。本实用新型是通过模拟手指限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受，同时，本实用新型利用气流涡旋和震动模拟人皮肤对触觉的感受，具有体积小，便于携带，模拟人体触觉真实的特点。

Description

基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置

技术领域

本实用新型属于VR设备技术领域，具体涉及一种基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置。

背景技术

虚拟现实技术（Virtual Reality，以下简称VR技术）是仿真技术的一个重要方向，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。其记录人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，再分别反馈到用户的五官，实现人机交互。

同时，伴随着VR技术的方兴未艾，增强现实技术（Augmented Reality,以下简称AR技术）也悄然孕育而生。其把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息,声音,味道,触觉等）通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

目前的VR技术主要通过视觉和听觉提供浸入式体验，忽略了一大感官——触觉。作为人类五感之一，触觉是定位和感知外部的重要信息渠道；另一方面，鼠标键盘作为传统的与计算机交互方式并不适合VR和AR在三维空间的应用，手势和触觉相结合必然将成为新一代更自然的交互方式，能为用户提供多维度的新型交互。因此探究不同触压觉和空气涡旋以及振动的对应关系并以此开发出一套全新的、可应用于虚拟现实技术的触觉反馈设备具有重要的应用价值。

随着VR技术与AR技术的大规模普及，传统的交互方式已经无法满足新兴的显示方式，更加自然的触觉反馈以及手势操作将在未来大有前途。目前关于触觉反馈设备的研究大多还停留在实验室阶段，尚没有成熟的产品问世，触觉反馈仍然属于虚拟现实领域中的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有VR技术设备无触觉反馈、无模拟触觉体验的问题。

为此，本实用新型提供了基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，包括设置于人体手背上的模拟手掌、设置于人体五指上的五个模拟手指，所述模拟手掌上设有五个用于固定舵机的卡槽，五个所述模拟手指的指根处分别通过传动轴与舵机活动连接；

五个所述模拟手指的指节处分别具有一个自由度，五个所述模拟手指的指尖处分别活动连接一指套，所述指套套设于人体的手指上，所述指套上固设有震动片；

所述模拟手掌具有空腔结构，所述模拟手掌上设置有与空腔联通的第一进气口，所述指套上设置有喷气口，五个所述模拟手指上均设置有导气管，所述导气管的一端与所述模拟手掌的空腔联通，所述导气管的另一端与喷气口联通，模拟手掌、导气管、指套之间形成气流通道。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，人体手心处对应位置还设置有气囊，所述气囊朝向人体手心的一面设置有多个出气口，所述气囊上还设置有第二进气口，所述第二进气口通过导气管与所述模拟手掌的空腔联通。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述气囊上固设有震动片。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述喷气口位于指套的底端，所述喷气口为扁平的长方形。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述第一进气口与设置于人体手臂上的风扇的出风口联通。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述模拟拇指、模拟食指、模拟中指、模拟无名指、模拟小指的指根处均设有用于容纳所述舵机的钳口，所述舵机通过传动轴带动五指做屈/伸运动。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，模拟拇指、模拟食指、模拟中指、模拟无名指、模拟小指分别由指尖段、中间段和指根段组成，所述指尖段的一端与指套活动连接，所述指尖段的另一端与中间段的一端固定连接，所述中间段的另一端与指根段的一端活动连接，所述指根段的另一端通过传动轴与舵机活动连接。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述模拟手背固定连接一数据手套，所述数据手套的五个手指处均设有弯曲传感器，所述弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述数据手套的五个手指上分别固设有震动片。

上述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，所述模拟手掌上还设置有固定绷带，用于将模拟手掌固定在人体手背上。

本实用新型的有益效果：

1.当佩戴者手部用力时，手部动作通过外骨骼分解，同时映射到旋转传感器上，弯曲传感器将信息传送至上位机，上位机计算出手指间各个模拟手指间的旋转角度信息，该旋转角度信息经过控制芯片传递给舵机，置于舵机内的步进电机带动传动轴运转，将作用力反馈于与指尖相连的肌腱。因此，本实用新型是通过模拟手指限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受；

2.在本实用新型中，食指、中指、无名指和小指通过舵机与手背连接，拇指指根依次通过舵机、掌骨、舵机与手背连接。因此，本实用新型具有结构简单、小巧轻便、易携带等优点；

3. 本实用新型弥补了现有的VR技术只有视觉和听觉模拟而忽略了触觉模拟的缺陷，而且该触觉柔性力模拟装置结构简单，利用气流涡旋和震动模拟人皮肤对触觉的感受，具有体积小，便于携带，模拟人体触觉真实的特点。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是触觉反馈外骨骼装置的结构示意图。

图2是指套的结构示意图。

图3是气囊背面示意图。

图4是气囊正面示意图。

图中： 1、模拟手掌；11、第一进气口；12、固定绷带；14、导气管；2、模拟手指；21、指尖段；22、指根段；1-2、舵机；2-3、铰销；3、指套；31、第三进气口；32、喷气口；4、气囊；41、第二进气口；42、出气口；5、震动片。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

为了解决现有VR技术设备无触觉反馈、无模拟触觉体验的问题，本实施例提供了一种如图1所示的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，包括设置于人体手背上的模拟手掌1、设置于人体五指上的五个模拟手指2，模拟手掌1上设有五个用于固定舵机1-2的卡槽，五个模拟手指2的指根处分别通过传动轴与舵机1-2活动连接；

本实施例的模拟手指2供具有15个自由度，其中：五个模拟手指2的指节处分别具有一个自由度，五个模拟手指2的指尖处分别活动连接一指套3，指套3套设于人体的手指上，指套3上固设有震动片5；

模拟手掌1具有空腔结构，模拟手掌1上设置有与空腔联通的第一进气口11，指套3上设置有喷气口32，五个模拟手指2上均设置有导气管14，导气管14的一端与模拟手掌1的空腔联通，导气管14的另一端通过第三进气口31与喷气口32联通，模拟手掌1、导气管14、指套3之间形成气流通道；设置于模拟手掌1的第一进气口11与风扇的出风口联通，风扇设置于人体的手臂上，风扇由控制器进行控制，通过调节风扇的转速，从而控制进入空腔内的气流。

通过分析触觉感知的因素，由控制器控制风扇的转速，达到控制各个出气口42气流的目的，由出气口42喷出的气流形成空气涡旋代替触觉生物力学的集中力，通过控制器调节产生不同的控制接触力效果。

本部分系统利用压控风扇提供风力，通过在指尖、掌心等部位设置喷气口32实现喷气式的触觉反馈。出风口设置在指头外骨骼内侧及手掌内侧，通风管沿外骨骼延伸至手背的控制中心。

如图1所示，本实施例的触觉反馈外骨骼装置还包括多个震动片5，震动片5粘贴于指套3内或者粘贴于手指套3环上或者粘贴气囊4上；震动片5总共设置16个，五个手指的指套3内各设置1个，五个手指的手指中部的套环上各设置一个，手心处的气囊4粘贴6个，震动片5同样通过控制器进行控制。

这样，震动片5与气流涡旋共同作用使得模拟的触觉效果更为真实，感触效果更好。

本实施例的导气管14通过固定带与指根段22固定连接，这样设置的目的是可以避免导气管14蓬松混乱或者漏气，影响使用的效果。

本实施例的模拟手掌1上还设置有固定绷带12，用于将模拟手掌1固定在人体手背上；固定绷带12设置于模拟手掌1的中部处，固定绷带12能够绕着手臂的手腕对模拟手掌1进行固定，从而使得整个触觉柔性力模拟装置很好的固定在人体手背上。

如图2所示，本实施例的指套3上还设置有第二出气口42，第二出气口42设置于指套3底端，第二出气口42为扁平的长方形，并且当指套3套设在手指上时，能够对手指的指心一侧形成覆盖表面的气流。

如图1、图3和图4所示，人体手心处对应位置还设置有气囊4，所述气囊4朝向人体手心的一面设置有多个出气口42，所述气囊4上还设置有第二进气口41，所述第二进气口41通过导气管14与所述模拟手掌1的空腔联通。

在VR环境中，本实施例的触觉反馈外骨骼装置将判定佩戴者此时的受力范围：一定值之内由气动部分实施反馈，当力较大时外骨骼才启动反馈，以实现触觉的定量精准模拟；另外，当反馈数值比较大时可由气动部分进一步反馈微小感觉，即所谓的纹理感触感，进一步提高触觉反馈的真实性。

本实施例在触觉的基础上再加入压感，进行双重模拟的反馈系统尚待开发。因此，在触觉反馈系统加入机械骨骼，不仅可感受“碰到物体”，还可有该物体“是硬还是软”这样存在对手张力的压感，可极大增强虚拟体验的浸入感

本实施例弥补了现有的VR技术只有视觉和听觉模拟而忽略了触觉模拟的缺陷，而且该触觉柔性力模拟装置结构简单，利用气流涡旋和震动模拟人皮肤对触觉的感受，具有体积小，便于携带，模拟人体触觉真实的特点。

作为优选，本实施例的模拟手背固定连接一数据手套，数据手套的五个手指处均设有弯曲传感器，弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。需指出，数据手套的五个手指指尖处的内壁与指套3外壁固定连接，佩戴者的手部通过数据手套的开口伸入，佩戴者手部的五根手指分别进入指套3内，整个佩戴过程即可完成。

数据手套也叫绝缘手套，该数据手套的首要目的是将佩戴者手部的动作姿态通过大量的数据传输，在上位机中构建佩戴者手部的3D模型，为了掌握手掌、手指以及手腕各个有效部位的弯曲外展度等数据，以及在此数据基础上的姿态的反演，本实施例绝缘手套的五个手指处均设有弯曲传感器，弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

佩戴者使用本实施例的外骨骼过程中，当手部用力时，手部动作通过外骨骼分解，同时映射到弯曲传感器上，弯曲传感器将信息传送至上位机，上位机计算出手指间各个骨骼间的旋转角度信息，该旋转角度信息经过控制芯片传递给舵机1-2，置于舵机1-2内的步进电机带动传动轴运转，将作用力反馈于与指尖相连的肌腱。因此，本实施例是通过外骨骼限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受，也就是说，本实施例在虚拟环境下的再现理论是通过实际计算、传感、仿真技术将计算机生成的虚拟物体，利用传感刺激以自然的方式传递给佩戴者，使得佩戴者能全方位地获得各种感官体验。本实施例通过独特的传感技能，外加的四个外展传感器、手掌拱度传感器以及测量曲折度与外展度的传感器，可以将手和手指的动作精确地转变为数字化的实时角度数据。

佩戴者的手指在做屈伸延展运动的同时，舵机1-2控制的外部装置也能够及时的发挥限制与检测的作用，产生阻力或者摩擦力，给使用者能体验到相应的束缚感，使得感受更为真实。而当两个手指发生横向运动时，即绕摆等运动时，两指之间的电位计将检测两指之间的微小电位变化，通过计算进一步可以反映出横向偏移角度，结合纵向的弯曲曲线，便可以得到三维内的物体运动状态，基于此，本实施例可以比较真实有效地完成动作捕捉和触觉再现功能。

当佩戴者手部用力时，手部动作通过外骨骼分解，同时映射到旋转传感器上，弯曲传感器将信息传送至上位机，上位机计算出手指间各个骨骼间的旋转角度信息，该旋转角度信息经过控制芯片传递给舵机1-2，置于舵机1-2内的步进电机带动传动轴运转，将作用力反馈于与指尖相连的肌腱。因此，本实施例是通过外骨骼限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受。

实施例2：

与上述实施例不同之处,在于本实施例的模拟手指2具有16个自由度。其中，模拟手指2的拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖、指关节和指根处各具有一个自由度，掌骨具有一个自由度。

其中，拇指、食指、中指、无名指、小指可以分别由指尖段21、中间段和指根段22组成，指尖段21的一端与指套3活动连接，指尖段21的另一端与中间段的一端固定连接，中间段的另一端与指根段22的一端活动连接，指根段22的另一端通过传动轴与舵机1-2活动连接，使得手指具有五个自由度。

本实施例的模拟手指2和模拟手背（简称机械手）是人类通过观察并模仿人手运动，使机器达到类似手功能的一种方式，其主要目的在于实现各种抓握，保证抓握的精准与输出力的控制，本实施例的模拟手指2由食指、中指、无名指和小指的三节指段、拇指的两个指段、手掌和掌骨共十六个部件构成，建模后利用3D打印机打印出，从而将手部的三十一个自由度简化为更为常用的十六个自由度，并且增加了其便携性和实用性。本实施例手指的中部和尖端只能做一维的屈伸运动，而手指的根部除了可以做屈伸运动外，模拟大拇指还可以做相对于其余手指的根部做收展运动。

为了使手指指根处活动更加灵活，本实施例优选拇指、食指、中指、无名指、小指的指根处均设有用于容纳舵机1-2的钳口，钳口侧壁上设有与传动轴过盈配合的通孔，传动轴与舵机1-2连接，五个舵机1-2分别通过传动轴带动五指做屈/伸运动，五个舵机1-2分别通过传动轴带动五指做收/展运动。位于食指、中指、无名指、小指指根处的舵机1-2通过手背基座与手背固定连接，手背基座包括与手背固定连接的底板、设置在底板上的肋板以及用于固定舵机1-2的固定板，固定板与舵机1-2外壳活动连接，固定板上还设有供舵机1-2输出轴和齿轮轴穿过的方槽。与拇指指根连接的舵机1-2通过手背基座与掌骨的一端固定连接，手背基座的底板与掌骨的一端固定连接，手背基座的固定板与舵机1-2外壳固定连接。

在本实施例中，食指、中指、无名指和小指通过舵机1-2与手背连接，拇指指根依次通过舵机1-2、掌骨、舵机1-2与手背连接。因此，本实施例的外骨骼具有结构简单、小巧轻便、易携带等优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，包括设置于人体手背上的模拟手掌（1）、设置于人体五指上的五个模拟手指（2），所述模拟手掌（1）上设有五个用于固定舵机（1-2）的卡槽，五个所述模拟手指（2）的指根处分别通过传动轴与舵机（1-2）活动连接；

五个所述模拟手指（2）的指节处分别具有一个自由度，五个所述模拟手指（2）的指尖处分别活动连接一指套（3），所述指套（3）套设于人体的手指上，所述指套（3）上固设有震动片（5）；

所述模拟手掌（1）具有空腔结构，所述模拟手掌（1）上设置有与空腔联通的第一进气口（11），所述指套（3）上设置有喷气口（32），五个所述模拟手指（2）上均设置有导气管（14），所述导气管（14）的一端与所述模拟手掌（1）的空腔联通，所述导气管（14）的另一端与喷气口（32）联通，模拟手掌（1）、导气管（14）、指套（3）之间形成气流通道。

2.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，人体手心处对应位置还设置有气囊（4），所述气囊（4）朝向人体手心的一面设置有多个出气口（42），所述气囊（4）上还设置有第二进气口（41），所述第二进气口（41）通过导气管（14）与所述模拟手掌（1）的空腔联通。

3.如权利要求2所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述气囊（4）上固设有震动片（5）。

4.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述喷气口（32）位于指套（3）的底端，所述喷气口（32）为扁平的长方形。

5.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述第一进气口（11）与设置于人体手臂上的风扇的出风口联通。

6.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，五个所述模拟手指（2）的指根处均设有用于容纳所述舵机（1-2）的钳口，所述舵机（1-2）通过传动轴带动五指做屈/伸运动。

7.如权利要求1或6所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，五个所述模拟手指（2）均由指尖段（21）、中间段和指根段（22）组成，所述指尖段（21）的一端与指套（3）活动连接，所述指尖段（21）的另一端与中间段的一端固定连接，所述中间段的另一端与指根段（22）的一端活动连接，所述指根段（22）的另一端通过传动轴与舵机（1-2）活动连接。

8.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述模拟手背固定连接一数据手套，所述数据手套的五个手指处均设有弯曲传感器，所述弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

9.如权利要求8所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述数据手套的五个手指上分别固设有震动片（5）。

10.如权利要求1所述的基于振动和气动结合的触觉反馈外骨骼装置，其特征在于，所述模拟手掌（1）上还设置有固定绷带（12），用于将模拟手掌（1）固定在人体手背上。