拇指远指节力反馈装置.pdf

拇指远指节力反馈装置，它涉及了一种检测人手手指运动状态并具有反馈从手相应的手指关节所受的力的装置。本发明是为了解决现有的力反馈装置关节测量机构与力反馈机构分离，系统复杂结构臃肿，维护困难，且不能实现双向主动驱动及价格昂贵等缺点，将关节检测机构和力反馈机构集成于一体，并采用独特的连接方式和巧妙的关节测量点布局，使操作者在使用该设备时，被检测的手指能保持最大程度的灵活，且运动状态能被精确检测到，使被控制的从手相应的手指关节能与操作者对应的手指关节协同一致动作，并能将从手在具体的工作环境中的受力情况反馈给操作者，以增强虚拟现实或遥操作的临场感。

权利要求书
1.  一种拇指远指节力反馈装置，用于与计算机、机械手交互作用的装置，由拇指近指节 基座(4)、拇指远指节基座(3)和驱动部件(111)组成；
其特征在于：
该装置通过穿戴的方式固定在操作者手上；
拇指近指节基座(4)固定于人手的拇指近指节部位，拇指远指节基座(3)固定于人手 的拇指远指节部位，拇指近指节基座(4)和拇指远指节基座(3)通过连杆铰接，铰接处安 装有驱动部件(111)；
拇指远指节力反馈装置在检测手指关节运动的角度和状态的同时可根据需要对其施加力 的作用实现力反馈控制。

2.  根据权利要求1所述的拇指远指节力反馈装置，其特征在于：所述驱动部件(111) 包括微型电机(40)和离合器，所述离合器由离合器摩擦片(41)、摩擦片滑杆(42)、回位 拉簧(43)、离合器盖(44)组成，摩擦片滑杆(42)与微型电机(40)的轴固接，两片离合 器摩擦片(41)分别套入摩擦片滑杆(42)两端，两片离合器摩擦片(41)之间连接有回位 拉簧(43)，离合器盖(44)套入微型电机(40)的轴，离合器盖(44)与微型电机(40)的 轴之间为滑动接触，离合器盖(44)上设有传动齿轮。

3.  根据权利要求1所述的拇指远指节力反馈装置，其特征在于：拇指远指节基座(3)固 定于人手的拇指远指节部位，拇指远指节基座(3)的一端为包围拇指远指节的柱形，另一端为 半球形，整个基座的纵截面为“U”形，开口朝向拇指指间关节DIP，在拇指远指节基座(3) 上位于拇指远指节外侧面的位置设有一滑槽，摇臂(25)一端嵌入拇指远指节基座(3)的滑槽 内，并通过螺钉(24)限位，所述摇臂(25)内嵌轴承(23)另一端与角度传感器(18)的轴通过 螺钉(36)固接，所述角度传感器(18)由齿轮箱底座(22)及螺钉(35)固定于拇指近指节基座(4) 的孔座(K)内，所述摇臂(25)上的齿轮通过减速齿轮组(60)的配合与安装在拇指近指节基座 (4)上的驱动部件(111)的齿轮啮合，该驱动机构通过齿轮箱盖(49)固定。

说明书拇指远指节力反馈装置
技术领域
本发明涉及一种检测人手手指运动状态，并具有双向反馈力的作用的数据手套。
背景技术
由于科学技术的发展，机器人逐渐在越来越大的范围内被使用，遥操作机器人作为一种 性能可靠、技术成熟的机器人被广泛用于各种危险的、情况复杂的、人类无法到达的环境中 工作，它采用的是非常可靠的控制方式，直接由操作者发出指令来控制。随着遥操作机器人 执行的任务越来越复杂，使得人们在追求可靠性的同时，还对其灵活性提出了更高的要求， 而要对复杂的机械手实施遥操作，控制机械手多个手指的多个关节一起协调运动，以实现特 定功能，这就需用到数据手套，而具有力反馈功能的数据手套是对机器人的机械手实施遥操 作的最有效装置，它通过测量操作者手指各个指节的位置信息作为控制指令控制机械手的手 指跟踪人手手指运动，并能将机械手各个关节在运动过程中的受力情况在数据手套上模拟出 来，作用在操作者的手上，使操作者产生很强的临场感。此外，近年来虚拟仿真技术不断发 展，其主要的交互设备就是力反馈数据手套，例如在一个由计算机虚拟的场景里，控制一双 虚拟的人手拆卸或装配机器等，还有游戏、3D动画制作等都需要用到力反馈数据手套，但目 前市场上的力反馈数据手套系统复杂，价格极为昂贵，使其无法大量普及、推广和使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的力反馈数据手套价格昂贵、系统复杂、维护困难等缺点， 提出了一种将外置角度传感器和关节双向主动驱动装置结合为一体，在检测人手关节运动 信息的同时也将反馈回来的力觉信息转化成力或力矩直接作用于人手的方法，极大简化了 复杂的力反馈数据手套系统。本发明是用于与计算机、机械手交互作用的装置，由拇指近 指节基座、拇指远指节基座和驱动部件组成；该装置通过穿戴的方式固定在操作者手上； 拇指近指节基座固定于人手的拇指近指节部位，拇指远指节基座固定于人手的拇指远指节 部位，拇指近指节基座和拇指远指节基座通过连杆铰接，铰接处安装有驱动部件；拇指远 指节力反馈装置在检测手指关节运动的角度和状态的同时可根据需要对其施加力的作用实 现力反馈控制。本发明在关节的驱动部件里加入了离合器，当系统有力反馈信号时，驱动 电机连接被驱动的关节，并对关节施加力的作用，当系统没有力反馈信号时，驱动电机断 开被驱动关节的连接，减少和降低了关节运动的阻力，使关节的运动更加顺畅。本发明检 测关节运动的角度由设置在装置上相应的角度传感器通过相应的数学算法测量，被检测的 关节在其运动方向或复杂运动的分解方向上都设置有独立的驱动部件，每一个驱动部件又 与被检测的关节上相应的角度传感器配合工作形成闭环控制，以实现力反馈控制并提高其 精确性。本发明可以精确、灵敏地检测出相应的手指关节运动的角度和状态，并对被检测 的关节具有双向力反馈功能，使用简单，穿戴方便，容易维护，并可极大降低力反馈数据 手套的成本。
附图说明
图1是拇指远指节力反馈装置的轴侧图。
图2是拇指远指节力反馈装置的结构示意图。
图3是驱动部件111的轴测图及结构示意图。
具体实施方式
本发明主要零部件：
111.驱动部件                   3.拇指远指节基座           4.拇指近指节基座
18.角度传感器                  40.微型电机                41.离合器摩擦片
42.摩擦片滑杆                  43.回位拉簧                44.离合器盖
60.减速齿轮组
具体实施方式一：图3所示，所述拇指远指节力反馈装置，包括驱动部件111，所述驱 动部件111包括微型电机40和离合器，所述离合器由离合器摩擦片41、摩擦片滑杆42、回 位拉簧43、离合器盖44组成，摩擦片滑杆42与微型电机40的轴固接，两片离合器摩擦片 41分别套入摩擦片滑杆42两端，两片离合器摩擦片41之间连接有回位拉簧43，离合器盖 44套入微型电机40的轴，离合器盖44与微型电机40的轴之间为滑动接触，离合器盖44上 设有传动齿轮。动作实施过程：当微型电机40转速高于一定值时，两片离合器摩擦片41克 服回位拉簧43的拉力分别向摩擦片滑杆42的两末端滑动并与离合器盖44的内壁接触，对离 合器盖44产生摩擦力，带动离合器盖44转动；当微型电机40转速低于一定值时，两片离合 器摩擦片41在回位拉簧43的作用下向轴心方向滑动，与离合器盖44的内壁分离，切断离合 器盖44与微型电机40的连接。
具体实施方式二：如图1、图2和图3所示，所述拇指远指节力反馈装置包括拇指远指 节基座3，拇指近指节基座4，驱动部件111，角度传感器18和减速齿轮组60。所述拇指远指 节基座3固定于人手的拇指远指节部位，拇指远指节基座3的一端为包围拇指远指节的柱形， 另一端为半球形，整个基座的纵截面为“U”形，开口朝向拇指指间关节(DIP)，在该基座位 于拇指远指节外侧面的位置设有一滑槽。拇指远指节基座3与拇指近指节基座4通过摇臂25 铰接，所述摇臂25一端嵌入拇指远指节基座3的滑槽内，并通过螺钉24限位，所述摇臂25 (内嵌轴承23)另一端与角度传感器18的轴通过螺钉36固接，所述角度传感器18由齿轮 箱底座22及螺钉35固定在拇指近指节基座4的孔座K内，所述摇臂25上的齿轮轴心与摇臂 转动的轴心重合，所述摇臂25的齿轮通过减速齿轮组60的配合与驱动部件111的齿轮啮合， 所述驱动部件111安装在拇指近指节基座4上，该驱动机构通过齿轮箱盖49固定。动作实施 过程：当操作者拇指的指间关节(DIP)做屈伸运动时，依附于拇指远指节上的拇指远指节基 座3跟随一起运动，从而带动摇臂25转动，使得孔座K内与摇臂25联动的角度传感器18能 测量出操作者拇指的指间关节(DIP)屈伸的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则拇 指近指节基座4上的驱动部件111无动作，摇臂25动作不受干扰，当控制系统有力反馈信号 时，则拇指近指节基座4上的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂25在其 运动方向上施加一个同向或反向的力，同时控制系统再根据孔座K内的角度传感器18检测到 的关节角度的变化，运用相应的数学算法持续地输出和修正驱动力的大小，推动或阻碍拇指 的指间关节(DIP)运动，实现该关节的力反馈功能。
作为本发明的另一实例，也可以用其他传感器代替角度传感器，同样可以起到检测人手 拇指远指节运动的角度和状态，实现本发明的目的。
作为本发明的又一实例，也可以让固接有传动齿轮的微型驱动电机代替驱动部件111，直 接驱动减速齿轮组60或关节，省去离合器环节，同样可以对关节起到施加力的作用，实现本 发明的目的。
在不使本发明的原理受到损害的情况下，上述构成的细节和具体实施方式仅仅是当做例 子和图示的东西，它可以不脱离本发明的范围而广泛改变，这些均属于本发明的保护之内。