[发明专利]一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置

说明书

本发明提供了一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，包括手部支架机构、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构。手部支架机构包括电机、电机轴套、滑轨及IMU传感器。拇指运动机构包括长旋转盘、力矩传感器、角度传感器、拇指套、压力传感器、二连杆、拇指托架及拇指固定环。手柄机构包括圆柱握柄、压力传感器、柔性固定带和滑块。旋转盘与电机间通过绳索传动力矩。手柄机构可前后移动并自复位。本发明克服了传统手指力反馈成本高、不可调节的问题，佩戴紧凑且有自适应自由度；绳索传动保证反馈力柔顺真实；通过搭载的传感器，可实时传输手部姿态、拇指与食指转角和抓握力、中指接触力等信息。

技术领域

本发明涉及力反馈领域，涉及一种手指力反馈装置，尤其涉及一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置。

背景技术

虚拟现实技术发展迅速，在虚拟场景中，为增强用户与虚拟世界的交互性和沉浸感，常引入力触觉装置，通过力触觉反馈允许用户去触碰和操作虚拟物体。但是，大部分力反馈设备方案中，提供的反馈仅是有和无的区别，且多局限于对整个手部的反馈力。少部分外骨骼手套可对手指产生力反馈，但结构复杂，价格较高，且多为钢性连接，对于不同手型的适应性欠缺。

在遥操作领域，一般系统包括主端的操作者与力反馈设备和从端的机械手。主端向从端发送控制指令并接收从端反馈回来的力信息，通过力反馈设备增强了力觉临场感并减少操作失误。为感知从端机械手抓取物体力的大小，防止力过大损坏物体，力过小无法完成抓取任务，需要主端设备具备手指运动及反馈自由度。

本发明提供了一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，可用于虚拟现实领域和遥操作领域。本发明重点实现拇指与食指的运动及力反馈，可进行虚拟场景中手指抓握操作，与传统的纯钢性力反馈转置相比，本发明有一个手柄自适应自由度，佩戴及运动更舒适。通过绳索传动方式，在保证精准反馈力的同时，使反馈更加柔顺和真实；通过搭载的角度传感器、压力传感器和IMU传感器，可实时获取手部姿态、手指抓握转角和抓握力信息，可用做遥操作系统主手机构。

发明内容

本发明目的是提供一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，可用于虚拟现实和遥操作领域，利用绳索驱动实现拇指和食指的弯曲运动，利用自适应移动手柄提高机构的灵活性和佩戴舒适性，利用手指托架和柔性固定环提高佩戴的紧凑性。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种二自由度绳索传动式手指力反馈装置，所述力反馈装置包括：手部支架机构、拇指运动机构、食指运动机构和手柄机构。本发明相比于传统力反馈机构，具备手指运动和反馈的自由度，克服了纯刚性运动不可调节的问题，使用者佩戴紧凑且有自适应的自由度，人机交互性更好。绳索驱动的方式在保证反馈力精准的同时更柔顺真实。通过搭载的传感器，可实时传输手部姿态、手指转角和抓握力信息。所述手部支架机构包括动力电机、电机轴套、滑轨及IMU传感器。动力电机用螺栓与手部支架固定。电机轴套上有D型孔，与对应的动力电机轴一致，两者紧密装配。滑轨上有三个沉孔，通过螺栓螺母与手部支架机构连接。

作为本发明的一种改进，所述拇指运动机构包括长旋转盘、拇指角度传感器、拇指套、拇指薄膜压力传感器、带拉簧的二连杆、拇指托架及拇指固定环。长旋转盘中间嵌入滚珠轴承，使用销轴和卡簧与手部支架连接，长旋转盘可围绕销轴自由转动。拇指套与长旋转盘、拇指套与第一一级连杆、第一一级连杆与第一二级连杆，二级连杆与拇指托架间都为销轴卡簧连接，皆可围绕销轴转动。拇指固定环用螺栓螺母固定在拇指托架上。长旋转盘与电机轴套通过绳索传动，长旋转盘的转动会带动电机轴套同步转动，电机轴套与动力电机紧密连接，当动力电机产生力矩时，便可对拇指的转动产生精准的力反馈。

作为本发明的一种改进，所述手柄机构包括圆柱握柄、柔性固定带和滑块。柔性固定带用螺栓螺母与圆柱握柄连接，圆柱握柄使用螺栓与滑块相固定。滑块可以卡入手部支架凹槽内的滑轨中并能沿滑轨方向自由移动，圆柱手柄使用螺栓与滑块固定。滑块两侧与手部机构槽的两壁有圆柱形凸出，可嵌入弹簧。当滑块受力偏移中心位置时，受到弹簧力作用将自动复位。机构运动可自动调整手部与机构的相对位置，防止出现机构卡死情况，具有更好的人机交互性与舒适性。