CN107229344A - 一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套及制作方法，该触觉手套包括手套本体，套装在手套本体上的手套结构体，牵拉引线和传感器；所述手套本体包括指套，掌心和掌背；所述手套结构体包括通过转动副顺序级联的指尖套环，指骨指环以及掌背基板；所述牵拉引线依次穿过指尖套环和指骨指环的引线孔，由掌背基板的引线孔引出，与外部控制***连接；所述传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。本发明为虚拟环境中的抓取操作提供了一种结构简单，成本低廉以及触觉感真实，并具有较好的实时性，可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，且其制作方法简单，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。

Description

一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套及制作方法

技术领域

本发明涉及一种触觉手套，尤其是一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套及制作方法。

背景技术

触觉感知是人类与生俱来的一种基本能力，借助触觉通道，人们可以感知接触对象的温度、形状、纹理、质地等信息，并能够通过接触力实现与环境的交互。

触觉显示器则是指通过物理刺激使得皮肤器官产生虚拟接触觉和力感觉的装置，触觉手套是一种用于感知虚拟接触觉和力觉的手套，属于触觉显示器的范畴。

上世纪80年代，随着计算机技术的快速发展，人类在视觉和听觉领域二百多年的研究探索率先获得了突破性进展并取得了***成果，目前，视觉听觉显示器在应用层面已经能够以极低廉的价格为人们提供近乎完美的高保真视听觉感受。

触觉通道的开发利用虽然与视觉通道同时起步，然而时至今日，目前尚无可市售的廉价触觉显示器产品。专业定制的可提供接触感觉的触觉显示器价格通常高达十数万元，如MIT研制的电触觉显示器，该显示器由行列式排列的电极构成触觉显示阵列，将触觉显示阵列置于舌头之上时，电极流过的电流可以产生电接触感觉，电触觉显示器目前已能够为完全视盲的人群恢复部分视力，我国山西眼球被挖的儿童即借助MIT电触觉显示器实现了一定程度的视力恢复，在国外，电触觉甚至可以达到在开阔地带辅助驾驶的水平，除电刺激触觉外，可用于提供接触感觉显示的物理刺激还包括顶针刺激、振动刺激、气动刺激、射流刺激和声波刺激等；用于虚拟抓取的力感觉显示装置包括手臂力感觉显示装置和指爪力感觉显示装置，用于手臂力感觉显示的装置主要包括PhantoM、Per-Force HandController、Exos Arm Master等，用于指爪力感觉显示的装置主要包括Cybergrasp、CMUExoskeleton Hand、Rutgers Master、LRP Hand Master和Sensor Glove II等。与提供接触觉的显示器相比，能够提供力感觉的显示器极其昂贵，力觉显示器价格通常高达数十万元。现有的触觉显示器就其技术方案来看短期内尚无广泛应用的可能。

总体来说，现有的触觉显示器存在技术复杂、价格昂贵以及触感不真实的缺陷。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种结构简单、成本低廉以及具有接触觉和力觉显示的可提供加持力感觉的指环式触觉手套。

技术方案：本发明的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，该指环式触觉手套包括：

手套本体，包括指套，掌心和掌背；

手套结构体，所述手套结构体套装在所述手套本体上，包括通过转动副顺序级联的指尖套环，指骨指环以及掌背基板；所述指骨指环包括指骨指环体以及与其垂直设置的垂直级联杆；所述指骨指环体上设有引线孔，所述垂直级联杆上设有前级联孔和后级联孔；

牵拉引线，所述牵拉引线依次穿过指尖套环的引线孔和指骨指环的引线孔，由掌背基板的引线孔引出，与外部控制***连接；

九轴陀螺传感器，所述九轴陀螺传感器设于所述手套本体的指节位置和掌背基板上，其数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。

其中，所述指套包括拇指指套，食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套；

所述拇指指套上设有一个指尖套环和一个指骨指环；

所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套上均设有一个指尖套环和两个指骨指环；

所述掌心和掌背上套有一个掌背基板。

优选的，所述指尖套环上均设有一个九轴陀螺传感器；拇指指套的基节设有一个九轴陀螺传感器；所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套的第一指节和第二指节上均设有一个九轴陀螺传感器；所述掌背基板上设有一个九轴陀螺传感器。

再者，所述指尖套环上设有引线孔和后级联孔；

所述掌背基板包括掌背基板本体，位于掌背基板一端的前级联部以及两个相邻的前级联部之间的凹弧部；所述前级联部对称分布于掌心面和掌背面，每个前级联部上设有一个前级联孔，以通过转动副实现与指骨指环之间的顺序级联；所述凹弧部设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线。

优选的，所述指尖套环上的引线孔和后级联孔均为两个；所述指骨指环体上的引线孔有两个，为内侧引线孔和外侧引线孔；所述垂直级联杆有两个，位于指骨指环体的同一侧；所述掌背基板上的前级联部和引线孔均为十个。

一种制作所述可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的方法，包括以下步骤：

(1)缝制具有掌心，掌背以及若干指套的手套本体；

(2)制作指尖套环和带有垂直级联杆的指骨指环体，并将其通过级联孔首尾相连后与掌背基板联接；

(3)将级联后的结构分别套装在手套本体的各个指套上；

(4)在指尖套环，指骨指环体以及掌背基板的引线孔中穿入牵拉引线；

(5)在每个指套的各个指节上以及掌背基板上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(6)将牵拉引线和九轴陀螺传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，指套上设有首尾级联的套环和指环，并在套环和指环上设置有引线孔以便通过引线的牵拉操作控制前后套环或指环的相对转角，进而对指套末端之间的相对位置进行约束控制；此外，各指节上还设置有九轴陀螺传感器以精确感知各个指节的实时三轴转角，由于指节长度为定值，所以指端的精确坐标可由指节长度和三轴转角数据进行解析得到。从而为虚拟环境中的抓取操作提供一种结构简单，成本低廉以及触觉感真实，并具有较好的实时性，可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，并极大地降低了触觉手套的体积和成本，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的穿戴示意图。

图2是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的结构示意图。

图3是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体示意图。

图4是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体的三维拆装示意图。

图5是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体的指尖套环结构示意图。

图6是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体的指骨指环结构示意图。

图7是本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体的掌背基板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其穿戴示意图如图1所示；其中触觉手套可通过穿戴方式包裹在手掌外周。

图2为本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的结构示意图。该指环式触觉手套包括手套本体1，手套结构体2，牵拉引线3以及九轴陀螺传感器4；其中，手套本体包括拇指指套11，食指指套12，中指指套，无名指指套，小指指套以及掌心和掌背13；所述手套结构体穿套在手套本体上，牵拉引线通过手套结构体上的引线孔与外部控制***相连；所述九轴陀螺传感器设置于手套本体或手套结构体上，其数据线与外部控制***连接。

图3为本发明一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套结构体示意图，图4为触觉手套结构体的三维拆装示意图。如图4所示，该手套结构体包括指尖套环21，指骨指环22以及掌背基板23。

其中，拇指指套上设有一个指尖套环和一个指骨指环；食指指套上设有一个指尖套环，第一指骨指环和第二指骨指环；中指指套，无名指指套以及小指指套上均设有一个指尖套环，第一指骨指环和第二指骨指环(图中未示出)；掌心和掌背上套设有一个掌背基板。

所述拇指指套上的指尖套环，指骨指环以及掌背基板之间通过转动副顺序级联；所述食指指套上的指尖套环，第一指骨指环，第二指骨指环以及掌背基板之间通过转动副顺序级联；其他中指指套、无名指指套和小指指套上的手套结构体拆装结构与食指指套上的类似。

结合图2和图4所示，所述牵拉引线通过手套结构体上的引线孔进行牵拉以控制各指环体的转角，进而通过自由度限制对触觉手套的形态进行控制；九轴陀螺传感器分别设置在指套的指尖套环，各指套指节以及掌背基板上，以实时获取各活动指节和掌背基板的转动角度。

图5为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指尖套环结构示意图。所述指尖套环为一端开口的套筒型结构，开口端设有连个后级联孔和两个引线孔。

图6为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指骨指环结构示意图。所述指骨指环为刚性结构体，包括指骨指环体221以及与其垂直设置的两个垂直级联杆222；所述垂直级联杆上设置有前级联孔后级联孔，以通过转动副实现指骨指环之间的顺序级联；所述指骨指环体上设置有内侧引线孔和外侧引线孔，用于固定和引导牵拉引线，每个指骨指环的内外侧引线孔上均固定有一个由电机控制的牵拉引线，并通过后级指骨指环和掌背基板上的引线孔引出，从而可通过引线牵拉控制该指骨指环的转动角度。

所述两个垂直级联杆位于指骨指环体的同一直径上，且位于指骨指环体的同一侧，这样可以使得其前后级联比较方便，手套结构体的整体结构比较协调，方便牵拉操作。

所述引线孔位于指骨指环体的同一直径上，且与两个垂直级联杆所在直径垂直；这样使得牵拉引线的能够更好的控制各指骨指环体的转角，使得控制更加精确。

图7为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的掌背基板结构示意图。其中，掌背基板包括掌背基板本体231，位于掌背基板一端的前级联部232以及两个相邻的前级联部之间的凹弧部233；所述前级联部有十个，对称分布于掌心面和掌背面，每个前级联部上设有一个前级联孔，以通过转动副实现与指骨指环之间的顺序级联；所述凹弧部设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线。

一种制作所述可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的方法，包括以下步骤：

(1)缝制具有掌心，掌背以及若干指套的手套本体；

(2)制作指尖套环和带有垂直级联杆的指骨指环体，并将其通过级联孔首尾相连后与掌背基板联接；

(3)将级联后的结构分别套装在手套本体的各个指套上；

(4)在指尖套环，指骨指环体以及掌背基板的引线孔中穿入牵拉引线；

(5)在每个指套的各个指节上以及掌背基板上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(6)将牵拉引线和九轴陀螺传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。

在虚拟抓取中，当手掌发生抓取动作时，手指关节的抓放转动将带动该指环式触觉手套的指骨指环转动，而指环式触觉手套的各指骨指环在引线的牵拉作用下也会产生相对转动，进而迫使手指发生弯曲。特别地，当外侧的牵拉引线被限制不可以牵拉时，指环式触觉手套的各指骨指环之间和相对于掌背基板的转动副将被限制不能向内转动，手掌的指爪将产生触碰到障碍不能自由抓握的感觉，此时，手掌将由于指环式触觉手套的反作用力获得抓取操作的夹持力感觉；反之，当内侧的牵拉引线被限制不可以牵拉时，手掌将由于指环式触觉手套的反作用力获得抓取操作的外张力感觉。

在虚拟环境中，当手掌主动抓取虚拟目标时，虚拟目标被投射到现实空间中，在任一确定的时刻，其几何外形尺寸及空间位置是已知的，手掌是否触碰到虚拟目标取决于手掌外周与虚拟目标轮廓在空间位置上是否发生干涉，因此需要实时计算手掌各指骨的空间位置。由于分布于各指骨上的九轴陀螺传感器可实时采集各指骨的三轴角度，而指骨长度亦为固定值，当两者数值均为已知时，可据此实时求解计算得到指环式触觉手套的指套相对于掌背基板的空间位置，当掌背基板的空间位置亦为已知时，可进一步分析得到指环式触觉手套与虚拟环境中目标对象之间的相互关系，并对是否发生触碰和运动干涉等进行实时判断，当发生空间干涉时，可通过控制电机牵拉指环式触觉手套内外侧的引线限制相应指骨的自由度，使得空间干涉不再继续，从而借助指环式触觉手套的反作用力使操作者获得虚拟抓取的夹持力和放张力感觉。

本发明为原创性、具有自主知识产权的指环式触觉手套，可克服现有触觉手套存在的结构复杂、价格昂贵等不足，从而为虚拟环境中的抓取操作提供一种结构简单、成本低廉且可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。

Claims (6)

1.一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其特征在于，该指环式触觉手套包括：

手套本体，包括指套，掌心和掌背；

手套结构体，所述手套结构体套装在所述手套本体上，包括通过转动副顺序级联的指尖套环，指骨指环以及掌背基板；所述指骨指环包括指骨指环体以及与其垂直设置的垂直级联杆；所述指骨指环体上设有引线孔，所述垂直级联杆上设有前级联孔和后级联孔；

牵拉引线，所述牵拉引线依次穿过指尖套环的引线孔和指骨指环的引线孔，由掌背基板的引线孔引出，与外部控制***连接；

九轴陀螺传感器，所述九轴陀螺传感器设于所述手套本体的指节位置和掌背基板上，其数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。

2.根据权利要求1所述的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其特征在于：所述指套包括拇指指套，食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套；

所述拇指指套上设有一个指尖套环和一个指骨指环；

所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套上均设有一个指尖套环和两个指骨指环；

所述掌心和掌背上套有一个掌背基板。

3.根据权利要求2所述的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其特征在于：所述指尖套环上均设有一个九轴陀螺传感器；拇指指套的基节设有一个九轴陀螺传感器；所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套的第一指节和第二指节上均设有一个九轴陀螺传感器；所述掌背基板上设有一个九轴陀螺传感器。

4.根据权利要求1所述的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其特征在于：

所述指尖套环上设有引线孔和后级联孔；

所述掌背基板包括掌背基板本体，位于掌背基板一端的前级联部以及两个相邻的前级联部之间的凹弧部；所述前级联部对称分布于掌心面和掌背面，每个前级联部上设有一个前级联孔，以通过转动副实现与指骨指环之间的顺序级联；所述凹弧部设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线。

5.根据权利要求4所述的一种可提供夹持力感觉的指环式触觉手套，其特征在于：所述指尖套环上的引线孔和后级联孔均为两个；所述指骨指环体上的引线孔有两个，为内侧引线孔和外侧引线孔；所述垂直级联杆有两个，位于指骨指环体的同一侧；所述掌背基板上的前级联部和引线孔均为十个。

6.一种制作权利要求1至5任一项所述的可提供夹持力感觉的指环式触觉手套的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)缝制具有掌心，掌背以及若干指套的手套本体；

(2)制作指尖套环和带有垂直级联杆的指骨指环体，并将其通过级联孔首尾相连后与掌背基板联接；

(3)将级联后的结构分别套装在手套本体的各个指套上；

(4)在指尖套环，指骨指环体以及掌背基板的引线孔中穿入牵拉引线；

(5)在每个指套的各个指节上以及掌背基板上分别固定一个九轴陀螺传感器；

(6)将牵拉引线和九轴陀螺传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制***连接。