中指掌指節(jié)力反饋單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測人手手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并具有雙向反饋力的作用的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人逐漸在越來越大的范圍內(nèi)被使用，遙操作機(jī)器人作為一種性能可靠、技術(shù)成熟的機(jī)器人被廣泛用于各種危險(xiǎn)的、情況復(fù)雜的、人類無法到達(dá)的環(huán)境中工作，它采用的是非?？煽康目刂品绞?，直接由操作者發(fā)出指令來控制。隨著遙操作機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)越來越復(fù)雜，使得人們在追求可靠性的同時(shí)，還對其靈活性提出了更高的要求，而要對復(fù)雜的機(jī)械手實(shí)施遙操作，控制機(jī)械手多個(gè)手指的多個(gè)關(guān)節(jié)一起協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)特定功能，這就需用到數(shù)據(jù)手套，而具有力反饋功能的數(shù)據(jù)手套是對機(jī)器人的機(jī)械手實(shí)施遙操作的最有效裝置，它通過測量操作者手指各個(gè)指節(jié)的位置信息作為控制指令控制機(jī)械手的手指跟蹤人手手指運(yùn)動(dòng)，并能將機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況在數(shù)據(jù)手套上模擬出來，作用在操作者的手上，使操作者產(chǎn)生很強(qiáng)的臨場感。此外，近年來虛擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展，其主要的交互設(shè)備就是力反饋數(shù)據(jù)手套，例如在一個(gè)由計(jì)算機(jī)虛擬的場景里，控制一雙虛擬的人手拆卸或裝配機(jī)器等，還有游戲、3D動(dòng)畫制作等都需要用到力反饋數(shù)據(jù)手套，但目前市場上的力反饋數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格極為昂貴，使其無法大量普及、推廣和使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的力反饋數(shù)據(jù)手套價(jià)格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，提出了一種將外置角度傳感器和關(guān)節(jié)雙向主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合為一體，在檢測人手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的同時(shí)也將反饋回來的力覺信息轉(zhuǎn)化成力或力矩直接作用于人手的方法，極大簡化了復(fù)雜的力反饋數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)。本發(fā)明是用于與計(jì)算機(jī)、機(jī)械手交互作用的裝置，由掌指關(guān)節(jié)基座、角度傳感器和驅(qū)動(dòng)部件組成，該裝置固定在操作者手上，中指掌指節(jié)力反饋單元在檢測手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和狀態(tài)的同時(shí)可根據(jù)需要對其施加力的作用實(shí)現(xiàn)力反饋控制。本發(fā)明在關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)部件里加入了離合器，當(dāng)系統(tǒng)有力反饋信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接被驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，并對關(guān)節(jié)施加力的作用，當(dāng)系統(tǒng)沒有力反饋信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷開被驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的連接，減少和降低了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的阻力，使關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加順暢。本發(fā)明檢測關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度由設(shè)置在裝置上相應(yīng)的角度傳感器通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法測量。本發(fā)明可以精確、靈敏地檢測出相應(yīng)的手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和狀態(tài)，并對被檢測的關(guān)節(jié)具有雙向力反饋功能，使用簡單，穿戴方便，容易維護(hù)，并可極大降低力反饋數(shù)據(jù)手套的成本。
【附圖說明】
[0004]圖1是中指掌指節(jié)力反饋單元的三視圖及軸測圖。。
[0005]圖2是中指掌指節(jié)力反饋單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0006]圖3是驅(qū)動(dòng)部件111的軸測圖及結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0007]【具體實(shí)施方式】一:如圖3所示，所述所述驅(qū)動(dòng)部件111包括微型電機(jī)40和離合器，所述離合器由離合器摩擦片41、摩擦片滑桿42、回位拉簧43、離合器蓋44組成，摩擦片滑桿42與微型電機(jī)40的軸固接，兩片離合器摩擦片41分別套入摩擦片滑桿42兩端，兩片離合器摩擦片41之間連接有回位拉簧43，離合器蓋44套入微型電機(jī)40的軸，離合器蓋44與微型電機(jī)40的軸之間為滑動(dòng)接觸，離合器蓋44上設(shè)有傳動(dòng)齒輪。動(dòng)作實(shí)施過程:當(dāng)微型電機(jī)40轉(zhuǎn)速高于一定值時(shí)，兩片離合器摩擦片41克服回位拉簧43的拉力分別向摩擦片滑桿42的兩末端滑動(dòng)并與離合器蓋44的內(nèi)壁接觸，對離合器蓋44產(chǎn)生摩擦力，帶動(dòng)離合器蓋44轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)微型電機(jī)40轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí)，兩片離合器摩擦片41在回位拉簧43的作用下向軸心方向滑動(dòng)，與離合器蓋44的內(nèi)壁分離，切斷離合器蓋44與微型電機(jī)40的連接。
[0008]【具體實(shí)施方式】二:如圖1、圖2和圖3所示,所述中指掌指節(jié)力反饋單元包括驅(qū)動(dòng)部件111、搖臂27、掌指關(guān)節(jié)基座29、連桿38、齒輪箱蓋50和兩個(gè)角度傳感器18。掌指關(guān)節(jié)基座29底部(內(nèi)嵌軸承39)與一個(gè)角度傳感器18的軸通過螺釘36固接，所述掌指關(guān)節(jié)基座29可繞底部角度傳感器18的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，所述掌指關(guān)節(jié)基座29下部外緣設(shè)有齒輪59，齒輪59的軸心與掌指關(guān)節(jié)基座29底部的角度傳感器18的軸心重合，另一個(gè)角度傳感器18通過螺釘35固定在掌指關(guān)節(jié)基座29的孔座L內(nèi)，所述角度傳感器18的軸與搖臂27(內(nèi)嵌軸承23)的一端通過螺釘36固接，所述搖臂27上的齒輪軸心與搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心重合，所述搖臂27的齒輪通過減速齒輪組60的配合與驅(qū)動(dòng)部件111的齒輪嚙合，所述驅(qū)動(dòng)部件111安裝在掌指關(guān)節(jié)基座29上，所述搖臂27另一端與連桿38 —端通過螺釘24鉸接，所述連桿38的另一端與人手近指節(jié)上的部件連接，中指掌指節(jié)力反饋單元底部的角度傳感器18固定在對應(yīng)的人手掌指節(jié)位置。動(dòng)作實(shí)施過程:人手的近指節(jié)可繞掌指關(guān)節(jié)(MP)轉(zhuǎn)動(dòng)，可將其分解為兩個(gè)方向上的分運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是平行于手指近指節(jié)側(cè)面的屈伸運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是平行于手指近指節(jié)背面的外展或內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，當(dāng)操作者手指的掌指關(guān)節(jié)(MP)做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指近指節(jié)部件通過連桿38帶動(dòng)搖臂27轉(zhuǎn)動(dòng)，使得孔座L內(nèi)與搖臂27聯(lián)動(dòng)的角度傳感器18能測量出操作者手指的掌指關(guān)節(jié)(MP)屈伸的角度和狀態(tài)，當(dāng)控制系統(tǒng)無力反饋信號時(shí)，則中指掌指節(jié)力反饋單元上的驅(qū)動(dòng)部件111無動(dòng)作，搖臂27動(dòng)作不受干擾，當(dāng)控制系統(tǒng)有力反饋信號時(shí)，則中指掌指節(jié)力反饋單元上的驅(qū)動(dòng)部件111啟動(dòng)，通過減速齒輪組60的配合對搖臂27在其運(yùn)動(dòng)方向上施加一個(gè)同向或反向的力，同時(shí)控制系統(tǒng)再根據(jù)孔座L內(nèi)的角度傳感器18檢測到的關(guān)節(jié)角度的變化，運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法持續(xù)地輸出和修正驅(qū)動(dòng)力的大小，推動(dòng)或阻礙手指的掌指關(guān)節(jié)(MP)屈伸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該關(guān)節(jié)的力反饋功能；當(dāng)操作者手指的掌指關(guān)節(jié)(MP)做外展或內(nèi)收運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該動(dòng)作方向上，近指節(jié)部件與連桿38、搖臂27是剛性連接的，所以近指節(jié)部件直接帶動(dòng)中指掌指節(jié)力反饋單元繞其底部的角度傳感器18的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳感器18能測量出操作者手指的掌指關(guān)節(jié)(MP)外展或內(nèi)收的角度和狀態(tài)，
[0009]作為本發(fā)明的又一實(shí)例，也可以讓固接有傳動(dòng)齒輪的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替驅(qū)動(dòng)部件111，直接驅(qū)動(dòng)減速齒輪組60或關(guān)節(jié)，省去離合器環(huán)節(jié)，同樣可以對關(guān)節(jié)起到施加力的作用，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0010]在不使本發(fā)明的原理受到損害的情況下，上述構(gòu)成的細(xì)節(jié)和【具體實(shí)施方式】僅僅是當(dāng)做例子和圖示的東西，它可以不脫離本發(fā)明的范圍而廣泛改變，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種中指掌指節(jié)力反饋單元，用于與計(jì)算機(jī)、機(jī)械手交互作用的裝置，由掌指關(guān)節(jié)基座(29)、角度傳感器(18)和驅(qū)動(dòng)部件(111)組成； 其特征在于: 該裝置固定在操作者手上； 中指掌指節(jié)力反饋單元在檢測手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和狀態(tài)的同時(shí)可根據(jù)需要對其施加力的作用實(shí)現(xiàn)力反饋控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中指掌指節(jié)力反饋單元，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)部件(111)包括微型電機(jī)(40)和離合器，所述離合器由離合器摩擦片(41)、摩擦片滑桿(42)、回位拉簧(43)、離合器蓋(44)組成，摩擦片滑桿(42)與微型電機(jī)(40)的軸固接，兩片離合器摩擦片(41)分別套入摩擦片滑桿(42)兩端，兩片離合器摩擦片(41)之間連接有回位拉簧(43),離合器蓋(44)套入微型電機(jī)(40)的軸,離合器蓋(44)與微型電機(jī)(40)的軸之間為滑動(dòng)接觸，離合器蓋(44)上設(shè)有傳動(dòng)齒輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中指掌指節(jié)力反饋單元，其特征在于:所述中指掌指節(jié)力反饋單元包括驅(qū)動(dòng)部件(111)、搖臂(27)、掌指關(guān)節(jié)基座(29)、連桿(38)、齒輪箱蓋(50)和兩個(gè)角度傳感器(18)，掌指關(guān)節(jié)基座(29)底部與一個(gè)角度傳感器(18)的軸通過螺釘(36)固接，所述掌指關(guān)節(jié)基座(29)可繞底部角度傳感器(18)的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，所述掌指關(guān)節(jié)基座(29)下部外緣設(shè)有齒輪(59)，齒輪(59)的軸心與掌指關(guān)節(jié)基座(29)底部的角度傳感器(18)的軸心重合，另一個(gè)角度傳感器(18)通過螺釘(35)固定在掌指關(guān)節(jié)基座(29)的孔座(L)內(nèi)，所述角度傳感器(18)的軸與搖臂(27)的一端通過螺釘(36)固接，所述搖臂(27)上的齒輪軸心與搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心重合，所述搖臂(27)的齒輪通過減速齒輪組￠0)的配合與驅(qū)動(dòng)部件(111)的齒輪嚙合，所述驅(qū)動(dòng)部件(111)安裝在掌指關(guān)節(jié)基座(29)上，所述搖臂(27)另一端與連桿(38) —端通過螺釘(24)鉸接，所述連桿(38)的另一端與人手近指節(jié)上的部件連接，中指掌指節(jié)力反饋單元底部的角度傳感器(18)固定在對應(yīng)的人手掌指節(jié)位置。
【專利摘要】中指掌指節(jié)力反饋單元，它涉及了一種檢測人手手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并具有反饋從手相應(yīng)的手指關(guān)節(jié)所受的力的裝置。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的力反饋裝置關(guān)節(jié)測量機(jī)構(gòu)與力反饋機(jī)構(gòu)分離，系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)臃腫，維護(hù)困難，且不能實(shí)現(xiàn)雙向主動(dòng)驅(qū)動(dòng)及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，將關(guān)節(jié)檢測機(jī)構(gòu)和力反饋機(jī)構(gòu)集成于一體，并采用獨(dú)特的連接方式和巧妙的關(guān)節(jié)測量點(diǎn)布局，使操作者在使用該設(shè)備時(shí)，被檢測的手指能保持最大程度的靈活，且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能被精確檢測到，使被控制的從手相應(yīng)的手指關(guān)節(jié)能與操作者對應(yīng)的手指關(guān)節(jié)協(xié)同一致動(dòng)作，并能將從手在具體的工作環(huán)境中的受力情況反饋給操作者，以增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)或遙操作的臨場感。
【IPC分類】G06F3-01, B25J13-08, B25J9-18, B25J21-02, B25J19-02
【公開號】CN104742128
【申請?zhí)枴緾N201310730731
【發(fā)明人】蘇茂
【申請人】蘇茂
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月26日