一种外附支架、全自由度自适应数据手套及其数据处理方法与流程

本发明涉及机械电子领域，尤其涉及一种外附支架、全自由度自适应数据手套及其数据处理方法。

背景技术：

数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，目前的产品如cyberglove已经能够通过弯曲电阻制成的弯曲传感器检测手指特定关节的弯曲。数据手套的技术含量在于其所能测量手指自由度的数量，能够测量的自由度越多，相应技术含量也就越高。如授权公告号为cn204868848u的实用新型专利中仅采用了5个弯曲电阻制成了5个弯曲传感器，仅有5个自由度。而如cyberglove这种较为前沿的产品已经开发至15个自由度（测量手指关节角度）。以上所述的数据手套均以弯曲电阻为核心材料，制成弯曲传感器，从而测量手指各关节的角度。弯曲电阻是一种长条状的电阻，弯曲时其阻值会随弯曲角度而成线性变化，特别适合用于测量弧形关节的角度，但其缺点在于制造成本昂贵，且体积较大，不宜测量多轴角度。

技术实现要素：

针对背景技术及现有设计的不足之处，本发明旨在发明一种外附支架、全自由度自适应数据手套、及其数据处理方法。

本发明提供一种外附支架，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、无名指外附支架、小指外附支架；

无名指与中指的手背部分使用柔性连接片进行连接；食指和中指采用一体化模块设计，无名指与小指的手背部分采用螺丝固定；

各手指外附支架上包含至少一个关节连接点，各关节点采用轴承相连，在各关节处内置有一个微型电位器，微型电位器通过一块细小的铝片与外部同心支架相连。

优选的，微型电位器与控制器相连，或者通过多路复用器与控制器相连，将手指关节处的弯曲角度转化为电位器两端的电压信号，再利用控制器根据电压信号反演计算出实际弯曲角度。

优选的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背侧还设置有凹槽，用于安装复位弹簧，该复位弹簧被配置用于在手指伸直的过程中将数据手套各关节拉回原位，从而为下一次弯曲做好准备。

优选的，拇指外附支架具有4通道模拟信号输入，食指外附支架具有3通道模拟信号输入，中指外附支架具有3通道模拟信号输入，无名指外附支架具有3通道模拟信号输入，小指外附支架具有3通道模拟信号输入。

优选的，拇指尖端有两个自由度，占用两个个通道的模拟信号输入，拇指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，拇指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个拇指与手掌的纵向相对角度和整个拇指与手掌的横向相对角度；

食指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，食指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，食指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个食指与手掌的纵向相对角度和整个食指与手掌的横向相对角度；

中指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，中指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，中指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个中指与手掌的纵向相对角度和整个中指与手掌的横向相对角度；

无名指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，无名指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，无名指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个无名指与手掌的纵向相对角度和整个无名指与手掌的横向相对角度；

小指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，小指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，小指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个小指与手掌的纵向相对角度和整个小指与手掌的横向相对角度。

一种全自由度自适应数据手套，其特征在于，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；

外附支架与手套贴合使用，在外附支架的底部设置有魔术贴，在穿戴者的手套上的相应位置也有与之契合的异极性魔术贴。

优选的，所述全自由度自适应数据手套还包括手掌弯曲电阻适配器，在手掌弯曲电阻适配器中，内置有弯曲电阻。

优选的，在所述手掌弯曲电阻适配器上采用柔性材料成形，其上设置有多个凹槽，通过多个凹槽缝合在手套内部；所述手掌弯曲电阻适配器的夹层细槽用于放置弯曲电阻，夹层平面与手掌平面相互平行。

优选的，所述手掌弯曲电阻适配器具有一定初始弧度，是为了诱导弯曲电阻始终往同一方向弯曲，增加数据可靠性。

一种前述手套的数据处理方法，其特征在于：所述外附支架中包含有多路复用器，所述数据处理方法的具体步骤为：

s1：采集电位器、弯曲电阻对应的电信号；

s2：复用器周期性的选择端口传输数据；

s3：利用单片机进行模数转换；

s4：将数据映射到特定区间，确保数据传输的位数不变；

s5:：判断是否处理完毕，若是，则结束数据处理，若否，则执行s1。

本发明最大的优点在于极大地降低了数据手套的制造成本，高度依靠弯曲传感器的数据手套的制造成本大多源于弯曲电阻的制作，而本发明的一只手套只有一处采用弯曲传感器，其余处皆可使用廉价的普通电位器，用于关节角度读取的电位器成本可降低97%。

附图说明

图1为本发明的外附支架的结构示意图；

图2是本发明的食指结构示意图；

图3是本发明的拇指结构示意图；

图4是本发明的主干结构（以食指为例）的爆炸示意图；

图5是本发明的弯曲电阻适配器结构示意图；

图6是本发明的程序逻辑示意流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种外附支架，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、无名指外附支架、小指外附支架；

无名指与中指的手背部分使用柔性连接片进行连接；食指和中指采用一体化模块设计，无名指与小指的手背部分采用螺丝固定；

各手指外附支架上包含至少一个关节连接点，各关节点采用轴承相连，在各关节处内置有一个微型电位器，微型电位器通过一块细小的铝片与外部同心支架相连。

优选的，微型电位器与控制器相连，或者通过多路复用器与控制器相连，将手指关节处的弯曲角度转化为电位器两端的电压信号，再利用控制器根据电压信号反演计算出实际弯曲角度。

优选的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背侧还设置有凹槽，用于安装复位弹簧，该复位弹簧被配置用于在手指伸直的过程中将数据手套各关节拉回原位，从而为下一次弯曲做好准备。

优选的，拇指外附支架具有4通道模拟信号输入，食指外附支架具有3通道模拟信号输入，中指外附支架具有3通道模拟信号输入，无名指外附支架具有3通道模拟信号输入，小指外附支架具有3通道模拟信号输入。

优选的，拇指尖端有两个自由度，占用两个个通道的模拟信号输入，拇指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，拇指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个拇指与手掌的纵向相对角度和整个拇指与手掌的横向相对角度；

食指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，食指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，食指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个食指与手掌的纵向相对角度和整个食指与手掌的横向相对角度；

中指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，中指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，中指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个中指与手掌的纵向相对角度和整个中指与手掌的横向相对角度；

无名指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，无名指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，无名指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个无名指与手掌的纵向相对角度和整个无名指与手掌的横向相对角度；

小指尖端有一个自由度，占用一个通道的模拟信号输入，小指与手掌的连接部分有两个自由度，占用两个通道的模拟信号输入，小指与手掌连接的这两个自由度分别测量整个小指与手掌的纵向相对角度和整个小指与手掌的横向相对角度。

一种全自由度自适应数据手套，其特征在于，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；

外附支架与手套贴合使用，在外附支架的底部设置有魔术贴，在穿戴者的手套上的相应位置也有与之契合的异极性魔术贴。

优选的，所述全自由度自适应数据手套还包括手掌弯曲电阻适配器，在手掌弯曲电阻适配器中，内置有弯曲电阻。

优选的，在所述手掌弯曲电阻适配器上采用柔性材料成形，其上设置有多个凹槽，通过多个凹槽缝合在手套内部；所述手掌弯曲电阻适配器的夹层细槽用于放置弯曲电阻，夹层平面与手掌平面相互平行。

优选的，所述手掌弯曲电阻适配器具有一定初始弧度，是为了诱导弯曲电阻始终往同一方向弯曲，增加数据可靠性。

一种前述手套的数据处理方法，其特征在于：所述外附支架中包含有多路复用器，所述数据处理方法的具体步骤为：

s1：采集电位器、弯曲电阻对应的电信号；

s2：复用器周期性的选择端口传输数据；

s3：利用单片机进行模数转换；

s4：将数据映射到特定区间，确保数据传输的位数不变；

s5:：判断是否处理完毕，若是，则结束数据处理，若否，则执行s1。

在本发明中，所述拇指外附支架具有4通道模拟信号输入，整个支架固定在拇指背面，当拇指弯曲时该外附支架跟随食指进行弯曲，并带动内置电位器的转动，从而实时测量拇指各关节的弯曲角度。拇指尖端有两个自由度（占用两个个通道的模拟信号输入），拇指与手掌的连接部分有两个自由度（占用两个通道的模拟信号输入），这两个自由度分别测量整个拇指与手掌的纵向相对角度和整个拇指与手掌的横向相对角度。

该发明的各个关节能够在外力的所用下进行一定行程内的伸缩并在弹簧的作用力之下自动回复到初始位置。该设计能够使该发明适应多种手掌的尺寸与手形，从而提升佩戴时的舒适度。

所述食指外附支架具有3通道模拟信号输入，整个支架固定在食指背面，当食指弯曲时该外附支架跟随食指进行弯曲，并带动内置电位器的转动，从而实时测量食指各关节的弯曲角度。由于食指尖端两个关节的弯曲角度基本成线性相关，故食指尖端有一个自由度（占用一个通道的模拟信号输入），食指与手掌的连接部分有两个自由度（占用两个通道的模拟信号输入），这两个自由度分别测量整个食指与手掌的纵向相对角度和整个食指与手掌的横向相对角度。

所述中指外附支架具有3通道模拟信号输入，整个支架固定在中指背面，当中指弯曲时该外附支架跟随食指进行弯曲，并带动内置电位器的转动，从而实时测量中指各关节的弯曲角度。由于中指尖端两个关节的弯曲角度基本成线性相关，故中指尖端有一个自由度（占用一个通道的模拟信号输入），中指与手掌的连接部分有两个自由度（占用两个通道的模拟信号输入），这两个自由度分别测量整个中指与手掌的纵向相对角度和整个中指与手掌的横向相对角度。

所述无名指外附支架具有3通道模拟信号输入，整个支架固定在无名指背面，当无名指弯曲时该外附支架跟随食指进行弯曲，并带动内置电位器的转动，从而实时测量无名指各关节的弯曲角度。由于无名指尖端两个关节的弯曲角度基本成线性相关，故无名指尖端有一个自由度（占用一个通道的模拟信号输入），无名指与手掌的连接部分有两个自由度（占用两个通道的模拟信号输入），这两个自由度分别测量整个无名指与手掌的纵向相对角度和整个无名指与手掌的横向相对角度。

所述小指外附支架具有3通道模拟信号输入，整个支架固定在小指背面，当小指弯曲时该外附支架跟随食指进行弯曲，并带动内置电位器的转动，从而实时测量小指各关节的弯曲角度。由于小指尖端两个关节的弯曲角度基本成线性相关，故小指尖端有一个自由度（占用一个通道的模拟信号输入），小指与手掌的连接部分有两个自由度（占用两个通道的模拟信号输入），这两个自由度分别测量整个小指与手掌的纵向相对角度和整个小指与手掌的横向相对角度。

所述手掌弯曲电阻适配器是一个柔性封装且具有一定初始弯曲角度的薄壁保护套，用于隔绝弯曲电阻与外界的干扰信号。装在里面的弯曲电阻是该发明使用的唯一一个弯曲电阻，用于读取拇指与手掌的相对角度。

优选的，本发明的所用零件均可通过不局限于使用3d打印技术成型。

具体的，为更好的理解本发明，下面结合附图对本发明进行说明。

图1是本发明的整体结构示意图，如图所示，从左到右依次是拇指，食指，中指，无名指和小指，分别对应图1中的附图标记1-5。其中中指与无名指手背部分使用柔性连接片7进行连接，无名指与小指的手背部分也用螺丝6固定住，这两项设计使整个数据手套从食指到小指连成一片，使其稳定性最佳，从而保证了测量、读取数据的可靠性。考虑到手背有一定弧度，为了适应该弧度，连接片采用柔性耗材并采用3d打印技术成形。图1中标记8处的底部有魔术贴，穿戴者的手套上的相同位置也有与之契合的异极性魔术贴，该项设计使数据手套能方便快捷地被固定在穿戴者的手上，且十分易于调整各传感器方位。

图2是本发明的食指结构示意图，由图1可看出本发明的食指，中指，无名指以及小指有类似结构。图2中a1,a2,a3以及a4都是可以活动的关节连接点，其内部均内置一个微型电位器，电位器通过一块细小的铝片与外部的同心轴相连。当该关节旋转时，铝片和外部支架结构一同旋转，从而带动电位器旋转，通过这种方式将手指关节处的弯曲角度转化为电位器两端的电压信号。图2中b1,b2,b3处均为安装复位弹簧的凹槽，由于手指弯曲后数据手套的各关节都会伸长一部分（如图所示），因此复位弹簧用于在手指伸直的过程中将数据手套各关节拉回原位，从而为下一次弯曲做好准备。图2中c1,c2用于疏导导线，由于本发明所测量的关节数量多，因此导线数量也很多，因此c1,c2处的设计是为了让本发明的走线更加美观，也在一定程度上保护了导线,使设备更加耐用，更加可靠。图2中d1,d2处为柔性材料制作的指套，其柔软的材质和光滑的表面最大程度上保证了穿戴的舒适性。且该指套具有一定的径向强度，不易变形，从而保证了测量数据的准确性和可靠性。

图3是本发明的拇指结构示意图。与食指的结构类似，图3中a1,a2,a3都是可以活动的关节连接点，其内部均内置一个微型电位器，电位器通过一块细小的铝片与外部的同心轴相连。其中，外部同心轴嵌套在轴承内部，外部同心轴的端部与外部同心支架相连，电位器通过一块细小的铝片与外部的同心轴相连，当该关节旋转时，铝片和外部同心支架结构一同旋转。通过这种方式将手指关节处的弯曲角度转化为电位器两端的电压信号。图3中b1,b2处均为安装复位弹簧的凹槽，由于手指弯曲后数据手套的各关节都会伸长一部分（如图2所示），因此复位弹簧用于在手指伸直的过程中将数据手套各关节拉回原位，从而为下一次弯曲做好准备。图3中c1,c2用于疏导导线，由于本发明所测量的关节数量多，因此导线数量也很多，因此c1,c2处的设计是为了让本发明的走线更加美观，也在一定程度上保护了导线,使设备更加耐用，更加可靠。图3中d1，d2处为柔性材料制作的指套，其柔软的材质和光滑的表面最大程度上保证了穿戴的舒适性。且该指套具有一定的径向强度，不易变形，从而保证了测量数据的准确性和可靠性。

图4是本发明的主干结构（以食指为例）的爆炸示意图，如图所示，a1，a2处为微型电位器，内置于关节处，各个关节之间由轴承z相连，最大程度上保证连接处的光滑与高同心率。图中，b处即为外部同心轴，c处即为外部同心支架，外部同心轴嵌套在轴承内部，外部同心轴的端部与外部同心支架相连，电位器通过一块细小的铝片与外部的同心轴相连。

图5是本发明的弯曲电阻适配器结构示意图，图5中a处的三个凹槽用于固定该适配器，该适配器通过这三个凹槽缝合在手套内部。图5中b处的细槽用于放置弯曲电阻，弯曲电阻放进后使用热熔胶将该缝隙堵上，从而防止弯曲电阻意外掉出。该适配器使用柔性材料成形，保证其能够自由弯曲，且该适配器具有一定初始弧度，是为了诱导弯曲电阻始终往同一方向弯曲，增加数据可靠性。

图6是本发明的程序逻辑示意流程图，由于本发明需要测量的关节数量较多，因此需要大量端口来接收数据，因此选用一块多路复用器来实现端口扩展。将数据映射到特定区间是为了保证数据传输的位数不变，从而提升数据采集的可靠性与有效性。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、rom、ram等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。