CN207087856U - 一种基于触觉反馈的外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于触觉反馈的外骨骼，包括手指和手掌，手掌包括手心和手背，手指由拇指、食指、中指、无名指、小指以及与手背活动连接的掌骨六部分组成，拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖处分别活动连接一固定环，食指、中指、无名指、小指的指根处分别通过舵机与手背活动连接，拇指的指根处依次通过舵机、掌骨与手背连接，掌骨的一端与拇指指根处的舵机固定连接，掌骨的另一端通过输出轴活动连接一手背舵机，手背舵机固设在手背上，用于带动掌骨运动。本实用新型的外骨骼具有结构简单、小巧轻便、易携带等优点。

Description

一种基于触觉反馈的外骨骼

技术领域

本实用新型属于外骨骼领域，具体涉及一种基于触觉反馈的外骨骼。

背景技术

在虚拟现实与增强现实的交互中，没有真实的被抓物体。虚拟接触反馈和力反馈需要复制实时计算的接触力、表面形状、平滑性和滑动等。

触觉反馈的接触接口可以按照提供给用户的信息分成两类，即触觉反馈与力反馈。触觉反馈提供给用户的信息有物体表面几何形状、表面纹理、滑动等；力反馈提供给用户的信息有总的接触力、表面柔顺、物体重量等。在VR游戏领域，已有的触觉反馈装置体积较大、不便运动、只能固定在固定位置，不能给用户以真实的触觉反馈感觉；在增强现实领域，现有的触觉反馈装置并不完善，不能提供触觉反馈的具体信息，只能捕捉动作，覆盖范围较为狭窄。

实用新型内容

本实用新型克服了现有的增强现实设备只能捕捉动作，不能提供触觉反馈的具体信息。

本实用新型提供了一种基于触觉反馈的外骨骼。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于触觉反馈的外骨骼，包括手指和手掌，所述手掌包括手心和手背，所述手指由拇指、食指、中指、无名指、小指以及与手背活动连接的掌骨六部分组成；

拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖处分别活动连接一固定环， 食指、中指、无名指、小指的指根处分别通过舵机与手背活动连接，拇指的指根处依次通过舵机、掌骨与手背连接，所述掌骨的一端与拇指指根处的舵机固定连接，所述掌骨的另一端通过输出轴活动连接一手背舵机，所述手背舵机固设在手背上，用于带动掌骨运动，位于食指、中指、无名指、小指指根处的舵机与手背固定连接。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述拇指、食指、中指、无名指、小指的指根处均设有用于容纳所述舵机的钳口，所述舵机通过传动轴带动五指做屈/伸运动。

作为本实用新型的一个优选实施例，拇指、食指、中指、无名指、小指分别由指尖段、中间段和指根段组成，所述指尖段的一端与固定环活动连接，所述指尖段的另一端与中间段的一端固定连接，所述中间段的另一端与指根段的一端活动连接，所述指根段的另一端通过传动轴与舵机活动连接。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述手背上设有用于控制外骨骼运动的控制板。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述手背上还设有外壳，所述控制板位于外壳的内腔。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述手心固定连接有绝缘手套，所述绝缘手套的五指与五个所述固定环的内壁固定连接。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述绝缘手套的五个手指处均设有弯曲传感器，所述弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述手背上设有带内孔的凸耳，所述掌骨的端面上相对设有两个掌骨凸耳，所述掌骨凸耳上设有内孔，所 述凸耳与左侧的掌骨凸耳活动连接，右侧的掌骨凸耳通过传动轴与手背舵机活动连接。

作为本实用新型的一个优选实施例，位于食指、中指、无名指、小指指根处的舵机通过手背基座与手背固定连接，所述手背基座包括与手背固定连接的底板、设置在底板上的肋板以及用于固定舵机的固定板，所述固定板与舵机外壳活动连接，所述固定板上还设有供舵机输出轴和齿轮轴穿过的方槽。

作为本实用新型的一个优选实施例，与拇指指根连接的舵机通过手背基座与掌骨的一端固定连接，所述手背基座的底板与掌骨的一端固定连接，所述手背基座的固定板与舵机外壳固定连接。

本实用新型的有益效果：

1.当佩戴者手部用力时，手部动作通过外骨骼分解，同时映射到旋转传感器上，弯曲传感器将信息传送至上位机，上位机计算出手指间各个骨骼间的旋转角度信息，该旋转角度信息经过控制芯片传递给舵机，置于舵机内的步进电机带动传动轴运转，将作用力反馈于与指尖相连的肌腱。因此，本实用新型是通过外骨骼限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受；

2.在本实用新型中，食指、中指、无名指和小指通过舵机与手背连接，拇指指根依次通过舵机、掌骨、舵机与手背连接。因此，本实用新型的外骨骼具有结构简单、小巧轻便、易携带等优点。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1、手掌；11、手背舵机；12、手背基座；13.掌骨；21、拇指；22、食指；23、中指；24、无名指；25、小指；3、固定环；4、舵机；5、控制板。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

特别指出，本实用新型的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶面”、“底面”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

需指出，本实用新型所涉及的活动连接可以是铰链连接、销轴连接或者铆钉连接等任何方式。

手部外骨骼(机械手)是人类通过观察并模仿人手运动，使机器达到类似手功能的一种方式，其主要目的在于实现各种抓握，保证抓握的精准与输出力的控制，本实施例的外骨骼由食指22、中指23、无名指24和小指25的三节指段、拇指21的两个指段、手掌1和掌骨13共十六个部件构成，建模后利用3D打印机打印出，从而将手部的三十一个自由度简化为更为常用的十六个自由度，并且增加了其便携性和实用性。本实施例手指的中部和尖端只能做一维的屈伸运动，而手指的根部除了可以做屈伸运动外，大拇指还可以做相对于其余手指的根部做收展运动。

参照图1，本实施例公开了一种基于触觉反馈的外骨骼，包括手指和手 背1，手掌1包括手心和手背，手指由拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25以及与手背活动连接的掌骨13六部分组成，该外骨骼共有十六个自由度，其中，拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25的指尖、指关节和指根处各具有一个自由度，掌骨13具有一个自由度；

拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25的指尖处分别活动连接一固定环3，使手指具有五个自由度；食指22、中指23、无名指24、小指25的指根处分别通过舵机4与手背活动连接，使手指具有四个自由度；拇指21的指根处依次通过舵机4、掌骨13与手背连接，使手指具有两个自由度；掌骨13的一端与拇指21指根处的舵机4固定连接，掌骨13的另一端通过输出轴活动连接一手背舵机11，手背舵机11固设在手背上，用于带动掌骨13运动，位于食指22、中指23、无名指24、小指25指根处的舵机4与手背固定连接。

其中，拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25可以分别由第一指段和第二指段组成，第一指段的一端与固定环3活动连接，第一指段的另一端与第二指段的一端活动连接，第二指段的另一端通过传动轴与舵机4活动连接。

其中，拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25也可以分别由指尖段、中间段和指根段组成，指尖段的一端与固定环3活动连接，指尖段的另一端与中间段的一端固定连接，中间段的另一端与指根段的一端活动连接，指根段的另一端通过传动轴与舵机4活动连接，使得手指具有五个自由度。

为了使手指指根处活动更加灵活，本实施例优选拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25的指根处均设有用于容纳舵机4的钳口，钳口侧壁上设有与传动轴过盈配合的通孔，传动轴与舵机4连接，五个舵机4分别通 过传动轴带动五指做屈/伸运动，五个舵机4分别通过传动轴带动五指做收/展运动。位于食指22、中指23、无名指24、小指25指根处的舵机4通过手背基座12与手背固定连接，手背基座12包括与手背固定连接的底板、设置在底板上的肋板以及用于固定舵机的固定板，固定板与舵机外壳活动连接，固定板上还设有供舵机输出轴和齿轮轴穿过的方槽。与拇指21指根连接的舵机4通过手背基座12与掌骨13的一端固定连接，手背基座12的底板与掌骨13的一端固定连接，手背基座12的固定板与舵机外壳固定连接。

本实施例还预留了放置控制板5的位置，优选手背上设有用于控制外骨骼运动的控制板5。为了防止佩戴者误触碰，本实施例手背上还设有外壳，控制板5位于外壳的内腔，从而避免了佩戴者的误触碰。

为了实时获取人手的动作姿态，以便在虚拟环境下能够真实地再现人手的动作，达到理想的人机交互目的，本实施例手心固定设置一绝缘手套，绝缘手套的五指与五个固定环3的内壁固定连接。

绝缘手套也叫数据手套，该数据手套的首要目的是将佩戴者手部的动作姿态通过大量的数据传输，在上位机中构建佩戴者手部的3D模型，为了掌握手掌、手指以及手腕各个有效部位的弯曲外展度等数据，以及在此数据基础上的姿态的反演，本实施例绝缘手套的五个手指处均设有弯曲传感器，弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

本实施例的弯曲传感器优选Flexpoint公司的弯曲传感器Flex Sensor 4.5，该传感器内含有一条随弯曲度变化阻值的电阻。当传感器的金属面向外弯曲时，通过检测电阻的变化，基于实验所获得的函数，可得到对应的弯曲度。由于弯曲传感器Flex Sensor 4.51.存在以下缺陷：1.获取整只手指的弯曲程度之和；2.反馈值为电阻值，且受到环境(温度、湿度)影响大；3.电 阻存在变化扰动明显，需要在后期对于数据进行滤波处理；4.弯曲传感器电阻存在较明显个体差异，因而，本实施例对数据手套还做了以下改变：1.通过实验，在测试出人体手指前两个关节在正常弯曲的情况下，弯曲角度的比例关系及与总弯曲角度的换算关系；经过多次试验，我们获取了多位参与测试者的各角度，并对实验数据进行数据处理后，总结出了基本的规律，并实现了根据弯曲传感器获取的总角度计算出各关节角度的算法；2.本实施例在获取到初步数据之后，在初始化时取50次数据平均，作为0点数据；3.本实施例在电脑端加入了均值滤波算法，使得弯曲角度读取值曲线较为光滑，减少了虚拟手手指端的不规则抖动，使得画面更为流畅接近真实情况。

为了使手背与掌骨13更好的活动连接，本实施例手背上设有带内孔的凸耳，掌骨13的端面上相对设有两个掌骨凸耳，掌骨凸耳上设有内孔，凸耳与左侧的掌骨凸耳活动连接，右侧的掌骨凸耳通过传动轴与手背舵机11活动连接。

在本实施例中，绝缘手套上的所有数据均通过无线传输至电脑端，通过传感器能实时跟踪手的空间位置，而在每个手指上的集成弯曲传感器，则可以实时读取手指中节的的弯曲角度；本实施例还采用定制的薄膜电位器可以读取手指间张开的弧角，并且利用舵机去判断第三指节的弯曲度，利用这些数据实时的在Unity3D中构建手部的三维模型。

本实施例的绝缘手套采用了先进的光纤传感技术和空气涡旋技术，结合弹力网孔布面料制作而成，搭配具有独立设计的触觉外骨骼，可以准确地测量人手的姿态，如搓捻、对掌、屈伸、收展等复杂动作；而且本手套还能因人而异，帮佩戴者快速建立适合自己的骨骼动作模型。

需指出，本实施例的绝缘手套在处理虚拟现实中的手部交互，增加了触觉反馈元素，在生理上拉回手指来迎合虚拟物体的形状，会动态改变所施加的力，来模拟它们的坚硬度。具体地，佩戴者使用本实施例的外骨骼过程中，当手部用力时，手部动作通过外骨骼分解，同时映射到弯曲传感器上，弯曲传感器将信息传送至上位机，上位机计算出手指间各个骨骼间的旋转角度信息，该旋转角度信息经过控制芯片传递给舵机，置于舵机内的步进电机带动传动轴运转，将作用力反馈于与指尖相连的肌腱。因此，本实施例是通过外骨骼限制手部的运动来显示压感，给佩戴者较为真实的触觉感受，也就是说，本实施例在虚拟环境下的再现理论是通过实际计算、传感、仿真技术将计算机生成的虚拟物体，利用传感刺激以自然的方式传递给佩戴者，使得佩戴者能全方位地获得各种感官体验。本实施例通过独特的传感技能，外加的四个外展传感器、手掌拱度传感器以及测量曲折度与外展度的传感器，可以将手和手指的动作精确地转变为数字化的实时角度数据。

佩戴者的手指在做屈伸延展运动的同时，舵机控制的外部装置也能够及时的发挥限制与检测的作用，产生阻力或者摩擦力，给使用者能体验到相应的束缚感，使得感受更为真实。而当两个手指发生横向运动时，即绕摆等运动时，两指之间的电位计将检测两指之间的微小电位变化，通过计算进一步可以反映出横向偏移角度，结合纵向的弯曲曲线，便可以得到三维内的物体运动状态，基于此，本实施例可以比较真实有效地完成动作捕捉和触觉再现功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新 型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，包括手指和手掌(1)，所述手掌(1)包括手心和手背，所述手指由拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)以及与手背活动连接的掌骨(13)六部分组成；

拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)的指尖处分别活动连接一固定环(3)，食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)的指根处分别与一安装在所述手背上的舵机(4)活动连接，拇指(21)的指根处依次通过舵机(4)、掌骨(13)与手背连接，所述掌骨(13)的一端与拇指(21)指根处的舵机(4)固定连接，所述掌骨(13)的另一端通过输出轴活动连接一手背舵机(11)，所述手背舵机(11)固设在手背上，用于带动掌骨(13)运动。

2.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)的指根处均设有用于容纳所述舵机(4)的钳口，所述舵机(4)通过传动轴带动五指做屈/伸运动。

3.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)分别由指尖段、中间段和指根段组成，所述指尖段的一端与固定环(3)活动连接，所述指尖段的另一端与中间段的一端固定连接，所述中间段的另一端与指根段的一端活动连接，所述指根段的另一端通过传动轴与舵机(4)活动连接。

4.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述手背上设有用于控制外骨骼运动的控制板(5)。

5.如权利要求4所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述手背 上还设有外壳，所述控制板(5)位于外壳的内腔。

6.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述手心固定连接有绝缘手套，所述绝缘手套的五指与五个所述固定环(3)的内壁固定连接。

7.如权利要求6所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述绝缘手套的五个手指处均设有弯曲传感器，所述弯曲传感器用于实时获取佩戴者手部的动作姿态。

8.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，所述手背上设有带内孔的凸耳，所述掌骨(13)的端面上相对设有两个掌骨凸耳，所述掌骨凸耳上设有内孔，所述凸耳与左侧的掌骨凸耳活动连接，右侧的掌骨凸耳通过传动轴与手背舵机(11)活动连接。

9.如权利要求1所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，位于食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小指(25)指根处的舵机通过手背基座(12)与手背固定连接，所述手背基座(12)包括与手背固定连接的底板、设置在底板上的肋板以及用于固定舵机(4)的固定板，所述固定板与舵机外壳活动连接，所述固定板上还设有供舵机输出轴和齿轮轴穿过的方槽。

10.如权利要求9所述的基于触觉反馈的外骨骼，其特征在于，与拇指指根连接的舵机(4)通过手背基座(12)与掌骨(13)的一端固定连接，所述手背基座(12)的底板与掌骨(13)的一端固定连接，所述手背基座(12)的固定板与舵机外壳固定连接。