一种可穿戴的轮式止动力反馈关节及力反馈操控装置的制作方法

本发明涉及智能操控技术领域，尤其涉及一种可穿戴的轮式止动力反馈关节及力反馈操控装置。

背景技术：

现有随动遥操作设备通常通过采集操作端关节角度参数，实现对遥控端关节运动的控制，但在执行一些精细微关节动作时，由于操作者无法及时感知执行端的受力情况，导致无法及时准确的发出正确的控制指令，造成执行端在进行精细动作时，容易发生破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的情况。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种可穿戴的轮式止动力反馈关节及力反馈操控装置，用以解决现有技术中智能操作设备执行精细微关节动作时，操作者无法及时感知执行端的受力情况，以及无法及时准确的发出精确的控制指令的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种可穿戴的轮式止动力反馈关节，包括：至少一个关节件、轮式止动机构和卡环；轮式止动机构包括止动轮和推动器；

止动轮安装在关节件转动位置处，并与关节件同步转动；

推动器用于限制止动轮的转动；

卡环安装在关节件上，用于为操作者提供穿戴空间；卡环内侧顶部和内侧底部均设置有压力传感器，压力传感器用于采集操作者施加在力反馈关节上的压力。

具体地，轮式止动机构还包括止动推杆；止动推杆与推动器连接，用于在锁止时与止动轮接触限制止动轮转动。

具体地，止动轮为齿轮，止动推杆设置有与齿轮间隙相配合的卡合部；止动轮锁止时，止动推杆的卡合部卡入齿轮两齿之间的间隙中。

或者，止动轮为表面粗糙的摩擦轮；锁止时，止动推杆与止动轮通过摩擦配合。

具体地，推动器为电机，电机与止动推杆之间通过蜗轮蜗杆连接。

或者，推动器为气缸或液压缸，气缸的移动端与止动推杆连接。

或者，推动器为电磁装置，推动器与止动推杆通过弹簧连接，止动推杆上设置有磁铁。

具体地，关节件上设置有安装槽，卡环与安装槽滑动配合并实现紧固。

具体地，相邻两个关节件的转动位置处设置角度传感器。

具体地，多个轮式止动力反馈关节通过串联或并联组合为可穿戴的力反馈装置。

一种可穿戴的轮式止动力反馈操控装置，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1-7的可穿戴的轮式止动力反馈关节、动作捕捉系统和控制装置；

动作捕捉系统安装在力反馈关节上，用于采集因操纵动作而产生的动作信息；

控制装置用于将动作捕捉系统采集到的动作信息发送到动作执行装置执行以及用于控制轮式止动力反馈关节的止动轮的解锁或锁止。

具体地，动作执行装置包括至少一个动作执行关节；

动作执行关节包括：动作杆、旋转器和固定杆；

动作杆与固定杆通过旋转器连接；

旋转器用于控制动作杆相对于固定杆的转动；

动作杆的两个相对面上分别设置有压力传感器。

本发明有益效果如下：

1、本发明的轮式止动力反馈关节采用轮式止动机构，轮式止动机构止动轮与随动杆同步转动，并通过止动推杆与止动轮的卡死或松开来实现操控关节或操控装置的操作锁止和自由动作的切换。

本发明的轮式止动力反馈关节体积小、重量轻，反应机敏，与联动机构契合良好，控制效率高，具有很好的实用性和便捷性，提高了人机功效。克服了操作端无法让操作者精确、及时的感知执行端受力情况的问题，避免了因操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题。

2、本发明的可穿戴的轮式止动力反馈操控装置设置有压力传感器，能够及时检测到操作者施加在操控关节或操控装置上的操纵压力。同时，本发明动作执行装置的压力传感器能够检测到执行端的接触压力。

3、本发明的可穿戴的轮式止动力反馈操控装置的控制装置能够根据操纵压力、接触压力的大小以及相互关系，将遥操纵机器的受力状况通过轮式止动机构的锁止或释放的方式反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度。

4、本发明的可穿戴力反馈关节的穿戴卡环时通过紧固件卡紧安装在随动杆上的，卡环固定端能够在安装槽中滑动，进一步，可调节卡环在随动杆上的安装位置。本发明的轮式止动力反馈关节能够调节卡环在随动杆的安装位置，可以适应不同的操控者，避免了因为操控者的身体结构与操控装置不匹配影响操控精度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为轮式止动力反馈关节结构示意图(俯视)；

图2为轮式止动力反馈关节结构示意图(仰视)；

图3为一种可穿戴的轮式止动力反馈手套；

图4为一种动作执行关节(俯视)；

图5为一种动作执行关节(仰视)；

图6为一种动作执行机械手。

附图标记：

1-支撑座；2-轮式止动机构；21-止动轮；22-止动推杆；23-推动器；3-随动杆；4-卡环；41-随动杆a向压力传感器；42-随动杆b向压力传感器；43-紧固件；5-固定杆；6-动作杆；7-旋转器；8-动作杆a向压力传感器；9-动作杆b向压力传感器；10-第一止动轮；11-第一止动推杆；12-安装座；13-控制装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种可穿戴的轮式止动力反馈关节，包括：支撑座1、随动杆3、轮式止动机构2、卡环4和紧固件。轮式止动机构包括：止动轮21、止动推杆22和推动器23。卡环4上安装有随动杆a向压力传感器41和随动杆b向压力传感器42。

具体地，随动杆3与支撑座1之间铰接，轮式制动机构2的止动轮21安装在随动杆3上，随动杆3随着操控人员动作相对于支撑座1转动时，止动轮21也同步旋转。

优选地，止动轮21的中心轴与关节的转动中心重合，即止动轮的中心轴与随动杆3与支撑座1的转动中心同轴，这样可以保证随动杆3相对于支撑座1转动时，止动轮21也沿自身中心转过相同的角度，且止动轮21位置不变。

具体地，止动推杆22为u型杆，其左右两端卡合在支撑座1的两侧，且能够沿支撑座的长度方向前后移动，如图1所示。

具体地，推动器23安装在支撑座1上，推动器23可以为电动、气动、电磁、液压的动作发生器，推动器23可以输出直线位移。推动器与止动推杆22连接，止动推杆22在推动器23的带动下沿支撑座长度方向前后移动。

以下为推动器推动止动推杆直线位移的几种方式：

其一，推动器23为电机，电机与止动推杆22之间通过蜗轮蜗杆连接。

电机能够输出转矩，在电机的转动输出杆的末端安装蜗轮，蜗轮与蜗杆配合将转动输出转化为直线位移，将止动推杆22与蜗杆连接。需要锁止止动轮时，电机带动止动推杆22前移与止动轮21接触，限制止动轮21转动。

其二，推动器23为气缸或液压缸，气缸或液压缸能够输出直线位移，气缸或液压缸的移动端与止动推杆22连接。

其三，推动器23为电磁装置，推动器23与止动推杆22通过弹簧连接，止动推杆22上设置有磁铁。

止动轮21与止动推杆22设置在电磁装置一侧时：关节自由状态时，电磁装置产生磁力，电磁吸力吸引止动推杆22上的磁铁，使止动推杆22远离止动轮21，此时弹簧处于压缩状态。需要锁止关节时，电磁装置减小吸力或断电取消电磁力，止动推杆22在弹簧弹力的作用下向止动轮21移动，与止动轮21通过卡合或摩擦的方式接触，阻止止动轮21转动，进一步，限制随动杆3相对支撑座1转动。

另外，采用电磁装置和弹簧结合实现止动轮21的锁止功能时，也可以采用将电磁装置设置在止动轮21与止动推杆22之间的方式。

常态时，止动轮21自由转动，弹簧处于自由状态。锁止时，通过电磁吸力吸引止动推杆22向止动轮21移动，压缩弹簧，依靠电磁吸力使止动推杆22与止动轮21接触锁止。

止动推杆22为u型结构，止动推杆22卡合安装在支撑座1的两侧，其顶部连接推动器23，止动推杆22在推动器23的带动下沿支撑座长度方向前移，与止动轮21接触，限制止动轮21转动，限制随动杆3转动

具体地，为了实现通过止动推杆22前移限制止动轮21转动的作用效果，止动轮21可以是带齿的齿轮或棘轮，也可以是表面粗糙具有较大摩擦力的轮。

止动轮21为齿轮时，止动推杆22的顶端设置能够卡入齿轮齿间间隙的尖锐凸起，作为止动推杆22与止动轮21的接触端。

止动轮21为摩擦轮时，止动推杆22的接触端可以为圆弧形表面粗糙的突起结构，保证止动推杆22前移时立即阻止止动轮21转动而不会产生滑移。

优选地，止动轮21为带齿的齿轮，止动推杆22的接触端设置尖锐凸起，在执行锁止指令时卡入齿轮阻止止动轮转动。

具体地，随动杆3前端设置卡环4，卡环4作为力反馈关节的穿戴结构，提供人体的穿戴空间。使用时，操控者的手指或其他关节套入卡环4中，操控者做出操控动作，带动随动杆3转动。

值得注意的是，由于人的手指(或其他关节)的长度不同，为了避免操控关节与操控人员的指关节不匹配影响操控精度，随动杆3上开有长方形的安装槽，卡环4上部设置柱状的固定端，固定端卡入安装槽中并在另一侧通过紧固件拧紧固定。

优选地，卡环4与紧固件通过螺纹连接，需要调整卡环4在随动杆3上的安装位置时，旋转松开紧固件，将卡环4沿长条型安装槽孔移动到指定位置后，拧紧紧固件将卡环4与随动杆3压紧固定。

优选地，卡环4内侧的上部设置随动杆a向压力传感器41，下部设置随动杆b向压力传感器42。随动杆a向压力传感器41监测操作者向内弯曲关节时，施加在轮式止动力反馈关节上的作用力。随动杆b向压力传感器42监测操作者向外伸张关节时，施加在轮式止动力反馈关节上的作用力。

优选地，随动杆3上设置有姿态、速度、加速度传感器，以及压力传感器，感应因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息。

值得注意的是，轮式止动力反馈关节有多个时，多个关节可以通过串联、并联或串并联结合的方式组成人体的手指、手掌、手臂、头部、躯干的可穿戴力反馈装置。

实施时，

随动杆3可相对于支撑座1以铰接点为中心转动，操控者进行操作动作时，本发明的轮式止动力反馈关节跟随操纵者的动作，关节上安装的动作捕捉系统采集动作信息发送给将动作执行装置执行相应的动作。

卡环4上的压力传感器向控制装置传递操控人员施加在轮式止动力反馈关节上的操纵压力，控制系统根据操控关节的操纵压力及动作执行装置的执行端接触物品所产生的接触压力的大小及其相互关系做出判断，进一步，发送指令控制轮式止动机构2的锁止或松开。

具体地，推动器23带动止动推杆22伸出，止动推杆22前移与止动轮21卡合或紧密接触，锁止止动轮21，限制随动杆3随操纵动作相对支撑座1转动。当需要进一步操作时，止动推杆22收回，推动器23带动止动推杆22后移，止动推杆22与止动轮21分离，释放止动轮21，随动杆3可以相对于支撑座1转动，止动轮21也跟随随动杆3的转动旋转。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案具有以下技术效果：

本发明的轮式止动力反馈关节采用轮式止动机构2，通过止动推杆22与止动轮21的卡死或松开来实现操控关节或操控装置的操作锁止和自由动作的切换。实现了操作端的及时止动，达到更精确的操控效果，避免了不能及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题。

本发明的轮式止动力反馈关节的穿戴卡环4时通过紧固件卡紧安装在随动杆3上的，卡环4固定端能够在安装槽中滑动，进一步，可调节卡环4在随动杆3上的安装位置。

本发明的轮式止动力反馈关节能够调节卡环4在随动杆3的安装位置，可以适应不同的操控者，避免了因为操控者的身体结构与操控装置不匹配影响操控精度。

实施例二

一种可穿戴的轮式止动力反馈操控装置，包括至少一个轮式止动力反馈关节、动作捕捉系统和控制装置13；

轮式止动力反馈关节有多个时，多个所述轮式止动力反馈关节通过串联或并联组合为可穿戴的力反馈装置；

动作捕捉系统安装在力反馈关节上，包括：安装在关节转动位置处的角度传感器及安装在关节件上的压力传感器，用于采集因操纵动作而产生的动作信息，包括：姿态、速度、加速度及操纵压力；

控制装置13用于将动作捕捉系统采集到的动作信息发送到动作执行装置执行；控制装置还用于控制轮式止动力反馈关节的止动轮21的解锁或锁止。

具体地，动作执行装置包括至少一个动作执行关节；动作执行关节包括：动作杆6、旋转器7和固定杆5；动作杆6与固定杆5通过旋转器7连接；旋转器7用于控制动作杆6相对于固定杆5转动；动作杆6上设置有动作杆a向压力传感器8和动作杆b向传感器9。

力反馈关节上的随动杆a/b向压力传感器监测操控装置的操纵压力，动作执行装置关节上的动作杆a/b向压力传感器监测动作执行装置的与被执行物体之间的接触压力。

实施时，力反馈操控系统的控制过程为：

1、人体的部位(如手指、手臂、头部、躯干等)向a向动作时，压向反馈装置a向压力传感器，此时，力反馈装置上的止动推杆22处于锁止状态，阻止随动杆向a方向运动。

2、力反馈装置随动杆a向压力传感器41的压力值，大于动作杆a向压力传感器8的压力值，且力反馈装置的b向压力传感器压力值等0或小于某个微小值时，控制装置发出指令给动作杆6的旋转器7，驱动动作杆6向a向旋转，同时，发出指令给止动推杆22的推动器，将止动推杆22拉离止动轮21，使得止动轮21处于可自由旋转的的松开状态。

3、当动作杆a向压力传感器8的压力值重新大于力反馈装置a向压力传感器的压力值时，控制装置发出指令停止动作杆6的旋转，同时，发出指令给止动推杆22的推动器，将止动杆推22向止动轮21，使得止动轮21处于不能旋转的止动状态，停止力反馈操控装置的动作。

4、当随动杆b向压力传感器42的压力值大于动作杆b向压力传感器9的压力值，且力反馈装置的a向压力传感器压力值等0或小于某个微小值时，控制装置13发出指令给动作杆6的旋转器7，驱动动作杆向b向旋转，同时，发出指令给止动推杆22的推动器，将止动推杆22拉离止动轮21，使得止动轮21处于可自由旋转的的松开状态。

5、当动作杆b向压力传感器9的压力值重新大于力反馈装置b向压力传感器的压力值时，控制装置13发出指令停止动作杆6的旋转，同时，发出指令给操控装置的止动推杆22的推动器23，将止动推杆22推向止动轮21，使得止动轮21处于不能旋转的止动状态。

6、当力反馈装置a向、b向压力传感器的压力值，都小于某个预定值时，控制装置13发出指令给止动推杆22的推动器，将止动推杆22推向止动轮21，使得止动轮21处于不能旋转的止动状态。

综上，本实施例在可穿戴的轮式止动力反馈操控装置控制被驱动的机器肢体进行动作时，对操控装置的每一个关节的力反馈装置采用实施例一中的基于轮式止动的力反馈控制方法。动作执行装置执行可穿戴的轮式止动力反馈操控装置的每一个关节动作；并将动作时接触到环境物体的力反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升。

实施例三

本实施例提供一种可穿戴的轮式止动力反馈操控手套，可穿戴的轮式止动力反馈操控手套作为力反馈操控系统的操纵端。

具体地，如图3所示，可穿戴的轮式止动力反馈操控手套包括:安装座12、控制装置13和五个力反馈手指关节。

具体地，每个力反馈手指关节以铰接的方式串联两个轮式止动力反馈关节，也就是包括串联的三个关节件，具有两个转动中心，每个转动位置处均设置轮式止动机构。

每个轮式止动力反馈关节均包括两个关节件，两个轮式止动力反馈关节串联后，前一个轮式止动力反馈关节的随动杆3作为后一个轮式制动力反馈关节的支撑座1。也就是说，与安装座12(手掌)相连的关节的随动杆作为指尖关节的支撑座，即每个力反馈手指关节包括三个关节件，两个转动中心，两个轮式止动力反馈机构，如图3所示。

其中，与拇指配合的力反馈手指关节通过第一止动轮10转动安装在安装座12上。另外，在安装座12上设置第一止动推杆11用于实现第一止动轮10的锁止，锁止原理与其他轮式止动机构相同。与拇指配合的力反馈手指关节与安装座之间的转动位置处设置角度传感器，第一止动轮10与第一止动推杆11及其推动装置构成一个轮式止动力反馈结构。

此时，整个指关节作为随动件，安装座12相当于单个关节的支撑座1，用于实现拇指的开合动作。具体地，与拇指配合的力反馈手指关节与第一止动轮10固定连接，第一止动轮10与安装座12转动连接。作为拇指关节与安装座12的转动中心的第一止动轮10的转动方向与其他止动轮21的转动方向垂直，用于实现拇指相对于其他四个手指的张开闭合动作。

其余四个手指关节均安装在安装座上，且相互之间并列，与人体除拇指外的其余四指配合。由于人的手指长度不同，手指关节末端关节件上的卡环4可以通过紧固件调节其在关节件随动杆3上的安装位置，以适应人体的手部结构。

优选地，在每一个关节件上设置压力传感器，在转动位置处都设置角度传感器，将驱动装置采集的手掌动作而产生的各关节包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到执行端驱动装置的控制器。

如图6所示，本实施例中执行端的动作执行装置为一种机械手，用于执行操纵端的操纵动作，并获取执行动作时感受到的外界作用力。动作执行装置的机械手包括手掌和五个手指关节，手指关节与手掌之间转动连接，且每个手指关节包括至少两个动作执行关节。

动作执行关节包括：动作杆6、旋转器7和支撑杆5，如图4和图5所示。动作杆6、旋转器7和支撑杆5构成拇指的一个转动关节，以单个转动关节为例介绍动作执行关节的结构及动作原理。

动作杆6通过旋转器7与支撑杆5连接；

旋转器7通过接收信息带动动作杆6相对支撑杆5旋转；

具体的，旋转器7接收的信息，为操纵端的控制器发送的包含姿态、速度及加速度在内的信息；

旋转器7根据以上信息，控制动作杆6产生与随动杆3相同的旋转动作。

特殊的，在动作杆6上安装有动作杆a压力传感器8和动作杆b向压力传感器9，用来获取执行动作时感受到的外界作用力。

实施时，力反馈控制过程包括以下步骤：

步骤s1：操纵端的力反馈关节跟随操纵动作运动，采集因操纵动作而产生的包括姿态、速度、加速度及操纵压力在内的信息，发送到操纵端的控制装置；

步骤s2：操纵端的控制器将产生包含姿态、速度及加速度在内的信息发送到执行端，控制执行端的动作执行装置执行相应的操纵动作，接收执行操纵动作时感应的接触压力；

步骤s3：操纵端的控制器根据操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令到力反馈装置的轮式止动机构2，解锁轮式止动机构2，使力反馈装置跟随操纵动作运动，或锁止轮式止动机构2，使力反馈装置停止跟随操纵动作运动。

操纵端的控制装置根据操纵压力、接触压力大小以及相互关系，输出解锁指令或锁止指令的控制过程与实施例二中力反馈操控系统的控制过程的控制原理一致。

综上所述，本实施例在可穿戴在手掌的驱动装置控制被驱动的机器肢体进行动作时，对每一个关节采用实施例一中的基于轮式止动的力反馈控制方法，操纵在机器手掌的每一个关节动作；并将力反馈给操纵人员，使操纵人员能够精确操纵机器，实现了控制与感知的双向同步，提高了遥操控的临场沉浸感，大幅提高了遥操作的动作精度和实时程度，克服了操作端无法让操作者精确、及时感知执行端受力情况导致的操控失误破坏被执行物品或执行接触力未达到要求值的问题，使人员操作准确性、实时性、容错性大为提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。