一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法技术

本发明专利技术公开了一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法，能够实现对于人手指的全空间精密运动捕捉和手指构型的重建。所述手部外骨骼由若干串联运动链和一个共同基座组成，每个串联运动链均包含一个主动关节和五个被动关节，所述关节上均设置磁旋转角度传感器可实现对所述串联运动链末端的运动捕捉。所述串联运动链与人手指形成并联结构，实现人手指末端的六自由度精密运动捕捉。捕捉到的人手指尖运动通过圆弧拟合算法实现手指构型的重建，同时可以在三维可视化的仿真环境中将手指运动构型实时展示出来。本发明专利技术根据不同需求能够增加或减少基座上串联运动链的数量，并将手部运动在三维仿真环境中实时重现出来，提高了体验度。体验度。体验度。

【技术实现步骤摘要】
一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法


[0001]本专利技术涉及一种机器人外骨骼设计生产
，尤其涉及一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法。

技术介绍

[0002]手部外骨骼实际上是一种穿戴在人手部的机器人技术，结合了外骨骼仿生技术和信息技术。手是人类最重要的运动执行器官之一，人类大部分日常工作都是由灵巧的双手来完成，如穿衣服、端盘子、夹菜等。因此基于手部外骨骼实现人手指的全空间精密运动捕捉和手指构型重建对于研究人手生物和机械运动机理、实现基于遥操作的机器人灵巧作业和手上操作、对手部运动功能损伤患者进行康复训练等任务具有重要意义。
[0003]当前实现手指运动捕捉的方式主要分为两类：第一类是基于视觉等方式实现的非穿戴式运动捕捉设备，如Leap Motion等。然而，非穿戴式的方法存在跟踪精度差、遮挡易丢帧、对外界扰动(如光照、背景等)鲁棒性差等问题。第二类是穿戴式的数据手套或手部外骨骼设备。数据手套可以提供较为准确的手指运动捕捉能力，然而通常不具备力反馈的能力且难以自适应不同的人手尺寸。手部外骨骼设备虽然能够给人手提供丰富的力反馈信息，但由于人手部关节的复杂性、精巧性，现有设备存在运动相容性差、难以实现手指全空间的运动捕捉等问题。而为实现人手高自由度的运动捕捉而设计的全驱动手部外骨骼，由于引入驱动数量的增加使得这些设备通常存在尺寸大、重量大、结构复杂等问题，严重影响人类的穿戴体验。
[0004]由于不同人手尺寸、构型存在一定差异，因此将捕捉到的手指运动用于手指构型的重建时，需要简便有效的算法适应不同的人手尺寸，并且无论如何都不需要外骨骼设备和手指之间的机械对准。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提出一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种捕捉手指运动的手部外骨骼，包括若干串联运动链和基座，所述串联运动链根部固定在所述基座上，所述基座用于绑缚穿戴者的手背，手指指尖固连在串联运动链末端上，使得所述串联运动链与穿戴者手指形成并联结构。
[0007]进一步地，所述串联运动链由连接到基座的第一俯仰连杆、第二俯仰连杆、第一轴向旋转偏航连杆、第二轴向旋转偏航连杆以及连接到指尖的第一十字连杆、第二十字连杆依次通过被动关节连接组成；
[0008]所述串联运动链的第一俯仰连杆根部通过主动关节固定在所述基座上。
[0009]进一步地，所述第一俯仰连杆和第二俯仰连杆、第二俯仰连杆和第一轴向旋转偏航连杆、第一轴向旋转偏航连杆和第二轴向旋转偏航连杆、第二轴向旋转偏航连杆和第一
十字连杆、第一十字连杆和第二十字连杆之间的第一被动关节、第二被动关节、第三被动关节、第四被动关节和第五被动关节均是由微型轴承、垫片和螺栓组成。
[0010]进一步地，所述主动关节是由一对高精度锥齿轮和关节轴组成，两个锥齿轮相互咬合，其中一个锥齿轮与第一俯仰连杆固连，另一个锥齿轮与减速电机固连；所述关节轴由螺栓构成，并使用滚动轴承、法兰轴承对关节轴旋转支撑。
[0011]进一步地，所述主动关节和所述被动关节处均设置磁旋转角度传感器，以捕捉所述主动关节和所述被动关节的旋转角度。
[0012]进一步地，手部外骨骼还包括用于读取所述磁旋转角度传感器角度数值的单片机设备。
[0013]进一步地，所述串联运动链的数量为1～5个，与需捕捉运动的手指的数量匹配。
[0014]另一方面，本说明书还提供了一种手指构型重建方法，该方法包括以下步骤：
[0015]S1、将穿戴者手部绑缚在基座上，手指指尖分别绑缚在指尖的十字连杆上，使得串联运动链与穿戴者手指形成并联结构；
[0016]S2、建立世界坐标系并固连在手部外骨骼上，将手指伸直并绕手指根部指骨关节轴进行圆弧运动；
[0017]S3、通过磁旋转角度传感器采集圆弧运动时手指末端的六自由度笛卡尔位姿数据集，将数据集进行圆弧拟合，得到圆弧拟合参数与手指根部基坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵；
[0018]S4、通过圆弧拟合参数计算圆弧拟合的圆心和手指长度，并通过各个手指指骨的比例关系得到每个指骨的长度；
[0019]S5、将手指根部基坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵与手指末端的六自由度笛卡尔位姿代入运动学方程，得到手指末端相对于手指根部基坐标系的齐次变换矩阵；
[0020]S6、通过手指末端相对于手指根部基坐标系的齐次变换矩阵建立运动学模型，得到手指关节角度，将求解到的手指指骨长度和手指关节角度输入到三维仿真环境中，实时获取手部穿戴者的手指构型。
[0021]进一步地，所述圆弧拟合参数由六自由度笛卡尔位姿数据集中位置坐标代入圆弧拟合方程中得到。
[0022]进一步地，所述S5中运动学方程如下：
[0023][0024]其中为手指末端六自由度笛卡尔位姿；为手指根部基坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026]第一，本专利技术体积小，重量轻，结构简单，具有良好的可穿戴性，运动相容性好，能够实现穿戴者手指指尖的全空间实时精密运动捕捉。
[0027]第二，本专利技术可以根据捕捉不同手指运动的需求增加或减少基座上串联运动链的数量。
[0028]第三，本专利技术通过所提出的手指构型重建方法，能够适应不同穿戴者的人手尺寸、构型的差异，实时进行穿戴者手指构型的重建。
[0029]第四，本专利技术的方法能够将穿戴者的手部运动在三维仿真环境中实时重现出来，提高了用户的体验度。
附图说明
[0030]图1是本专利技术提出的一种捕捉手指运动的手部外骨骼示意图；
[0031]图2是本专利技术实施例提供的手指构型重建方法中采集数据的手指运动方法示意图；
[0032]图3是本专利技术实施例提供的手指构型重建方法中手指的运动学建模示意图；
[0033]图4是三维仿真环境的界面效果图。
具体实施方式
[0034]以下结合附图对本专利技术具体实施方式作进一步详细说明。
[0035]本专利技术的实施例提供一种捕捉手指运动的手部外骨骼及手指构型重建方法，用于实现人手指全空间的精密运动捕捉。
[0036]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]请参考图1，本专利技术中所公开的一种捕捉手指运动的手部外骨骼，用于实现人手指全空间精密运动捕捉和手指构型的重建，包括多个模块化的串联运动链1和一个共同基座2组成。
[0038]串联运动链由连接到基座的第一俯仰连杆10、第二俯仰连杆11、中间的第一轴向旋转偏航连杆12、第二轴向旋转偏航连杆13以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种捕捉手指运动的手部外骨骼，其特征在于，包括若干串联运动链(1)和基座(2)，所述串联运动链(1)根部固定在所述基座(2)上，所述基座用于绑缚穿戴者的手背，手指指尖固连在串联运动链(1)末端上，使得所述串联运动链(1)与穿戴者手指形成并联结构。2.根据权利要求1所述的一种捕捉手指运动的手部外骨骼，其特征在于，所述串联运动链由连接到基座的第一俯仰连杆(10)、第二俯仰连杆(11)、第一轴向旋转偏航连杆(12)、第二轴向旋转偏航连杆(13)以及连接到指尖的第一十字连杆(14)、第二十字连杆(15)依次通过被动关节连接组成；所述串联运动链(1)的第一俯仰连杆(10)根部通过主动关节(3)固定在所述基座(2)上。3.根据权利要求2所述的一种捕捉手指运动的手部外骨骼，其特征在于，所述第一俯仰连杆(10)和第二俯仰连杆(11)、第二俯仰连杆(11)和第一轴向旋转偏航连杆(12)、第一轴向旋转偏航连杆(12)和第二轴向旋转偏航连杆(13)、第二轴向旋转偏航连杆(13)和第一十字连杆(14)、第一十字连杆(14)和第二十字连杆(15)之间的第一被动关节(8)、第二被动关节(7)、第三被动关节(6)、第四被动关节(5)和第五被动关节(4)均是由微型轴承、垫片和螺栓组成。4.根据权利要求2所述的一种捕捉手指运动的手部外骨骼，其特征在于，所述主动关节(3)是由一对锥齿轮(16)和关节轴组成，两个锥齿轮相互咬合，其中一个锥齿轮与第一俯仰连杆(10)固连，另一个锥齿轮与减速电机固连(20)；所述关节轴由螺栓(19)构成，并使用滚动轴承(17)、法兰轴承(18)对关节轴旋转支撑。5.根据权利要求2所述的一种捕捉手指运动的手部外骨骼，其特征在于，所述主动关节(3)和所述被动关节处均设置磁旋转角度传感器(9)，以捕捉所述主...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高峰，苏元，袁祖强，陈积明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：