基于桌面的手指触感装置制造方法及图纸

本发明专利技术的基于桌面的手指触感装置，属机器人领域。它通过电位计可以直接获得人手指关节的三个转动角度，通过直流电机的力反馈机构可以感知虚拟手抓取物体时指尖的正压力，通过吸盘式电磁铁或电流变液体的力反馈机构可以感知指尖触摸材质的粗糙程度。本发明专利技术装置基于桌面形式，人手无需负重，操作舒适、直观，具有结构简单等优点，可以运用于虚拟现实系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种基于桌面的手指触感装置，它不仅可以为虚拟手提供手 指关节弯曲角度，并且能够同时感知虚拟手抓取物体的力和触摸物体表面材质粗 糙程度。可运用于虚拟现实系统。
技术介绍
应用于虚拟现实系统的触感装置分为两种穿戴型和桌面型。穿戴型触感装 置一般戴在手背上。整套装置自身的重量不仅会影响人手的力感知，也会使人手 易于疲劳。桌面型触感装置由于受到机构的复杂性影响，还只局限于单个点或单手指的测量和力反馈，如SensAble科技公司的PHANTOM系列是目前使用最多 的基于桌面的触感交互装置，但该装置只能提供类似一个手指在抓取物体时的力 反馈，并缺乏感知物体表面材质粗糙程度的功能。若需进行多个手指触感交互， 则需要多台PHANTOM设备，实际上由于PHANTOM设备结构复杂和自身体积 的限制，要同时进行三指以上的触感交互是不可能的，同时由于PHANTOM系 列的触感交互装置与人手位置是相对放置，不利于人手的直观感觉。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于桌面的手指触感装置，不仅能够获取手指关节 弯曲角度，而且能够同时感知虚拟手抓取物体的力和触摸物体表面材质粗糙程 度。本装置结构紧凑，可同时实现五指触感交互。第一种形式的基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括底板、安装于底板上的支撑架、安装于底板上的直流电机、还包括拐角折弯 处与支撑架通过铰链连接的折形摆杆，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳，钢丝绳 的另一端绕接于上述直流电机输出轴上；上述直流电机及钢丝绳与折形摆杆构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时 指尖正压力的力反馈机构；上述支撑架上还安装有用于测量折形摆杆相对支撑架转动角度的第一电位 计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的弯曲角度；上述折形摆杆前端直接开有圆孔或通过球托板开有圆孔，圆孔安放圆球，折 形摆杆或球托板上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线 与折形摆杆同向称为竖向滚轮，另一个滚轮轴线与折形摆杆垂直称为横向滚轮， 且竖向滚轮和横向滚轮与上述圆球接触，折形摆杆前端还安装有测量竖向滚轮转 动角度的第二电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的摆动角度，还安装有 测量横向滚轮转动角度的第三电位计，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节弯 曲角度；上述折形摆杆前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力 反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括用于抱住圆球的卡紧环片、 安放于卡紧环片两伸出端之间的弹簧、安装于卡紧环片伸出端侧方的吸盘式电 磁铁；实现虚拟现实系统工作时，人手掌支撑在底板上，手指顺着折形摆杆放置、 指尖直接或通过手柄搭在圆球上。第二种形式的基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括-底板、安装于底板上的支撑架、安装于底板上的直流电机、还包括拐角折弯 处与支撑架通过铰链连接的折形摆杆，且折形摆杆的末端连接有钢丝绳，钢丝绳 的另一端绕接于上述直流电机输出轴上；上述直流电机及钢丝绳与折形摆杆构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时 指尖正压力的力反馈机构；上述支撑架上还安装有用于测量折形摆杆相对支撑架转动角度的第一电位 计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的弯曲角度；上述折形摆杆前端直接开有圆孔或通过球托板开有圆孔，圆孔安放圆球，折 形摆杆或球托板上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的滚轮，其中一个滚轮轴线 与折形摆杆同向称为竖向滚轮，另一个滚轮轴线与折形摆杆垂直称为横向滚轮， 且竖向滚轮和横向滚轮与上述圆球接触，折形摆杆前端还安装有测量竖向滚轮转 动角度的第二电位计，所测角度映射为虚拟手指指掌关节的摆动角度，还安装有测量横向滚轮转动角度的第三电位计，所测角度映射为虚拟手指远端指间关节弯 曲角度；上述折形摆杆前端还安装有用于人手感知虚拟指尖触摸材料粗糙程度的力 反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括与圆球接触的电流变液体；实现虚拟现实系统工作时，人手掌支撑在底板上，手指顺着折形摆杆放置、 指尖直接或通过手柄搭在圆球上。本专利技术可以应用于虚拟现实系统中对物体的抓取和需对物体表面材质有感 知的应用场合。本专利技术提出的触感装置具有关节角度获取和力反馈感知的双重功 能，系统整体成本低，有利于广泛应用于虚拟现实系统中。本专利技术的优点是结构简单紧凑，实现了基于桌面的五指触感装置。桌面型 触感装置使人手没有任何负重，操作更加自然、直观、舒适。该装置不仅可以感 知虚拟手抓取物体的力，而且可以通过力感知的方式感受物体表面粗糙程度。附图说明图1是基于桌面的五指触感装置整体结构示意图；图l(a)为主视图，图1 (b) 为俯视图。图2(a、 b)是单个触感组件结构示意图；图2(a)为主视图，图2 (b)为俯视图。图3(a、 b)是指尖角度测量机构以及材质粗糙程度的力反馈机构示意图；图 3(a)为剖面图，图3 (b)为俯视图。图4是虚拟手或人手拇指和食指关节名称的标示图5是单个触感组件中的转角与虚拟手单指的关节转角映射关系图6是指尖力感知的力反馈机构原理图.；图7(a、 b)是拇指触感组件的安装机构示意图；图7(a)为主视图，图7 (b)为仰视图。图8是采用电流变液体取代吸盘式电磁铁的方案示意图9是本专利技术的控制测量系统原理图。图中1拇指触感组件、2食指触感组件、3中指触感组件、4无名指触感 组件、5小指触感组件、6底板、7直流电机、8螺纹管、9钢丝绳、IO折形摆杆、11支撑架、12轴、13螺钉、14第一电位计、15限位杆、16配重、17弹 簧、18支架、19夹紧环片、20第二电位计、21支架、22竖向滚轮、23 L形支 架、24横向滚轮、25支架、26第三电位计、27吸盘式电磁铁、28电磁铁固定 板、29手柄、30圆球、31球托板、32电流变液体、33掌指关节(MP)、 34近 端指间关节(PIP)、 35远端指间关节(DIP)。具体实施方式-下面将结合附图对作进一步的说明。一种基于桌面的五指触感装置，如图l(a、 b)所示，包括拇指触感组件1、 食指触感组件2、中指触感组件3、无名指触感组件4、小指触感组件5、底板6。 食指触感组件2、中指触感组件3、无名指触感组件4、小指触感组件5分别垂 直固定在底板6上，拇指触感组件1水平固定在底座6上。其特征在于，所述的五个手指触感组件的结构和功能相同，如图2(a、 b)所 示。每个触感组件可以为一个虚拟手指提供关节弯曲角度的测量机构；每个触感 组件前端配有可感知指尖触摸材质粗糙程度的力反馈机构；每个触感组件尾端配 有为人手提供虚拟手指尖力感知的力反馈机构。结合图2(a、 b)、图3(a、 b)、图4和图5，角度测量机构包括折形摆杆10、 支撑架ll、轴12、螺钉13、第一电位计14、第二电位计20、支架2K竖向滚 轮22、 L形支架23、横向滚轮24、支架25、第三电位计26、手柄29、圆球 30、球托板31组成。支撑架11的底部与底板6固联，上端通过轴12与折形摆 杆10相连，轴12可其轴线自由转动，折形摆杆10与轴12通过螺钉13固联， 支撑架11与折形摆杆10之间的转动角度A由第一电位计14获得，该转动角度将映射为虚拟手的指掌关节33的弯曲角度(MP1)，如图5所示；折形摆杆IO 的前端固联一个球托板31，球托板31上有一个圆孔，该圆孔上放置一个可在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于桌面的手指触感装置，其特征在于包括：　底板（６）、安装于底板（６）上的支撑架（１１）、安装于底板上的直流电机（７）、还包括拐角折弯处与支撑架（１１）通过铰链连接的折形摆杆（１０），且折形摆杆的末端连接有钢丝绳（９），钢丝绳（９ ）的另一端绕接于上述直流电机（７）输出轴上；　上述直流电机（７）及钢丝绳（９）与折形摆杆（１０）构成用于人手感知虚拟手指抓取物体时指尖正压力的力反馈机构；　上述支撑架（１１）上还安装有用于测量折形摆杆（１０）相对支撑架（１１）转 动角度的第一电位计（１４），所测角度映射为虚拟手指指掌关节（３３）的弯曲角度；　上述折形摆杆（１０）前端直接开有圆孔或通过球托板（３１）开有圆孔，圆孔安放圆球（３０），折形摆杆（１０）或球托板（３１）上通过滚轮支架安装有一对相互垂直的 滚轮，其中一个滚轮轴线与折形摆杆（１０）同向称为竖向滚轮（２２），另一个滚轮轴线与折形摆杆（１０）垂直称为横向滚轮（２４），且竖向滚轮（２２）和横向滚轮（２４）与上述圆球（３０）接触，折形摆杆（１０）前端还安装有测量竖向滚轮（２２）转动角度的第二电位计（２０），所测角度映射为虚拟手指指掌关节（３３）的摆动角度，还安装有测量横向滚轮（２４）转动角度的第三电位计（２６），所测角度映射为虚拟手指远端指间关节（３５）的弯曲角度；　上述折形摆杆（１０）前端还安装有用于人手感知虚拟 指尖触摸材料粗糙程度的力反馈机构，该机构具体为圆球抱紧装置，该装置包括用于抱住圆球的卡紧环片（１９）、安放于卡紧环片（１９）两伸出端之间的弹簧（１７）、安装于卡紧环片（１９）伸出端侧方的吸盘式电磁铁（２７）；　实现虚拟现实系统工作时， 人手掌支撑在底板（６）上，手指顺着折形摆杆（１０）放置、指尖直接或通过手柄（２９）搭在圆球（３０）上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志峻，宁晓蕾，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]