一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套

摘要

本发明提供的是一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套。它包括带在手上的测量机构和戴在小臂上的驱动器机构。测量机构包括角度测量和力测量。驱动机构由气动人工肌肉和制动气囊组成的。本发明采用外骨架结构，在保证手自然运动的情况下，测量手指关节的弯曲角度，手指的运动空间不会受到影响。气动人工肌肉有输出力/自重比高，安装简单，可弯曲，柔性，安全，动作平滑，运动更接近于自然生物运动等优点，因此采用人工肌肉作为力反馈数据手套的执行器是目前比较理想的可以模仿生物肌肉的一种驱动器。力反馈数据手套的质量轻，增加佩戴的舒适性。可以应用于虚拟制造和装配、机器人遥操作等需要对手提供力反馈的虚拟现实应用系统中。

说明书

(一)、所属领域

本发明涉及的是测试装置，具体地说是一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套，以气动人工肌肉为驱动器进行力的控制，是一种虚拟现实系统中为测量手指关节弯曲和对手指提供力反馈的装置。

(二)、背景技术

目前的力反馈数据手套分为两种：一种驱动器在手掌内部，采用波纹管或者小气缸，这种力反馈数据手套由于驱动器在手掌内部，限制了人手的自然运动；另一种为外骨架式结构，大多采用电机作为驱动器，但驱动器沉重，不便于携带。

(三)、发明内容

本发明的目的是提出一种由气动人工肌肉作为驱动器，能够测量手指关节弯曲角度，并能提供给每个关节力反馈的外骨架式一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套。

本发明的上述目的是这样实现的：它包括带在手上的测量机构和戴在小臂上的驱动器机构；测量机构包括角度测量和力测量，由关节底座、连结在两个关节底座之间并通过转动轴铰接的前后连杆、安装在关节底座上的力传感器、安装在转动轴前方的角度传感器配合组成，前连杆与转动轴固定连接，在转动轴上固定径向充磁的永久磁铁，角度传感器安装在磁铁上方，固定在后连杆上；驱动机构由气动人工肌肉和制动气囊组成的，气动人工肌肉前端与拉索连接，拉索穿过软轴、关节底座，与固定在关节底座上的力传感器连接，制动气囊安装于薄壁套筒内，与前端的人工肌肉连接，制动气囊、复位软弹簧、薄壁套筒、套筒端盖组成制动系统，薄壁套筒固定在后支架上，套筒端盖与薄壁套筒固定，制动气囊由气囊活塞和胶管组成。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、对应每一个手指的测量机构中包括4个关节底座，每两个关节底座之间连接有一对前后连杆，相对应的气动人工肌肉、制动系统、拉索和软轴各有3套。

2、每套数据手套中包含同时对2个及2个以上手指进行测量的测量机构和驱动器机构。

3、所述的力传感器是悬臂梁式力传感器。

4、所述的角度传感器是非接触式角度传感器。

本发明的力反馈数据手套具有双重功能：一种功能是作为数据手套的测量手指关节弯曲角度；另一种功能是为手指各个关节提供力反馈。这种力反馈数据手套测量拇指、食指、中指的关节弯曲角度，并对每个关节提供力反馈，也可以对无名指和小指增加类似于食指或者中指的结构。这种力反馈数据手套包括带在手上的测量机构和戴在小臂上的驱动器机构。测量机构包括角度测量和力测量，由关节底座、连杆、非接触式角度传感器、悬臂梁式力传感器组成。前连杆跟二者之间转动轴固定连接，在转动轴上固定径向充磁的永久磁铁，角度传感器安装在磁铁上方，固定在后连杆上，随后连杆一起运动。驱动机构由气动人工肌肉和制动气囊组成的。气动人工肌肉前端与拉索连接，拉索穿过软轴、底座，与固定在底座上的悬臂梁式力传感器连接，由力传感器测量人工肌肉的输出力。制动气囊安装于薄壁套筒内，与前端的人工肌肉连接。制动气囊、复位软弹簧、薄壁套筒、套筒端盖组成制动系统。薄壁套筒固定在后支架上，套筒端盖与薄壁套筒固定。制动气囊由气囊活塞和胶管组成，制动气囊充气后，胶管膨胀与薄壁套筒接触，产生摩擦力阻碍气囊运动，进而限制手指进一步弯曲。手自然运动时，制动气囊和人工肌肉不充气，胶管处于收缩状态，不与薄壁套筒接触，气囊活塞与套筒接触，接触面积小，移动产生的摩擦力很小。手指自然弯曲时，制动气囊与人工肌肉一起向前运动，压缩复位软弹簧；当手指由弯曲状态伸直时，复位软弹簧使制动气囊和人工肌肉向后运动复位。当手指弯曲过程中，与虚拟物体接触，需要输出力时，制动气囊充气制动，向人工肌肉内充气，使气动人工肌肉收缩产生力感知。

本发明可以应用于虚拟制造和装配、机器人遥操作等需要对手提供力反馈的虚拟现实应用系统中。本发明提出的力反馈数据手套具有数据手套和力反馈的双重功能，所以系统整体成本低，有利于广泛应用于虚拟现实系统中。

本发明具有的优点是采用外骨架结构，在保证手自然运动的情况下，测量手指关节的弯曲角度，手指的运动空间不会受到影响。气动人工肌肉有输出力/自重比高，安装简单，可弯曲，柔性，安全，动作平滑，运动更接近于自然生物运动等优点，因此采用人工肌肉作为力反馈数据手套的执行器是目前比较理想的可以模仿生物肌肉的一种驱动器。力反馈数据手套的质量轻，增加佩戴的舒适性。

(四)、附图说明

图1为本发明的食指部分的原理结构图；

图2为本发明的角度传感器安装原理结构图；

图3为本发明的控制、测量系统原理图。

(五)、具体实施方案

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，底板1、后支架3、前支架11组成的力反馈数据手套驱动器支架部分通过尼龙丝带带在小臂上；手背连接板10由尼龙丝带固定在手背上；关节底座19、20、21分别通过尼龙丝带固定在食指后端、中间和末端骨节上。由于每个手指以及手指上每个关节的角度测量和力反馈原理是相同的，下面以手指靠近手掌的第一个关节(MP)为例进行说明。由气囊活塞4和胶管5组成的制动气囊与气动人工肌肉9连接，人工肌肉前端与拉索12连接，拉索12通过软轴13，后背底座14上的轴15与底座19上的悬臂梁式力传感器22连接。复位软弹簧安装在薄壁套管6中，薄壁套管6与套管端盖8固定在一起作为一个整体固定在后支架3上。连杆16、18与后背底座14、底座19连接。同时结合图2，非接触式角度传感器17，安装在后连杆16上，前连杆18与转动轴24固定连接，磁铁23安装在转动轴24端部，角度传感器的位置在转动轴的正上方，这样前连杆18与转动轴24相对于后连杆16转动时，磁铁相对于角度传感器转动。

本发明的角度测量原理是：由后连杆16、前连杆18、后背底座14、底座19、食指第一个关节组成一个平面四连杆机构。基于平面四连杆运动的确定性原理测量手指关节的弯曲角度。当手指弯曲时，前连杆18与后连杆16之间的角度发生变化相对运动，这样转轴24上的磁铁23会相对于安装在后连杆16上的角度传感器17转动，磁铁23的磁力线方向相对于角度传感器17会发生变化，角度传感器17根据磁力线的方向变化计算连杆16、18之间的夹角，根据连杆16、18之间的夹角，由平面四连杆内部的几何三角关系求出手指关节的弯曲角度。各个关节之间角度测量是相互独立的，不受其他关节的影响。

本发明的力反馈原理是：由气动人工肌肉9充气收缩产生收缩力，对手指关节产生力反馈。当手自然运动时，制动气囊处于不充气的状态，胶管5不与薄壁套管6接触，只有气囊活塞两端的凸起部分与薄壁套管6接触，二者之间的摩擦力很小，手指感受的力为复位软弹簧7被压缩产生的力。由于复位软弹簧7的刚度很小，手指运动过程中使制动气囊产生的行程不大，所以由复位软弹簧7产生的阻力很小，对于手指的力感知影响不大。当手自然运动时，由弯曲状态回到伸直状态时，压缩复位软弹簧7产生的力使人工肌肉9和制动气囊复位。当虚拟环境中的虚拟手接触到虚拟物体时，需要对手指关节产生力反馈，这时制动气囊通过气管2充气，胶管5膨胀与薄壁套管6接触，二者之间产生摩擦力使制动气囊停止运动。制动气囊停止运动后，向气动人工肌肉9内充气，气功人工肌肉9产生收缩的趋势产生收缩力，经过拉索12传递到手指关节上，为了抵消气动人工肌肉9产生的收缩力，手指关节也像抓取实际物体时由手指上的肌肉产生相应大小的力，从而产生力反馈，使手指感知到力的存在。气动人工肌肉9内压力可以通过安装在底座19上的力传感器测量的力大小进行调解。当虚拟环境中的虚拟手与虚拟物体分开时，气动人工肌肉9放气后，气动人工肌肉的收缩力消失，制动气囊放气，手恢复到自然运动的状态。

图3给出了本发明的控制测量系统原理图。本发明由工控机控制。气动人工肌肉9内的压力由压力比例阀31控制，压力比例阀由工控机32内的D/A板卡33提供控制信号。制动气囊30的充气或者放气由电磁开关阀34控制，工控机内的D0板卡35控制继电器板36控制电磁开关阀。角度传感器17和力传感器22的输出信号经过放大电路37，A/D板卡38后，由工控机采集，采集到的力信号可以用于气动人工肌肉内压力的反馈控制。

本发明的第二种实施方案是在上一实施方案的基础上，对应每一个手指的测量机构中包括4个关节底座，每两个关节底座之间连接有一对前后连杆，相对应的气动人工肌肉、制动系统、拉索和软轴各有3套。可以同时对一个手指的不同部位进行测试。

本发明的第三种实施方案是在上两实施方案的基础上，每套数据手套中包含同时对2个及2个以上手指进行测量的测量机构和驱动器机构。可以同时对2个或多个手指的不同部位进行测试。