[發明專利]一種用于遙操作的力覺反饋數據手套

有效

• 申請號: 202010438350.1
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111645093B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 于建均;李緒晨;左國玉;于乃功;張子豪;賈捷
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08;B25J3/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種用于遙操作的力覺反饋數據手套,其特征在于，包括：

所涉及的力反饋數據手套包含兩部分，手背處的運動捕捉部份和掌心處的力覺反饋部份；

手背處的運動捕捉部份包括；手套主體部份(101)，通過固定綁帶(102)固定在手指外側的五個彎曲傳感器(103)，固定在手背的pcb集合電路板(104)，鑲嵌在pcb板子上的微型處理器(105)、姿態檢測傳感器(106)以及通信器(107)，并通過導線與之相連接；與pc機相連接的信號接收器；

掌心處的力覺反饋部份包括：固定于掌心處的兩個機械底座(111)，用虎克鉸(108)將兩個機械底座連接；通過三個十字軸(110)將三個微型氣缸(109)與機械底座連接；氣缸末端用固定綁帶與手套指尖末端固定；通過空氣壓縮機經由過濾器，油霧分離器，電磁閥，比例閥，對微型氣缸進行充氣；

步驟(1)將彎曲傳感器固定在手套手指部份的外側；在手套手背處安裝微型處理器，姿態傳感器以及通訊單元，通過導線將各部份連接；在手套掌心處安裝三個微型氣缸，活塞末端固定在手套的手指末端，氣缸底座通過十字軸與機械底座相連接，氣缸可隨人手運動自由活動；

步驟(2)對手部的實時運動進行運動捕捉，通過固定在手指背部的彎曲傳感器跟隨手指運動發生形變，間接測出手指的彎曲程度；再通過正逆運動學算法轉換得到從端機械手的關節角度信息，通過通信環節實現主手到從手的運動映射；

步驟(3)獲取從端機械手的反饋力，通過通信環節傳遞給主手端的力反饋手套，設計輸出力控制系統；將反饋的力覺信息經過系統轉換成輸入微型氣缸的氣壓值，通過對氣缸沖氣實現力覺的反饋。

2.根據權利要求1所述的一種用于遙操作的力覺反饋數據手套，其特征在于：步驟一中對于彎曲傳感器的選擇，選用應變片式彎曲傳感器。

3.根據權利要求1所述的一種用于遙操作的力覺反饋數據手套，其特征在于：步驟1中為實現手部姿態檢測，考慮到人手運動，選用加速度計。

4.根據權利要求1所述的一種用于遙操作的力覺反饋數據手套，其特征在于：步驟二中通過彎曲傳感器采集到的手指彎曲度信息，基于笛卡爾坐標系建立手的運動模型，已知手指的關節轉角，通過正向運動學，獲得手指關節及指尖的位置.把人手看作一個關節鏈接的鉸鏈結構，按照旋轉矩陣轉移坐標系建立手指的運動方程；食指、中指、無名指和小指在結構上是一樣的，每個手指有4個轉動關節和4個自由度，根據轉動軸方向的不同，手掌側擺角度為θ₁、掌指關節角度θ₂、近端指間關節角度為θ₃、遠端指間關節角度為θ₄，掌指關節長度為l₁、近端指間關節長度為l₂、遠端指間關節長度為l₃，即相應兩個z軸之間的距離；

手指運動類型有側擺和屈曲，分別在食指的掌指關節、近端指間關節、遠端指間關節以及指尖處建立坐標系，模型的基坐標設在食指指骨與掌骨的交叉連接處.通過旋轉矩陣，建立關節坐標在直角坐標系之間的轉換，坐標系i和坐標系k之間的坐標轉換為：

其中坐標系i與坐標系i-1之間的齊次變換矩陣及利用正向運動學計算指尖坐標：

其中：

s_i＝sinθ_i,c_i＝cosθ_i

s_ij＝sin(θ_i+θ_j),c_ij＝cos(θ_i+θ_j)

s_ijk＝sin(θ_i+θ_j+θ_k),c_ijk＝cos(θ_i+θ_j+θ_k)

計算得出指尖坐標(x_tip，y_tip，z_tip)即為最后一列，其中

指尖X軸坐標：x_tip＝l₃c₁c₂₃₄+l₂c₁c₂₃+l₁c₁c₂

指尖Y軸坐標：y_tip＝l₃s₁c₂₃₄+l₂s₁c₂₃+l₁s₁c₂

指尖z軸坐標：z_tip＝-l₃s₂₃₄-l₂s₂₃-l₁s₂。