专利名称：手指力觉反馈装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种能够安装在操作者手指上，与计算机控制系统配合，根据外部输入信号在操作者手指表面产生作用力的力反馈装置。作用力的大小取决于外部输入信号，而作用力的方向基本上垂直于手指表面。利用安装在力觉反馈单元上的力传感器，可以对操作者手指的受力进行反馈控制。
本实用新型的典型应用是将多个力觉反馈单元安装在数据手套上，与数据手套配合，构成带力觉反馈功能的数据手套----“力觉反馈数据手套”。这种“力觉反馈数据手套”可以用于需要“力觉临场感”的遥操作机器人系统，使操作者在利用数据手套对机器人多指手进行遥控操作时，能够直接感觉到机器人多指手的受力状况，即能够得到所谓的“力觉临场感”，从而达到更好地完成操作任务的目的。这种“力觉反馈数据手套”也可以用于虚拟现实系统中，使操作者在利用数据手套触摸计算机生成的虚拟世界时得到相应的触觉和力觉反馈，产生与虚拟世界进行交互的感觉，即得到所谓的“沉浸感”。虽然实现触觉反馈和力觉反馈的途径很多，但如何得到真实的力觉反馈，并使实现力觉反馈的装置本身不影响操作者手指运动的问题一直没有得到解决。已知的力觉信息反馈装置有以下几种a)振动-触觉式力觉反馈系统的基本工作原理是在传感手套中安装数量不同的线圈，通过给线圈加上某一频率的高频电流使线圈起振，从而产生力觉效应。采用了这种方式的力觉反馈装置有美国Audiological Engineering INC公司和EXOS公司的产品。CyberTouch和EXOS公司的Touch Master中就采用了振动音圈作为力觉反馈元件，但是振动音圈尺寸较大，难以制作出高密度阵列。TeleSensory公司研制的阵列式力觉反馈器件具有100个刺激点，其空间分辨率为1.9-3.8mm，振动频率为230Hz。电刺激力觉反馈是采用表面电极刺激、神经肌肉刺激或静电刺激方式产生力觉感受的生物刺激方法。美国Louisiana技术大学和Wisconsin大学正在研制硅基底静电力觉反馈装置，它是在硅片上制作电极阵列，并覆盖聚酰亚胺薄膜作为电绝缘层。当电极上施加200-600V的电压时，对触摸该硅片的手指表皮产生静电吸引力，从而在相应位置感觉接触。以上这些方式的缺点是力觉反馈信息并不是真正的力信号，所以难以产生真正的力觉临场感。
b)气动式力觉反馈系统的基本工作原理是在传感手套中所需的位置安装可以进行充放气的气囊，这些气囊的充放气根据机器人多指手上的力觉传感器的信号大小进行，使操作者产生力觉感受。这种方式的主要缺点是由于气囊的体积较大，只能产生较大范围的力觉感应；此外该方式也还存在反馈装置比较复杂，充放气装置成本较高的缺点。采用了这种力觉反馈方式的有美国的AdvancedRobotics Research Ltd.公司和Airmuscle Ltd.公司。
c)形状记忆合金加热/冷却式力觉反馈装置的基本工作原理是采取对形状记忆合金丝进行通电加热和断电冷却的方式对形状记忆合金的长度进行控制，并由此间接控制与手指接触的触头的位置，从而达到在操作者手上产生不同的力觉感受的目的。这种方式的主要缺点是由于记忆合金需要通过加热和冷却进行控制，因此响应速度慢，难以实用化。采用这种力觉反馈方式的有美国哈佛大学等。
d)英国Hull大学利用电流变体材料在电场作用下会由液体转变成固体的特性，研制的高密度的被动式力觉反馈装置。它是通过电极点阵施加电场而使电流变体在要求的部位变硬，这样可以在表面摸出虚拟物体的形状，达到被动触觉的效果。其原理性样机的空间分辨率达到2mm，位移变化为1mm，但是这种装置需要施加2000V或更高的工作电压，限制了其通用性。
除了上述方案之外，还有人提出了利用压电材料的逆压电效应在操作者的手上产生力觉感应的方案。但是，由于目前的压电材料在逆压电效应时所产生的位移只能在(m数量级，而为了在人手上产生较有真实感的力觉临场感效应，力觉反馈装置所产生的位移应该在2mm以上，所以这种方法在实用性方面也有较大问题。
目前的力觉信息反馈装置方案还存在一个共同的缺点，那就是没有对反馈至操作者手上的反馈力进行闭环控制，因此难以保证操作者受到的力与遥控客体或者虚拟客体受到的力相同。此外，多数力觉信息反馈装置的驱动装置难以在操作者手指上产生足够大压力，因而也难以产生真实的力觉临场感。
本实用新型的目的在于提出一种可以与数据手套配合使用，根据外部信号输入，对操作者手指直接产生作用力，并可以对该作用力实现反馈控制的手指力反馈装置。该装置采用线性电磁铁作为驱动部件，系统体积小，结构简单，成本低，可产生所需的驱动力。实现力传动的蛇管和钢丝绳机构体积很小，并具有极好的柔性，可以随操作者的手自由运动。
本实用新型的技术要点在于其基本结构如图1所示。
线性电磁铁1为驱动器件，被固定在支架16上。线性电磁铁的衔铁2的一端与复位弹簧4的一端由螺栓3固定在一起。复位弹簧4的另一端固定在支架16上。钢丝绳5穿过由细钢丝绕制而成的蛇管7，其一端与衔铁2固定在一起，另一端与滑杆9的一端固定在一起。蛇管7的一端被螺栓6固定在支架16上，另一端固定在滑槽8上。滑槽8固定在手指外骨架11上。手指外骨架11用以将滑槽固定在操作者手指上。滑杆9为L型结构，其一端与钢丝绳5相连，安装在滑槽8内，并可以在滑槽中移动。滑杆的另一端安装有固定螺栓12。固定螺栓12上安装有触头13，用以在操作者手指14上产生作用力。触头13上安装有力传感器15。该手指力觉反馈装置的特征在于是由计算机、A/D板卡、D/A板卡和PWM驱动电路完成外部输入信号采样、控制信号处理和线性电磁铁驱动的装置，所用蛇管是由钢丝紧密绕制而成的无间隙的弹簧管，所用的钢丝绳为多股不锈钢丝绕制而成。滑槽内装有复位用压簧，滑杆的一端安装有可调节的固定螺栓，触头安装在固定螺栓上。
本实用新型提出的手指力觉反馈装置的主要优点如下由于采用线性电磁铁作为驱动部件，系统体积小，结构简单，成本低，可产生所需的驱动力。实现力传动的蛇管和钢丝绳机构体积很小，并具有极好的柔性，可以随操作者的手自由运动。在操作者手上产生作用力的滑槽-滑杆-触头机构结构简单、紧凑，可以通过外骨架固定在操作者手指上，并且不影响手指的动作，易于将多个力反馈单元安装在数据手套上，构成具有力反馈功能的“力觉反馈数据手套”。对操作者手指施力的触头部分安装有力传感器，可以对操作者手指的受力进行反馈控制，使操作者手指的受力与外部输入相同，从而保证了操作者可以得到比较真实的“力觉临场感”或“沉浸感”，增加了系统的实用性。
图1为手指力觉反馈装置结构图1-线性电磁铁，2-衔铁，3-固定螺栓，4-复位弹簧，5-钢丝绳，6-螺栓，7-蛇管，8-滑槽，9-滑杆，10-复位弹簧，11-手指外骨架，12-固定螺栓，13-触头，14-操作者手指，15-力传感器，16-固定支架图2为手指力觉反馈装置系统图实施例本装置与计算机控制系统配合使用。系统工作原理如图2所示。计算机控制系统通过A/D板卡对外部输入信号进行采样，并通过一定的控制算法给出控制信号。计算机的控制信号通过D/A板卡和PWM方式的驱动电路加在线性电磁铁1的线圈上，对线性电磁铁进行驱动。当没有外部信号输入时，控制信号为零，线性电磁铁的驱动电压为零，其衔铁2被复位弹簧4向右拉出，而滑杆9也在复位弹簧10的作用下脱离操作者手指，蛇管内的钢丝绳处于绷紧状态。当有外部信号输入时，计算机控制系统给出控制信号和对线性电磁铁的驱动电压。当线性电磁铁的驱动电压足够大时，电磁铁线圈产生的电磁力大于复位弹簧4的拉力，衔铁2克服弹簧拉力沿其内腔向左滑动，并对钢丝绳5产生拉力。由于线性电磁铁的线圈产生的电磁力与输入电压成正比，所以衔铁2的位移也与线性电磁铁的输入电压成正比。
钢丝绳5受到拉力时蛇管7将受到垂直于其截面的压力。由于蛇管本身由细钢丝紧密绕制而成，在受到垂直于其截面的压力时其长度保持不变，而且蛇管7的两端分别固定在支架16和滑槽8上，所以钢丝绳两端的位移基本上与衔铁2的位移相同。当衔铁2产生位移时，与钢丝绳一端固定在一起的滑杆9将在滑槽8中产生相同位移。另一方面，由于滑槽8固定在手指外骨架11上，而手指外骨架11又被固定在操作者手指上，所以滑杆9在滑槽8中的位移即为触头13相对于操作者手指的位移。当滑杆9的位移足够大时，触头13将与操作者手指14发生接触，使操作者产生触觉。而当滑杆9的位移进一步增加时，触头13作用于操作者手指表面的作用力也将随之增加。因此，控制线性电磁铁1的输入电压，即可以控制电磁铁衔铁2的位移，从而达到控制触头13作用于操作者手指表面的作用力的目的。
由于触头13上装有力传感器15，可以对操作者手指的实际受力进行检测。因此，在使用本实用新型提出的手指力觉反馈装置时，可以根据外部输入信号与操作者手指的实际受力之间的误差进行反馈控制，保证操作者手指的受力与外部输入达到一致。
权利要求1.一种由电磁铁、弹簧、蛇管-钢丝绳传动机构、手指外骨架、滑杆-滑槽、触头、力传感器和固定支架等部分组成的手指力觉反馈装置；其特征在于电磁铁为线性电磁铁并固定在支架上，弹簧为复位弹簧，其一端与线性电磁铁的衔铁固定在一起，另一端固定在支架上；蛇管的一端固定在支架上，另一端固定在滑槽上；滑槽固定在手指外骨架上；钢丝绳穿过蛇管，其一端与电磁铁的衔铁固定在一起，另一端与滑杆的一端固定在一起；滑杆安装在滑槽内，其一端与钢丝绳固定在一起，另一端安装有固定螺栓，固定螺栓上安装有触头，触头上安装有力传感器。
2.根据权利要求1所述的手指力觉反馈装置，其特征在于所用蛇管是由细钢丝紧密绕制而成的无间隙的弹簧管。
3.根据权利要求1所述的力手指力觉反馈装置，其特征在于所用的钢丝绳为多股不锈钢丝绕制而成。
4.根据权利要求1所述的手指力觉反馈装置，其特征在于滑槽内装有复位用压簧。
5.根据权利要求1所述的手指力觉反馈装置，其特征在于滑杆的一端安装有可调节的固定螺栓，触头安装在固定螺栓上。
专利摘要手指力觉反馈装置属于一种能够安装在操作者手指上,与计算机控制系统配合,根据外部输入信号在操作者手指表面产生作用力的力觉反馈装置。作用力的方向基本上垂直于手指表面,而作用力的大小则取决于外部输入信号的大小。本发明由线性电磁铁、蛇管—钢丝绳力传动机构、手指外骨架、滑杆、滑槽、触头、力传感器和固定支架等部分组成,可以对操作者手指的受力进行反馈控制。该装置可以用于各种希望在手指上得到力觉反馈的系统。
文档编号G05B15/00GK2374876SQ99205010
公开日2000年4月19日 申请日期1999年3月4日 优先权日1999年3月4日
发明者原魁, 朱海兵 申请人:中国科学院自动化研究所