一种基于软体变刚度关节驱动器的力反馈手套的制作方法

本发明涉及一种穿戴式力反馈装置，特别涉及一种基于软体变刚度关节驱动器的力反馈手套。

背景技术：

现有的力反馈手套通常由驱动器和传动机构连接组成，如发明申请cn107927950a中公开了一种用于虚拟现实技术的力反馈手套，在手套每一个手指处还设有弯曲控制机构，弯曲控制机构包括电机与带齿皮带，在外套五个指尖的指甲部位向上设有第二凸起区，电机设置在第二凸起区内，电机的输出轴上连接有带齿轮轴，所述的带齿轮轴与带齿皮带啮合，带齿皮带沿手套手指长度方向从手背延伸至指尖并绕过指尖向后延伸至手掌，带齿皮带的两端分别连接于手掌固定片的手背处和手掌处，电机通过转动分配手指上部和下部的带齿皮带长度来控制活动关节的弯曲程度。电机通过转动分配手指上部和下部的皮带长度，导致张力的不同从而控制手指活动关节的位置，使手套手指模拟人手弯曲，配合指尖处触感的力反馈。这种传动机构在将驱动器的力矩/力传递到手指时引入了运动副摩擦，从而降低了自由空间仿真模拟的反馈体验，而且传动机构增加了手套的重量，长时间佩戴会造成手指疲劳。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于软体变刚度关节驱动器的力反馈手套，为了避免传动机构的副作用，将关节驱动器直接安装在手指关节上，用限制关节运动的原理来设计力反馈手套，以限制关节运动来模拟手指抓握的感觉，避免了传动机构的运动副摩擦和传动机构的重量。

本发明的技术方案是：一种基于软体变刚度关节驱动器的力反馈手套，包括关节驱动器，所述关节驱动器设置在手指的关节位置，用于限制手指关节的运动；所述关节驱动器包括变刚度密封结构和与所述变刚度密封结构内部联通的气管；控制系统通过气管对变刚度密封结构进行充气或抽气，通过控制变刚度密封结构内部的气压来控制其刚度。

进一步地，变刚度密封结构内部包括多层薄片，多层薄片叠加在一起。

进一步地，在每个关节位置处设置独立的关节驱动器。

进一步地，在多个关节位置处设置共用的关节驱动器。

进一步地，关节驱动器设置在手指关节的手掌一侧或手背一侧或相邻手指侧，或半包裹手指关节或全包裹手指关节。

本发明具有以下有益效果：现有技术中，力反馈手套多采用刚性连杆结构，力反馈手套对手指提供的力集中在指尖上，这样的话就造成了两个问题。一是刚性连杆机构相对沉重，二是单一的驱动器没有办法对指尖提供任意方向的力，并且力的方向往往不可控。在本发明中，我们使用了柔性关节驱动器，比目前已知的力反馈手套更加轻便。并且我们在手指上每一个关节都设置了关节驱动器，通过改变不同关节驱动器的气压，可以对每一个关节分别进行控制。通过基于雅可比矩阵的力学控制模型，我们可以得到任意方向任意大小的指尖力所对应的关节力矩。

附图说明

图1是力反馈手套的原理示意图。

图2是关节驱动器结构示意图。

图3是关节驱动器的安装位置示意图。

图4是关节驱动器的安装方式示意图。

图5是力反馈手套的物理样机图。

图6是力反馈手套的控制系统示意图。

图7是控制系统各个参数的示意图

其中，上述附图包括以下附图标记：1、手指；2、关节驱动器；3、变刚度密封结构；4、气管；5、薄片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于软体变刚度关节驱动器的力反馈手套，包括关节驱动器，如图1-2所示，关节驱动器2安装在手指1的每个关节上，关节驱动器2包括变刚度密封结构3和与变刚度密封结构3内部联通的气管4，变刚度密封结构3内包括多个薄片，薄片由纤维、或纸(包括砂纸，粗糙的纸)等制成，多个薄片叠加在一起。

当关节驱动器2内的气压与外界气压相同时，关节驱动器2可随着手指旋转自由弯曲，为手指关节提供很小的阻力力矩，这时是自由空间的仿真模拟。

当关节驱动器2被充气时，变刚度密封结构3内的气压大于外界气压，变刚度密封结构由于内部气压的作用而难以弯曲。当手指关节尝试旋转时，关节驱动器2将为手指关节提供一个大的阻力力矩。这时是约束空间的一种模拟方式。

当关节驱动器2被抽气时，变刚度密封结构3内的多个薄片贴在一起，彼此之间存在很大的摩擦力，使得整个变刚度密封结构3变硬并且难以弯曲。当手指关节尝试旋转时，关节驱动器2将为手指关节提供一个大的阻力力矩。这时是约束空间的另外一种模拟方式。

对于单层薄片可以将其剪出裂缝来降低其刚度，从而减少自由空间带来的阻力。

如图3所示，关节驱动器2可以设置在手指关节的手掌一侧或手背一侧或相邻手指侧，或半包裹手指关节或全包裹手指关节。

如图4所示，可以在每个关节位置处设置独立的关节驱动器即单关节约束模式，也可以在多个关节位置处设置共用的关节驱动器即多关节约束模式。

如图5所示，本发明力反馈手套的几种物理样机图。

如图6所示，力反馈手套的控制系统，包括运动跟踪系统，上位机，单片机，d/a转换器，电磁阀，过滤器，气泵，气压调节阀，力反馈手套的控制方法如下:利用触觉绘制算法设定每个指尖的虚拟抓取力；通过雅可比矩阵将指尖力转化为每个指关节的阻力力矩；

如下述公式所示，τ为关节力矩，f为折合的指尖力，j为雅可比矩阵。

τ＝j^tf

公式里面各个字母表示的意义参见图7所示。

将阻力力矩信号转换为相应关节上各关节驱动器的充气压力或抽气压力，控制电磁阀以产生预期的充气压力或抽气压力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。