一种检测手部动作的外骨架式数据手套

摘要

一种检测手部动作的外骨架式数据手套涉及机器人控制的人机交互装置。本发明的目的是针对现有人机交互接口不能及时、高效、准确的表达人对机器人的控制意识；不能满足人对机器人各关节灵活性的控制要求。提出了一种检测人手关节信息的检测装置。技术关键在于依附于人手上的外骨架的设计，各个关节之间采用巧妙的联接，能够准确、可靠的实时采集手指信息，且能适应不同手的大小，以致可以用于机器人控制领域。使人的大脑充分发挥作用，由人去实现机器人在空间未知环境或任务中难以做到的规划和决策。既发挥了机器人应对恶劣环境的能力，又发挥了人的智能，实现人与机器人之间的有机交互。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现遥控操作机器人的人机交互装置，特别是涉及一种检测人手手部关节在三维空间位置及运动状态的外骨架式数据手套。

背景技术

随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在复杂、危险、恶劣环境中的应用，而现有工业机器人又不能很好的应对多变的环境，因而如何使机器人能够灵活、智能的为人类服务，已成为现在机器人研究领域的焦点问题。

机器人有两个发展方向：一、全自主方式工作的机器人，二、遥控操作的机器人。全自主方式工作的机器人一直是科研工作者所追求的目标。然而上世纪八十年代以来对智能机器人的研究表明全自主式智能机器人的应用在今后可以预见的时间内是难以实现的，这是因为几项支撑技术——控制、传感和人工智能等目前还不能满足发展全自主式智能机器人的需要。但是，随着原子能技术、空间技术和海洋技术的迅速发展，迫切需要大量能在危险环境下工作的机器人，因而工作在交互方式下遥控操作的机器人是一种现实可行的选择。工作在交互方式下的遥控机器人是完成远程作业任务的有力手段，所谓交互技术包括人与机器人的交互以及机器人与环境的交互。前者的意义在于由人去完成机器人在空间未知环境或任务中难以做到的规划和决策，后者的意义在于由机器人去完成人所不宜到达或不能到达的空间环境中的作业任务。例如，在原子能利用、空间探测、海洋开发、排险、医疗、军事等领域的应用。

手是人与外界进行接触及意识表达的主要媒介。人与机器人进行交互的传统接口设备无非就是按钮、手柄等，只能是间断性的操作按钮进行简单运动控制的设备，然而作为表达意识的主体——手运动的灵巧性被牺牲了，不能让人脑更好的解放出来，阻碍了人对系统控制意识表达的全面性与灵活性，导致机器人难以在恶劣和危险的环境下迅速完成各种复杂的作业任务。 

发明内容

本发明的目的是针对现有人机交互接口不能及时、高效、可靠的表达人对机器人的控制意识；不能满足人对机器人各关节灵活性的要求。提出了一种检测手部动作的外骨架式数据手套，高的检测精度、可靠性、长的使用寿命，且穿戴方便，以致可以用于工程控制领域。本发明的技术关键在于依附于人手上的外骨架的设计，各个关节之间采用巧妙的联接，减小或消除检测机构对人手手指灵活度的影响。

本发明涉及的数据手套主要采用了外骨架的结构形式，能适应不同手大小的设计理念。在本设计中，信号的检测、采集、传递、处理等环节，都考虑到精度、可靠性及实时性等。为完成对手指弯曲角度的测量，设计了该数据手套各个关节和人手关节运动关系相对应的外骨架，并通过拉丝将手运动带动外骨架数据手套关节运动的角位移实时传递给角度传感器，进而获取手部的运动信息。将采集到的角度信息交给单片机、PLC、计算机等信息处理设备进行处理。

本发明的具体技术方案：

本发明的核心内容是一套能适应不同手大小的外骨架式数据手套的外骨架结构设计。

外骨架由五个手指、手掌结构及拉丝组成。

手掌由螺杆基座、拇指位置调节导轨、拇指位置调节滑块、拇指位置调节螺杆、拇指位置调节螺母、手掌宽度调节导轨、手掌宽度调节杆、手掌宽度调节螺杆、手掌宽度调节螺母、小指掌骨、无名指掌骨、中指掌骨及食指掌骨组成。通过调节拇指位置调节螺母，带动拇指位置调节滑块沿拇指位置调节导轨运动，从而改变拇指的位置，以适用不同手的大小；通过调节手掌宽度调节螺母，带动手掌宽度调节导轨沿中指掌骨运动，驱动小指掌骨、无名指掌骨、食指掌骨沿手掌宽度调节导轨运动，从而改变外骨架数据手套的手掌尺寸，以适应不同人的手掌宽度。

手部关节运动的检测是外骨架数据手套的技术关键。

本发明所要检测的手部关节分为掌指关节、指骨间关节、拇指腕掌关节。其中拇指的掌指关节只有一个自由度，在本发明中将其划分为指骨间关节。

小指、无名指、中指、食指掌指关节角度检测部分由小指掌骨、无名指掌骨、中指掌骨、食指掌骨、关节内回转体、小指近节指骨、无名指近节指骨、中指近节指骨、食指近节指骨、掌指关节盖、拉丝、复位弹簧、角度传感器及定位卡组成。手指运动带动近节指骨运动，近节指骨在关节回转体内做转动运动，同时带动关节内回转体在掌骨内做回转运动。并通过拉丝将相应的运动传递给角度传感器，进而获取掌指关节的角度信息。

指骨间关节角度检测部分由指骨体滑车、指骨体指骨底、指骨间关节销轴、指骨间关节盖、复位弹簧、拉丝及角度传感器组成。手指运动带动指骨体指骨底在指骨体滑车内运动。并通过拉丝将指骨体滑车、指骨体指骨底之间的转动角度传递给角度传感器。进而获取指骨间关节的角度信息。

拇指的腕掌关节角度检测部分由腕骨、关节内回转体、腕掌关节盖、定位卡、拇指掌骨、复位弹簧、拉丝及角度传感器组成。手指运动带动拇指掌骨运动，拇指掌骨在关节回转体内做转动运动，同时带动关节内回转体在腕骨内做回转运动。并通过拉丝将相应的运动传递给角度传感器，进而获取拇指的腕掌关节的角度信息。

拉丝由拉丝外壳和拉丝内芯组成。拉丝内芯可以沿拉丝外壳作轴向运动。

附图说明

图1是外骨架数据手套的等轴测图。

图2是外骨架数据手套的等轴测图。

图3中指角度检测骨架的结构图。

图4掌指关节内回转体及近节指骨结构图。

图5掌骨结构图。

图6中指角度检测骨架检测原理结构图。

图7腕掌关节结构图。

图8手掌结构图。

图9手掌及近节指骨结构图。

图10拉丝结构剖视图。

具体实施方式

本实发明的主要零部件：

101.小指角度检测骨架  102.拇指角度检测骨架  103.食指角度检测骨架 104.中指角度检测骨架  105.无名指角度检测骨架  1.指骨间关节  2.掌指关节  3.手掌宽度调节螺母  4.手掌宽度调节螺杆   5.手掌宽度调节导轨   6.拇指位置调节螺母   7.拇指位置调节螺杆  8.螺杆基座  9.拇指位置调节滑块  10.拇指腕掌关节  11.手掌宽度调节杆  12.掌指关节盖定位卡  13.掌指关节盖  14.复位弹簧  15.指骨间关节盖  16.中节指骨体滑车  17.远节指骨体指骨底  18.指骨间关节销轴  19.中节指骨体指骨底  20.近节指骨体滑车  21.近节指骨  22.关节内回转体定位卡  23.掌骨  24.关节内回转体  25.拉丝孔  26.关节内回转体槽  27.拉丝紧固腔  28.复位弹簧槽  29.销轴孔  30.掌指关节销轴  31.掌指关节盖定位卡槽  32.拉丝槽  33.关节内回转体定位卡槽  34.拉丝座  35.角度传感器  36.拉丝  37.小指掌骨  38.无名指掌骨   39.中指掌骨  40.食指掌骨  41.拇指位置调节导轨  42.腕掌骨  43.链条  A.小指近节指骨、B.无名指近节指骨、C.中指近节指骨、D.食指近节指骨  E.拇指掌骨  F.腕骨

本发明涉及一种检测手部动作的外骨架式数据手套。

所述的外骨架式数据手套包括小指角度检测骨架101、拇指角度检测骨架102、食指角度检测骨架103、中指角度检测骨架104、无名指角度检测骨架105、手掌结构、拉丝36及角度传感器组成。

所述的外骨架数据手套为了适应不同人的手掌，设计成可以根据不同的手掌调节外骨架数据手套手掌的大小及拇指的位置。手掌部分由螺杆基座8、拇指位置调节滑块9、拇指位置调节螺杆7、拇指位置调节螺母6、手掌宽度调节导轨5、手掌宽度调节杆11、手掌宽度调节螺杆4、手掌宽度调节螺母3、小指掌骨37、无名指掌骨38、中指掌骨39、食指掌骨40、拇指位置调节导轨41、链条43组成。通过调节拇指位置调节螺母6，带动拇指位置调节滑块9沿拇指位置调节导轨41运动，从而通过链条43带动腕掌骨42运动，进而改变拇指角度检测骨架102的位置，拇指位置调节导轨41可以沿手掌宽度调节导轨5的轴向改变位置，以适应不同手的大小；中指掌骨23相对手掌宽度调节导轨5位置固定，通过调节手掌宽度调节螺母3，带动手掌宽度调节杆11沿中指掌骨23运动，并驱动小指掌骨37、无名指掌骨38、食指掌骨40沿手掌宽度调节导轨5运动，从而改变外骨架数据手套的手掌宽度尺寸，以适应不同人的手掌。

手部关节运动的检测是外骨架数据手套的技术关键。

本发明所要检测的手部关节分为掌指关节2、指骨间关节1、拇指腕掌关节10。其中拇指的掌指关节只有一个自由度，在本发明中将其划分为指骨间关节1。

手指掌指关节2运动分为弯曲运动和左右摆动。掌指关节角度检测部分由小指掌骨37、无名指掌骨38、中指掌骨39、食指掌骨40、关节内回转体24、小指近节指骨A、无名指近节指骨B、中指近节指骨C、食指近节指骨D、掌指关节盖13、拉丝36、复位弹簧14、角度传感器35、掌指关节盖定位卡12及关节内回转体定位卡22组成。由于掌指关节2的检测原理相同，下面以中指104的掌指关节2的结构来说明检测原理。将拉丝36的一端穿过关节内回转体圆柱端面拉丝孔25，并将其固定在拉丝紧固腔27内。然后将近节指骨21含有拉丝紧固腔27的一端装入关节内回转体槽26，掌指关节销轴30穿过销轴孔29，近节指骨21在关节回转体24内可以作以掌指关节销轴30为中心的转动，然后将其装入掌骨23，并在其上端面上装掌指关节盖13、掌指关节盖定位卡12通过掌指关节盖定位卡槽31将掌指关节盖13卡住。关节内回转体定位卡22通过关节内回转体定位卡槽33限制关节内回转体24沿其轴线方向运动。通过关节内回转体24上端面的拉丝检测掌指关节的弯曲运动，拉丝36通过拉丝座34沿拉丝槽32并将其的一端固定在节内回转体24圆周曲面上的拉丝孔25内，手指的摆动运动带动关节内回转体24在掌骨23内作回转运动，通过拉丝36将该运动传递给角度传感器35，获取角度信息。手指弯曲运动带动近节指骨（21）以关节回转体（24）内的掌指关节销轴（30）为回转中心做转动运动，手指的左右摆动通过近节指骨（21）带动关节内回转体（24）在掌骨（23）内做回转运动。并通过拉丝36将相应的运动传递给角度传感器35，进而获取掌指关节2的角度信息。

指骨间关节1角度检测部分原理相同；小指角度检测骨架101、拇指角度检测骨架102、食指角度检测骨架103、中指角度检测骨架104、无名指角度检测骨架105检测原理相同。下面以中指远指节的结构来说明指骨间关节1检测原理；以中指角度检测骨架104来说明其余手指的运动检测原理。中指远指节的结构由中节指骨体滑车16、远节指骨体指骨底17、指骨间关节销轴18、指骨间关节盖15、复位弹簧14、拉丝36及角度传感器35组成。中节指骨体滑车16、远节指骨体指骨底17通过指骨间关节销轴18联接组成可以相对运动的转动副，然后用指骨间关节盖15将运动副密封。手指运动带动远节指骨体指骨底17在中节指骨体滑车16内运动，带动一端固定在拉丝紧固腔27内的拉丝36运动。并通过拉丝36将中节指骨体滑车16、远节指骨体指骨底17之间的转动角度传递给角度传感器35，完成指骨间关节1角度检测。为了补偿由于手指弯曲及适应不同人的手指长度，本设计在近节指骨21、中节指骨体指骨底19设有复位弹簧槽28，将复位弹簧14装入复位弹簧槽28，再将其分别装入近节指骨体滑车20、中节指骨体滑车16，且装入后在近节指骨体滑车20、中节指骨体滑车16上装入复位弹簧14的限位销，在手指弯曲运动时，复位弹簧14会拉伸或压缩以适应手指的运动。通过复位弹簧14会拉伸或压缩可以适应不同人的手指长度。进而获取指骨间关节1的角度信息。

拇指的腕掌关节10运动分为弯曲运动和摆动运动。拇指的腕掌关节10角度检测部分由腕骨F、关节内回转体24、腕掌关节盖13、定位卡12、拇指掌骨E、复位弹簧14、拉丝36及角度传感器35组成。手指弯曲运动带动拇指掌骨E运动，拇指掌骨E以关节回转体24内的销轴为中心做转动运动，手指的摆动运动通过拇指掌骨E带动关节内回转体24在腕骨F内做回转运动。并通过拉丝将相应的运动传递给角度传感器，进而获取拇指的腕掌关节10的角度信息。

如图10，拉丝36由拉丝外壳b和拉丝内芯a组成。拉丝外壳b和拉丝内芯a是采用的柔性材料。如图10，拉丝内芯a可以在拉丝外壳b内作轴向运动。该说明书中关节信息通过拉丝36传递给角度传感器，传递过程作如下说明：是指将拉丝内芯a固定在拉丝紧固腔27内，拉丝外壳固定在拉丝座34内。关节运动带动拉丝内芯a相对于拉丝外壳b作轴向相对运动，在拉丝另一端引起相对位移，带动角度传感器产生角位移，进而获取角度信息。

穿戴说明：将外骨架数据手套的手指指尖及手掌部分固定在手套上，要求手套具有良好的弹性。只需穿戴手套就可完成对外骨架式数据手套的穿戴。