專利名稱：一種基于氣動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)明涉及的是測試裝置，具體地說是一種基于氣動人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，以氣動人工肌肉為驅(qū)動器進行力的控制，是一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中為測量手指關(guān)節(jié)彎曲和對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)動器在手掌內(nèi)部，限制了人手的自然運動；另一種為外骨架式結(jié)構(gòu)，大多采用電機作為驅(qū)動器，但驅(qū)動器沉重，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人工肌肉作為驅(qū)動器，能夠測量手指關(guān)節(jié)彎曲角度，并能提供給每個關(guān)節(jié)力反饋的外骨架式一種基于氣動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現(xiàn)的它包括帶在手上的測量機構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動器機構(gòu)；測量機構(gòu)包括角度測量和力測量，由關(guān)節(jié)底座、連結(jié)在兩個關(guān)節(jié)底座之間并通過轉(zhuǎn)動軸鉸接的前后連桿、安裝在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器、安裝在轉(zhuǎn)動軸前方的角度傳感器配合組成，前連桿與轉(zhuǎn)動軸固定連接，在轉(zhuǎn)動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)動機構(gòu)由氣動人工肌肉和制動氣囊組成的，氣動人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過軟軸、關(guān)節(jié)底座，與固定在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器連接，制動氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接，制動氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動系統(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、對應(yīng)每一個手指的測量機構(gòu)中包括4個關(guān)節(jié)底座，每兩個關(guān)節(jié)底座之間連接有一對前后連桿，相對應(yīng)的氣動人工肌肉、制動系統(tǒng)、拉索和軟軸各有3套。
2、每套數(shù)據(jù)手套中包含同時對2個及2個以上手指進行測量的測量機構(gòu)和驅(qū)動器機構(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)手套的測量手指關(guān)節(jié)彎曲角度；另一種功能是為手指各個關(guān)節(jié)提供力反饋。這種力反饋數(shù)據(jù)手套測量拇指、食指、中指的關(guān)節(jié)彎曲角度，并對每個關(guān)節(jié)提供力反饋，也可以對無名指和小指增加類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量機構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動器機構(gòu)。測量機構(gòu)包括角度測量和力測量，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)動軸固定連接，在轉(zhuǎn)動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，隨后連桿一起運動。驅(qū)動機構(gòu)由氣動人工肌肉和制動氣囊組成的。氣動人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過軟軸、底座，與固定在底座上的懸臂梁式力傳感器連接，由力傳感器測量人工肌肉的輸出力。制動氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接。制動氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動系統(tǒng)。薄壁套筒固定在后支架上，套筒端蓋與薄壁套筒固定。制動氣囊由氣囊活塞和膠管組成，制動氣囊充氣后，膠管膨脹與薄壁套筒接觸，產(chǎn)生摩擦力阻礙氣囊運動，進而限制手指進一步彎曲。手自然運動時，制動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，移動產(chǎn)生的摩擦力很小。手指自然彎曲時，制動氣囊與人工肌肉一起向前運動，壓縮復(fù)位軟彈簧；當(dāng)手指由彎曲狀態(tài)伸直時，復(fù)位軟彈簧使制動氣囊和人工肌肉向后運動復(fù)位。當(dāng)手指彎曲過程中，與虛擬物體接觸，需要輸出力時，制動氣囊充氣制動，向人工肌肉內(nèi)充氣，使氣動人工肌肉收縮產(chǎn)生力感知。
本發(fā)明可以應(yīng)用于虛擬制造和裝配、機器人遙操作等需要對手提供力反饋的虛擬現(xiàn)實應(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)實系統(tǒng)中。
本發(fā)明具有的優(yōu)點是采用外骨架結(jié)構(gòu)，在保證手自然運動的情況下，測量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度，手指的運動空間不會受到影響。氣動人工肌肉有輸出力/自重比高，安裝簡單，可彎曲，柔性，安全，動作平滑，運動更接近于自然生物運動等優(yōu)點，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、測量系統(tǒng)原理圖。
(五)、具體實施方案下面結(jié)合附圖舉例對本發(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)動器支架部分通過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分別通過尼龍絲帶固定在食指后端、中間和末端骨節(jié)上。由于每個手指以及手指上每個關(guān)節(jié)的角度測量和力反饋原理是相同的，下面以手指靠近手掌的第一個關(guān)節(jié)(MP)為例進行說明。由氣囊活塞4和膠管5組成的制動氣囊與氣動人工肌肉9連接，人工肌肉前端與拉索12連接，拉索12通過軟軸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)動軸24固定連接，磁鐵23安裝在轉(zhuǎn)動軸24端部，角度傳感器的位置在轉(zhuǎn)動軸的正上方，這樣前連桿18與轉(zhuǎn)動軸24相對于后連桿16轉(zhuǎn)動時，磁鐵相對于角度傳感器轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的角度測量原理是由后連桿16、前連桿18、后背底座14、底座19、食指第一個關(guān)節(jié)組成一個平面四連桿機構(gòu)?；谄矫嫠倪B桿運動的確定性原理測量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度。當(dāng)手指彎曲時，前連桿18與后連桿16之間的角度發(fā)生變化相對運動，這樣轉(zhuǎn)軸24上的磁鐵23會相對于安裝在后連桿16上的角度傳感器17轉(zhuǎn)動，磁鐵23的磁力線方向相對于角度傳感器17會發(fā)生變化，角度傳感器17根據(jù)磁力線的方向變化計算連桿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。各個關(guān)節(jié)之間角度測量是相互獨立的，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人工肌肉9充氣收縮產(chǎn)生收縮力，對手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生力反饋。當(dāng)手自然運動時，制動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，手指運動過程中使制動氣囊產(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，對于手指的力感知影響不大。當(dāng)手自然運動時，由彎曲狀態(tài)回到伸直狀態(tài)時，壓縮復(fù)位軟彈簧7產(chǎn)生的力使人工肌肉9和制動氣囊復(fù)位。當(dāng)虛擬環(huán)境中的虛擬手接觸到虛擬物體時，需要對手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生力反饋，這時制動氣囊通過氣管2充氣，膠管5膨脹與薄壁套管6接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦力使制動氣囊停止運動。制動氣囊停止運動后，向氣動人工肌肉9內(nèi)充氣，氣功人工肌肉9產(chǎn)生收縮的趨勢產(chǎn)生收縮力，經(jīng)過拉索12傳遞到手指關(guān)節(jié)上，為了抵消氣動人工肌肉9產(chǎn)生的收縮力，手指關(guān)節(jié)也像抓取實際物體時由手指上的肌肉產(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。氣動人工肌肉9內(nèi)壓力可以通過安裝在底座19上的力傳感器測量的力大小進行調(diào)解。當(dāng)虛擬環(huán)境中的虛擬手與虛擬物體分開時，氣動人工肌肉9放氣后，氣動人工肌肉的收縮力消失，制動氣囊放氣，手恢復(fù)到自然運動的狀態(tài)。
圖3給出了本發(fā)明的控制測量系統(tǒng)原理圖。本發(fā)明由工控機控制。氣動人工肌肉9內(nèi)的壓力由壓力比例閥31控制，壓力比例閥由工控機32內(nèi)的D/A板卡33提供控制信號。制動氣囊30的充氣或者放氣由電磁開關(guān)閥34控制，工控機內(nèi)的D0板卡35控制繼電器板36控制電磁開關(guān)閥。角度傳感器17和力傳感器22的輸出信號經(jīng)過放大電路37，A/D板卡38后，由工控機采集，采集到的力信號可以用于氣動人工肌肉內(nèi)壓力的反饋控制。
本發(fā)明的第二種實施方案是在上一實施方案的基礎(chǔ)上，對應(yīng)每一個手指的測量機構(gòu)中包括4個關(guān)節(jié)底座，每兩個關(guān)節(jié)底座之間連接有一對前后連桿，相對應(yīng)的氣動人工肌肉、制動系統(tǒng)、拉索和軟軸各有3套。可以同時對一個手指的不同部位進行測試。
本發(fā)明的第三種實施方案是在上兩實施方案的基礎(chǔ)上，每套數(shù)據(jù)手套中包含同時對2個及2個以上手指進行測量的測量機構(gòu)和驅(qū)動器機構(gòu)?？梢酝瑫r對2個或多個手指的不同部位進行測試。
權(quán)利要求
1.一種基于氣動人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，它包括帶在手上的測量機構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動器機構(gòu)；其特征是測量機構(gòu)包括角度測量和力測量，由關(guān)節(jié)底座、連結(jié)在兩個關(guān)節(jié)底座之間并通過轉(zhuǎn)動軸鉸接的前后連桿、安裝在關(guān)節(jié)底座上的力傳感器、安裝在轉(zhuǎn)動軸前方的角度傳感器配合組成，前連桿與轉(zhuǎn)動軸固定連接，在轉(zhuǎn)動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)動機構(gòu)由氣動人工肌肉和制動氣囊組成的，氣動人工肌肉前端與拉索連接，拉索穿過軟軸、關(guān)節(jié)底座，與固定在關(guān)節(jié)底座上的傳感器連接，制動氣囊安裝于薄壁套筒內(nèi)，與前端的人工肌肉連接，制動氣囊、復(fù)位軟彈簧、薄壁套筒、套筒端蓋組成制動系統(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所述的基于氣動人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套，其特征是對應(yīng)每一個手指的測量機構(gòu)中包括4個關(guān)節(jié)底座，每兩個關(guān)節(jié)底座之間連接有一對前后連桿，相對應(yīng)的氣動人工肌肉、制動系統(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)手套中包含同時對2個及2個以上手指進行測量的測量機構(gòu)和驅(qū)動器機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于氣動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人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套。它包括帶在手上的測量機構(gòu)和戴在小臂上的驅(qū)動器機構(gòu)。測量機構(gòu)包括角度測量和力測量。驅(qū)動機構(gòu)由氣動人工肌肉和制動氣囊組成的。本發(fā)明采用外骨架結(jié)構(gòu)，在保證手自然運動的情況下，測量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度，手指的運動空間不會受到影響。氣動人工肌肉有輸出力/自重比高，安裝簡單，可彎曲，柔性，安全，動作平滑，運動更接近于自然生物運動等優(yōu)點，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、機器人遙操作等需要對手提供力反饋的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)中。
文檔編號A61B5/103GK1792329SQ20051001049
公開日2006年6月28日 申請日期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 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)