[發(fā)明專利]一種用于遙操作的力覺反饋數(shù)據(jù)手套

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010438350.1
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111645093B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于建均;李緒晨;左國玉;于乃功;張子豪;賈捷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明涉及一種用于遙操作的力覺反饋數(shù)據(jù)手套，屬于人工智能與人機交互領(lǐng)域。本發(fā)明將應(yīng)變片式彎曲傳感器與微型氣缸相結(jié)合，組成應(yīng)用于虛擬操作以及遙操作的具有力反饋的數(shù)據(jù)手套。通過固定于手指背部的彎曲傳感器測量人手各個手指關(guān)節(jié)實時運動的彎曲角度，然后將采集信息應(yīng)用指尖映射算法，經(jīng)過正逆運動變換實現(xiàn)遠端機械手與主端操作手的運動映射。再通過將從端機械手的力覺信息轉(zhuǎn)換為輸入至于掌心的微型氣缸的氣壓值，經(jīng)過對微型氣缸沖氣從而實現(xiàn)力覺反饋。本發(fā)明大大降低了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手套的成本，同時實現(xiàn)了主端操作手與從端機械手的力覺反饋，大大增加了人機交互系統(tǒng)的實時性與交互性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于智能機器人領(lǐng)域，涉及一種用于遙操作的力覺反饋數(shù)據(jù)手套。

背景技術(shù)

如今，人類的探索活動己經(jīng)遍及世界各個角落，這些探索活動的危險性和復(fù)雜性日益增加，比如空間機器人維修、深海探索以及排除、拆解核化設(shè)施等。這些任務(wù)完成的復(fù)雜度以及精確度要求也日益提高，預(yù)編程執(zhí)行器己經(jīng)很難應(yīng)付復(fù)雜多變的任務(wù)場景。同時操作員直接進入現(xiàn)場作業(yè)會對操作人員帶來不可預(yù)知的人身傷害，出于對操作者安全的考慮，需要有足夠可靠的執(zhí)行設(shè)備進入現(xiàn)場代替操作人員進行這些作業(yè)，避免對人的直接的傷害，同時也能節(jié)省人力成本，提高效益。遙操作機器人是通過人對場景進行分析并做出決策，進而指導(dǎo)機器人去完成任務(wù)，由人和一系列中間環(huán)節(jié)共同構(gòu)成一套遙操作機器人系統(tǒng)。而人機交互設(shè)備則是遙操作機器人系統(tǒng)的核心支撐設(shè)備，它用以傳遞操作者的控制意圖以及向操作者反饋現(xiàn)場的信息。由于結(jié)合了人類所獨有的應(yīng)變決策能力以及機器人的執(zhí)行能力，這些復(fù)雜而又危險的任務(wù)都能被更好地完成。

傳統(tǒng)的人機交互設(shè)備一般只能實現(xiàn)視覺的交互,而要增加虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感以及交互性,力覺和觸覺的感知是不可或缺的。遙操作系統(tǒng)的操作者需要具有交互作用的遠處場景的感覺,即要求對物體輪廓表面及抓握力進行探測和感知。在遙操作中,由于缺乏觸覺感知反饋手段,而使許許多多的信息源很難反饋和顯示給異地的用戶,從而難以實現(xiàn)更加全面的人機交互作用。顯而易見,沒有基于虛擬現(xiàn)實的接觸覺、力覺感知反饋作用,就很難滿足各種工程實際應(yīng)用的要求。

目前力覺接觸交互接口很多,而具有力覺反饋的數(shù)據(jù)手套“力覺反饋數(shù)據(jù)手套”則是實現(xiàn)人機接觸交互的理想接口裝置之一。在現(xiàn)實世界中,人類對外部世界的作用大多是通過自己的手與物體的接觸交互進行的。在此過程中,人手對物體產(chǎn)生作用力,并從物體得到觸覺和力覺反饋。因此,力反饋數(shù)據(jù)手套作為人機交互接口設(shè)備的一種重要形式,對其進行研究和探索具有重要的理論意義和極高的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種用于遙操作的力反饋數(shù)據(jù)手套的，首先基于彎曲傳感器和微型氣缸設(shè)計出力反饋手套的硬件系統(tǒng)，通過將設(shè)計好的手套佩戴于人手，利用手指背部的彎曲傳感器捕捉人手手指的彎曲度，采用指尖映射算法將采集到的手指彎曲信息經(jīng)過正逆運動學(xué)的變化轉(zhuǎn)化成從端機械手的關(guān)節(jié)角度信息，實現(xiàn)主從手的運動映射。再將從端的反饋的虛擬力換算成沖入微型氣缸所需要的氣壓來實現(xiàn)力的反饋。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于遙操作的力覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征包括：

所涉及的力反饋數(shù)據(jù)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，通過固定綁帶固定在手指外側(cè)的五個彎曲傳感器，固定在手背的pcb集合電路板，鑲嵌在pcb板子上的微型處理器、姿態(tài)檢測傳感器以及通信器，并通過導(dǎo)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結(jié)構(gòu)，兩兩個機械結(jié)構(gòu)用虎克鉸連接。通過三個十字軸將三個微型氣缸與機械底座連接。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(jīng)由過濾器，油霧分離器，電磁閥，比例閥，對微型氣缸進行充氣。