CN101593021B - 基于桌面的手指触感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于桌面的手指触感装置，属机器人领域。它通过电位计可以直接获得人手指关节的三个转动角度，通过直流电机的力反馈机构可以感知虚拟手抓取物体时指尖的正压力，通过吸盘式电磁铁或电流变液体的力反馈机构可以感知指尖触摸材质的粗糙程度。本发明装置基于桌面形式，人手无需负重，操作舒适、直观，具有结构简单，等优点，可以运用于虚拟现实***中。
Description
技术领域：
本发明涉及的是一种基于桌面的手指触感装置，它不仅可以为虚拟手提供手指关节弯曲角度，并且能够同时感知虚拟手抓取物体的力和触摸物体表面材质粗糙程度。可运用于虚拟现实***。
背景技术：
应用于虚拟现实***的触感装置分为两种：穿戴型和桌面型。穿戴型触感装置一般戴在手背上。整套装置自身的重量不仅会影响人手的力感知，也会使人手易于疲劳。桌面型触感装置由于受到机构的复杂性影响，还只局限于单个点或单手指的测量和力反馈，如SensAble科技公司的PHANTOM系列是目前使用最多的基于桌面的触感交互装置，但该装置只能提供类似一个手指在抓取物体时的力反馈，并缺乏感知物体表面材质粗糙程度的功能。若需进行多个手指触感交互，则需要多台PHANTOM设备，实际上由于PHANTOM设备结构复杂和自身体积的限制，要同时进行三指以上的触感交互是不可能的，同时由于PHANTOM系列的触感交互装置与人手位置是相对放置，不利于人手的直观感觉。
发明内容：
本发明的目的是提出一种基于桌面的手指触感装置，不仅能够获取手指关节弯曲角度，而且能够同时感知虚拟手抓取物体的力和触摸物体表面材质粗糙程度。本装置结构紧凑，可同时实现五指触感交互。
第一种形式的基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括：
底板、安装于底板上的支撑架、安装于底板上的直流电机、还包括拐角折弯处与支撑架通过铰链连接的折形摆杆，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳，钢丝绳的另一端绕接于上述直流电机输出轴上；
上述直流电机及钢丝绳与折形摆杆构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时指尖正压力的力反馈机构；该反馈机构在手指自然弯曲时，直流电机不通电，其转轴可以自由转动，折形摆杆在手指的带动下自由摆动，钢丝绳处于松弛状态，指尖不会有垂直于指面的力感知；当手指弯曲过程中，虚拟手抓取虚拟物体并产生力作用时，直流电机通电逆时针转动，钢丝绳立即绷紧，使折形摆杆前端有上翘的趋势，人手指为了保持位姿不变，必然在指尖上用力克服折形摆杆前端的上翘，从而使人手指尖产生相应的力感知；
上述支撑架上还安装有用于测量折形摆杆相对支撑架转动角度的第一电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的弯曲角度；
上述折形摆杆前端直接开有圆孔或通过球托板开有圆孔，圆孔安放圆球，折形摆杆或球托板上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线与折形摆杆同向称为竖向滚轮，另一个滚轮轴线与折形摆杆垂直称为横向滚轮，且竖向滚轮和横向滚轮与上述圆球接触，折形摆杆前端还安装有测量竖向滚轮转动角度的第二电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的摆动角度，还安装有测量横向滚轮转动角度的第三电位计，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节弯曲角度；
上述折形摆杆前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括用于抱住圆球的夹紧环片、安放于夹紧环片两伸出端之间的弹簧、安装于夹紧环片伸出端侧方的吸盘式电磁铁；该力反馈机构在虚拟手没有触摸到材质表面时，吸盘式电磁铁不通电，在弹簧的作用下，夹紧环片没有抱紧圆球，圆球在手指的操纵下可以很轻松地自由转动，手指不会有明显的力感知；虚拟手指在做上下运动的触摸动作，并有了力的感知时，吸盘式电磁铁通电，夹紧环片在电磁场的作用下可以克服弹簧力，将圆球抱紧；根据虚拟手指所感受的力的大小，相应调节吸盘式电磁铁的电流大小，就可以调整夹紧环片对圆球的抱紧程度，从而阻碍圆球的转动，这样就产生了一个被动的力作用在指尖上，使手指感到力作用；同理，若虚拟手指做左右运动的触摸动作，人手指左右触动圆球时，也会在手指尖感到力的作用；
实现虚拟现实***工作时，人手掌支撑在底板上，手指顺着折形摆杆放置、指尖直接或通过手柄搭在圆球上。
第二种形式的基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括：
底板、安装于底板上的支撑架、安装于底板上的直流电机、还包括拐角折弯处与支撑架通过铰链连接的折形摆杆，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳，钢丝绳的另一端绕接于上述直流电机输出轴上；
上述直流电机及钢丝绳与折形摆杆构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时指尖正压力的力反馈机构；该反馈机构在手指自然弯曲时，直流电机不通电，其转轴可以自由转动，折形摆杆在手指的带动下自由摆动，钢丝绳处于松弛状态，指尖不会有垂直于指面的力感知；当手指弯曲过程中，虚拟手抓取虚拟物体并产生力作用时，直流电机通电逆时针转动，钢丝绳立即绷紧，使折形摆杆前端有上翘的趋势，人手指为了保持位姿不变，必然在指尖上用力克服折形摆杆前端的上翘，从而使人手指尖产生相应的力感知；
上述支撑架上还安装有用于测量折形摆杆相对支撑架转动角度的第一电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的弯曲角度；
上述折形摆杆前端直接开有圆孔或通过球托板开有圆孔，圆孔安放圆球，折形摆杆或球托板上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线与折形摆杆同向称为竖向滚轮，另一个滚轮轴线与折形摆杆垂直称为横向滚轮，且竖向滚轮和横向滚轮与上述圆球接触，折形摆杆前端还安装有测量竖向滚轮转动角度的第二电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的摆动角度，还安装有测量横向滚轮转动角度的第三电位计，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节弯曲角度；
上述折形摆杆前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括一个固定在折形摆杆上且盛有电流变液体的密封容器、和下半部浸泡于该密封容器的电流变液体内的圆球，密封容器的内表面和圆球的外表面分别作为电流变液体的电极；该力反馈机构当虚拟手没有力感知时，就没有电场加在电流变液体的两个电极之间，圆球可以在密封容器内自由活动；当虚拟手触摸物体并有力感知时，这种力信息通过现有的低压到高压转换模块成比例地转换成高压小电流加载到两个电极之间，使两极之间的电流变液体的流变学性能改变，表面粘度系数加大，圆球在密封容器内活动时产生抗剪切屈服应力，从而阻碍圆球的转动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用；
实现虚拟现实***工作时，人手掌支撑在底板上，手指顺着折形摆杆放置、指尖直接或通过手柄搭在圆球上。
本发明可以应用于虚拟现实***中对物体的抓取和需对物体表面材质有感知的应用场合。本发明提出的触感装置具有关节角度获取和力反馈感知的双重功能，***整体成本低，有利于广泛应用于虚拟现实***中。
本发明的优点是：结构简单紧凑，实现了基于桌面的五指触感装置。桌面型触感装置使人手没有任何负重，操作更加自然、直观、舒适。该装置不仅可以感知虚拟手抓取物体的力，而且可以通过力感知的方式感受物体表面粗糙程度。
附图说明：
图1是基于桌面的五指触感装置整体结构示意图；图1(a)为主视图，图1(b)为俯视图。
图2(a、b)是单个触感组件结构示意图；图2(a)为主视图，图2(b)为俯视图。
图3(a、b)是指尖角度测量机构以及材质粗糙程度的力反馈机构示意图；图3(a)为剖面图，图3(b)为俯视图。
图4是虚拟手或人手拇指和食指关节名称的标示图；
图5是单个触感组件中的转角与虚拟手单指的关节转角映射关系图；
图6是指尖力感知的力反馈机构原理图；
图7(a、b)是拇指触感组件的安装机构示意图；图7(a)为主视图，图7(b)为仰视图。
图8是采用电流变液体取代吸盘式电磁铁的方案示意图；
图9是本发明的控制测量***原理图。
图中：1拇指触感组件、2食指触感组件、3中指触感组件、4无名指触感组件、5小指触感组件、6底板、7直流电机、8螺纹管、9钢丝绳、10折形摆杆、11支撑架、12轴、13螺钉、14第一电位计、15限位杆、16配重、17弹簧、18支架、19夹紧环片、20第二电位计、21支架、22竖向滚轮、23L形支架、24横向滚轮、25支架、26第三电位计、27吸盘式电磁铁、28电磁铁固定板、29手柄、30圆球、31球托板、32电流变液体、33掌指关节(MP)、34近端指间关节(PIP)、35远端指间关节(DIP)。
具体实施方式：
下面将结合附图对作进一步的说明。
一种基于桌面的五指触感装置，如图1(a、b)所示，包括拇指触感组件1、食指触感组件2、中指触感组件3、无名指触感组件4、小指触感组件5、底板6。食指触感组件2、中指触感组件3、无名指触感组件4、小指触感组件5分别垂直固定在底板6上，拇指触感组件1水平固定在底座6上。
其特征在于，所述的五个手指触感组件的结构和功能相同，如图2(a、b)所示。每个触感组件可以为一个虚拟手指提供关节弯曲角度的测量机构；每个触感组件前端配有可感知指尖触摸材质粗糙程度的力反馈机构；每个触感组件尾端配有为人手提供虚拟手指尖力感知的力反馈机构。
结合图2(a、b)、图3(a、b)、图4和图5，角度测量机构包括折形摆杆10、支撑架11、轴12、螺钉13、第一电位计14、第二电位计20、支架21、竖向滚轮22、L形支架23、横向滚轮24、支架25、第三电位计26、手柄29、圆球30、球托板31组成。支撑架11的底部与底板6固联，上端通过轴12与折形摆杆10相连，轴12可其轴线自由转动，折形摆杆10与轴12通过螺钉13固联，支撑架11与折形摆杆10之间的转动角度θ1由第一电位计14获得，该转动角度将映射为虚拟手的指掌关节33的弯曲角度(MP1)，如图5所示；折形摆杆10的前端固联一个球托板31，球托板31上有一个圆孔，该圆孔上放置一个可在圆孔上自由滚动的圆球30，圆球30顶端固联一个手柄29，供指尖操纵圆球30运动，圆球30与两个垂直正交放置的横向滚轮24和竖向滚轮22相接触。当圆球30在指尖的作用下转动时，滚轮24和22会做相应的转动，转动的角度θ2和θ3可通过与滚轮轴相连的第三电位计26和第二电位计20获得，转动的角度θ2和θ3将分别映射为虚拟手的远端指间关节35的弯曲角度(DIP)和指掌关节33的左右摆动角度(MP2)，如图5所示。由于手指的远端指间关节35的弯曲角度(DIP)与近端指间关节34的弯曲角度(PIP)存在如公式(1)所描述的联动关系，所以获得了远端指间关节35的弯曲角度(DIP)就可以计算出近端指间关节34的弯曲角度(PIP)。
结合图3(a、b)，所述的感知材质粗糙程度的力反馈机构包括球托板31、圆球30、夹紧环片19、弹簧17、支架18、吸盘式电磁铁27、电磁铁固定板28组成。虚拟手没有触摸到材质表面时，吸盘式电磁铁27不通电，在弹簧17的作用下，夹紧环片19没有抱紧圆球30，圆球30在手指的操纵下可以很轻松地自由转动，手指不会有明显的力感知。人手指在触摸物体表面时，触摸动作往往在不同时刻独立地体现在两个方向：一个是顺着手指的上下移动方向，另一个是手指的左右移动方向，人的注意力在某一时刻只能关注到一个方向的手指运动和力感知。借助这个特点，本发明的触感装置可以感知虚拟手在这两个方向上触摸物体表面所感受的粗糙程度。虚拟手指在做上下运动的触摸动作，并有了力的感知时，吸盘式电磁铁27通电，夹紧环片19在电磁场的作用下可以克服弹簧力，将圆球30抱紧。根据虚拟手指所感受的力的大小，相应调节吸盘式电磁铁27的电流大小，就可以调整夹紧环片19对圆球30的抱紧程度，从而阻碍圆球30的转动，这样就产生了一个被动的力作用在指尖上，使手指感到力作用。同理，若虚拟手指做左右运动的触摸动作，人手指左右触动圆球30时，也会在手指尖感到力的作用。
结合图2(a、b)，所述指尖正压力感知的力反馈机构包括直流电机7、螺纹管8、钢丝绳9、折形摆杆10和配重16组成。直流电机7输出轴与螺纹管8固联，折形摆杆10尾部的圆弧段与螺纹管8外径相切，该圆弧段的圆心是折形摆杆10与支撑架11的铰接点。钢丝绳9的一端以逆时针方向(从电机轴看过去)绕在螺纹管8的螺纹槽内，另一端固定在折形摆杆10直杆段与圆弧段相交处。配重16与摆杆的圆弧段固联，使摆杆两端在重力作用下保持平衡，尽可能消除折形摆杆10的自重对手指力感知的影响。手指自然弯曲时，直流电机7不通电，其转轴可以自由转动，折形摆杆10在手指的带动下自由摆动，钢丝绳9处于松弛状态，指尖不会有垂直于指面的力感知。当手指弯曲过程中，虚拟手抓取虚拟物体并产生力作用时，直流电机7通电逆时针转动，钢丝绳9立即绷紧，使折形摆杆10前端有上翘的趋势，人手指为了保持位姿不变，必然在指尖上用力克服折形摆杆10前端的上翘，从而使人手指尖产生相应的力感知。
结合图6，众所周知，直流电机的输出力矩与驱动电流有很好的一一对应关系。根据虚拟手抓取虚拟物体的力的大小，相应的调节直流电机7的驱动电流，使其输出力矩T，在折形摆杆10的另一端产生的作用力F2为：
式中，R是螺纹管8的半径。为了使折形摆杆10保持原有的位置不变，人手指尖必须在折形摆杆10的另一端施加与F2相同的指尖力F1。
图7是拇指触感组件的安装结构示意图。考虑到人手拇指与其他手指相对位置，为了使人手放置自然舒适，折形摆杆10通过支撑架11与底板6平行摆放，直流电机7相应地垂直于底板6。
图8是是采用电流变液体取代吸盘式电磁铁的方案示意图；圆球30的下半部浸泡于盛满电流变液体32的一个密封容器内，该容器固定在折形摆杆上，电流变液体是一种液体智能材料，当有电场存在时，其流变学特性如粘度发生剧烈的变化。电流变液体是悬浮溶液，由固体粒子(分散相)均匀地分散在基础溶液(连续相)里，固体粒子和基础溶液均是绝缘性较好的电介质。固体粒子的直径大小在十分之一至百分之一微米，电流变效应有时称作WMSIOW效应，是由分散相粒子和连续相粒子的极化产生的，当有电场存在时，分散相粒子由于极化运动，在电场方向上形成链，当电场强度不断加大时，这种链就会变大，这就可能导致电流变液体的粘度、剪切力和其它特性发生变化，由原来流体状态变成半流体(具有一定黏弹性)如凝胶体，甚至变成固体。当移去电场时，电流变液体恢复成原来的流体。其工作原理如下：当虚拟手没有力感知时，就没有电场加在电流变液体的两个电极之间(密封容器的内表面和圆球的外表面)，圆球30可以在密封容器内自由活动；当虚拟手触摸物体并有力感知时，这种力信息通过现有的普通控制电路(低压到高压转换模块)成比例地转换成高压(小电流)加载到两个电极之间，使两极之间的电流变液体的流变学性能改变，表面粘度系数加大，圆球30在密封容器内活动时产生抗剪切屈服应力。从而阻碍圆球30的转动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用。
图9为本发明的控制测量***原理图。本发明由工控机控制。工控机采集触感装置上电位计的信号，借助工控机内的A/D板卡进行模数转换，然后进行关节角度的映射，同时计算各手指近端指间关节的弯曲角度，再经过工控机内的虚拟应用软件使虚拟手的关节进行弯曲，做出相应的姿势。如果虚拟手抓取了物体并产生了力信息，工控机计算出对应的直流电机驱动电流，借助工控机内的A/D板卡进行模数转换并输出，控制直流电机输出相应的力矩。如果虚拟手在手指的某一方向上触摸物体的表面并产生了力感知，工控机计算出对应的吸盘式电磁铁的驱动电流或电流变液体的控制电压，再经过工控机内的D/A板卡进行数模转换并输出。
在本发明的实施方案中，为了保证人手指尖始终与圆球的手柄相接触，可以在手柄的轴颈开一个圆孔，从圆孔穿过尼龙胶带，用尼龙胶带将指尖与手柄固联。
Claims (2)
1.一种基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括：
底板(6)、安装于底板(6)上的支撑架(11)、安装于底板上的直流电机(7)、还包括拐角折弯处与支撑架(11)通过铰链连接的折形摆杆(10)，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳(9)，钢丝绳(9)的另一端绕接于上述直流电机(7)输出轴上；
上述直流电机(7)及钢丝绳(9)与折形摆杆(10)构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时指尖正压力的力反馈机构；该反馈机构在手指自然弯曲时，直流电机(7)不通电，其转轴可以自由转动，折形摆杆(10)在手指的带动下自由摆动，钢丝绳(9)处于松弛状态，指尖不会有垂直于指面的力感知；当手指弯曲过程中，虚拟手抓取虚拟物体并产生力作用时，直流电机(7)通电逆时针转动，钢丝绳(9)立即绷紧，使折形摆杆(10)前端有上翘的趋势，人手指为了保持位姿不变，必然在指尖上用力克服折形摆杆(10)前端的上翘，从而使人手指尖产生相应的力感知；
上述支撑架(11)上还安装有用于测量折形摆杆(10)相对支撑架(11)转动角度的第一电位计(14)，所测角度映射为虚拟手指指掌关节(33)的弯曲角度；
上述折形摆杆(10)前端直接开有圆孔或通过球托板(31)开有圆孔，圆孔安放圆球(30)，折形摆杆(10)或球托板(31)上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线与折形摆杆(10)同向称为竖向滚轮(22)，另一个滚轮轴线与折形摆杆(10)垂直称为横向滚轮(24)，且竖向滚轮(22)和横向滚轮(24)与上述圆球(30)接触，折形摆杆(10)前端还安装有测量竖向滚轮(22)转动角度的第二电位计(20)，所测角度映射为虚拟手指指掌关节(33)的摆动角度，还安装有测量横向滚轮(24)转动角度的第三电位计(26)，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节(35)的弯曲角度；
上述折形摆杆(10)前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括用于抱住圆球的夹紧环片(19)、安放于夹紧环片(19)两伸出端之间的弹簧(17)、安装于夹紧环片(19)伸出端侧方的吸盘式电磁铁(27)；该力反馈机构在虚拟手没有触摸到材质表面时，吸盘式电磁铁(27)不通电，在弹簧(17)的作用下，夹紧环片(19)没有抱紧圆球(30)，圆球(30)在手指的操纵下可以很轻松地自由转动，手指不会有明显的力感知；虚拟手指在做上下运动的触摸动作，并有了力的感知时，吸盘式电磁铁(27)通电，夹紧环片(19)在电磁场的作用下可以克服弹簧力，将圆球(30)抱紧；根据虚拟手指所感受的力的大小，相应调节吸盘式电磁铁(27)的电流大小，就可以调整夹紧环片(19)对圆球(30)的抱紧程度，从而阻碍圆球(30)的转动，这样就产生了一个被动的力作用在指尖上，使手指感到力作用；同理，若虚拟手指做左右运动的触摸动作，人手指左右触动圆球(30)时，也会在手指尖感到力的作用；
实现虚拟现实***工作时，人手掌支撑在底板(6)上，手指顺着折形摆杆(10)放置、指尖直接或通过手柄(29)搭在圆球(30)上。
2.一种基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括：
底板(6)、安装于底板(6)上的支撑架(11)、安装于底板上的直流电机(7)、还包括拐角折弯处与支撑架(11)通过铰链连接的折形摆杆(10)，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳(9)，钢丝绳(9)的另一端绕接于上述直流电机(7)输出轴上；
上述直流电机(7)及钢丝绳(9)与折形摆杆(10)构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时指尖正压力的力反馈机构；该反馈机构在手指自然弯曲时，直流电机(7)不通电，其转轴可以自由转动，折形摆杆(10)在手指的带动下自由摆动，钢丝绳(9)处于松弛状态，指尖不会有垂直于指面的力感知；当手指弯曲过程中，虚拟手抓取虚拟物体并产生力作用时，直流电机(7)通电逆时针转动，钢丝绳(9)立即绷紧，使折形摆杆(10)前端有上翘的趋势，人手指为了保持位姿不变，必然在指尖上用力克服折形摆杆(10)前端的上翘，从而使人手指尖产生相应的力感知；
上述支撑架(11)上还安装有用于测量折形摆杆(10)相对支撑架(11)转动角度的第一电位计(14)，所测角度映射为虚拟手指指掌关节(33)的弯曲角度；
上述折形摆杆(10)前端直接开有圆孔或通过球托板(31)开有圆孔，圆孔安放圆球(30)，折形摆杆(10)或球托板(31)上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线与折形摆杆(10)同向称为竖向滚轮(22)，另一个滚轮轴线与折形摆杆(10)垂直称为横向滚轮(24)，且竖向滚轮(22)和横向滚轮(24)与上述圆球(30)接触，折形摆杆(10)前端还安装有测量竖向滚轮(22)转动角度的第二电位计(20)，所测角度映射为虚拟手指指掌关节(33)的摆动角度，还安装有测量横向滚轮(24)转动角度的第三电位计(26)，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节(35)的弯曲角度；
上述折形摆杆(10)前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括一个固定在折形摆杆(10)上且盛有电流变液体(32)的密封容器、和下半部浸泡于该密封容器的电流变液体内的圆球(30)，密封容器的内表面和圆球的外表面分别作为电流变液体的电极；该力反馈机构当虚拟手没有力感知时，就没有电场加在电流变液体的两个电极之间，圆球(30)可以在密封容器内自由活动；当虚拟手触摸物体并有力感知时，这种力信息通过现有的低压到高压转换模块成比例地转换成高压小电流加载到两个电极之间，使两极之间的电流变液体的流变学性能改变，表面粘度系数加大，圆球(30)在密封容器内活动时产生抗剪切屈服应力，从而阻碍圆球(30)的转动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用；
实现虚拟现实***工作时，人手掌支撑在底板(6)上，手指顺着折形摆杆(10)放置、指尖直接或通过手柄(29)搭在圆球(30)上。
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