CN104552337A - 拇指掌指节力反馈检测驱动装置 - Google Patents

Abstract

拇指掌指节力反馈检测驱动装置，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。

Description

拇指掌指节力反馈检测驱动装置

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，由手掌基座、拇指掌指节基座、驱动部件组成；该装置通过穿戴的方式固定在操作者手上；手掌基座固定在操作者手掌位置，具有驱动装置的一面对应操作者手掌的背面，拇指掌指节基座固定在操作者拇指的掌指节位置，手掌基座与拇指掌指节基座通过连杆铰接，铰接处安装有驱动部件；拇指掌指节力反馈检测驱动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是本发明整体结构的轴侧图。

图2是本发明的结构示意图。

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：

102.手掌基座     103.拇指掌指节基座   111.驱动部件

18.角度传感器    20.球头              21.球头扣连杆

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，所述拇指掌指节力反馈检测驱动装置，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，所述拇指掌指节力反馈检测驱动装置包括手掌基座102，拇指掌指节基座103，驱动部件111，角度传感器18，摇臂19，球头20，连杆21和减速齿轮组60。所述拇指掌指节基座103固定于人手的拇指掌指节部位，所述拇指掌指节基座103采用“C”形包围拇指掌指节，开口朝向拇指与手掌连接的一侧，所述拇指掌指节基座103位于拇指掌指节背面的位置设有一摇臂F，所述拇指掌指节基座103的摇臂F与摇臂19通过球头20和球头扣连杆21配合的球形铰链连接，所述摇臂19与角度传感器18的轴通过螺钉35固接，所述角度传感器18通过螺钉36固定在手掌基座102的孔座A内，所述摇臂19上的齿轮轴心与摇臂转动的轴心重合，所述摇臂19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安装在手掌基座102的孔座N内，该驱动机构通过齿轮箱盖45固定。动作实施过程：当操作者的腕掌关节(CP)运动时，依附于拇指掌指节上的拇指掌指节基座103跟随一起运动，并通过球头扣连杆21带动摇臂19转动，使得孔座A内与摇臂19联动的角度传感器18能测量出操作者的腕掌关节(CP)运动的角度和状态，当控制系统无力反馈信号时，则孔座N内的驱动部件111无动作，摇臂19动作不受干扰，当控制系统有力反馈信号时，则孔座N内的驱动部件111启动，通过减速齿轮组60的配合对摇臂19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A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，推动或阻碍拇指的腕掌关节(CP)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手指各个指节在三维空间中的位置和运动状态的目的，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。

Claims (3)

1.一种拇指掌指节力反馈检测驱动装置，用于与计算机、机械手交互作用的装置，由手掌基座(102)、拇指掌指节基座(103)、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；

手掌基座(102)固定在操作者手掌位置，具有驱动装置的一面对应操作者手掌的背面，拇指掌指节基座(103)固定在操作者拇指的掌指节位置，手掌基座(102)与拇指掌指节基座(103)通过连杆铰接，铰接处安装有驱动部件(111)；

拇指掌指节力反馈检测驱动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所述的拇指掌指节力反馈检测驱动装置，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所述的拇指掌指节力反馈检测驱动装置，其特征在于：所述拇指掌指节力反馈检测驱动装置包括手掌基座(102)，拇指掌指节基座(103)，驱动部件(111)，角度传感器(18)，摇臂(19)，球头(20)，连杆(21)和减速齿轮组(60)，所述拇指掌指节基座(103)固定于人手的拇指掌指节部位，所述拇指掌指节基座(103)采用“C”形包围拇指掌指节，开口朝向拇指与手掌连接的一侧，所述拇指掌指节基座(103)位于拇指掌指节背面的位置设有一摇臂(F)，所述拇指掌指节基座(103)的摇臂(F)与摇臂(19)通过球头(20)和球头扣连杆(21)配合的球形铰链连接，所述摇臂(19)与角度传感器(18)的轴通过螺钉(35)固接，所述角度传感器(18)通过螺钉(36)固定在手掌基座(102)的孔座(A)内，所述摇臂(19)上的齿轮轴心与摇臂转动的轴心重合，所述摇臂(19)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)安装在手掌基座(102)的孔座(N)内，该驱动机构通过齿轮箱盖(45)固定。