技术领域
[0001] 本
发明涉及
力反馈控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于力反馈技术的数据手套。
背景技术
[0002] 目前，
虚拟现实技术在各个领域已经广泛应用，数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段；数据手套是虚拟现实应用主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3D虚拟现实场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，数据手套还有有线、无线、左手、右手之分，可用于WTK、Vega等3D虚拟现实或场景仿真
软件中。
[0003] 但是，
现有技术的数据手套存在以下缺点：⑴实用经济性方面：市面上采用的封装好的
传感器，使用数据的精确度极大的被限制，升级困难；对于操作人员来说获取有效数据种类单一、售价昂贵；⑵结构方面：市面上数据手套结构复杂，制作成本较高。
[0004] 因此，如何提供一种能够在不同情况下准确采集数据、实现与
机械臂的
触觉反馈的基于力反馈技术的数据手套是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种基于力反馈技术的数据手套，采用模
块化结构模式，各个模块功能独立，分工协作，能够准确采集所需数据，结构简单，保证了工作的
稳定性和高效性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种基于力反馈技术的数据手套，其特征在于，包括主控模块和与所述主控模块连接的若干
接口；
[0008] 所述接口包括无线
通信接口、
角度采集接口、力反馈接口、程序下载接口和扩展外设接口；所述无线通信接口连接无线串口模块、所述角度采集接口连接角度采集模块和
弯曲传感器、所述力反馈接口连接力反馈采集模块；
[0009] 所述主控模块还通过所述无线串口模块连接于机械臂，所述机械臂设有所述力反馈采集模块；
[0010] 所述角度采集模块连接
陀螺仪、弯曲传感器以及不同类型的角度传感器；所述扩展外设接口连接不同种类的设备；所述程序下载接口对程序的
算法进行升级和调试；
[0011] 所述无线串口模块的控制数据信息、所述角度采集模块的方位运动信息、弯曲传感器的
手指弯曲信息和所述力反馈采集模块反馈信息均传输至所述主控模块。
[0012] 优选的，所述主控模块还连接有电源模块，所述电源模块连接所述无线串口模块、所述角度采集模块和所述力反馈采集模块；所述电源模块包括电源及稳压
电路。
[0013] 优选的，所述力反馈采集模块输出的
电阻信号通过所述无线串口模块传输至所述主控模块。
[0014] 优选的，所述主控模块接收的电阻
信号传输至所述主控模块连接的终端显示单元；通过电阻数值的大小判断机械臂抓取物体是否成功。
[0015] 优选的，所述终端显示单元为数据手套设置的
电子屏或者PC控制端。
[0016] 优选的，力反馈采集模块包括力反馈传感器，所述力反馈传感器表面设有一层电阻材料，电阻值随所述力反馈传感器的形变而变化。
[0017] 优选的，主控模块采用32位嵌入式芯片STM32F105RBT6，增加了OTG 功能，CAN总线功能加强，资源更加丰富，完全能够满足系统的需要。
[0018] 优选的，电源模块采用外接+5V电源作为系统主电源，通过LM1117-3.3V 降压芯片将+5V的
电压转换为+3.3V电压，供电给各个模块；在LM1117-3.3V 降压芯片的输入和输出端与地之间并联有去耦电容来减少输入电压的波纹。
[0019] 优选的，电源模块分离出整个系统，当系统电源电量不足时，可以随时更换
电池，提高了数据手套的使用时间和效率，更好的满足用户的需求。
[0020] 优选的，无线串口模块采用NRF24L01进行数据手套数据通信，数据手套的接口端预留有无线通信接口，能够更好的提升用户的开发体验。
[0021] 优选的，角度采集模块采用MPU6050角度传感器，通过I2C协议与
单片机进行通信，多种角度传感器的接口可以给客户提供多种模式的选择空间，为用户进行二次开发提供更好的
硬件条件。
[0022] 优选的，所述主控模块与所述无线串口模块通过SPI协议进行数据通信传输，以实现数据手套对外设的控制。
[0023] 优选的，力反馈传感器包括柔性
电路板、力敏元件、弹性封装材料，通过
导线连接至
信号处理电路；在力敏材料上有两个接线
端子，公端子和母端子，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，对手指
接触面的压力进行静态和动态测量，传感器将施加在传感器感应区域的压力转换成电阻信号。
[0024] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于力反馈技术的数据手套，通过主控模块、电源模块、无线串口模块、角度采集模块对人手指及手臂不同运动方位信息的采集，经芯片处理，无线传输，得到精确的数据信息；通过力反馈采集模块把机械臂的
姿态情况准确实时地无线传输到数据手套的主控模块，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，实现
虚拟环境的触觉反馈。
附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0026] 图1附图为本发明提供的系统结构
框图；
[0027] 图2附图为本发明提供的主控模块电路图；
[0028] 图3附图为本发明提供的电源模块电路图；
[0029] 图4附图为本发明提供的力反馈采集模块电路图；
[0030] 图5附图为本发明提供的复位电路图；
[0031] 图6附图为本发明提供的I2C串口电路图。
[0032] 在图1中：
[0033] 1为主控模块、2为无线串口模块、3为角度采集模块、31为角度传感器、 32为陀螺仪、4为电源模块、41为电源及稳压电路、5为力反馈采集模块、 51为力反馈传感器、6为终端显示单元、7为弯曲传感器。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0035] 本发明实施例公开了一种基于力反馈技术的数据手套，采用模块化结构，各个模块功能独立，分工协作，保证了工作的稳定性和高效性，结构简单，成本低。
[0036] 参见附图1为本发明提供的一种基于力反馈技术的数据手套的模块结构框图，包括主控模块1、无线串口模块2、角度采集模块3、角度传感器31、陀螺仪32、电源模块4、电源及稳压电路41、力反馈采集模块5、力反馈传感器51、终端显示单元6、弯曲传感器7。
[0037] 参见附图2和附图3为本发明提供的主控模块和电源模块的电路原理图；附图4为力反馈采集模块电路图、附图5为复位电路图和附图6为I2C串口电路图。
[0038] 为了进一步优化上述技术方案，主控模块1采用具有OTG功能的32位嵌入式芯片STM32F105RBT6，芯片STM32F105RBT6的CAN总线功能加强。
[0039] 为了进一步优化上述技术方案，电源模块4采用外接+5V电源作为系统主电源，通过LM1117-3.3V降压芯片将+5V的电压转换为+3.3V电压，供电给各个模块，同时，LM1117-3.3V降压芯片的输入、输出端与地之间并联有去耦电容减少输入电压波纹。
[0040] 为了进一步优化上述技术方案，无线串口模块2采用NRF24L01进行数据手套数据通信，数据手套的接口端预留出无线通信接口，提高用户开发体验。
[0041] 为了进一步优化上述技术方案，角度采集模块3采用MPU6050角度传感器，通过I2C协议与单片机进行通信。
[0042] 为了进一步优化上述技术方案，主控模块1还通过无线串口模块2连接于机械臂，机械臂设有力反馈采集模块5。
[0043] 为了进一步优化上述技术方案，力反馈采集模块5输出的电阻信号通过无线串口模块2传输至主控模块1。
[0044] 为了进一步优化上述技术方案，主控模块1接收的电阻信号传输至主控模块1连接的终端显示单元6。
[0045] 为了进一步优化上述技术方案，终端显示单元6为数据手套设置的电子屏或者PC控制端。
[0046] 为了进一步优化上述技术方案，力反馈采集模块5对任何接触面积压力进行静态和动态测量，将压力信号转换成电阻信号。
[0047] 为了进一步优化上述技术方案，力反馈传感器51包括柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料。
[0048] 为了进一步优化上述技术方案，主控模块1的控
制芯片STM32F105RBT6 预留有程序下载接口，方便以后对程序算法进行升级和调试；预留若干未定义按键，方便功能扩展；预留未定义I/O接口，方便添加外设。
[0049] 进一步的，电源模块4分别与主控模块1、无线串口模块2、角度采集模块3连接以提供电源，主控模块1分别与无线串口模块2、角度采集模块3、弯曲传感器7连接，接收无线串口模块2负责传输的控制信息，角度采集模块3、弯曲传感器7检测人手姿态的运动信息；机械臂的力反馈采集模块5提供力反馈传感器51的力反馈信息到主控模块1；主控模块1与无线串口模块 2之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现数据手套对外设设备的控制。
[0050] 结合实施例附图对本发明进一步说明。
[0051] 实施例1
[0052] 本发明的数据手套用于虚拟运动，工作流程如下：
[0053] 首先，系统上电复位；
[0054] 然后，当对一物体进行抓取时，当手找到合适的抓取
位置，手指进行弯曲抓取时，角度采集模块3连接的角度传感器31收集的手的运动方位信息、陀螺仪32收集的角度
运动检测信息、弯曲传感器7收集的手指弯曲信息和力反馈传感器51收集的反馈信息，其反映成数据交由STM32F105RBT6处理芯片进行处理，通过无线串口模块2传输到虚拟控制端，如若操作者实施的力太小，终端显示单元会将物体抓取失败的信息显示于PC端提醒操作者，此时，操作者通过改变手指的弯曲度以及力度的大小，最终抓取成功，实现虚拟环境的触觉反馈；在实现远距离传输时，还可以随时更换不同型号的角度传感器和通信模块，得到所需要的不同类别的准确的数据，更方便的进行二次开发。
[0055] 其中，力反馈采集模块5的力反馈传感器51表面是一层特殊的电阻材料，当力反馈传感器受到力的作用发生形变时，表面的电阻值即发生变化，用力程度越大，电阻值越大。
[0056] 实施例2
[0057] 本发明的数据手套连接机械臂，工作流程如下：
[0058] 首先，系统上电复位；
[0059] 然后，当操作者的手指进行运动时，机械臂也会进行一致的动作；当对一机械零件进行抓取时，根据零件的位置和大小，人手进行位置的调整也就是调整机械臂的位置信息，机械臂进行抓取时，角度传感器31收集的手的运动方位信息、陀螺仪32收集的角度运动检测信息、弯曲传感器33收集的手指弯曲信息和力反馈传感器51收集的力反馈信息其反映成数据交由 STM32F105RBT6处理芯片进行处理，最终通过无线串口模块传输到终端显示单元，如若操作者的弯曲角度太小和实施的作用力不够时，机械臂并未接触到物体，力反馈传感器51将电阻值通过无线串口模块2传输到终端显示单元 6，显示电阻值为无穷大，压力为零，此时，主控模块发出信号到弯曲传感器 7和角度采集模块3进行手指的姿态变化，即改变机械臂的状态，当力反馈传感器反馈的电阻值为一固定值时，机械臂抓到物体，由此实现虚拟环境的触觉反馈；在实现远距离传输时，还可以随时更换不同型号的角度传感器和通信模块，得到所需要的不同类别的准确的数据，更方便的进行二次开发。
[0060] 其中，力反馈采集模块5的力反馈传感器51表面是一层特殊的电阻材料，当力反馈传感器受到力的作用发生形变时，表面的电阻值即发生变化，用力程度越大，电阻值越大。
[0061] 综上所述，本发明提供的一种基于力反馈技术的数据手套，为操作者提供了一种通用、直接的
人机交互方式，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；在实用经济性方面：采用力反馈传感器和陀螺仪的结合，能够准确采集人手指及手臂不同方位的运动情况，并将其反映成数据进行无线传输，实现虚拟环境的触觉反馈；在结构方面：本发明采用模块化的结构设计模式，各个组成模块功能独立，分工协作，结构简单，电路设计的难度和制作成本低，而且，保证了工作的稳定性和高效性，同时具有较高通用性、精确性、便携的特点，具有极大的市场推广价值。
[0062] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0063] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
