一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套及制作方法 |
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| 申请号 | CN201710545639.1 | 申请日 | 2017-07-06 | 公开(公告)号 | CN107334197A | 公开(公告)日 | 2017-11-10 |
| 申请人 | 东南大学; | 发明人 | 帅立国; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种可提供夹持 力 感觉的指套式触觉手套及制作方法，该触觉手套包括手套本体，套装在所述手套本体上手套结构体，牵拉引线以及 传感器 ；所述手套本体包括指套，掌心和掌背；所述手套结构体包括通过转动副顺序级联的指尖套环，指骨套环以及掌背 基板 ；所述牵拉引线依次穿过指尖套环和指骨套环的引线孔，由掌背基板的引线孔引出，与外部控制系统连接；所述传感器设于手套结构体上，其数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制系统连接。本发明可克服 现有技术 的不足，为 虚拟环境 中的抓取操作提供一种结构简单、成本低廉且可提供 接触 觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，且其制作方法简单，在 虚拟现实 应用领域具有广阔的市场前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套，其特征在于，该指套式触觉手套包括： |
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| 说明书全文 | 一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套及制作方法技术领域[0001] 本发明涉及一种触觉手套，尤其是一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套及制作方法。 背景技术[0003] 触觉感知是人类与生俱来的一种基本能力，借助触觉通道，人们可以感知接触对象的温度、形状、纹理、质地等信息，并能够通过接触力实现与环境的交互。 [0004] 如何充分利用感官通道更好地感知外部世界是人类社会数百年来孜孜不倦的追求。早在18世纪末期，研究人员即开始对人类的五大感官进行研究，了解其特性，并尝试研制和开发基于物理刺激的显示器，以期对人类的感官通道进行开发利用。触觉显示器则是指通过物理刺激使得皮肤器官产生虚拟接触觉和力感觉的装置。 [0005] 触觉通道的开发利用虽然与视觉通道同时起步，然而时至今日，目前尚无可市售的廉价触觉显示器产品。专业定制的可提供接触感觉的触觉显示器价格通常高达十数万元，如MIT研制的电触觉显示器，该显示器由行列式排列的电极构成触觉显示阵列，将触觉显示阵列置于舌头之上时，电极流过的电流可以产生电接触感觉，电触觉显示器目前已能够为完全视盲的人群恢复部分视力，我国山西眼球被挖的儿童即借助MIT电触觉显示器实现了一定程度的视力恢复，在国外，电触觉甚至可以达到在开阔地带辅助驾驶的水平，除电刺激触觉外，可用于提供接触感觉显示的物理刺激还包括顶针刺激、振动刺激、气动刺激、射流刺激和声波刺激等；用于虚拟抓取的力感觉显示装置包括手臂力感觉显示装置和指爪力感觉显示装置，用于手臂力感觉显示的装置主要包括PhantoM、Per-Force Hand Controller、Exos Arm Master等，用于指爪力感觉显示的装置主要包括Cybergrasp、CMU Exoskeleton Hand、Rutgers Master、LRP Hand Master和Sensor Glove II等。与提供接触觉的显示器相比，能够提供力感觉的显示器极其昂贵，力觉显示器价格通常高达数十万元。现有的触觉显示器就其技术方案来看短期内尚无广泛应用的可能。 发明内容[0007] 发明目的：针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低廉可提供真是感受的接触觉和力觉显示的穿戴式触觉手套及制作方法。 [0008] 技术方案：本发明的 [0009] 一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套，该指套式触觉手套包括： [0010] 手套本体，包括指套，掌心和掌背； [0011] 手套结构体，所述手套结构体套装在所述手套本体上，包括通过转动副顺序级联的指尖套环，指骨套环以及掌背基板；所述指骨套环包括指骨套环体，级联部以及凹陷部；每个级联部上各设有一个级联孔，以通过转动副实现指骨套环之间的顺序级联；所述凹陷部上设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线，每个凹陷部的引线孔上均固定有一个由电机控制的牵拉引线，并通过后级指骨套环和掌背基板上的引线孔引出； [0012] 牵拉引线，所述牵拉引线依次穿过指尖套环的引线孔和指骨套环的引线孔，由掌背基板的引线孔引出，与外部控制系统连接； [0014] 其中，所述指套包括拇指指套，食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套； [0015] 所述拇指指套上设有一个指尖套环，一个指骨套环以及两个九轴陀螺传感器； [0016] 所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套上均设有一个指尖套环，两个指骨套环以及三个九轴陀螺传感器； [0017] 所述掌心和掌背上套有一个掌背基板，所述掌背上设有一个九轴陀螺传感器。 [0018] 优选的，所述指尖套环上均设有一个九轴陀螺传感器；拇指指套的基节设有一个九轴陀螺传感器；所述食指指套，中指指套，无名指指套以及小指指套的第一指节和第二指节上均设有一个九轴陀螺传感器；所述掌背基板上设有一个九轴陀螺传感器。 [0019] 再者，所述指尖套环上设有引线孔和后级联孔； [0020] 所述掌背基板包括掌背基板本体，位于掌背基板一端的前级联部以及两个相邻的前级联部之间的凹弧部；所述前级联部对称分布于掌心面和掌背面，每个前级联部上设有一个前级联孔，以通过转动副实现与指骨套环之间的顺序级联；所述凹弧部设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线。 [0021] 优选的，所述指尖套环上的引线孔和后级联孔均为两个；所述指骨套环上的级联部包括两个前级联部和两个后级联部；所述掌背基板上的前级联部和引线孔均为十个。 [0022] 一种制作权所述可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的方法，包括以下步骤： [0023] (1)缝制具有掌心，掌背以及若干指套的手套本体； [0024] (2)制作带有引线孔和级联孔的指尖套环，指骨套环和掌背基板，并将其通过级联小孔首尾相连； [0025] (3)将级联后的结构分别套装在手套本体的各个指套上； [0026] (4)在指尖套环，指骨套环以及掌背基板的引线孔中穿入牵拉引线； [0027] (5)在每个指尖套环，指骨套环以及掌背基板上分别固定一个九轴陀螺传感器； [0028] (6)将牵拉引线和九轴陀螺传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制系统连接。 [0029] 有益效果：与现有技术相比，本发明的一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套，指套中设置有首尾级联的套环，并在套环上设有引线孔以便通过引线的牵拉操作控制前后套环的相对转角，进而对指套末端之间的相对位置进行约束控制。此外，各指节上还设置有九轴陀螺传感器以精确感知各个指节的实时三轴转角，由于指节长度为定值，所以指套末端的精确坐标可由指节长度和三轴转角数据进行解析得到。从而为虚拟环境中的抓取操作提供一种结构简单，成本低廉以及触觉感真实，并具有较好的实时性，可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，并极大地降低了触觉手套的体积和成本，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。附图说明 [0030] 图1是本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的穿戴示意图。 [0031] 图2为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的结构示意图。 [0032] 图3为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体示意图。 [0033] 图4为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的三维拆装示意图。 [0034] 图5为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指尖套环结构示意图。 [0035] 图6为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指骨套环结构示意图。 [0036] 图7为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的掌背基板结构示意图。 具体实施方式[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。 [0038] 图1为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的穿戴示意图。其中触觉手套可通过穿戴方式包裹在手掌外周。 [0039] 图2为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的结构示意图。包括手套本体1，手套结构体2，牵拉引线3以及九轴陀螺传感器4；其中，手套本体包括拇指指套11，食指指套12，中指指套，无名指指套，小指指套以及掌心和掌背13；所述手套结构体穿套在手套本体上，牵拉引线通过手套结构体上的引线孔与外部控制系统相连；所述九轴陀螺传感器设置于手套结构体上，其数据线与外部控制系统连接。 [0040] 图3为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体示意图，图4为触觉手套结构体的三维拆装示意图。如图4所示，该手套结构体包括指尖套环21，指骨套环22以及掌背基板23。 [0041] 其中，拇指指套上设有一个指尖套环和一个指骨套环；食指指套上设有一个指尖套环，第一指骨套环和第二指骨套环；中指指套，无名指指套以及小指指套上均设有一个指尖套环，第一指骨套环和第二指骨套环(图中未示出)；掌心和掌背上套设有一个掌背基板。 [0042] 所述拇指指套上的指尖套环，指骨套环以及掌背基板之间通过转动副顺序级联；所述食指指套上的指尖套环，第一指骨套环，第二指骨套环以及掌背基板之间通过转动副顺序级联；其他中指指套、无名指指套和小指指套上的手套结构体拆装结构与食指指套上的类似。 [0043] 结合图2和图4所示，所述牵拉引线通过手套结构体上的引线孔进行牵拉以控制各套环的转角，进而通过自由度限制对触觉手套的形态进行控制；九轴陀螺传感器分别设置在指套的指尖套环，指骨套环以及掌背基板上，以实时获取各活动指节和掌背基板的转动角度。 [0044] 图5为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指尖套环结构示意图。所述指尖套环为一端开口的套筒型结构，开口端设有连个后级联孔和两个引线孔。 [0045] 图6为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的指骨套环结构示意图。其中指骨套环包括指骨套环体221，级联部222以及凹陷部223；每个级联部上各设有一个级联孔，以通过转动副实现指骨套环之间的顺序级联；所述凹陷部上设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线，每个凹陷部的引线孔上均固定有一个由电机控制的牵拉引线，并通过后级指骨套环和掌背基板上的引线孔引出，从而可通过引线牵拉控制该指骨套环的转动角度。 [0046] 图7为本发明一种可提供夹持力感觉的指套式触觉手套结构体的掌背基板结构示意图。其中，掌背基板包括掌背基板本体231，位于掌背基板一端的前级联部232以及两个相邻的前级联部之间的凹弧部233；所述前级联部有十个，对称分布于掌心面和掌背面，每个前级联部上设有一个前级联孔，以通过转动副实现与指骨套环之间的顺序级联；所述凹弧部设有引线孔，用于固定和引导牵拉引线。 [0047] 一种制作所述可提供夹持力感觉的指套式触觉手套的方法，包括以下步骤： [0048] (1)缝制具有掌心，掌背以及若干指套的手套本体； [0049] (2)制作带有引线孔和级联孔的指尖套环，指骨套环和掌背基板，并将其通过级联小孔首尾相连； [0050] (3)将级联后的结构分别套装在手套本体的各个指套上； [0051] (4)在指尖套环，指骨套环以及掌背基板的引线孔中穿入牵拉引线； [0052] (5)在每个指尖套环，指骨套环以及掌背基板上分别固定一个九轴陀螺传感器； [0053] (6)将牵拉引线和九轴陀螺传感器的数据线通过掌背基板固定并引出，与外部控制系统连接。 [0054] 在虚拟抓取中，当手掌发生抓取动作时，手指关节的抓放转动将带动触觉手套的指骨套环转动，而触觉手套的各指骨套环在引线的牵拉作用下也会产生相对转动，进而迫使手指发生弯曲；特别地，当外侧的牵拉引线被限制不可以牵拉时，触觉手套的各指骨套环之间和相对于掌背基板的转动副将被限制不能向内转动，手掌的指爪将产生触碰到障碍不能自由抓握的感觉，此时，手掌将由于触觉手套的反作用力获得抓取操作的夹持力感觉；反之，当内侧的牵拉引线被限制不可以牵拉时，手掌将由于触觉手套的反作用力获得抓取操作的外张力感觉。 [0055] 在虚拟环境中，当手掌主动抓取虚拟目标时，虚拟目标被投射到现实空间中，在任一确定的时刻，其几何外形尺寸及空间位置是已知的，手掌是否触碰到虚拟目标取决于手掌外周与虚拟目标轮廓在空间位置上是否发生干涉，因此需要实时计算手掌各指骨的空间位置。由于分布于各指骨上的九轴陀螺传感器可实时采集各指骨的三轴角度，而指骨长度亦为固定值，当两者数值均为已知时，可据此实时求解计算得到触觉手套的指爪相对与掌背基板的空间位置，当掌背基板的空间位置亦为已知时，可进一步分析得到触觉手套与虚拟环境中目标对象之间的相互关系，并对是否发生触碰和运动干涉等进行实时判断，当发生空间干涉时，可通过控制电机牵拉触觉手套内外侧的引线限制相应指骨的自由度，使得空间干涉不再继续，从而借助触觉手套的反作用力使操作者获得虚拟抓取的夹持力和放张力感觉。 [0056] 本发明为原创性、具有自主知识产权的指套式触觉手套，可克服现有触觉手套存在的结构复杂、价格昂贵等不足，从而为虚拟环境中的抓取操作提供一种结构简单、成本低廉且可提供接触觉和夹持力显示的穿戴式触觉手套，在虚拟现实应用领域具有广阔的市场前景。 |
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