一种可调尺寸的变刚度力反馈手套制造技术

本发明专利技术涉及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；能在自由空间状态和约束空间状态切换。所述变刚度力反馈手套弥补了现有力反馈设备可模拟刚度较小的不足，降低了用户长期穿戴的疲劳感，更加符合人手的生理学原理，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。

A Variable Stiffness Force Feedback Glove with Adjustable Size

【技术实现步骤摘要】
一种可调尺寸的变刚度力反馈手套
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术具有以下有益效果：(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手套固定基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的一种可调尺寸的变刚度力反馈手套，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王党校，郭园，王海同，杨修平，张玉茹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11