WO2020088019A1 - 手部机械外骨骼装置及外骨骼设备 - Google Patents

手部机械外骨骼装置及外骨骼设备 Download PDF

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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer

Definitions

  • FIG. 8 is a schematic structural diagram of a force feedback device of a hand mechanical exoskeleton device provided by the present invention.
  • the first motor driving mechanism 3 only includes the first driving motor.
  • the first driving motor may be a brushless motor, a brushed hollow cup motor, a disc motor, etc., and the invention is not specifically limited herein.
  • the housing of the first driving motor is fixed on the palm mechanism 2.
  • the main shaft of the first driving motor is fixedly connected to the finger mechanism 1. When the finger mechanism 1 is stressed, it can drive the main shaft of the first driving motor to rotate together.
  • the connection between the first driving motor and the finger mechanism is specifically that: the finger mechanism 1 is provided with a hole that is adapted to the main shaft of the first driving motor, and the main shaft of the first driving motor is fixed in the hole through a key connection.

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Abstract

一种手部机械外骨骼装置及外骨骼穿戴设备，该手部机械外骨骼装置包括：手指机构（1），用于手指穿戴，可随手指一起运动；手掌机构（2），用于手掌穿戴，可与手掌固定在一起；第一电机驱动机构（3），固定在手掌机构(2)上，其输出轴与手指机构（1）相接，使手指机构（1）可与第一电机驱动机构（3）的输出轴在第一旋转平面内做同步转动，进而在穿戴手部机械外骨骼装置后，使手指可以并拢或张开；第一角度传感器（4），用于监测手指机构（1）在第一旋转平面上的旋转角度，并将检测值发送至第一控制装置（5），以便第一控制装置（5）控制第一电机驱动机构（3）生成与手指机构（1）在第一旋转平面上旋转方向相反的扭矩。当人手穿戴后，手指在侧向转动时可以得到力反馈调节，使用户得到更好的触觉体验。

Description

手部机械外骨骼装置及外骨骼设备 技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种手部机械外骨骼装置及外骨骼设备。
背景技术
VR技术(VR为Virtual Reality的缩写，中文名称为虚拟现实技术)的出现改变了人类与计算机的交互方式，在虚拟现实的场景中，为了增强用户对虚拟世界的感知，常常会应用到带有力反馈装置的手部机械外骨骼装置来进行手部动作捕获。
力反馈装置可以在手指动作时，提供一个与该动作方向相反的扭矩，从而使人获得一个触觉体验。人的手指比较灵活，除了可以向掌心弯曲运动实现抓取动作之外，还可以侧向张开运动(即手指间相互远离或靠近的张合运动)。然而，目前的手部机械外骨骼装置主要是针对手指的抓取动作(即手指向掌心弯曲的方向)进行力反馈调节，无法满足实际的力反馈需求。
发明内容
根据本申请的各种实施例，提供一种手部机械外骨骼装置及外骨骼设备。
一种手部机械外骨骼装置，包括：手指机构，用于手指穿戴，可随手指一起运动；手掌机构，用于手掌穿戴，可与手掌固定在一起；第一电机驱动机构，所述第一电机驱动机构固定在所述手掌机构上，所述第一电机驱动机构的输出轴与所述手指机构相接，所述手指机构可带动所述第一电机驱动机构的输出轴在第一旋转平面内相对于所述手掌机构做同步转动，进而使得人手在穿戴所述手部机械外骨骼装置后，手指可以在所述第一旋转平面内转动, 进而带动所述手指机构并拢或张开；第一角度传感器，用于监测所述手指机构在所述第一旋转平面上的旋转角度，并可以将检测值传输至第一控制装置，以便所述第一控制装置所述第一电机驱动机构生成与所述手指机构在所述第一旋转平面上旋转方向相反的扭矩。
一种外骨骼设备，所述外骨骼设备使用了如上所述的手部机械外骨骼装置。
本发明的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。
附图说明
为了更好地描述和说明这里公开的那些发明的实施例和/或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
图1为本发明提供的手部机械外骨骼装置的结构示意图；
图2为本发明提供的手部机械外骨骼装置的A区域的局部放大视图；
图3为本发明提供的手部机械外骨骼装置的局部结构示意图；
图4为本发明提供的手部机械外骨骼装置的手掌机构的结构示意图；
图5为本发明提供的手部机械外骨骼装置的B区域的局部放大视图；
图6为本发明提供的手部机械外骨骼装置的拇指连接件的内部结构示意图；
图7为本发明提供的手部机械外骨骼装置的手指机构的结构示意图；
图8为本发明提供的手部机械外骨骼装置的力反馈装置的结构示意图。
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方式。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方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
如图1至图3所示，在本实施例中，该手部机械外骨骼装置包括：手指机构1、手掌机构2、第一电机驱动机构3、第一角度传感器4以及第一控制装置5。其中，应当理解的，手指机构的个数为五个，包括与人手拇指对应的拇指机构11，以及分别与人手的其他四指对应的食指机构、中指机构、无名指机构和小指机构，这四个手指机构统称为四指机构12。第一电机驱动机构3和第一角度传感器4的个数也均为五个，分别与五个手指机构一一对应。第一控制装置5的个数为一个，同时控制五个第一电机驱动机构3的工作。当然，在其他实施例中，第一控制装置5的个数也可以是五个，与五个第一电机驱动机构3一一对应。
在本实施例中，手指机构1用于手指穿戴，且穿戴后手指机构1可随手指一起运动。手掌机构2用于手掌穿戴，穿戴后与手掌机构2手掌固定在一起。
第一电机驱动机构3固定在手掌机构2上，而且第一电机驱动机构3的输出轴与手指机构1相接；手指机构1受力后可带动第一电机驱动机构3的输出轴一起在第一旋转平面上相对于手掌机构2做同步转动。即人手穿戴后，手指可以带动手指机构1在第一旋转平面上转动，其中，手指在第一旋转平面上做旋转运动可以实现手指的并拢或张开，进而带动手指机构1并拢或张 开。手指的并拢或张开是指人手平放于一水平桌面时，手指在该桌面上侧向转动运动，从而使某一手指在靠近或远离另一手指的动作。
第一角度传感器4用于监测手指机构1在第一旋转平面上的旋转角度，并可以将检测值传输至第一控制装置5；第一控制装置5可接收第一角度传感器4的监测值，并对该监测值进行处理，然后控制第一电机驱动机构3生成与手指机构1在第一旋转平面上旋转方向相反的扭矩。使得人手穿戴该手部机械外骨骼装置后，各手指并拢或张开(即手指侧向运动)时可以受到第一电机驱动机构3施加的反作用力，提高整个手部机械外骨骼装置的力反馈的效果，使用户得到更好的触觉体验。在本实施例中，第一控制装置5为手部机械外骨骼装置的一部分，可以理解的，在其他实施例中，第一控制装置5也可以不属于手部机械外骨骼装置，比如第一控制装置5为外骨骼穿戴设备的主控制器，其中手部机械外骨骼装置是外骨骼穿戴设备的一部分。
在本实施例中，第一电机驱动机构3仅包括有第一驱动电机，第一驱动电机可以是无刷电机、有刷空心杯电机、盘式电机等，本发明在此不做具体限定。第一驱动电机的外壳固定在手掌机构2上，第一驱动电机的主轴与手指机构1固定连接，手指机构1受力时可以带动第一驱动电机的主轴一起转动。其中第一驱动电机与手指机构之间的连接具体为：手指机构上1设有与第一驱动电机的主轴适配的孔位，第一驱动电机的主轴通过键连接方式固定该孔位内。可以理解的，在其他实施例中，第一驱动电机与手指机构1之间的连接也可以是其他方式，比如手指机构1上设有转轴，该转轴通过联轴器与第一驱动电机的主轴连接在一起。
进一步的，为了增大第一驱动电机的输出扭矩，电机驱动机构3除了包括有第一驱动电机之外，还包括减速机。其中，减速机的输入轴与第一驱动 电机的主轴相接，减速机的输出轴与手指机构1相接。
此外，在本实施例中，第一角度传感器4安装在手指机构1上，并与第一驱动电机的主轴同轴设置，这样可以直接监测第一驱动电机主轴的转动角度，从而使控制装置5可以直接获取手指结构1在第一旋转平面内的旋转角度，方便控制装置对第一驱动电机的控制。
如图3所示，在本实施例中，手掌机构2包括底座21、拇指连接件22以及手掌固定装置23，拇指连接件22与手掌固定装置23均安装在底座21上。其中，手掌固定装置23用于将手掌与底座21绑定在一起。四指机构12所对应的4个第一电机驱动机构3固定在底座21上，拇指机构11所对应的第一电机驱动机构3固定在拇指连接件22上，即四指机构12安装在底座21上，拇指机构11安装在拇指连接件22上。
另外，拇指连接件22可在第三旋转平面上相对于底座21转动，进使得人手穿戴所述手部机械外骨骼装置后，拇指可以在第三旋转平面内转动,进而带动拇指机构11和拇指连接件22一起靠近或远离掌心。这样设置是由于拇指相对于其他四指除了在手指弯曲方向转动靠近或远离掌心之外，还可以在另一方向转动实现靠近或远离手掌。
如图4所示，在实施例中，底座21包括：底座本体211和上盖212。其中，底座本体211上设有内凹结构2111，拇指连接件22与手掌固定装置23均安装在底座本体211上。人手穿戴时，手掌被绑定于底座本体211上，且底座本体211上与内凹结构2111相背的端面与手背接触。上盖212安装在底座本体211上，并封盖内凹结构2111，进而形成一腔体。四指机构12所对应的第一电机驱动机构3和第一角度传感器4，以及第一控制装置5均设置在该腔体内，使得整个手部机械外骨骼更加美观。可以理解的，这个腔体的 形成也可以是通过其他方式，比如将内凹结构2111设置在上盖212上，底座本体211封闭该内凹结构2111并形成一腔体；或者在底座本体211和上盖212上同时设置内凹结构2111，这两个内凹结构2111在底座本体211与上盖212配合后连通形成腔体。
如图6所示，拇指连接件22内也具有一腔体结构221，拇指机构11所对应的第一电机驱动机构3和第一角度传感器4均设置在拇指连接件22的腔体结构221内。
如图5所示，拇指连接件22与底座本体211之间通过连接机构25连接在一起，其中在本实施例中。连接机构25为一连杆机构。可以理解的，在其他实施例中，连接机构25也可以是铰链机构等可以使拇指连接件22与底座本体211之间具有一个转动自由度的机构。
如图4所示，在本实施例中，手掌机构2上设有与第一驱动电机的外壳适配的凹槽结构24，第一驱动电机安装在该凹槽结构24内，使第一驱动电机固定在手掌机构2上，凹槽结构24可以和手掌机构2一体成型，通过凹槽结构24可以方便第一驱动电机的安装。具体的，用于安装四指机构12所对应的第一驱动电机的凹槽结构24的设置在内凹结构2111内，用于安装拇指机构11所对应的第一驱动电机的凹槽结构24的设置在拇指连接件22腔体结构221内。可以理解的，在其他实施例中，第一驱动电机与手掌机构2之间的连接装配也可以是其他方式，比如第一驱动电机通过胶粘方式固定在手掌机构2上，或者是第一驱动电机通过螺栓连接方式固定在手掌机构2上。
如图7和图8所示，在本实施例中，手指机构1包括：力反馈装置13和手指连杆机构14。其中，力反馈装置13包括：外壳131、第二电机驱动机构132、第二角度传感器133，及第二控制装置(未示出)。
外壳131与第一电机驱动机构3的输出轴相接；第二电机驱动机构132设置在外壳131内，其输出轴与手指连杆机构14相接，且手指连杆机构14与第二电机驱动机构132的输出轴在第二旋转平面上做同步转动，使得人手穿戴后，手指也可以带动手指连杆机构14一起在第二旋转平面上转动。其中，手指在第二平面上的转动为手指在手指弯曲的方向上远离或者靠近掌心的转动。第二角度传感器133用于监测手指连杆机构14在第二旋转平面上的旋转角度，第二控制装置可接收第二角度传感器133的监测值，并对该监测值进行处理，然后控制第二电机驱动机构132生成与手指连杆机构14在第二旋转平面上旋转方向相反的扭矩。当人手穿戴该手部机械外骨骼装置后，做抓取动作时可以受到第二电机驱动机构132施加的反作用力，使用户得到把持感，提高用户的体验效果。
在本实施例中，第二控制装置和第一控制装置5为两个相对独立的控制器，二者均可以采用单片机等控制器。其中第二控制装置可以直接设置在外壳131内，从而减少手指机构1外部的布线，使手指机构更加美观。此外，在其他实施例中，第二控制装置和第一控制装置5也可以是同一个控制器。
在本实施例中，第二电机驱动机构132同时包括有第二驱动电机1321和齿轮减速系统1322，手指连杆机构14固定在齿轮减速系统1322的输出轴上。第二角度传感器133安装在外壳131内，并与齿轮减速系统1322的输出轴同轴设置，以便直接检测手指连杆机构14的转动角度。其中，手指连杆机构14与齿轮减速系统1322相接的一端位于外壳131内，此时外壳131上设有可使手指连杆机构14伸出外壳131，并可使手指连杆机构14在第二旋转平面上转动的避空缺口。
由于人手在抓取或者松开物体的同时，伴随着手指间的并拢与张开，所 以为了提高手部机械外骨骼装置的穿戴体验效果，在本实施例中，第一旋转平面和第二旋转平面之间呈70度～110度夹角设置。
可以理解的，上述实施例中，第一电机驱动机构3、第一角度传感器4以及第一控制装置组成一个力反馈系统，当这个力反馈系统集成为一个整体时，可以采用与力反馈装置13相同的设置方式。
另外，人的手指从指尖到与手掌连接处共有两个旋转关节，手指与手掌连接处也为一旋转关节，其中手指连杆机构14带动第二驱动电机1321的输出轴在第二旋转屏幕内转动，相当于手指与手掌连接处的旋转关节。为了使手部机械外骨骼装置与人手更加贴合匹配，如图4所示，在本实施例中，手指连杆机构包括：手指固定装置141、第一连杆142和第二连杆143。其中，手指固定装置141设于第一连杆142的一端，具体的，手指固定装置141铰接与第一连杆142，手指固定装置141可以的指套或者具有扎带结构等可以进行手指固定的装置。第一连杆142的另一端铰接于第二连杆143的一端，第二连杆143的另一端与第二电机驱动机构1321的输出轴相接。
本申请还提供了一种外骨骼设备，该外骨骼设备使用了上述任一实施例所述的手部机械外骨骼装置，使得人们在使用该外骨骼设备时可以得到更好的触觉体验。其中，外骨骼设备可以是VR游戏设备、康复医疗设备等。
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 (15)

  1. 一种手部机械外骨骼装置，包括：
    手指机构，用于手指穿戴，可随手指一起运动；
    手掌机构，用于手掌穿戴，可与手掌固定在一起；
    第一电机驱动机构，所述第一电机驱动机构固定在所述手掌机构上，所述第一电机驱动机构的输出轴与所述手指机构相接，所述手指机构可带动所述第一电机驱动机构的输出轴在第一旋转平面内相对于所述手掌机构做同步转动，进而使得人手在穿戴所述手部机械外骨骼装置后，手指可以在所述第一旋转平面内转动，进而带动所述手指机构并拢或张开；
    第一角度传感器，用于监测所述手指机构在所述第一旋转平面上的旋转角度，并可以将检测值传输至第一控制装置，以便所述第一控制装置所述第一电机驱动机构生成与所述手指机构在所述第一旋转平面上旋转方向相反的扭矩。
  2. 根据权利要求1所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述第一电机驱动机构包括有第一驱动电机，所述第一驱动电机的外壳固定在所述手掌机构上，所述第一驱动电机的主轴与所述手指机构固定连接。
  3. 根据权利要求2所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述第一电机驱动机构包括减速机，所述减速机的输入轴与所述第一电机驱动机构相接，所述减速机的输出轴与所述手指机构相接。
  4. 根据权利要求2所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手掌机构上设有与所述第一驱动电机的外壳适配的凹槽结构，所述第一驱动电机安装于所述凹槽结构内。
  5. 根据权利要求2所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述第一 角度传感器与所述第一驱动电机的主轴同轴设置。
  6. 根据权利要求1所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手指机构包括：与人手拇指对应的拇指机构，以及分别与人手其他四指对应的四指机构；
    所述第一电机驱动机构的个数为五个，分别与所述四指机构以及所述拇指机构对应。
  7. 根据权利要求6所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手掌机构包括：底座，所述四指机构所对应的四个所述第一电机驱动机构固定在所述底座上；
    拇指连接件，所述拇指连接件安装在所述底座上，并可在第三旋转平面内相对于所述底座转动，所述拇指机构所对应的所述第一电机驱动机构固定在所述拇指连接件上，使得人手穿戴所述手部机械外骨骼装置后，拇指可以在所述第三旋转平面内转动,进而带动所述拇指机构和所述拇指连接件一起靠近或远离掌心；
    手掌固定装置，所述手掌固定装置安装在所述底座上，用于将手掌与所述底座绑定在一起。
  8. 根据权利要求6所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述拇指连接件具有一腔体结构，所述拇指机构所对应的所述第一电机驱动机构和所述第一角度传感器均设置在所述腔体结构内。
  9. 根据权利要求7所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述底座包括：
    底座本体，所述拇指连接件与所述手掌固定装置均安装在所述底座本体上，且手掌被绑定于所述底座本体时，所述底座本体与手背接触；
    上盖，所述上盖安装在所述底座本体上；
    其中，所述底座本体与所述上盖的至少一者设有内凹结构，另一者封盖所述内凹结构，形成一腔体，所述四指机构所对应的所述第一电机驱动机构设置在所述腔体内。
  10. 根据权利要求1所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手指机构包括：力反馈装置和手指连杆机构；所述力反馈装置包括：
    外壳，所述外壳与所述第一电机驱动机构的输出轴相接；
    第二电机驱动机构，所述第二电机驱动机构设置在所述外壳内，所述第二电机驱动机构的输出轴与所述手指连杆机构相接，使所述手指连杆机构与所述第二电机驱动机构的输出轴可在第二旋转平面上做同步转动，进而在穿戴所述手部机械外骨骼装置后，手指可以在所述第二旋转平面内转动，进而带动手指连杆机构在远离或靠近掌心方向上做旋转运动；
    第二角度传感器，与所述第二电机驱动机构的输出轴相接，用于监测所述手指连杆机构在所述第二旋转平面上的旋转角度；
    第二控制装置，用于接收所述第二角度传感器的监测值，并控制所述第二电机驱动机构生成与所述手指连杆机构在所述第二旋转平面上旋转方向相反的扭矩。
  11. 根据权利要求10所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述第一旋转平面与所述第二旋转平面之间呈70度～110度夹角设置。
  12. 根据权利要求10所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手指连杆机构与所述第二电机驱动机构相接的一端位于所述外壳内，所述外壳上设有避空缺口以便使所述手指连杆机构能够伸出所述外壳，并使所述手指连杆机构能在所述第二旋转平面上转动。
  13. 根据权利要求10所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述第二角度传感器设置在所述外壳内。
  14. 根据权利要求10所述的手部机械外骨骼装置，其特征在于，所述手指连杆机构包括：
    手指固定装置，用于将手指与所述手指连杆机构固定在一起；
    第一连杆，所述手指固定装置铰接与所述第一连杆的一端；
    第二连杆，所述第二连杆的一端铰接于所述第一连杆的另一端，所述第二连杆的另一端与所述第二电机驱动机构的输出轴相接。
  15. 一种外骨骼设备，包括如权利要求1-14任意一项所述的手部机械外骨骼装置。
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