專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套的制作方法
(一)、所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及的是測(cè)試裝置，具體地說(shuō)是一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，以氣動(dòng)人工肌肉為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行力的控制，是一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中為測(cè)量手指關(guān)節(jié)彎曲和對(duì)手指提供力反饋的裝置。
(二)、背景技術(shù)目前的力反饋數(shù)據(jù)手套分為兩種一種驅(qū)動(dòng)器在手掌內(nèi)部，采用波紋管或者小氣缸，這種力反饋數(shù)據(jù)手套由于驅(qū)動(dòng)器在手掌內(nèi)部，限制了人手的自然運(yùn)動(dòng)；另一種為外骨架式結(jié)構(gòu)，大多采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，但驅(qū)動(dòng)器沉重，不便于攜帶。
(三)、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種由氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，能夠測(cè)量手指關(guān)節(jié)彎曲角度，并能提供給每個(gè)關(guān)節(jié)力反饋的外骨架式一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括帶在手上的測(cè)量機(jī)構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)；測(cè)量機(jī)構(gòu)包括角度測(cè)量和力測(cè)量，由關(guān)節(jié)底座、連結(jié)在兩個(gè)關(guān)節(jié)底座之間并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接的前后連桿、安裝在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器、安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸前方的角度傳感器配合組成，前連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定連接，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定徑向充磁的永久磁鐵，角度傳感器安裝在磁鐵上方，固定在后連桿上；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)人工肌肉和制動(dòng)氣囊組成的，氣動(dòng)人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過(guò)軟軸、關(guān)節(jié)底座，與固定在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器連接，制動(dòng)氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接，制動(dòng)氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動(dòng)系統(tǒng)，薄壁套筒固定在后支架上，套筒端蓋與薄壁套筒固定，制動(dòng)氣囊由氣囊活塞和膠管組成。
本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、對(duì)應(yīng)每一個(gè)手指的測(cè)量機(jī)構(gòu)中包括4個(gè)關(guān)節(jié)底座，每?jī)蓚€(gè)關(guān)節(jié)底座之間連接有一對(duì)前后連桿，相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)人工肌肉、制動(dòng)系統(tǒng)、拉索和軟軸各有3套。
2、每套數(shù)據(jù)手套中包含同時(shí)對(duì)2個(gè)及2個(gè)以上手指進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)。
3、所述的力傳感器是懸臂梁式力傳感器。
4、所述的角度傳感器是非接觸式角度傳感器。
本發(fā)明的力反饋數(shù)據(jù)手套具有雙重功能一種功能是作為數(shù)據(jù)手套的測(cè)量手指關(guān)節(jié)彎曲角度；另一種功能是為手指各個(gè)關(guān)節(jié)提供力反饋。這種力反饋數(shù)據(jù)手套測(cè)量拇指、食指、中指的關(guān)節(jié)彎曲角度，并對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)提供力反饋，也可以對(duì)無(wú)名指和小指增加類(lèi)似于食指或者中指的結(jié)構(gòu)。這種力反饋數(shù)據(jù)手套包括帶在手上的測(cè)量機(jī)構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)。測(cè)量機(jī)構(gòu)包括角度測(cè)量和力測(cè)量，由關(guān)節(jié)底座、連桿、非接觸式角度傳感器、懸臂梁式力傳感器組成。前連桿跟二者之間轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定連接，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定徑向充磁的永久磁鐵，角度傳感器安裝在磁鐵上方，固定在后連桿上，隨后連桿一起運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)人工肌肉和制動(dòng)氣囊組成的。氣動(dòng)人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過(guò)軟軸、底座，與固定在底座上的懸臂梁式力傳感器連接，由力傳感器測(cè)量人工肌肉的輸出力。制動(dòng)氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接。制動(dòng)氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動(dòng)系統(tǒng)。薄壁套筒固定在后支架上，套筒端蓋與薄壁套筒固定。制動(dòng)氣囊由氣囊活塞和膠管組成，制動(dòng)氣囊充氣后，膠管膨脹與薄壁套筒接觸，產(chǎn)生摩擦力阻礙氣囊運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而限制手指進(jìn)一步彎曲。手自然運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)氣囊和人工肌肉不充氣，膠管處于收縮狀態(tài)，不與薄壁套筒接觸，氣囊活塞與套筒接觸，接觸面積小，移動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力很小。手指自然彎曲時(shí)，制動(dòng)氣囊與人工肌肉一起向前運(yùn)動(dòng)，壓縮復(fù)位軟彈簧；當(dāng)手指由彎曲狀態(tài)伸直時(shí)，復(fù)位軟彈簧使制動(dòng)氣囊和人工肌肉向后運(yùn)動(dòng)復(fù)位。當(dāng)手指彎曲過(guò)程中，與虛擬物體接觸，需要輸出力時(shí)，制動(dòng)氣囊充氣制動(dòng)，向人工肌肉內(nèi)充氣，使氣動(dòng)人工肌肉收縮產(chǎn)生力感知。
本發(fā)明可以應(yīng)用于虛擬制造和裝配、機(jī)器人遙操作等需要對(duì)手提供力反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中。本發(fā)明提出的力反饋數(shù)據(jù)手套具有數(shù)據(jù)手套和力反饋的雙重功能，所以系統(tǒng)整體成本低，有利于廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是采用外骨架結(jié)構(gòu)，在保證手自然運(yùn)動(dòng)的情況下，測(cè)量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度，手指的運(yùn)動(dòng)空間不會(huì)受到影響。氣動(dòng)人工肌肉有輸出力/自重比高，安裝簡(jiǎn)單，可彎曲，柔性，安全，動(dòng)作平滑，運(yùn)動(dòng)更接近于自然生物運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此采用人工肌肉作為力反饋數(shù)據(jù)手套的執(zhí)行器是目前比較理想的可以模仿生物肌肉的一種驅(qū)動(dòng)器。力反饋數(shù)據(jù)手套的質(zhì)量輕，增加佩戴的舒適性。
(四)

圖1為本發(fā)明的食指部分的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的角度傳感器安裝原理結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的控制、測(cè)量系統(tǒng)原理圖。
(五)、具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，底板1、后支架3、前支架11組成的力反饋數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)器支架部分通過(guò)尼龍絲帶帶在小臂上；手背連接板10由尼龍絲帶固定在手背上；關(guān)節(jié)底座19、20、21分別通過(guò)尼龍絲帶固定在食指后端、中間和末端骨節(jié)上。由于每個(gè)手指以及手指上每個(gè)關(guān)節(jié)的角度測(cè)量和力反饋原理是相同的，下面以手指靠近手掌的第一個(gè)關(guān)節(jié)(MP)為例進(jìn)行說(shuō)明。由氣囊活塞4和膠管5組成的制動(dòng)氣囊與氣動(dòng)人工肌肉9連接，人工肌肉前端與拉索12連接，拉索12通過(guò)軟軸13，后背底座14上的軸15與底座19上的懸臂梁式力傳感器22連接。復(fù)位軟彈簧安裝在薄壁套管6中，薄壁套管6與套管端蓋8固定在一起作為一個(gè)整體固定在后支架3上。連桿16、18與后背底座14、底座19連接。同時(shí)結(jié)合圖2，非接觸式角度傳感器17，安裝在后連桿16上，前連桿18與轉(zhuǎn)動(dòng)軸24固定連接，磁鐵23安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸24端部，角度傳感器的位置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的正上方，這樣前連桿18與轉(zhuǎn)動(dòng)軸24相對(duì)于后連桿16轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵相對(duì)于角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明的角度測(cè)量原理是由后連桿16、前連桿18、后背底座14、底座19、食指第一個(gè)關(guān)節(jié)組成一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)。基于平面四連桿運(yùn)動(dòng)的確定性原理測(cè)量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度。當(dāng)手指彎曲時(shí)，前連桿18與后連桿16之間的角度發(fā)生變化相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣轉(zhuǎn)軸24上的磁鐵23會(huì)相對(duì)于安裝在后連桿16上的角度傳感器17轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵23的磁力線方向相對(duì)于角度傳感器17會(huì)發(fā)生變化，角度傳感器17根據(jù)磁力線的方向變化計(jì)算連桿16、18之間的夾角，根據(jù)連桿16、18之間的夾角，由平面四連桿內(nèi)部的幾何三角關(guān)系求出手指關(guān)節(jié)的彎曲角度。各個(gè)關(guān)節(jié)之間角度測(cè)量是相互獨(dú)立的，不受其他關(guān)節(jié)的影響。
本發(fā)明的力反饋原理是由氣動(dòng)人工肌肉9充氣收縮產(chǎn)生收縮力，對(duì)手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生力反饋。當(dāng)手自然運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)氣囊處于不充氣的狀態(tài)，膠管5不與薄壁套管6接觸，只有氣囊活塞兩端的凸起部分與薄壁套管6接觸，二者之間的摩擦力很小，手指感受的力為復(fù)位軟彈簧7被壓縮產(chǎn)生的力。由于復(fù)位軟彈簧7的剛度很小，手指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使制動(dòng)氣囊產(chǎn)生的行程不大，所以由復(fù)位軟彈簧7產(chǎn)生的阻力很小，對(duì)于手指的力感知影響不大。當(dāng)手自然運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彎曲狀態(tài)回到伸直狀態(tài)時(shí)，壓縮復(fù)位軟彈簧7產(chǎn)生的力使人工肌肉9和制動(dòng)氣囊復(fù)位。當(dāng)虛擬環(huán)境中的虛擬手接觸到虛擬物體時(shí)，需要對(duì)手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生力反饋，這時(shí)制動(dòng)氣囊通過(guò)氣管2充氣，膠管5膨脹與薄壁套管6接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦力使制動(dòng)氣囊停止運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)氣囊停止運(yùn)動(dòng)后，向氣動(dòng)人工肌肉9內(nèi)充氣，氣功人工肌肉9產(chǎn)生收縮的趨勢(shì)產(chǎn)生收縮力，經(jīng)過(guò)拉索12傳遞到手指關(guān)節(jié)上，為了抵消氣動(dòng)人工肌肉9產(chǎn)生的收縮力，手指關(guān)節(jié)也像抓取實(shí)際物體時(shí)由手指上的肌肉產(chǎn)生相應(yīng)大小的力，從而產(chǎn)生力反饋，使手指感知到力的存在。氣動(dòng)人工肌肉9內(nèi)壓力可以通過(guò)安裝在底座19上的力傳感器測(cè)量的力大小進(jìn)行調(diào)解。當(dāng)虛擬環(huán)境中的虛擬手與虛擬物體分開(kāi)時(shí)，氣動(dòng)人工肌肉9放氣后，氣動(dòng)人工肌肉的收縮力消失，制動(dòng)氣囊放氣，手恢復(fù)到自然運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。
圖3給出了本發(fā)明的控制測(cè)量系統(tǒng)原理圖。本發(fā)明由工控機(jī)控制。氣動(dòng)人工肌肉9內(nèi)的壓力由壓力比例閥31控制，壓力比例閥由工控機(jī)32內(nèi)的D/A板卡33提供控制信號(hào)。制動(dòng)氣囊30的充氣或者放氣由電磁開(kāi)關(guān)閥34控制，工控機(jī)內(nèi)的D0板卡35控制繼電器板36控制電磁開(kāi)關(guān)閥。角度傳感器17和力傳感器22的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路37，A/D板卡38后，由工控機(jī)采集，采集到的力信號(hào)可以用于氣動(dòng)人工肌肉內(nèi)壓力的反饋控制。
本發(fā)明的第二種實(shí)施方案是在上一實(shí)施方案的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)每一個(gè)手指的測(cè)量機(jī)構(gòu)中包括4個(gè)關(guān)節(jié)底座，每?jī)蓚€(gè)關(guān)節(jié)底座之間連接有一對(duì)前后連桿，相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)人工肌肉、制動(dòng)系統(tǒng)、拉索和軟軸各有3套?？梢酝瑫r(shí)對(duì)一個(gè)手指的不同部位進(jìn)行測(cè)試。
本發(fā)明的第三種實(shí)施方案是在上兩實(shí)施方案的基礎(chǔ)上，每套數(shù)據(jù)手套中包含同時(shí)對(duì)2個(gè)及2個(gè)以上手指進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)?？梢酝瑫r(shí)對(duì)2個(gè)或多個(gè)手指的不同部位進(jìn)行測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，它包括帶在手上的測(cè)量機(jī)構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)；其特征是測(cè)量機(jī)構(gòu)包括角度測(cè)量和力測(cè)量，由關(guān)節(jié)底座、連結(jié)在兩個(gè)關(guān)節(jié)底座之間并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接的前后連桿、安裝在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器、安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸前方的角度傳感器配合組成，前連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定連接，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定徑向充磁的永久磁鐵，角度傳感器安裝在磁鐵上方、固定在后連桿上；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)人工肌肉和制動(dòng)氣囊組成的，氣動(dòng)人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過(guò)軟軸、關(guān)節(jié)底座，與固定在關(guān)節(jié)底座上的傳感器連接，制動(dòng)氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接，制動(dòng)氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動(dòng)系統(tǒng)，薄壁套筒固定在后支架上，套筒端蓋與薄壁套筒固定，制動(dòng)氣囊由氣囊活塞和膠管組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，其特征是對(duì)應(yīng)每一個(gè)手指的測(cè)量機(jī)構(gòu)中包括4個(gè)關(guān)節(jié)底座，每?jī)蓚€(gè)關(guān)節(jié)底座之間連接有一對(duì)前后連桿，相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)人工肌肉、制動(dòng)系統(tǒng)、拉索和軟軸各有3套。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，其特征是每套數(shù)據(jù)手套中包含同時(shí)對(duì)2個(gè)及2個(gè)以上手指進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，其特征是所述的力傳感器是懸臂梁式力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，其特征是所述的角度傳感器是非接觸式角度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套。它包括帶在手上的測(cè)量機(jī)構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)。測(cè)量機(jī)構(gòu)包括角度測(cè)量和力測(cè)量。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)人工肌肉和制動(dòng)氣囊組成的。本發(fā)明采用外骨架結(jié)構(gòu)，在保證手自然運(yùn)動(dòng)的情況下，測(cè)量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度，手指的運(yùn)動(dòng)空間不會(huì)受到影響。氣動(dòng)人工肌肉有輸出力/自重比高，安裝簡(jiǎn)單，可彎曲，柔性，安全，動(dòng)作平滑，運(yùn)動(dòng)更接近于自然生物運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此采用人工肌肉作為力反饋數(shù)據(jù)手套的執(zhí)行器是目前比較理想的可以模仿生物肌肉的一種驅(qū)動(dòng)器。力反饋數(shù)據(jù)手套的質(zhì)量輕，增加佩戴的舒適性?？梢詰?yīng)用于虛擬制造和裝配、機(jī)器人遙操作等需要對(duì)手提供力反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)A61B5/103GK1792329SQ20051001049
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日
發(fā)明者包鋼, 孫中圣, 李軍, 楊慶俊, 王祖溫 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)