一种可调尺寸的变刚度力反馈手套的制作方法

本发明涉及一种穿戴式力反馈设备，特别涉及一种可调尺寸的变刚度力反馈手套。

背景技术：

力反馈手套的应用改变了人与虚拟环境的交互方式，使得用户通过手的灵巧操作与灵敏的感知能力可以获取虚拟世界的反馈信息，极大地增强了交互沉浸感。气动力反馈手套具有质量轻、运动范围大等优点，但是气压传动系统的低响应频率使得用户难以实时动态感知虚拟世界的反馈信息；同时，气压泵、减压阀等复杂、笨重的动力传输系统限制了设备的便携性。基于形状记忆合金、压电材料、人工肌肉、磁流变液等材料设计的力反馈手套存在响应频率低、控制精度差等问题。相比以上两种驱动方式，电机驱动力反馈设备具有响应速度快、驱动精度高、携带方便等优点。但是，电机驱动的主动力反馈手套模拟刚度较小、安全性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可调尺寸的变刚度力反馈手套。

本发明的技术方案是：一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，包括拇指机构组件、四指机构组件和底座连接组件，拇指机构组件和四指机构组件通过底座连接组件连接在一起；所述拇指机构组件和四指机构组件都包括底座连接单元、变刚度单元、自由/约束状态切换单元和指尖连接单元；所述四指机构组件为食指、中指、无名指、小指机构组件中的一个或多个；所述变刚度力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，所述变刚度单元的刚度为最大值，所述变刚度单元、自由/约束状态切换单元、指尖连接单元三者自由转动，此时变刚度力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现人手的灵活运动；在约束空间状态下，自由/约束状态切换单元处于约束状态形式，变刚度单元的刚度从最大值到最小值可连续变化，变刚度单元、自由/约束状态切换单元、指尖连接单元三者限制转动，变刚度力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度单元刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体。

进一步地，所述变刚度单元、自由/约束状态切换单元、指尖连接单元依次转动连接。

进一步地，所述变刚度单元包括变刚度单元固定件、变刚度单元伺服电机、变刚度单元齿轮、变刚度单元齿条、杠杆、弹性件、转动杆；所述变刚度单元伺服电机与变刚度单元固定件固定连接；所述变刚度单元伺服电机的输出轴与变刚度单元齿轮固定连接；所述变刚度单元齿轮与变刚度单元齿条啮合；所述变刚度单元齿条上还设置有支点，支点可以在杠杆的滑槽内滑动，杠杆可以绕支点转动；所述转动杆与变刚度单元固定件转动连接；所述杠杆的一端与所述转动杆转动连接，所述杠杆的另一端上下两侧通过弹性件与所述转动杆连接。

进一步地，所述弹性件为弹簧，上部弹簧一端通过上部弹簧上卡位与转动杆固定连接，另一端通过上部弹簧下卡位与杠杆固定连接；下部弹簧一端通过下部弹簧下卡位与转动杆固定连接，另外一端通过下部弹簧上卡位与杠杆固定连接。

进一步地，所述自由/约束状态切换单元包括中间杆件、状态切换伺服电机、状态切换齿轮、状态切换齿条a、状态切换齿条b；所述状态切换伺服电机与中间杆件固连；状态切换伺服电机的输出轴与状态切换齿轮固连，所述状态切换齿轮分别与状态切换齿条a、状态切换齿条b啮合，所述状态切换齿条a、状态切换齿条b分别与中间杆件形成移动副。

进一步地，所述指尖连接单元包括锁定齿轮b、前端连接杆、指帽；所述前端连接杆的一端与锁定齿轮b固定连接，所述前端连接杆的另一端与指帽转动连接。

进一步地，所述底座连接组件包括手套固定基座、四指固定座连接板、拇指连接板；所述四指固定座连接板与拇指连接板与手套固定基座转动连接。

进一步地，所述四指机构组件的底座连接单元包括设置在四指机构组件的变刚度单元固定件上的连接孔，四指机构组件通过连接孔与底座连接组件的四指固定座连接板固定连接，且连接孔与四指固定座连接板的连接位置可调。

进一步地，所述拇指机构组件的底座连接单元包括弧形连接杆，所述弧形连接杆与拇指机构组件的变刚度单元固定件固定连接，弧形连接杆与拇指连接板转动连接。

进一步地，所述拇指机构组件的底座连接单元还包括调节套筒，调节套筒安装在弧形连接杆与拇指连接板的转轴上，且调节套筒与弧形连接杆的位置可以相互调换。

本发明具有以下有益效果：(1)基于杠杆式变刚度原理设计的力反馈手套，既可以实现自由空间的全手势运动，又可以模拟约束空间与虚拟物体的交互运动，很好地满足了力反馈手套自由空间与约束空间的双重需求；(2)通过改变杠杆支点的位置，可以实现手套输出刚度的调节，用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体，其理论最大可模拟刚度为正无穷，理论最小刚度为零，弥补了现有力反馈设备可模拟刚度范围较小的不足；(3)本设备采用被动力反馈方式，相比于主动力反馈手套更加安全可靠，所有机构部件采用树脂材料3d打印制作，整机质量较小，有效降低了用户长期穿戴的疲劳感；(4)相比于一般的力反馈手套，本设计的力反馈手套四指机构在常规三个转动自由度的基础上，增加了一个转动方向平行于手背平面的转动自由度(其转动轴垂直于手背平面)，拇指机构在常规设计基础上，增加了一个转动方向平行于手背平面的转动自由度(其转动轴垂直于手背平面)和一个转动方向垂直于手背平面的转动自由度(其转动轴平行于手背平面)，因此四指机构部分具有四个自由度，拇指机构部分具有五个自由度，更加符合人手的生理学原理，可以进一步增加力反馈手套与虚拟环境交互的舒适性与真实性；(5)五指力反馈手套的每个手指的电机可以独立控制，分别实现五指与虚拟环境的交互以及多指之间的相互交互；(6)此外设计的五指力反馈手套每个手指机构均可实现尺寸的调节，以满足不同用户的尺寸需求，手套的穿戴与脱卸采用魔术贴的方式，在保证轻便的同时可以调节大小以适应不同用户手的尺寸，增强了设备的通用性。

附图说明

图1是五指变刚度力反馈手套示意图。

图2是四指变刚度机构中的变刚度单元示意图一。

图3是四指变刚度机构中的变刚度单元示意图二。

图4是四指变刚度机构中的变刚度单元示意图三。

图5是自由/约束状态切换机构剖面图

图6是自由/约束状态切换机构示意图

图7是四指变刚度机构示意图。

图8是拇指变刚度机构中的变刚度单元示意图。

图9是拇指变刚度机构示意图。

图10是五指变刚度力反馈手套固定座示意图。

图11是五指变刚度力反馈手套固定座剖面图。

图12是五指变刚度力反馈手套固定座背面结构。

其中，上述附图包括以下附图标记：1变刚度单元固定件；2变刚度单元齿条；3连接螺栓a；4变刚度单元齿轮；5连接螺栓b；6转动杆；7转动副a；8转动副b；9支点；10杠杆；11转动副c；12转动副d；13变刚度单元伺服电机；14上部弹簧；15上部弹簧上卡位；16上部弹簧下卡位；17锁定齿轮a；18下部弹簧上卡位；19下部弹簧下卡位；20下部弹簧；21变刚度单元轴承；22转动轴a；23中间杆件；24状态切换齿条a；25状态切换伺服电机；26状态切换齿轮；27状态切换轴承；28状态切换齿条b；29转动轴b；30转动副e；31连接螺栓c；32连接螺栓d；33转动副f；34连接孔；35移动孔；36锁定齿轮b；37前端连接杆；38连接螺栓e；39指帽；40指尖魔术贴连接孔；41拇指魔术贴连接孔；42弧形连接杆；43拇指转动轴；44手套固定基座；45固定螺栓；46推力轴承；47固定螺母；48四指固定座连接板；49四指魔术贴连接孔；50拇指连接板；51拇指转动副；52调节套筒。

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。

一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，包括拇指机构组件、四指机构组件和底座连接组件，拇指机构组件和四指机构组件通过底座连接组件连接在一起；所述拇指机构组件和四指机构组件都包括底座连接单元、变刚度单元、自由/约束状态切换单元和指尖连接单元；所述四指机构组件为食指、中指、无名指、小指机构组件中的一个或多个；所述变刚度力反馈手套能在自由空间状态和约束空间状态切换；在自由空间状态下，所述变刚度单元的刚度为最大值，所述变刚度单元、自由/约束状态切换单元、指尖连接单元三者自由转动，此时变刚度力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现人手的灵活运动；在约束空间状态下，自由/约束状态切换单元处于约束状态形式，变刚度单元的刚度从最大值到最小值可连续变化，变刚度单元、自由/约束状态切换单元、指尖连接单元三者限制转动，变刚度力反馈手套反馈给人手一个被动反馈力，通过调整变刚度单元刚度的大小，从而调整被动反馈力的大小，人手受到的被动反馈力不同，则感受到的虚拟物体的刚度不同，即用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体，所述拇指机构组件具有五个自由度，所述四指机构组件具有四个自由度，整个机构采用树脂材料通过3d打印制造而成。

变刚度单元包括变刚度单元固定件1、变刚度单元齿条2、连接螺栓a3、变刚度单元齿轮4、连接螺栓b5、转动杆6、转动副a7、转动副b8、支点9、杠杆10、转动副c11、转动副d12、变刚度单元伺服电机13、上部弹簧14、上部弹簧上卡位15、上部弹簧下卡位16、锁定齿轮a17、下部弹簧上卡位18、下部弹簧下卡位19、下部弹簧20、变刚度单元轴承21。所述变刚度单元伺服电机13的外壳通过连接螺栓a3、连接螺栓b5与变刚度单元固定件1固接，变刚度单元伺服电机13的轴通过变刚度单元轴承21与变刚度单元固定件1形成转动副，起到支撑电机轴、减小转动摩擦的作用；所述变刚度单元伺服电机13通过变刚度单元齿轮4带动变刚度单元齿条2移动，使得变刚度单元齿条2的支点9可以在杠杆10中移动，从而改变变刚度单元的输出刚度；所述转动杆6与锁定齿轮a16为一个整体；所述上部弹簧14(下部弹簧20)一端通过上部弹簧上卡位15、下部弹簧下卡位19与转动杆6连接，另外一端通过上部弹簧下卡位16、下部弹簧上卡位18与杠杆10连接；所述上部弹簧上卡位15、上部弹簧下卡位16、下部弹簧上卡位18、下部弹簧下卡位19确保上部弹簧14、下部弹簧20分别与转动杆6和杠杆10固定连接，保证转动杆6在上下转动时，均可分别实现对上部弹簧14、下部弹簧20的压缩或拉伸；所述转动杆6与杠杆10形成转动副c11、转动副d12，转动杆6与变刚度单元固定件1形成转动副a7、转动副b8。

自由/约束状态切换单元包括转动轴a22、中间杆件23、状态切换齿条a24、状态切换伺服电机25、状态切换齿轮26、状态切换轴承27、状态切换齿条b28、转动轴b29、转动副e30、连接螺栓c31、连接螺栓d32。所述转动轴a22、中间杆件23、锁定齿轮a17形成转动副e30，转动轴a22用于连接中间杆件23、锁定齿轮a17；所述状态切换伺服电机25的外壳通过连接螺栓c31、连接螺栓d32固接在中间杆件23上面；所述状态切换轴承27安装在中间杆件23内部，并与状态切换伺服电机25的电机轴连接，可以起到支撑电机、减小转动摩擦的作用；所述状态切换齿条a24、状态切换齿条b28分别与中间杆件23形成移动副，状态切换伺服电机25通过状态切换齿轮26可以驱动状态切换齿条a24、状态切换齿条b28相背移动，使得状态切换齿条a24(状态切换齿条b28)另一端的楔形部分锁死锁定齿轮a17(锁定齿轮b36)。

指尖连接单元包括转动副f33、锁定齿轮b36、前端连接杆37、连接螺栓e38、指帽39、指尖魔术贴连接孔40。所述前端连接杆37的一端为锁定齿轮b36，锁定齿轮b36、转动轴b29、中间杆件23形成转动副f33，转动轴b29用于连接中间杆件23、锁定齿轮b36；所述前端连接杆37的另一端以转动副的形式通过连接螺栓e38与指帽39连接；所述指帽39上有指尖魔术贴连接孔40，魔术贴通过指尖魔术贴连接孔40实现人手指尖与指帽39的连接，该方式可以适应不同用户的手指之间尺寸。

底座连接组件包括手套固定基座44、固定螺栓45、推力轴承46、固定螺母47、四指固定座连接板48、四指魔术贴连接孔49、拇指连接板50。手套固定基座44与手指连接部分是实体结构，非连接部分为空心结构，同时在空心分布天空柔性泡沫等质量极轻的柔软材料，在降低机构质量的同时，使得手套固定基座44更好的与手背贴合；所述手套固定基座44上有四指魔术贴连接孔49，魔术贴通过四指魔术贴连接孔49实现固定基座44与人手手背的连接；所述四指固定座连接板48与拇指连接板50均通过固定螺栓45、固定螺母47连接在手套固定基座44上面；所述固定螺栓45的光轴部分与推力轴承46和四指固定座连接板48(拇指连接板50)连接，固定螺栓45的螺纹部分与固定螺母47连接；所述四指固定座连接板48(拇指连接板50)与推力轴承46上部连接，可以相对于手套固定基座44实现转动运动。因此，人手在带上力反馈手套后可以使得手指在手掌所在平面转动，此时力反馈手套的五指在具有三个转动自由度(与手背方向垂直)的同时，还具有一个转动方向平行于手背平面的转动自由度(其转动中心垂直于手背平面)，更加符合人手的日常运动姿态需求。

四指机构组件(食指、中指、无名指、小指)的底座连接单元包括设置在变刚度单元固定件1上的连接孔34和移动孔35，四指机构组件通过连接孔34与四指固定座连接板48固定连接，例如采用螺栓螺母的形式，所示变刚度单元固定件1上有多排连接孔34，当使用者的手指尺寸不同时，可以通过调节连接孔34与四指固定座连接板48的连接位置实现四指力反馈手套尺寸的调节；由于固定螺栓45螺纹部分高于变刚度单元固定件1底部部分，因此在调节连接孔34与四指固定座连接板48的连接位置过程中，固定螺栓45螺纹部分同时通过移动孔35实现移动，所述四指机构组件的中间杆件23和前端连接杆37尺寸不同，使得四指机构组件的整体尺寸不同，符合人手四指的长短尺寸比例。

拇指机构组件的底座连接单元包括拇指魔术贴连接孔41、弧形连接杆42、拇指转动轴43、拇指转动副51、调节套筒52。拇指魔术贴连接孔41设置在变刚度单元固定件1上，魔术贴通过拇指魔术贴连接孔41实现拇指变刚度单元固定件1与拇指指背的连接；所示弧形连接杆42与拇指指变刚度单元固定件1为一个整体，弧形连接杆42、拇指转动轴43、调节套筒52、拇指连接板50组成拇指转动副51，由于拇指相比于四指多一个自由度，因此，力反馈手套的拇指机构组件共具有五个自由度，同时拇指转动副51的设计方式更加符合人手的运动方式；所述拇指转动轴43、调节套筒52的前后位置可以相互调换，通过交换两者的位置，可以间接的改变拇指力反馈手套尺寸的调节。

此外，拇指机构组件和四指机构组件的五个指帽39尺寸均有所差异以适应不同手指的尺寸；通过改变各个机构组件中的转动副e30、转动副f33的角度同样可以改变五指力反馈机构的整体尺寸，使得五指力反馈机构尺寸更加符合人手的尺寸。

在模拟自由空间运动时，变刚度单元伺服电机13通过变刚度单元齿轮4、变刚度单元齿条2驱动支点9移动，使得支点9与转动副c11、转动副d12同轴，此时变刚度单元为一个刚性整体，其理论最大刚度为正无穷；同时，状态切换伺服电机25通过状态切换齿轮26驱动状态切换齿条a24、状态切换齿条b28相向运动，使得状态切换齿条a24、状态切换齿条b28分别与锁定齿轮a17、锁定齿轮b36处于非啮合状态，即转动副e30、转动副f33均可以实现自由转动，在模拟自由空间运动状态时，用户可以实现手掌完全伸展与完全弯曲，所设计的力反馈手套不会阻碍人手的自然活动，可以实现的人手的灵活运动；同时，由于重力、惯性力以及机构间相对运动摩擦力的影响，实际最大运动阻力仅为0.069n。

当机构从自由空间状态转变为约束空间状态时，变刚度单元伺服电机13通过变刚度单元齿轮4、变刚度单元齿条2驱动支点9移动，使得支点9与转动副c11、转动副d12处于非同轴状态，此时变刚度单元处于活动状态，其理论刚度为一个定值，当支点9与转动副a7、转动副b8处于同轴状态时，此时变刚度机构的理论刚度值为零；同时，状态切换伺服电机25通过状态切换齿轮26驱动状态切换齿条a24、状态切换齿条b28相背运动，使得状态切换齿条a24、状态切换齿条b28分别与锁定齿轮a17、锁定齿轮b36处于啮合状态，即转动副e30、转动副f33处于锁死状态。在模拟约束空间运动时，由于转动副e30、转动副f33处于锁死状态，当用户弯曲手指，手指会通过指帽39、状态切换机构、指尖连接机构带动转动杆6相对于变刚度单元固定件1绕着转动副a7、转动副b8转动，从而压缩/拉伸上部弹簧14/下部弹簧15，使得用户感受到被动反馈力，最大反馈力可达12n以上；由于支点9位置的不同，用户弯曲手指受到的反馈力不同，感受到的虚拟物体的刚度不同，当支点9从与转动副c11、转动副d12同轴位置移动到与转动副a7、转动副b8同轴过程中，变刚度机构的理论刚度从正无穷减小为零，因此，通过连续调节支点9的位置，用户可以感知具有不同刚度属性的虚拟物体，由于力反馈手套的反馈力为被动力，相比于主动力反馈手套安全性能更高。

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。