一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套的制作方法

本发明涉及数据手套领域，具体是一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套。

背景技术：

虚拟现实技术，通常是指通过立体显示仪器设备、数据手套、机械臂等人机交互设备与计算机连接而构造出一种与人体视觉、听觉、触/力觉等感官类似的虚拟环境，在其中用户可以通过各种输入设备向计算机输入各种命令，从而计算机能向用户反馈在视觉、听觉以及触/力绝等多种感官上的信息。力反馈数据手套是虚拟现实技术中一种重要的硬件设备，与其他感官比如视觉、听觉、嗅觉的不同之处在于，其他感官信息只能单向传递，而力/触觉的感官信息可以在人体和虚拟环境之间双向传递，力反馈数据手套便起着这样一种传递信息的作用。当前，力反馈数据手套在很多领域已得到了广泛的应用，譬如航空航天、医疗、虚拟现实、娱乐、教学等领域。

传统的数据手套一般能够测量各个手指关节的弯曲角度和手指的空间位置，进而对虚拟从手进行精确的控制。然而，操作者无法通过数据手套来感知抓取物体的力度，缺少一种重要的临场感，从而失去了虚拟操作的真实感，特别是对于虚拟环境中的一些精密和复杂的任务，无法顺利完成。因此，开发出一种可以实现力/触觉临场感的虚拟操作设备，实现力反馈或虚拟力反馈，对于遥操作技术和虚拟现实技术的发展具有重大的应用价值。

公开号CN 100372503C的中国专利申请公开了一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套。公开号CN 2772746的中国专利申请公开了一种基于磁流变阻尼器的内骨骼式力反馈数据手套，这些装置能够实现一定的临场感，但仍存在一些问题；（1）前者是一种主动的力觉再现系统，但是容易出现故障，稳定性差；其次手部结构复杂，各个指节被束缚，手指关节承受额外力矩，临场感不好；（2）后者采用了磁流变阻尼器，驱动器在手掌内部，限制的手指的自然运动，破坏了临场感。因此，有必要发明一种力反馈数据手套，使手部操作灵活轻松，手指活动范围广，能够稳定有效的实现虚拟环境中的力觉再现，构造更好的临场感。

技术实现要素：
本发明针对现有技术的缺陷和改进需求，提供了一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈手套，以满足虚拟现实系统中的操作控制以及更好的实现临场感。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：包括手套套体和连接在手套套体左端的五个指套，手套套体顶面右端设有线性位移传感器支架，手套套体顶面左端设有五组与指套一一对应的线管支架，手套套体顶面中间设有磁流变阻尼器支架；

所述线性位移传感器支架沿水平方向并列安装有五个与指套一一对应的线性位移传感器，每个线性位移传感器的固定端分别连接在线性位移传感器支架左侧面，每个线性位移传感器的活动端分别水平向左；

所述磁流变阻尼器支架中设有五组与指套一一对应的双向磁流变阻尼器，每个双向磁流变阻尼器中心轴分别沿左右水平方向，每个双向磁流变阻尼器中活塞杆两端分别从缸筒对应端穿出，每个双向磁流变阻尼器的缸筒安装在磁流变阻尼器支架中，五组双向磁流变阻尼器各自活塞杆右端一一对应与五个线性位移传感器的活动端铰接；

五个手指中，对应于大拇指的指套的近指节位置安装有钢丝绳支架，其余四个指套的中指节位置亦分别安装有钢丝绳支架，每个钢丝绳支架左端分别转动安装有滑轮；

还包括五个与指套一一对应的沿左右方向延伸的可自由弯曲的线管，每个线管中分别同轴滑动设置有钢丝绳，钢丝绳两端分别从线管两端穿出，每个线管的右端分别固定在对应的线管支架左端，线管中钢丝绳右端穿过对应的线管支架后与对应的双向磁流变阻尼器中活塞杆左端连接，且线管支架与双向磁流变阻尼器之间的钢丝绳外套装有轻弹簧，轻弹簧左端固定在对应的线管支架右端，轻弹簧右端与对应的双向磁流变阻尼器活塞杆左端连接；每个线管的左端分别固定在对应的钢丝绳支架右端，线管中钢丝绳左端沿钢丝绳支架延伸并绕过钢丝绳支架左端滑轮后再分别连接有指托，共五个指托分别套在对应指套的远指节上，且每个指托的内壁分别设有压力传感器。

所述的一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：每个线性位移传感器的活动端分别连接有U型连接件，每个双向磁流变阻尼器的活塞杆右端铰接在对应的U型连接件中。

所述的一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：每个双向磁流变阻尼器的缸筒外表面分别成型有外螺纹，磁流变阻尼器支架中设有五个供双向磁流变阻尼器的缸筒一一对应穿过的通孔，磁流变阻尼器支架左、右方的缸筒上分别螺合安装有锁紧缸筒的固定螺母，通过调节两个固定螺母的位置，可调整每个双向磁流变阻尼器的轴向位置。

所述的一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：线管支架上端分别成型为中心轴沿左右水平方向的圆筒，圆筒右端分别安装有端盖，线管右端扩径为与圆筒左端匹配的盖体，且线管右端卡在对应的圆筒左端，轻弹簧左端固定在端盖右侧面。

所述的一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：每个钢丝绳支架右端分别连接有卡座，线管左端卡在卡座中，且线管左端成型有外螺纹，卡座中的线管外螺纹段上螺合安装有调节螺母，通过调节螺母调节线管左端在钢丝绳支架右端的位置。

所述的一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，其特征在于：所述线管包括管状的线管外壳，线管外壳内同轴设有管状螺旋钢，该螺旋钢可自由弯曲但在轴向为刚性的不可压缩，螺旋钢内同轴设有钢丝绳，钢丝绳柔软但不可拉伸，且螺旋钢内填充有包裹钢丝绳的润滑层。

一种采用基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套的VR系统，其特征在于：包括计算机与数据采集卡、A/D转换器、D/A转换器、电流控制器、VR眼镜，所述计算机与VR眼镜连接，计算机还与数据采集卡双向通讯连接，磁流变力反馈数据手套中的线性位移传感器、压力传感器分别与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与数据采集卡连接，D/A转换器的输入端与数据采集卡连接，D/A转换器的输出端与电流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端分别与各个双向磁流变阻尼器连接；所述的计算机系统与建模出的虚拟人手双向通讯，计算机输出角度信号命令，控制虚拟人手重新建模，虚拟人手反馈碰撞检测信号到计算机，虚拟人手和虚拟环境可以交互。

本发明提供一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，适用于进行虚拟操作触觉临场感方面的研究和应用。具有如下有益效果：

（1）磁流变阻尼器是以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，总体结构简单、造价低、可靠性高，具有安全，稳定，体积小等优点。通过被动的力反馈，由磁流变阻尼器为手指提供阻尼力，结合手指关节角度的测量，有利于实现从手的控制，更好的实现力觉的临场感 。

（2）采用线管钢丝绳实现运动和力的传递，解决了内骨骼活动范围太小导致破坏临场感的问题，也避免了连杆类外骨骼受力太复杂而导致的摩擦力过大和卡死现象，具有操作灵活轻松，力反馈实时准确的特点 。

（3）采集人手反馈力，加入闭环调节，通过比较反馈力和碰撞检测虚拟力的大小，进一步调节电流，从而调整磁流变阻尼器的阻尼力，能够消除轻弹簧和系统摩擦的影响，使力反馈更为准确，临场感更为真实。

（4）通过线管和钢丝绳的相对位移变化间接测量手指关节角度，实现了测量和力反馈的双重功能，使得手指部位无需安装角度测量装置，结构简单，重量减轻，也避免了手指关节和指节的额外受力，提高了临场感。

附图说明

图1是本发明一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套机构图。

图2是本发明单根手指结构图。

图3是本发明线管钢丝绳的结构图。

图4是本发明实现间接测量远指节角度的方法图。

图5是本发明实现虚拟现实操作的工作原理图。

图中：1-手套套体；2-线性位移传感器支架；3-线性位移传感器；4-U型连接件；5-固定螺母；6-双向磁流变阻尼器；7-轻弹簧；8–线管支架端盖；9-线管支架；10-线管；10-1-润滑层；10-2-螺旋钢；10-3-线管外壳；11-调节螺母；12-滑轮；13-带孔销钉；14-指托；15-钢丝绳支架；16-可调节绑带；17-钢丝绳；18-磁流变阻尼器支架；19-螺钉；20-指套；20-1指套远指节；20-2指套中指节。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套，包括手套套体1和连接在手套套体1左端的五个指套20，手套套体1顶面右端设有线性位移传感器支架2，手套套体1顶面左端设有五组与指套20一一对应的线管支架9，手套套体1顶面中间设有磁流变阻尼器支架18；

线性位移传感器支架2沿水平方向并列安装有五个与指套20一一对应的线性位移传感器3，每个线性位移传感器3的固定端分别连接在线性位移传感器支架2左侧面，每个线性位移传感器3的活动端分别水平向左；

磁流变阻尼器支架18中设有五组与指套20一一对应的双向磁流变阻尼器6，每个双向磁流变阻尼器6中心轴分别沿左右水平方向，每个双向磁流变阻尼器6中活塞杆两端分别从缸筒对应端穿出，每个双向磁流变阻尼器6的缸筒安装在磁流变阻尼器支架18中，五组双向磁流变阻尼器6各自活塞杆右端一一对应与五个线性位移传感器3的活动端铰接；

五个手指中，对应于大拇指的指套20的近指节位置安装有钢丝绳支架，其余四个指套20的中指节位置亦分别安装有钢丝绳支架15，每个钢丝绳支架15左端分别转动安装有滑轮12；

还包括五个与指套20一一对应的沿左右方向延伸的可自由弯曲的线管10，每个线管10中分别同轴滑动设置有钢丝绳17，钢丝绳17两端分别从线管10两端穿出，每个线管10的右端分别固定在对应的线管支架9左端，线管10中钢丝绳17右端穿过对应的线管支架9后与对应的双向磁流变阻尼器6中活塞杆左端连接，且线管支架9与双向磁流变阻尼器6之间的钢丝绳外套装有轻弹簧7，轻弹簧7左端固定在对应的线管支架9右端，轻弹簧7右端与对应的双向磁流变阻尼器6活塞杆左端连接；每个线管10的左端分别固定在对应的钢丝绳支架15右端，线管10中钢丝绳17左端沿钢丝绳支架15延伸并绕过钢丝绳支架15左端滑轮12后再分别连接有指托14，共五个指托14分别套在对应指套20的远指节上，且每个指托14的内壁分别设有压力传感器。

每个线性位移传感器3的活动端分别连接有U型连接件4，每个双向磁流变阻尼器6的活塞杆右端铰接在对应的U型连接件4中。

每个双向磁流变阻尼器6的缸筒外表面分别成型有外螺纹，磁流变阻尼器支架18中设有五个供双向磁流变阻尼器6的缸筒一一对应穿过的通孔，磁流变阻尼器支架18左、右方的缸筒上分别螺合安装有锁紧缸筒的固定螺母5，通过调节两个固定螺母5的位置，可调整每个双向磁流变阻尼器6的轴向位置。

线管支架9上端分别成型为中心轴沿左右水平方向的圆筒，圆筒右端分别安装有端盖8，线管10右端扩径为与圆筒左端匹配的盖体，且线管10右端卡在对应的圆筒左端，轻弹簧7左端固定在端盖8右侧面。

每个钢丝绳支架15右端分别连接有卡座，线管10左端卡在卡座中，且线管10左端成型有外螺纹，卡座中的线管10外螺纹段上螺合安装有调节螺母11，通过调节螺母11调节线管10左端在钢丝绳支架15右端的位置。

如图3所示，线管10包括管状的线管外壳10-3，线管外壳10-3内同轴设有管状螺旋钢10-2，该螺旋钢10-2可自由弯曲但在轴向为刚性的不可压缩，螺旋钢10-2内同轴设有钢丝绳17，钢丝绳17柔软但不可拉伸，且螺旋钢10-2内填充有包裹钢丝绳17的润滑层10-1。

如图5所示，一种采用基于线管钢丝绳传动的磁流变力反馈数据手套的VR系统，包括计算机与数据采集卡、A/D转换器、D/A转换器、电流控制器、VR眼镜，计算机与VR眼镜连接，计算机还与数据采集卡双向通讯连接，磁流变力反馈数据手套中的线性位移传感器3、压力传感器分别与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与数据采集卡连接，D/A转换器的输入端与数据采集卡连接，D/A转换器的输出端与电流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端分别与各个双向磁流变阻尼器6连接；计算机系统与建模出的虚拟人手双向通讯，计算机输出角度信号命令，控制虚拟人手重新建模，虚拟人手反馈碰撞检测信号到计算机，虚拟人手和虚拟环境可以交互。

如图1、图2所示，本发明包括手套套体1，双向磁流变阻尼器6，线管10，钢丝绳17，支架以及控制和传感系统。其中，所述的手套套体1沿手背水平方向设置，其下侧连接有绑带；其上侧有三组螺纹孔，沿从右向左方向依次固定有线性位移传感器支架2、磁流变阻尼器支架18和线管支架9，分别与所述的手套套体1通过螺钉连接；所述的五个线性位移传感器3，等间距平行排列，每个线性位移传感器右侧通过螺钉固定在线性位移传感器支架18上，左侧活动杆通过U型连接件4铰接在双向磁流变阻尼器6的活塞杆的右侧；所述的五个双向磁流变阻尼器6，等间距平行排列，活塞杆左端与钢丝绳17右端固定连接，每个双向磁流变阻尼器缸筒外部上设有螺纹，并安装有两个固定螺母5，双向磁流变阻尼器支架2上钻有五个孔， 双向磁流变阻尼器18一一对应依次水平固定在孔内，每个双向磁流变阻尼器上的两个固定 螺母分别安装在阻尼器支架上侧挡板的两侧，通过调节两个固定螺母的位置，可调整每个双向磁流变阻尼器的轴向位置；所述的五根线管10，每一根右端有一段圆柱直径稍大，卡在线管支架9中，所述的线管支架9右端安装有端盖8，与线管支架9通过螺纹连接，线管10具有良好的可弯曲性，所述的线管9内部安装有对应的钢丝绳17，其长度长于线管10，钢丝绳17两端均伸出，钢丝绳17可在在线管10内沿线管切向运动，钢丝绳10右端与双向磁流变阻尼器6活塞杆左端固定连接，其右侧外部安装套有轻弹簧7，轻弹簧7左侧与线管支架端盖8连接，右侧与双向磁流变阻尼器6的活塞杆左端相连接，每根线管10左端有螺纹，其螺纹部分安装有一个调节螺母11，所述的线管10左端固定在钢丝绳支架15上，通过所述的转动调节螺母11，调整线管10左端沿钢丝绳方向的位置；所述的五个钢丝绳支架15，其中大拇指对应的钢丝绳支架的下端通过可调节绑带16套在大拇指指套的近指节上，食指、中指、无名指、小拇指对应的钢丝绳支架下端分别通过可调节绑带套16固定在手指指套的中指节上， 每个钢丝绳支架15的左侧通过带孔销钉13连接有滑轮12，每根钢丝绳17由线管10左端穿出，绕过滑轮12，连接在每个指托14上，指托14套在每个手指指套的远指节上，指托14大小可调节，其下方内侧与手指接触部分安装有压力传感器。

如图3所示，所述的线管10分三层，由内到外依次是润滑层10-1，螺旋钢10-2，线管外壳10-3，钢丝绳17从润滑层10-1内部穿过；其中，所述的钢丝绳17柔软不可拉伸，所述的润滑层10-1用于减少钢丝绳在线管10内部滑动时的摩擦，所述的螺旋钢10-2在轴向是刚性不可压缩的，可以自由弯曲，并保持沿线管切向长度不变，保证钢丝绳和线管的左侧相对位移百分之百传递到右侧。

如图4所示，所述的间接测量远指节角度的方法简图，20-1为指套远指节，20-2为指套中指节，由线管10左端伸出的钢丝绳17，绕过A点连接在指托14上的B点处，钢丝绳支架15通过可调节绑带16固定在中指节上；点O为远指节与中指节的连接点，OA长度由安装确定且保持不变,OB长度可近似认为等于远指节20-1长度；初始位置，远指节处于水平位置，AB长度可测出，三角形ABO三边长度已知，α可由余弦定理算出；手指弯曲任意角度β时，B转至C位置，OC长度等于OB；由线管10的特性可知，只有远指节20-1连接在线管10左端钢丝绳17上，所以钢丝绳17和线管10的相对位移只与远指节20-1的弯曲角度有关，与中指节和近指节的弯曲无关；钢丝绳位移可由线性位移传感器测得，所以AC长度等于钢丝绳位移加上AB长度，三角形OAC三边长度已知，β可由余弦定理算出，所以远指节弯曲角度为β-α；远指节20-1弯曲角度已知，根据人手手指弯曲时的自然约束规律，可算出中指节20-2和近指节的弯曲角度。

如图2和图5所示，所述的工作原理，具体实施如下：

（1）人可以通过VR眼镜看到虚拟从手与虚拟环境的交互；

（2）系统的初始化，人手与虚拟从手原点重合，线性位移传感器3进行校准，调整双向磁流变阻尼器6处于断电状态，通过每个调节双向磁流变阻尼器6缸筒外的两个固定螺母5，使对应的线性位移传感器3的活动杆处于初始位置，调节线管10前端调节螺母11，使手指处于伸直状态；虚拟从手跟随人手移动到指定位置，操作者进行抓握动作，拉动钢丝绳17，从而带动线性位移传感器3的活动杆，线性位移传感器3将位移信号通过A/D转换器传递给计算机中的数据采集卡，计算机算出远指关节的弯曲角度，并根据人手各手指弯曲角度的关系，算出各指节的弯曲角度；计算机根据角度参数，重新建模虚拟从手，形成相应的姿势，对虚拟环境中的物体进行抓握操作；

（3）虚拟从手在和虚拟物体接触时产生开始干涉，计算机进行碰撞检测，根据虚拟物体的设定属性以及干涉深度计算出虚拟的碰撞力，并计算出双向磁流变阻尼器6产生同等大小阻尼力所需的电流；计算机发出指令，电流控制器对双向磁流变阻尼器6通电，双向磁流变阻尼器产生相应的阻尼力，通过钢丝绳17，使操作者抓握受阻，人手感觉到相应的反馈力；

（4）数据手套指托14内部下侧与手指接触的部位安装有压力传感器，压力传感器将压力信号通过A/D转换器传输给计算机中的数据采集卡，计算机通过计算指端压力与虚拟碰撞力的差值，判断其差值是否属于设定误差范围，从而命令电流控制器，适量调整双向磁流变阻尼器6的电流，进一步调节反馈力，直到所述差值达到要求，从而使反馈力更加准确。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。