外骨架穿戴式数据手套的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种外骨架穿戴式数据手套。包括手背基板组件、拇指构架、三个结构相同的主指构架、一个小指构架；手套的食指、中指、无名指均为主指构架，手套的小指为小指构架，主指构架和小指构架结构相同，但尺寸不同，手背基板组件上端分别与食指、中指、无名指、小指各自对应的三个主指构架和一个小指构架连接，手背基板组件的拇指一侧与拇指构架连接。本发明仿生人手骨骼结构，穿戴在手背上，轻巧灵活，不约束人手的自由度，可测量五个手指各关节的运动数据。
【专利说明】外骨架穿戴式数据手套
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数据手套，尤其是涉及虚拟现实人机交互的一种外骨架穿戴式数据手套。
【背景技术】
[0002]虚拟现实技术已在工业、医学、教育、娱乐和军事等多个领域得到应用，引起世人广泛关注。
[0003]与基于鼠标、键盘和视窗等传统的交互方式不同，虚拟现实将复杂场景进行三维可视化，给用户呈现立体的交互环境，提供了一种多通道人机交互方式。虚拟现实数据手套直接目的在于实时获取人手的动作姿态，使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。
[0004]数据手套实现的关键在于手指等各个有效部位的弯曲、外展等测量，最根本的就是，确定传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系。然而，目前数据手套由于传感器数目较多，而且响应的标定和解耦计算十分复杂，进行实时处理时困难较大。因此，数据手套的发展与应用只是处于初级阶段，具有很大的研发空间。
【发明内容】
[0005]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明公开了一种外骨架穿戴式数据手套，采用机械式方法测量各手指关节弯曲角度和可靠度高的光栅传感器测量各手指的外展角度，传感器数目小，结构紧凑，可有效测得各手指的运动数据。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明包括手背基板组件、拇指构架、三个结构相同的主指构架、一个小指构架；手套的食指、中指、无名指均为主指构架，手套的小指为小指构架，主指构架和小指构架结构相同，手背基板组件上端分别与食指、中指、无名指、小指各自对应的三个主指构架和一个小指构架连接，手背基板组件的拇指一侧与拇指构架连接。
[0007]所述的手背基板组件包括手背基板和四个手背连杆；手背连杆为Y形支架，手背连杆的Y形支架集合端固定安装在手背基板上端，四个手背连杆的Y形支架分叉端分别与三个主指构架和一个小指构架连接并构成转动副。
[0008]所述的拇指构架包括弧状联接件、拇指指根联接组件、第一拇指连杆组、第二拇指连杆组、两个拇指指套、拇指指中联接件、拇指指尖联接件、两根拇指牵引线、两个拇指牵引线护套；弧状联接件的一端连接在手背基板组件中手背基板的拇指一侧，弧状联接件的另一端开有弧状导轨槽，拇指指根联接组件一端滑动连接在弧状联接件的弧状导轨槽中；第一拇指连杆组、第二拇指连杆组均由两个相互铰接的连杆组成，第一拇指连杆组的一端通过转动副连接到拇指指根联接组件的另一端上，第一拇指连杆组的另一端和第二拇指连杆组的一端通过转动副连接在拇指指中联接件上，第二拇指连杆组的另一端与拇指指尖联接件通过转动副连接，拇指指中联接件和拇指指尖联接件下端均各自设有拇指指套；两个拇指牵引线护套的一端分别固定安装在拇指指根联接组件和拇指指中联接件上，两根拇指牵引线分别套在两个拇指牵引线护套内，一根拇指牵引线一端从与拇指指根联接组件连接的拇指牵引线护套中伸出后固定在拇指指中联接件上，另一根拇指牵引线一端从与拇指指中联接件连接的拇指牵引线护套中伸出后固定在拇指指尖联接件上。
[0009]所述的主指构架包括指根联接组件、第一主指指中联接件、第二主指指中联接件、主指指尖联接件、第一主指连杆组、第二主指连杆组、第三主指连杆组、三个主指指套、第一主指牵引线、第二主指牵引线、第三主指牵引线和三个主指牵引线护套；指根联接组件一端与手背连杆通过转动副连接，第一主指连杆组、第二主指连杆组、第三主指连杆组均由两个相互铰接的连杆组成，第一主指连杆组的一端通过转动副连接到指根联接组件的另一端，第一主指连杆组的另一端与第二主指连杆组的一端均通过转动副连接到第一主指指中联接件，第二主指连杆组的另一端与第三主指连杆组的一端均通过转动副连接到第二主指指中联接件，第三主指连杆组的另一端通过转动副连接到主指指尖联接件；第一主指指中联接件，第二主指指中联接件和主指指尖联接件下端均设有主指指套；三个主指牵引线护套的一端分别固定安装在指根联接组件、第一主指指中联接件和第二主指指中联接件上；第一主指牵引线、第二主指牵引线、第三主指牵引线分别套在三个主指牵引线护套内，第一主指牵引线一端从与指根联接组件连接的主指牵引线护套中伸出后固定在第一主指指中联接件上，第二主指牵引线一端从与第一主指指中联接件连接的主指牵引线护套中伸出后固定在第二主指指中联接件上，第三主指牵引线一端从与第二主指指中联接件连接的主指牵引线护套中伸出后固定在主指指尖联接件上。
[0010]所述的拇指指根联接组件包括拇指指根联接销、拇指指根联接座和指根联接组件；拇指指根联接座一端通过拇指指根联接销滑动连接在弧状联接件的弧状导轨槽中，指根联接组件的另一端通过转动副连接到第一拇指连杆组的一端上，指根联接组件安装在拇指指根联接座内。
[0011]所述的指根联接组件包括上旋转件、光栅、光栅信号收集器、旋转基座、轴承；上旋转件下端通过轴承转动连接在旋转基座上，光栅固定安装在上旋转件靠近拇指指根联接销的一侧上，用于采集光栅信号的光栅信号收集器固定安装在光栅正下方的旋转基座上，旋转基座安装在拇指指根联接座内，上旋转件通过转动副连接到第一拇指连杆组的一端上。
[0012]所述的指根联接组件包括上旋转件、光栅、光栅信号收集器、旋转基座、轴承:上旋转件下端通过轴承转动连接在旋转基座上，光栅固定安装在上旋转件靠近拇指指根联接销的一侧上，用于采集光栅信号的光栅信号收集器固定安装在光栅正下方的旋转基座上，旋转基座固定安装在手背连杆的Y形支架分叉端上，上旋转件通过转动副连接到第一主指连杆组的一端上。
[0013]本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是:
1、本发明采用机械式方法测量各手指关节弯曲角度和可靠度高的光栅传感器测量各手指的外展角度，传感器数目小，结构紧凑，可有效测得各手指关节运动数据。
[0014]2、本发明的拇指构架可以在弧状联接件的弧状导轨槽里运动，不仅可以让拇指的活动更加灵活，还可以让数据手套适应不同操作者手的尺寸，减少操作者在使用数据手套时的不适感。【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构示意图。
[0016]图2是本发明的拇指构架结构示意图。
[0017]图3是本发明的主指构架结构示意图。
[0018]图4是本发明的小指构架结构示意图。
[0019]图5是本发明的主指构架结构局部图。
[0020]图6是本发明的拇指指根联接组件结构示意图。
[0021 ] 图7是本发明的拇指指根联接组件结构爆炸图。
[0022]图8是本发明的指根联接组件结构示意图。
[0023]图9是本发明的指根联接组件结构爆炸图。
[0024]图中:1、手背基板组件，2、拇指构架，3、主指构架，4、小指构架，5、弧状联接件，6、手背连杆，7、第三小指牵引线，8、主指指套，9、第一主指连杆组，10、第一主指牵引线，11、主指指尖联接件，12、第一主指指中联接件，13、主指牵引线护套，14、拇指指套，15、拇指指尖联接件，16、拇指指中联接件,17、拇指牵引线护套，18、第一拇指连杆组,19、拇指指根联接组件，20、小指指套，21、第一小指牵引线，22、小指牵引线护套，23、小指指尖联接件，24、小指指中联接件，25、连杆，26、第二小指牵引线，27、拇指牵引线，28、上旋转件，29、光栅，30、光栅信号收集器，31、旋转基座，32、轴承，34、指根联接组件，35、拇指指根连接座，36、拇指指根连接销，37、手背基板，38、第二拇指连杆组，39、第二主指连杆组，40、第三主指连杆组，41、第二主指指中联接件，42、第二主指牵引线，43、第三主指牵引线。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0026]如图1、图2、图3所示，本发明包括手背基板组件1、拇指构架2、三个结构相同的主指构架3、一个小指构架4 ;手套的食指、中指、无名指均为主指构架3，手套的小指为小指构架4，主指构架3和小指构架4结构相同，但尺寸不同，小指构架4比主指构架3在尺寸上更小，手背基板组件I上端分别与食指、中指、无名指、小指各自对应的三个主指构架3和一个小指构架4连接，手背基板组件I的拇指一侧与拇指构架2连接。
[0027]如图1所示，所述的手背基板组件I包括手背基板37和四个手背连杆6 ;手背连杆6为Y形支架，手背连杆6的Y形支架集合端固定安装在手背基板37上端，四个手背连杆6的Y形支架分叉端分别与三个主指构架3和一个小指构架4连接并构成转动副，可顺从食指、中指、无名指和小指的基关节弯曲运动。
[0028]如图2所示，所述的拇指构架2包括弧状联接件5、拇指指根联接组件19、第一拇指连杆组18、第二拇指连杆组38、两个拇指指套14、拇指指中联接件16、拇指指尖联接件15、两根拇指牵引线27、两个拇指牵引线护套17 ;弧状联接件5的一端连接在手背基板组件I中手背基板37的拇指一侧，弧状联接件5的另一端开有弧状导轨槽，拇指指根联接组件19 一端滑动连接在弧状联接件5的弧状导轨槽中；第一拇指连杆组18、第二拇指连杆组38均由两个相互铰接的连杆组成，第一拇指连杆组18的一端通过转动副连接到拇指指根联接组件19的另一端上，第一拇指连杆组18的另一端和第二拇指连杆组38的一端通过转动副连接在拇指指中联接件16上，第二拇指连杆组38的另一端与拇指指尖联接件15通过转动副连接，姆指指中联接件16和姆指指尖联接件15下端均各自设有姆指指套14 ;两个拇指牵引线护套17的一端分别固定安装在拇指指根联接组件19和拇指指中联接件16上，两根拇指牵引线27分别套在两个拇指牵引线护套17内，一根拇指牵引线27 —端从与拇指指根联接组件19连接的拇指牵引线护套17中伸出后固定在拇指指中联接件16上，另一根拇指牵引线27 —端从与拇指指中联接件16连接的拇指牵引线护套17中伸出后固定在拇指指尖联接件15上。
[0029]如图6和图7所示，所述的拇指指根联接组件19包括拇指指根联接销36、拇指指根联接座35和指根联接组件34 ;拇指指根联接座35 —端通过拇指指根联接销36滑动连接在弧状联接件5的弧状导轨槽中，指根联接组件34的另一端通过转动副连接到第一拇指连杆组18的一端上，指根联接组件34安装在拇指指根联接座35内。
[0030]如图3、图5所示，所述的主指构架3包括指根联接组件34、第一主指指中联接件12、第二主指指中联接件41、主指指尖联接件11、第一主指连杆组9、第二主指连杆组39、第三主指连杆组40、三个主指指套8、第一主指牵引线10、第二主指牵引线42、第三主指牵引线43和三个主指牵引线护套13 ;指根联接组件34 —端与手背连杆6通过转动副连接，第一主指连杆组9、第二主指连杆组39、第三主指连杆组40均由两个相互铰接的连杆组成，第一主指连杆组9的一端通过转动副连接到指根联接组件34的另一端,第一主指连杆组9的另一端与第二主指连杆组39的一端均通过转动副连接到第一主指指中联接件12，第二主指连杆组39的另一端与第三主指连杆组40的一端均通过转动副连接到第二主指指中联接件41，第三主指连杆组40的另一端通过转动副连接到主指指尖联接件11 ;第一主指指中联接件12，第二主指指中联接件41和主指指尖联接件11下端均设有主指指套8 ;三个主指牵引线护套13的一端分别固定安装在指根联接组件34、第一主指指中联接件12和第二主指指中联接件41上；第一主指牵引线10、第二主指牵引线42、第三主指牵引线43分别套在三个主指牵引线护套13内，第一主指牵引线10 —端从与指根联接组件34连接的主指牵引线护套13中伸出后固定在第一主指指中联接件12上，第二主指牵引线42 —端从与第一主指指中联接件12连接的主指牵引线护套13中伸出后固定在第二主指指中联接件41上，第三主指牵引线43 —端从与第二主指指中联接件41连接的主指牵引线护套13中伸出后固定在王指指尖联接件11上。
[0031]如图4所示，所述的小指构架4包括指根联接组件34、小指指中联接件24、小指指尖联接件23、三组小指连杆组、小指指套20、第一小指牵引线21、第二小指牵引线26、第三小指牵引线7和三个小指牵引线护套22 ;指根联接组件34的一端通过转动副连接在手背连杆6的Y形支架分叉端上，三组小指连杆组各自均由两个相互铰接的连杆25组成，三组小指连杆组分为第一小指连杆组、第二小指连杆组和第三小指连杆组:第一小指连杆组的一端与指根联接组件34的另一端连接，第一小指连杆组和第二小指连杆组之间、第二小指连杆组和第三小指连杆组之间均通过各自的小指指中联接件24通过转动副连接，第三小指连杆组的另一端与小指指尖联接件23连接，两个小指指中联接件24和小指指尖联接件23下端均设有小指指套20 ;三个小指牵引线护套22的一端分别固定安装在指根联接组件34和两个小指指中联接件24上，三根小指牵引线21分别套在三个小指牵引线护套22内，第一小指牵引线21 —端从与指根联接组件34连接的小指牵引线护套22中伸出后固定在小指指中联接件24上，第二小指牵引线26 —端从与小指指中联接件24连接的小指牵引线护套22中伸出后固定在小指指中联接件24上，第三小指牵引线7 —端从与小指指中联接件24连接的小指牵引线护套22中伸出后固定在小指指尖联接件23上。
[0032]如图8和图9所示，所述的拇指指根联接组件19、主指构架3和小指构架4中的指根联接组件34结构相同，指根联接组件34包括上旋转件28、光栅29、光栅信号收集器30、旋转基座31、轴承32 ;上旋转件28下端通过轴承32转动连接在旋转基座31上，光栅29固定安装在上旋转件28底部，用于采集光栅29信号的光栅信号收集器30固定安装在光栅29正下方的旋转基座31上。
[0033]对于拇指构架2，指根联接组件34的旋转基座31安装在拇指指根联接座35内，上旋转件28通过转动副连接到第一拇指连杆组18的一端上。
[0034]对于主指构架3，指根联接组件34的旋转基座31固定安装在手背连杆6的Y形支架分叉端上，上旋转件28通过转动副连接到第一主指连杆组9的一端上。
[0035]对于小指构架4，指根联接组件34的旋转基座31固定安装在手背连杆6的Y形支架分叉端上，上旋转件28通过转动副连接到第一小指连杆组的一端上。
[0036]如图1，图8和图9所示，所述的指根联接组件34共有五个，分别安装在拇指构架
2、三个主指构架3和小指构架的底部，通过光栅29和光栅信号收集器30可以精确可靠的测量五个手指基关节外展角度的运动数据。
[0037]如图2，图3，图4和图5所示，所述的第一拇指连杆组18、第二拇指连杆组38、第一主指连杆组9、第二主指连杆组39和第三主指连杆组40结构相同，分别通过拇指指套14、王指指套8和小指指套20固定在手指上。以图5所不为例，当手指弯曲时，经王指指套8带动第三主指连杆组40进行相对的运动，使得第三主指牵引线43长度缩短。借助四杆机构运动原理，根据第三主指牵引线43缩短的长度，可以快速计算得到该手指关节的弯曲角度。监测第一主指牵引线8、第二主指牵引线42、第三主指牵引线43、第一小指牵引线21、第二小指牵引线26、第三小指牵引线7和拇指牵引线27的长度，可以实时求得五个手指各关节弯曲角度的运动数据。
[0038]因此，本发明能够有效测得各手指关节运动数据，包括手指五个基关节外展角度的运动数据和手指各关节弯曲角度的运动数据，传感器数目小，结构紧凑、可靠度高。
[0039]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:包括手背基板组件(I)、拇指构架(2)、三个结构相同的主指构架(3)、一个小指构架(4);手套的食指、中指、无名指均为主指构架(3)，手套的小指为小指构架(4)，主指构架(3)和小指构架(4)结构相同，手背基板组件(I)上端分别与食指、中指、无名指、小指各自对应的三个主指构架(3)和一个小指构架(4)连接，手背基板组件(I)的拇指一侧与拇指构架(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的手背基板组件(I)包括手背基板(37)和四个手背连杆(6);手背连杆(6)为Y形支架，手背连杆(6)的Y形支架集合端固定安装在手背基板(37)上端，四个手背连杆(6)的Y形支架分叉端分别与三个主指构架(3)和一个小指构架(4)连接。
3.根据权利要求1所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的拇指构架(2)包括弧状联接件(5)、拇指指根联接组件(19)、第一拇指连杆组(18)、第二拇指连杆组(38)、两个拇指指套(14)、拇指指中联接件(16)、拇指指尖联接件(15)、两根拇指牵引线(27)、两个拇指牵引线护套(17);弧状联接件(5)的一端连接在手背基板组件(I)中手背基板(37)的拇指一侧，弧状联接件(5)的另一端开有弧状导轨槽，拇指指根联接组件(19)一端滑动连接在弧状联接件(5)的弧状导轨槽中；第一拇指连杆组(18)、第二拇指连杆组(38)均由两个相互铰接的连杆组成，第一拇指连杆组(18)的一端通过转动副连接到拇指指根联接组件(19)的另一端上，第一拇指连杆组(18)的另一端和第二拇指连杆组(38)的一端通过转动副连接在拇指指中联接件(16)上，第二拇指连杆组(38)的另一端与拇指指尖联接件(15)通过转动副连接，拇指指中联接件(16)和拇指指尖联接件(15)下端均各自设有拇指指套(14);两个拇指牵引线护套(17)的一端分别固定安装在拇指指根联接组件(19)和拇指指中联接件(16)上，两根拇指牵引线(27)分别套在两个拇指牵引线护套(17)内，一根拇指牵引线(27) —`端从与拇指指根联接组件(19)连接的拇指牵引线护套(17)中伸出后固定在拇指指中联接件(16)上，另一根拇指牵引线(27)—端从与拇指指中联接件(16)连接的拇指牵引线护套(17)中伸出后固定在拇指指尖联接件(15)上。
4.根据权利要求1所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的主指构架(3)包括指根联接组件(34)、第一主指指中联接件(12)、第二主指指中联接件(41)、主指指尖联接件(11)、第一主指连杆组(9)、第二主指连杆组(39)、第三主指连杆组(40)、三个主指指套(8)、第一主指牵引线(10)、第二主指牵引线(42)、第三主指牵引线(43)和三个主指牵引线护套(13);指根联接组件(34) —端与手背连杆(6)通过转动副连接，第一主指连杆组(9)、第二主指连杆组(39)、第三主指连杆组(40)均由两个相互铰接的连杆组成，第一主指连杆组(9)的一端通过转动副连接到指根联接组件(34)的另一端，第一主指连杆组(9)的另一端与第二主指连杆组(39)的一端均通过转动副连接到第一主指指中联接件(12)，第二主指连杆组(39)的另一端与第三主指连杆组(40)的一端均通过转动副连接到第二主指指中联接件(41)，第三主指连杆组(40)的另一端通过转动副连接到主指指尖联接件(11);第一主指指中联接件(12)，第二主指指中联接件(41)和主指指尖联接件(11)下端均设有主指指套(8);三个主指牵引线护套(13)的一端分别固定安装在指根联接组件(34)、第一主指指中联接件(12)和第二主指指中联接件(41)上；第一主指牵引线(10)、第二主指牵引线(42)、第三主指牵引线(43)分别套在三个主指牵引线护套(13)内，第一主指牵引线(10)—端从与指根联接组件(34)连接的主指牵引线护套(13)中伸出后固定在第一主指指中联接件(12)上，第二主指牵引线(42) —端从与第一主指指中联接件(12)连接的主指牵引线护套(13)中伸出后固定在第二主指指中联接件(41)上，第三主指牵引线(43)—端从与第二主指指中联接件(41)连接的主指牵引线护套(13)中伸出后固定在主指指尖联接件(11)上。
5.根据权利要求3所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的拇指指根联接组件(19 )包括拇指指根联接销(36 )、拇指指根联接座(35 )和指根联接组件(34 );拇指指根联接座(35)通过拇指指根联接销(36)滑动连接在弧状联接件(5)的弧状导轨槽中，指根联接组件(34)的另一端通过转动副连接到第一拇指连杆组(18)的一端上，指根联接组件(34 )安装在拇指指根联接座(35 )内。
6.根据权利要求5所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的指根联接组件(34)包括上旋转件(28)、光栅(29)、光栅信号收集器(30)、旋转基座(31)、轴承(32)；上旋转件(28 )下端通过轴承(32 )转动连接在旋转基座(31)上，光栅(29 )固定安装在上旋转件(28 )靠近拇指指根联接销(36 )的一侧上，用于采集光栅(29 )信号的光栅信号收集器(30 )固定安装在光栅(29 )正下方的旋转基座(31)上，旋转基座(31)安装在拇指指根联接座(35)内，上旋转件(28)通过转动副连接到第一拇指连杆组(18)的一端上。
7.根据权利要求4所述的一种外骨架穿戴式数据手套，其特征在于:所述的指根联接组件(34)包括上旋转件(28)、光栅(29)、光栅信号收集器(30)、旋转基座(31)、轴承(32):上旋转件(28 )下端通过轴承(32 )转动连接在旋转基座(31)上，光栅(29 )固定安装在上旋转件(28)靠近拇指指根联接销(36)的一侧上，用于采集光栅(29)信号的光栅信号收集器(30 )固定安装在光栅(29 )正下方的旋转基座(31)上，旋转基座(31)固定安装在手背连杆(6)的Y形支架分叉端上，上旋转件(28)通过转动副连接到第一主指连杆组(9)的一端上。
【文档编号】B25J21/02GK103692454SQ201310672965
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】杨文珍, 鲍江峰, 李晓涛, 吴新丽 申请人:浙江理工大学