本發(fā)明涉及機械電子領(lǐng)域，尤其涉及一種外附支架、全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套及其數(shù)據(jù)處理方法。

背景技術(shù)：

數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品如cyberglove已經(jīng)能夠通過彎曲電阻制成的彎曲傳感器檢測手指特定關(guān)節(jié)的彎曲。數(shù)據(jù)手套的技術(shù)含量在于其所能測量手指自由度的數(shù)量，能夠測量的自由度越多，相應(yīng)技術(shù)含量也就越高。如授權(quán)公告號為cn204868848u的實用新型專利中僅采用了5個彎曲電阻制成了5個彎曲傳感器，僅有5個自由度。而如cyberglove這種較為前沿的產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)至15個自由度（測量手指關(guān)節(jié)角度）。以上所述的數(shù)據(jù)手套均以彎曲電阻為核心材料，制成彎曲傳感器，從而測量手指各關(guān)節(jié)的角度。彎曲電阻是一種長條狀的電阻，彎曲時其阻值會隨彎曲角度而成線性變化，特別適合用于測量弧形關(guān)節(jié)的角度，但其缺點在于制造成本昂貴，且體積較大，不宜測量多軸角度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)及現(xiàn)有設(shè)計的不足之處，本發(fā)明旨在發(fā)明一種外附支架、全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套、及其數(shù)據(jù)處理方法。

本發(fā)明提供一種外附支架，其特征在于，所述外附支架包含拇指外附支架、食指外附支架、中指外附支架、無名指外附支架、小指外附支架；

無名指與中指的手背部分使用柔性連接片進行連接；食指和中指采用一體化模塊設(shè)計，無名指與小指的手背部分采用螺絲固定；

各手指外附支架上包含至少一個關(guān)節(jié)連接點，各關(guān)節(jié)點采用軸承相連，在各關(guān)節(jié)處內(nèi)置有一個微型電位器，微型電位器通過一塊細小的鋁片與外部同心支架相連。

優(yōu)選的，微型電位器與控制器相連，或者通過多路復(fù)用器與控制器相連，將手指關(guān)節(jié)處的彎曲角度轉(zhuǎn)化為電位器兩端的電壓信號，再利用控制器根據(jù)電壓信號反演計算出實際彎曲角度。

優(yōu)選的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背側(cè)還設(shè)置有凹槽，用于安裝復(fù)位彈簧，該復(fù)位彈簧被配置用于在手指伸直的過程中將數(shù)據(jù)手套各關(guān)節(jié)拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。

優(yōu)選的，拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，小指外附支架具有3通道模擬信號輸入。

優(yōu)選的，拇指尖端有兩個自由度，占用兩個個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度；

食指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，食指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，食指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度；

中指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，中指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，中指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度；

無名指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度；

小指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，小指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，小指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。

一種全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套，其特征在于，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；

外附支架與手套貼合使用，在外附支架的底部設(shè)置有魔術(shù)貼，在穿戴者的手套上的相應(yīng)位置也有與之契合的異極性魔術(shù)貼。

優(yōu)選的，所述全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套還包括手掌彎曲電阻適配器，在手掌彎曲電阻適配器中，內(nèi)置有彎曲電阻。

優(yōu)選的，在所述手掌彎曲電阻適配器上采用柔性材料成形，其上設(shè)置有多個凹槽，通過多個凹槽縫合在手套內(nèi)部；所述手掌彎曲電阻適配器的夾層細槽用于放置彎曲電阻，夾層平面與手掌平面相互平行。

優(yōu)選的，所述手掌彎曲電阻適配器具有一定初始弧度，是為了誘導(dǎo)彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數(shù)據(jù)可靠性。

一種前述手套的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于：所述外附支架中包含有多路復(fù)用器，所述數(shù)據(jù)處理方法的具體步驟為：

s1：采集電位器、彎曲電阻對應(yīng)的電信號；

s2：復(fù)用器周期性的選擇端口傳輸數(shù)據(jù)；

s3：利用單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

s4：將數(shù)據(jù)映射到特定區(qū)間，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)不變；

s5:：判斷是否處理完畢，若是，則結(jié)束數(shù)據(jù)處理，若否，則執(zhí)行s1。

本發(fā)明最大的優(yōu)點在于極大地降低了數(shù)據(jù)手套的制造成本，高度依靠彎曲傳感器的數(shù)據(jù)手套的制造成本大多源于彎曲電阻的制作，而本發(fā)明的一只手套只有一處采用彎曲傳感器，其余處皆可使用廉價的普通電位器，用于關(guān)節(jié)角度讀取的電位器成本可降低97%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的外附支架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的食指結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的拇指結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的主干結(jié)構(gòu)（以食指為例）的爆炸示意圖；

圖5是本發(fā)明的彎曲電阻適配器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的程序邏輯示意流程圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。

本發(fā)明提供一種外附支架，其特征在于，所述外附支架包含拇指外附支架、食指外附支架、中指外附支架、無名指外附支架、小指外附支架；

無名指與中指的手背部分使用柔性連接片進行連接；食指和中指采用一體化模塊設(shè)計，無名指與小指的手背部分采用螺絲固定；

各手指外附支架上包含至少一個關(guān)節(jié)連接點，各關(guān)節(jié)點采用軸承相連，在各關(guān)節(jié)處內(nèi)置有一個微型電位器，微型電位器通過一塊細小的鋁片與外部同心支架相連。

優(yōu)選的，微型電位器與控制器相連，或者通過多路復(fù)用器與控制器相連，將手指關(guān)節(jié)處的彎曲角度轉(zhuǎn)化為電位器兩端的電壓信號，再利用控制器根據(jù)電壓信號反演計算出實際彎曲角度。

優(yōu)選的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背側(cè)還設(shè)置有凹槽，用于安裝復(fù)位彈簧，該復(fù)位彈簧被配置用于在手指伸直的過程中將數(shù)據(jù)手套各關(guān)節(jié)拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。

優(yōu)選的，拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，小指外附支架具有3通道模擬信號輸入。

優(yōu)選的，拇指尖端有兩個自由度，占用兩個個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度；

食指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，食指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，食指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度；

中指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，中指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，中指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度；

無名指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度；

小指尖端有一個自由度，占用一個通道的模擬信號輸入，小指與手掌的連接部分有兩個自由度，占用兩個通道的模擬信號輸入，小指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。

一種全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套，其特征在于，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；

外附支架與手套貼合使用，在外附支架的底部設(shè)置有魔術(shù)貼，在穿戴者的手套上的相應(yīng)位置也有與之契合的異極性魔術(shù)貼。

優(yōu)選的，所述全自由度自適應(yīng)數(shù)據(jù)手套還包括手掌彎曲電阻適配器，在手掌彎曲電阻適配器中，內(nèi)置有彎曲電阻。

優(yōu)選的，在所述手掌彎曲電阻適配器上采用柔性材料成形，其上設(shè)置有多個凹槽，通過多個凹槽縫合在手套內(nèi)部；所述手掌彎曲電阻適配器的夾層細槽用于放置彎曲電阻，夾層平面與手掌平面相互平行。

優(yōu)選的，所述手掌彎曲電阻適配器具有一定初始弧度，是為了誘導(dǎo)彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數(shù)據(jù)可靠性。

一種前述手套的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于：所述外附支架中包含有多路復(fù)用器，所述數(shù)據(jù)處理方法的具體步驟為：

s1：采集電位器、彎曲電阻對應(yīng)的電信號；

s2：復(fù)用器周期性的選擇端口傳輸數(shù)據(jù)；

s3：利用單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

s4：將數(shù)據(jù)映射到特定區(qū)間，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)不變；

s5:：判斷是否處理完畢，若是，則結(jié)束數(shù)據(jù)處理，若否，則執(zhí)行s1。

在本發(fā)明中，所述拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，整個支架固定在拇指背面，當拇指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，并帶動內(nèi)置電位器的轉(zhuǎn)動，從而實時測量拇指各關(guān)節(jié)的彎曲角度。拇指尖端有兩個自由度（占用兩個個通道的模擬信號輸入），拇指與手掌的連接部分有兩個自由度（占用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度。

該發(fā)明的各個關(guān)節(jié)能夠在外力的所用下進行一定行程內(nèi)的伸縮并在彈簧的作用力之下自動回復(fù)到初始位置。該設(shè)計能夠使該發(fā)明適應(yīng)多種手掌的尺寸與手形，從而提升佩戴時的舒適度。

所述食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在食指背面，當食指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，并帶動內(nèi)置電位器的轉(zhuǎn)動，從而實時測量食指各關(guān)節(jié)的彎曲角度。由于食指尖端兩個關(guān)節(jié)的彎曲角度基本成線性相關(guān)，故食指尖端有一個自由度（占用一個通道的模擬信號輸入），食指與手掌的連接部分有兩個自由度（占用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度。

所述中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在中指背面，當中指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，并帶動內(nèi)置電位器的轉(zhuǎn)動，從而實時測量中指各關(guān)節(jié)的彎曲角度。由于中指尖端兩個關(guān)節(jié)的彎曲角度基本成線性相關(guān)，故中指尖端有一個自由度（占用一個通道的模擬信號輸入），中指與手掌的連接部分有兩個自由度（占用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度。

所述無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在無名指背面，當無名指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，并帶動內(nèi)置電位器的轉(zhuǎn)動，從而實時測量無名指各關(guān)節(jié)的彎曲角度。由于無名指尖端兩個關(guān)節(jié)的彎曲角度基本成線性相關(guān)，故無名指尖端有一個自由度（占用一個通道的模擬信號輸入），無名指與手掌的連接部分有兩個自由度（占用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度。

所述小指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在小指背面，當小指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，并帶動內(nèi)置電位器的轉(zhuǎn)動，從而實時測量小指各關(guān)節(jié)的彎曲角度。由于小指尖端兩個關(guān)節(jié)的彎曲角度基本成線性相關(guān)，故小指尖端有一個自由度（占用一個通道的模擬信號輸入），小指與手掌的連接部分有兩個自由度（占用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。

所述手掌彎曲電阻適配器是一個柔性封裝且具有一定初始彎曲角度的薄壁保護套，用于隔絕彎曲電阻與外界的干擾信號。裝在里面的彎曲電阻是該發(fā)明使用的唯一一個彎曲電阻，用于讀取拇指與手掌的相對角度。

優(yōu)選的，本發(fā)明的所用零件均可通過不局限于使用3d打印技術(shù)成型。

具體的，為更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明。

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，從左到右依次是拇指，食指，中指，無名指和小指，分別對應(yīng)圖1中的附圖標記1-5。其中中指與無名指手背部分使用柔性連接片7進行連接，無名指與小指的手背部分也用螺絲6固定住，這兩項設(shè)計使整個數(shù)據(jù)手套從食指到小指連成一片，使其穩(wěn)定性最佳，從而保證了測量、讀取數(shù)據(jù)的可靠性。考慮到手背有一定弧度，為了適應(yīng)該弧度，連接片采用柔性耗材并采用3d打印技術(shù)成形。圖1中標記8處的底部有魔術(shù)貼，穿戴者的手套上的相同位置也有與之契合的異極性魔術(shù)貼，該項設(shè)計使數(shù)據(jù)手套能方便快捷地被固定在穿戴者的手上，且十分易于調(diào)整各傳感器方位。

圖2是本發(fā)明的食指結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可看出本發(fā)明的食指，中指，無名指以及小指有類似結(jié)構(gòu)。圖2中a1,a2,a3以及a4都是可以活動的關(guān)節(jié)連接點，其內(nèi)部均內(nèi)置一個微型電位器，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。當該關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時，鋁片和外部支架結(jié)構(gòu)一同旋轉(zhuǎn)，從而帶動電位器旋轉(zhuǎn)，通過這種方式將手指關(guān)節(jié)處的彎曲角度轉(zhuǎn)化為電位器兩端的電壓信號。圖2中b1,b2,b3處均為安裝復(fù)位彈簧的凹槽，由于手指彎曲后數(shù)據(jù)手套的各關(guān)節(jié)都會伸長一部分（如圖所示），因此復(fù)位彈簧用于在手指伸直的過程中將數(shù)據(jù)手套各關(guān)節(jié)拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。圖2中c1,c2用于疏導(dǎo)導(dǎo)線，由于本發(fā)明所測量的關(guān)節(jié)數(shù)量多，因此導(dǎo)線數(shù)量也很多，因此c1,c2處的設(shè)計是為了讓本發(fā)明的走線更加美觀，也在一定程度上保護了導(dǎo)線,使設(shè)備更加耐用，更加可靠。圖2中d1,d2處為柔性材料制作的指套，其柔軟的材質(zhì)和光滑的表面最大程度上保證了穿戴的舒適性。且該指套具有一定的徑向強度，不易變形，從而保證了測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

圖3是本發(fā)明的拇指結(jié)構(gòu)示意圖。與食指的結(jié)構(gòu)類似，圖3中a1,a2,a3都是可以活動的關(guān)節(jié)連接點，其內(nèi)部均內(nèi)置一個微型電位器，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。其中，外部同心軸嵌套在軸承內(nèi)部，外部同心軸的端部與外部同心支架相連，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連，當該關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時，鋁片和外部同心支架結(jié)構(gòu)一同旋轉(zhuǎn)。通過這種方式將手指關(guān)節(jié)處的彎曲角度轉(zhuǎn)化為電位器兩端的電壓信號。圖3中b1,b2處均為安裝復(fù)位彈簧的凹槽，由于手指彎曲后數(shù)據(jù)手套的各關(guān)節(jié)都會伸長一部分（如圖2所示），因此復(fù)位彈簧用于在手指伸直的過程中將數(shù)據(jù)手套各關(guān)節(jié)拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。圖3中c1,c2用于疏導(dǎo)導(dǎo)線，由于本發(fā)明所測量的關(guān)節(jié)數(shù)量多，因此導(dǎo)線數(shù)量也很多，因此c1,c2處的設(shè)計是為了讓本發(fā)明的走線更加美觀，也在一定程度上保護了導(dǎo)線,使設(shè)備更加耐用，更加可靠。圖3中d1，d2處為柔性材料制作的指套，其柔軟的材質(zhì)和光滑的表面最大程度上保證了穿戴的舒適性。且該指套具有一定的徑向強度，不易變形，從而保證了測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

圖4是本發(fā)明的主干結(jié)構(gòu)（以食指為例）的爆炸示意圖，如圖所示，a1，a2處為微型電位器，內(nèi)置于關(guān)節(jié)處，各個關(guān)節(jié)之間由軸承z相連，最大程度上保證連接處的光滑與高同心率。圖中，b處即為外部同心軸，c處即為外部同心支架，外部同心軸嵌套在軸承內(nèi)部，外部同心軸的端部與外部同心支架相連，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。

圖5是本發(fā)明的彎曲電阻適配器結(jié)構(gòu)示意圖，圖5中a處的三個凹槽用于固定該適配器，該適配器通過這三個凹槽縫合在手套內(nèi)部。圖5中b處的細槽用于放置彎曲電阻，彎曲電阻放進后使用熱熔膠將該縫隙堵上，從而防止彎曲電阻意外掉出。該適配器使用柔性材料成形，保證其能夠自由彎曲，且該適配器具有一定初始弧度，是為了誘導(dǎo)彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數(shù)據(jù)可靠性。

圖6是本發(fā)明的程序邏輯示意流程圖，由于本發(fā)明需要測量的關(guān)節(jié)數(shù)量較多，因此需要大量端口來接收數(shù)據(jù)，因此選用一塊多路復(fù)用器來實現(xiàn)端口擴展。將數(shù)據(jù)映射到特定區(qū)間是為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)不變，從而提升數(shù)據(jù)采集的可靠性與有效性。

需要說明的是，對于前述的各個方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本申請并不受所描述的動作順序的限制，因為依據(jù)本申請，某一些步驟可以采用其他順序或者同時進行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說明書中所描述的實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的動作和單元并不一定是本申請所必須的。

在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側(cè)重，某個實施例中沒有詳細描述的部分，可以參見其他實施例的相關(guān)描述。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過計算機程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質(zhì)可為磁碟、光盤、rom、ram等。

以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。