帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，包括底座、設(shè)于底座上的控制器和分別與控制器相連的拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件，還包括與人手相適配的連接桿結(jié)構(gòu)、拇指力反饋裝置和四個四指力反饋裝置，所述拇指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述拇指感應(yīng)傳感器組件成活動連接，所述四指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述四指感應(yīng)傳感器組件成活動連接。本實用新型采用與人手相適配的可穿戴式的機械手部感應(yīng)控制結(jié)構(gòu)檢測手部動作，使用多種傳感器和連接桿結(jié)構(gòu)，用物理方式捕獲人手的運動，手部運動將會實時檢測記錄，不會出現(xiàn)任何遺漏的數(shù)據(jù)，檢測成本低，檢測結(jié)果可靠。同時設(shè)置力反饋裝置，產(chǎn)生握持感。
【專利說明】帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種主要在虛擬現(xiàn)實行業(yè)、機器人控制行業(yè)的動作捕捉輸入設(shè)備，尤其涉及一種帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，手部動作捕獲領(lǐng)域現(xiàn)存有多種不同方案。其中很大一部分產(chǎn)品是利用攝像頭與計算機視覺技術(shù)來分析手部的形狀以及指向。目前市場上主流的手部動作捕捉方案有三種:光學(xué)捕捉，IMU (慣性檢測單元)捕捉，彎曲傳感器捕捉。
[0003]光學(xué)捕捉中，利用一對紅外線攝像頭捕獲手部運動并利用特殊的算法融合數(shù)據(jù)的產(chǎn)品Leap Mot1n就是一個很好的例子?；谟嬎銠C視覺的手部動作捕獲裝置普遍存在著一些缺陷。這些設(shè)備對手部動作的檢測受到了攝像頭監(jiān)測范圍和方向的限制。當用戶將手放于攝像頭監(jiān)測范圍之外時，設(shè)備將無法正確生成手部模型。此外由于手部并不需要佩戴任何裝置，基于光覺的方案完全無法做到力反饋。
[0004]另一種常用方式是利用IMU (慣性檢測單元)來測量手指的偏移角度，缺點是每次開機都需要重新校正零點。并且從結(jié)構(gòu)上說比較難在手背上放置驅(qū)動器，較難實現(xiàn)力反饋。
[0005]還有一種利用應(yīng)變片等可彎曲曲度傳感器來捕獲手部運動的傳感手套。但由于傳感器讀數(shù)以及手指的彎曲度之間的非線性關(guān)系，利用此種方式得到的結(jié)果也并不盡如人意，并且同IMU檢測類似，因為其檢測原理，這兩種方式都沒有辦法形成準確的坐標系統(tǒng)。
[0006]Cyber glove公司曾經(jīng)做過具有力反饋裝置的彎曲傳感手套,是一套通過鋼絲和滑輪與一個外置的控制盒實現(xiàn)的，體積很大，十分笨重，難以攜帶，佩戴方式繁瑣。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型要解決了目前動作捕捉方案的種種缺點，本實用新型可提供對用戶手部運動以及手勢提供可靠的讀數(shù)，這些數(shù)據(jù)可被用于機器人控制、機械控制、音樂控制以及游戲等等。除此之外，還提供了一套小巧輕便的力反饋系統(tǒng)。16自由度的手部外骨骼可以更精確的捕捉和重建手部模型，并且可以建立每個手指尖于手背間的相對坐標關(guān)系。力反饋能夠讓使用者感覺到本不存在于面前的物體而增加臨現(xiàn)感。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是:帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，包括底座、設(shè)于底座上的控制器和分別與控制器相連的拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件，還包括與人手相適配的連接桿結(jié)構(gòu)、拇指力反饋裝置和四個四指力反饋裝置，所述拇指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述拇指感應(yīng)傳感器組件成活動連接，所述四指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述四指感應(yīng)傳感器組件成活動連接。
[0009]進一步，所述四指感應(yīng)傳感器組件包括四對垂直連接的第一、二電位器、，四個所述第二電位器位于所述底座上，四個所述第二電位器軸線平行且在同一豎直平面，該豎直平面與所述底座底面垂直，四個所述第一電位器軸線平行，還包括四個第四電位器，每個所述第四電位器通過所述四指力反饋裝置與每個所述第一電位器相連，且所述第四電位器與所述第一電位器軸線平行，
[0010]所述拇指感應(yīng)傳感器組件包括依次相連的第三電位器、第五電位器和第六電位器，所述第三電位器、第五電位器、第六電位器其軸線兩兩垂直，還包括一個第七電位器，所述第七電位器通過所述拇指力反饋裝置與所述第六電位器相連，且所述第七電位器與所述第六電位器軸線平行，所述第三電位器與一個所述第二電位器相連，所述第三電位器位于所述底座背面，且所述第三電位器軸線和四個所述第二電位器軸線所在的豎直平面相交，所述第三電位器還與控制器連接；
[0011]所述連接桿結(jié)構(gòu)包括五對異形連接桿和五個直桿，其中四對異形連接桿和四個直桿與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連，其余一對異形連接桿和一個直桿與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連，所述每對異形連接桿成活動連接，所述每對異形連接桿一端連接有手指帽，所述每對異形連接桿另一端均設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)軸，其中一個所述第一旋轉(zhuǎn)軸與所述第七電位器同軸連接，另外四個所述第一旋轉(zhuǎn)軸分別與一個所述第四電位器同軸連接，
[0012]每個所述直桿的一端設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)軸，其中一個所述第二旋轉(zhuǎn)軸與所述第六電位器同軸連接，另外四個所述第二旋轉(zhuǎn)軸與所述第一電位器同軸連接，與所述第六電位器相連的所述直桿的另一端連接所述第五電位器，與所述第一電位器相連的所述直桿的另一端連接所述第二電位器。
[0013]進一步，所述四指力反饋裝置和所述拇指力反饋裝置結(jié)構(gòu)相同，均包括外殼、傳動裝置和鎖緊裝置，所述傳動裝置和所述鎖緊裝置位于所述外殼內(nèi)，所述四指力反饋裝置的所述外殼的兩端各活動設(shè)有一個所述第四電位器和一個所述第一電位器，所述拇指力反饋裝置的所述外殼的兩端各活動設(shè)有一個所述第七電位器和一個所述第六電位器，
[0014]其中與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿的所述第一旋轉(zhuǎn)軸與所述第四電位器同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿的所述第二旋轉(zhuǎn)軸與所述第一電位器同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，
[0015]其中與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿的所述第一旋轉(zhuǎn)軸與所述第七電位器同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿的所述第二旋轉(zhuǎn)軸與所述第六電位器同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)；
[0016]所述傳動裝置包括異型齒輪、第一齒條和第二齒條，所述第一齒條和所述第二齒條互相平行，且所述第一齒條和所述第二齒條分別與位于所述外殼內(nèi)的兩個滑軌活動連接，所述異型齒輪與所述外殼相連，所述異型齒輪位于所述第一齒條和所述第二齒條正上方，且所述異型齒輪與所述第一齒條和所述第二齒條均嚙合，所述第一齒條和所述第二齒條在所述異型齒輪的驅(qū)動下可沿所述滑軌滑動。
[0017]進一步，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸的一端和所述第二齒條臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸的一端均設(shè)有尖端，所述第一旋轉(zhuǎn)軸外圍和所述第二旋轉(zhuǎn)軸外圍均設(shè)有若干棘齒，所述棘齒與所述尖端嚙合。
[0018]進一步，所述鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸的一端和所述第二齒條臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸的一端分別連接一個阻力塊，每個所述阻力塊上均設(shè)有U型槽，所述U型槽的開口朝向所述外殼兩端，所述U型槽的弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸和所述第二旋轉(zhuǎn)軸相配合，且所述弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸和所述第二旋轉(zhuǎn)軸的表面設(shè)有相互配合的螺紋。
[0019]進一步，所述傳動裝置還設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)位于所述外殼外側(cè)，所述驅(qū)動機構(gòu)與所述異型齒輪相連，且所述驅(qū)動機構(gòu)還與所述控制器相連。
[0020]進一步，所述驅(qū)動機構(gòu)為舵機或減速電機或絲桿電機。
[0021]進一步，所述控制器為帶有藍牙模塊的控制器。
[0022]進一步，所述底座上還設(shè)有連接件，所述連接件為尼龍綁帶、金屬環(huán)或塑料環(huán)。
[0023]進一步，所述手指帽通過駁接插銷與所述異形連接桿成活動連接。
[0024]本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，采用與人手相適配的可穿戴式的手部感應(yīng)控制結(jié)構(gòu)檢測手部動作，使用多種傳感器和連接桿相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，用物理方式捕獲人手的運動，將手部移動轉(zhuǎn)換成用于重建精確手部模型的旋轉(zhuǎn)信號。當人手移動時，附加到手指上的設(shè)備將會相應(yīng)地產(chǎn)生位移，連接桿結(jié)構(gòu)與人手相適配并與傳感器結(jié)構(gòu)成活動連接，而這些傳感器在X、Y、Z方向相垂直，因此手可以靈活動作，而傳感器可以記錄這些任意動作的位移數(shù)據(jù)，從而靈活準確地捕捉手部動作。通過這些數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)方法建立一個可靠的手部模型，立即或在以后用于控制其他的設(shè)備；常規(guī)的方法通常包括使用高速攝像機，應(yīng)變片或其他昂貴但是效果欠佳的設(shè)備，本實用新型僅由一個微處理器和幾個價格低廉的傳感器組成。該手部動作捕獲裝置實際連接到一個人的手上的，因此手部運動將會實時檢測記錄，不會出現(xiàn)任何遺漏的數(shù)據(jù)，檢測成本低，檢測結(jié)果可靠。除此之外，力反饋裝置是通過一個執(zhí)行元件(舵機或者電機)傳動給異形齒輪，推動齒條向兩側(cè)滑動，通過將齒條尖端插入旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的棘輪/或者通過U形阻力塊壓迫旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)表層，通過阻力阻止旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，這樣會使人產(chǎn)生真實地握持感。
[0025]本實用新型可以為工業(yè)設(shè)計師提供CAD制圖的一些便利，例如特殊手勢可被作快捷鍵使用。電子電氣、機械及自動化工程師亦可利用此裝置來控制其他設(shè)備，手指的運動可被用于控制機械臂、機械手抑或是開關(guān)其他設(shè)備。對于藝術(shù)音樂創(chuàng)作領(lǐng)域的用戶，此設(shè)備可以用于表演創(chuàng)新的藝術(shù)形式，他們可以利用手勢來調(diào)整音樂音調(diào)或是燈光色彩。同時，沒有專業(yè)背景的大眾用戶也可以將此設(shè)備作為鼠標的替代品來移動光標或是用于控制演示文稿。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本實用新型使用狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是傳感器組件連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是傳感器組件連接結(jié)構(gòu)俯視圖，角度為O度-60度；
[0029]圖4鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5是鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主視圖；
[0031]圖6鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖7是鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主視圖。
[0033]圖中:
[0034]
1、底座|2、控制器|3、異形連接桿
4、第一電位器 5、第二電位器 6、第三電位器
VT早指帽〗、連接件 _ 9、駁接插銷
10、第四電位器 11、直桿_12、第一旋轉(zhuǎn)軸
?3、第二旋轉(zhuǎn)軸—14、外殼 15、異型齒輪
16、第一齒條 17、第二齒條 57滑軌
19、尖端 20、棘齒 _ 21、阻力塊
22.U型槽 —23、驅(qū)動機構(gòu) 24第五電位器
25、第六電位器 26、第七電位器__

【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明。
[0036]如圖1-7所示，帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，包括底座
1、設(shè)于底座I上的控制器2和分別與控制器2相連的拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件，還包括與人手相適配的連接桿結(jié)構(gòu)、拇指力反饋裝置和四個四指力反饋裝置，所述拇指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述拇指感應(yīng)傳感器組件成活動連接，所述四指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述四指感應(yīng)傳感器組件成活動連接。
[0037]所述四指感應(yīng)傳感器組件包括四對垂直連接的第一、二電位器4、5，四個所述第二電位器5位于所述底座I上，四個所述第二電位器5軸線平行且在同一豎直平面，該豎直平面與所述底座I底面垂直，四個所述第一電位器4軸線平行，還包括四個第四電位器10，每個所述第四電位器10通過所述四指力反饋裝置與每個所述第一電位器4相連，且所述第四電位器10與所述第一電位器4軸線平行，
[0038]所述拇指感應(yīng)傳感器組件包括依次相連的第三電位器6、第五電位器24和第六電位器25，所述第三電位器6、第五電位器24、第六電位器25其軸線兩兩垂直，還包括一個第七電位器26，所述第七電位器26通過所述拇指力反饋裝置與所述第六電位器25相連，且所述第七電位器26與所述第六電位器25軸線平行，所述第三電位器6與一個所述第二電位器5相連，所述第三電位器6位于所述底座I背面，且所述第三電位器6軸線和四個所述第二電位器5軸線所在的豎直平面相交，所述第三電位器6還與控制器2連接；
[0039]所述連接桿結(jié)構(gòu)包括五對異形連接桿3和五個直桿11，其中四對異形連接桿3和四個直桿11與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連，其余一對異形連接桿3和一個直桿11與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連，所述每對異形連接桿3成活動連接，所述每對異形連接桿3 —端連接有手指帽7，所述每對異形連接桿3另一端均設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)軸12，其中一個所述第一旋轉(zhuǎn)軸12與所述第七電位器26同軸連接，另外四個所述第一旋轉(zhuǎn)軸12分別與一個所述第四電位器10同軸連接，
[0040]每個所述直桿11的一端設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)軸13，其中一個所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第六電位器25同軸連接，另外四個所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第一電位器4同軸連接，與所述第六電位器25相連的所述直桿11的另一端連接所述第五電位器24，與所述第一電位器4相連的所述直桿11的另一端連接所述第二電位器5。
[0041]所述四指力反饋裝置和所述拇指力反饋裝置結(jié)構(gòu)相同，均包括外殼14、傳動裝置和鎖緊裝置，所述傳動裝置和所述鎖緊裝置位于所述外殼14內(nèi)，所述四指力反饋裝置的所述外殼14的兩端各活動設(shè)有一個所述第四電位器10和一個所述第一電位器4，所述拇指力反饋裝置的所述外殼14的兩端各活動設(shè)有一個所述第七電位器26和一個所述第六電位器25，
[0042]其中與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿3的所述第一旋轉(zhuǎn)軸12與所述第四電位器10同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸12通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿11的所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第一電位器4同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸13通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，
[0043]其中與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿3的所述第一旋轉(zhuǎn)軸12與所述第七電位器26同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸12通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿11的所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第六電位器24同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸13通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)；
[0044]所述傳動裝置包括異型齒輪15、第一齒條16和第二齒條17,所述第一齒條16和所述第二齒條17互相平行，且所述第一齒條16和所述第二齒條17分別與位于所述外殼14內(nèi)的兩個滑軌18活動連接，所述異型齒輪15與所述外殼14相連，所述異型齒輪15位于所述第一齒條16和所述第二齒條17正上方，且所述異型齒輪15與所述第一齒條16和所述第二齒條17均嚙合，所述第一齒條16和所述第二齒條17在所述異型齒輪15的驅(qū)動下可沿所述滑軌18滑動。
[0045]所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條16臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸12的一端和所述第二齒條17臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的一端均設(shè)有尖端19，所述第一旋轉(zhuǎn)軸12外圍和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13外圍均設(shè)有若干棘齒20，所述棘齒20與所述尖端19嚙合。
[0046]所述鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條16臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸12的一端和所述第二齒條17臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的一端分別連接一個阻力塊21，每個所述阻力塊21上均設(shè)有U型槽22，所述U型槽22的開口朝向所述外殼14兩端，所述U型槽22的弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸12和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13相配合，且所述弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸12和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的表面設(shè)有相互配合的螺紋。除了使用螺紋增加摩擦力之外，還在表面添加其它增大摩擦力的材料。
[0047]本實用新型中所有電位器均為旋轉(zhuǎn)電位器，如果采用簡化運動學(xué)模型表示，則拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件的結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，每一個圓柱體代表一個旋轉(zhuǎn)電位器。整個手部動作捕捉系統(tǒng)含有16個旋轉(zhuǎn)電位器，可將旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)化為電信號，數(shù)據(jù)被控制器2所采集。其中拇指的外骨骼結(jié)構(gòu)相對特殊，拇指感應(yīng)傳感器組件由4個電位器所組成，其中第三電位器6、第五電位器24、第六電位器25兩兩互相垂直，在空間中分別沿著一個直角坐標系的X、Y、Z坐標軸方向。第七電位器26與第六電位器25通過拇指力反饋裝置連接，且第七電位器26與第六電位器25互相平行，第三電位器5位于底座I背面，且與控制器2相連。剩余的四組手指外骨骼通過四指感應(yīng)傳感器組件進行動作捕捉，其中第三電位器6將四指感應(yīng)傳感器組件和拇指感應(yīng)傳感器相連，且均連接至控制器2上。以食指為例，在四指感應(yīng)傳感器組件中，第二電位器5與第一電位器4相互垂直，第一電位器4與第四電位器10通過四指力反饋裝置相連，且互相平行。其中四個第二電位器5設(shè)于底座I上，且朝向同一個方向，四個第二電位器5的軸線位于同一豎直平面內(nèi)，該豎直平面與底座I底面垂直。第三電位器6位于底座I背面，第三電位器6的高度低于四個第二電位器5的高度，且第三電位器6的軸線與四個第二電位器5的軸線連線相交，其夾角范圍為O度-30度，相當于拇指根部的關(guān)節(jié)的相對于四指的偏轉(zhuǎn)角為O度-60度，如圖3所示。拇指根部的關(guān)節(jié)采用0-60度的偏轉(zhuǎn)角更加符合人體工程學(xué)，為了使得外骨骼更加貼服人的拇指動作，在進行動作捕捉時更加順暢，減少佩戴者的不適感。O度-60度是指在O度-60度之間取一個固定的角度，而不是在這個范圍內(nèi)可以轉(zhuǎn)動。
[0048]底座I本身通過連接件8與人的手背相連，是整個裝置的基座。其上有整個裝置的控制器2，并且連接著五指的外骨骼，即拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件，數(shù)據(jù)通過電線由每根手指外骨骼傳到手部基座的控制器2上進行數(shù)據(jù)采集。在該結(jié)構(gòu)下，手的關(guān)節(jié)可以自由旋轉(zhuǎn)不受限制，從而能夠更為靈活準確地控制手的動作，正確形成手部模型。
[0049]力反饋結(jié)構(gòu)包括拇指力反饋裝置和四個四指力反饋裝置，所述四指力反饋裝置和所述拇指力反饋裝置結(jié)構(gòu)相同，均包括外殼14、傳動裝置和鎖緊裝置，所述傳動裝置和所述鎖緊裝置位于所述外殼14內(nèi)，所述四指力反饋裝置的所述外殼14的兩端各活動設(shè)有一個所述第四電位器10和一個所述第一電位器4，所述拇指力反饋裝置的所述外殼14的兩端各活動設(shè)有一個所述第七電位器26和一個所述第六電位器25,
[0050]其中與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿3的所述第一旋轉(zhuǎn)軸12與所述第四電位器10同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸12通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿11的所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第一電位器4同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸13通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)。
[0051]其中與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿3的所述第一旋轉(zhuǎn)軸12與所述第七電位器26同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸12通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿11的所述第二旋轉(zhuǎn)軸13與所述第六電位器24同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸13通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)。
[0052]所述傳動裝置包括異型齒輪15、第一齒條16和第二齒條17,所述第一齒條16和所述第二齒條17互相平行，且所述第一齒條16和所述第二齒條17分別與位于所述外殼14內(nèi)的兩個滑軌18活動連接，所述異型齒輪15與所述外殼14相連，所述異型齒輪15位于所述第一齒條16和所述第二齒條17正上方，且所述異型齒輪15與所述第一齒條16和所述第二齒條17均嚙合，所述第一齒條16和所述第二齒條17在所述異型齒輪15的驅(qū)動下可沿所述滑軌18滑動。
[0053]圖4、5所示為鎖死裝置的一種實施方式，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條16臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸12的一端和所述第二齒條17臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的一端均設(shè)有尖端19，所述第一旋轉(zhuǎn)軸12外圍和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13外圍均設(shè)有若干棘齒20，所述棘齒20與所述尖端19嚙合。
[0054]圖6、7所示為鎖死裝置的另一種實施方式，所述鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條16臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸12的一端和所述第二齒條17臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的一端分別連接一個阻力塊21，每個所述阻力塊21上均設(shè)有U型槽22，所述U型槽22的開口朝向所述外殼14兩端，所述U型槽22的弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸12和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13相配合，且所述弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸12和所述第二旋轉(zhuǎn)軸13的表面設(shè)有相互配合的螺紋。
[0055]所述傳動裝置還設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)23，所述驅(qū)動機構(gòu)23位于所述外殼14外側(cè)，所述驅(qū)動機構(gòu)23與所述異型齒輪15相連，且所述驅(qū)動機構(gòu)23還與所述控制器2相連。
[0056]所述驅(qū)動機構(gòu)23為舵機或減速電機或絲桿電機。所述控制器2為帶有藍牙模塊的控制器。所述底座I上還設(shè)有連接件8，所述連接件8為尼龍綁帶、金屬環(huán)或塑料環(huán)。所述手指帽7通過駁接插銷9與所述異形連接桿3成活動連接。
[0057]整套手部動作捕獲裝置由16組旋轉(zhuǎn)電位器與連桿結(jié)構(gòu)組成。裝置與佩戴者的指尖和手部相連接，當手部有所動作時，裝置隨之從動，造成關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)電位器發(fā)生角度變化，該變化造成電壓變化，由控制器2讀取并且通過藍牙發(fā)送給計算機，利用旋轉(zhuǎn)角度變化和連桿的長度通過機器人運動學(xué)進行空間建模而重構(gòu)出手部模型，或者直接發(fā)送給機器人等裝置進行控制。力反饋的方案是通過一個執(zhí)行元件(舵機或者電機)傳動給齒輪，推動齒條向兩側(cè)滑動，通過將齒條尖端插入旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的棘齒20/或者通過阻力塊21壓迫旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)表層，通過阻力阻止旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。具體使用方案是，由上位機判斷手部狀態(tài)是否接觸到虛擬物體，如果接觸，上位機發(fā)出信號給微處理器，微處理器驅(qū)動電機鎖死關(guān)節(jié)使得人手在此狀態(tài)向內(nèi)彎曲受到阻礙，產(chǎn)生握持感。
[0058]本實用新型可應(yīng)用在以下領(lǐng)域，且能帶來顯著效果:
[0059]1.使用者在通過這套設(shè)備操控距離操作者一公里外的機器人進行拆彈，通過遠程移動自己的手來控制手上去抓取易爆物品。在抓到物體的那一瞬間可回傳信號，鎖死裝置的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，產(chǎn)生把持感。以往可能需要借助多攝像頭來實施定位，但用了本裝置可以僅僅通過單攝像頭加觸覺定位。配合頭戴式顯示器(例如oculus rift等)可以使得操作者身臨其境。
[0060]2.在玩游戲的時候，可以通過頭戴式顯示器在虛擬世界中看到自己的雙手，增加臨現(xiàn)感。在虛擬世界中抓取虛擬物體事，當手指的坐標于物體的三維坐標相重合時，軟件回傳信號給本裝置，裝置快速鎖死，對使用者指尖造成壓迫，給人一種仿佛在真實世界中真的握到物體的實體一般，增加游戲的逼真程度和拓展性。
[0061]3.本實用新型中所提及的手部運動捕獲裝置可以為工業(yè)設(shè)計師提供CAD制圖的一些便利，例如特殊手勢可被作快捷鍵使用。電子電氣、機械及自動化工程師亦可利用此裝置來控制其他設(shè)備，手指的運動可被用于控制機械臂、機械手抑或是開關(guān)其他設(shè)備。對于藝術(shù)音樂創(chuàng)作領(lǐng)域的用戶，此設(shè)備可以用于表演創(chuàng)新的藝術(shù)形式，他們可以利用手勢來調(diào)整音樂音調(diào)或是燈光色彩。同時，沒有專業(yè)背景的大眾用戶也可以將此設(shè)備作為鼠標的替代品來移動光標或是用于控制演示文稿。
[0062]以上對本實用新型的實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用于限定本實用新型的實施范圍。凡依本實用新型范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:包括底座(I)、設(shè)于底座(I)上的控制器(2)和分別與控制器(2)相連的拇指感應(yīng)傳感器組件和四指感應(yīng)傳感器組件，還包括與人手相適配的連接桿結(jié)構(gòu)、拇指力反饋裝置和四個四指力反饋裝置，所述拇指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述拇指感應(yīng)傳感器組件成活動連接，所述四指力反饋裝置和所述連接桿結(jié)構(gòu)與所述四指感應(yīng)傳感器組件成活動連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述四指感應(yīng)傳感器組件包括四對垂直連接的第一、二電位器(4)、(5)，四個所述第二電位器(5)位于所述底座(I)上，四個所述第二電位器(5)軸線平行且在同一豎直平面，該豎直平面與所述底座(I)底面垂直，四個所述第一電位器(4)軸線平行，還包括四個第四電位器(10)，每個所述第四電位器(10)通過所述四指力反饋裝置與每個所述第一電位器(4)相連，且所述第四電位器(10 )與所述第一電位器(4)軸線平行， 所述拇指感應(yīng)傳感器組件包括依次相連的第三電位器(6)、第五電位器(24)和第六電位器(25)，所述第三電位器(6)、第五電位器(24)、第六電位器(25)其軸線兩兩垂直，還包括一個第七電位器(26)，所述第七電位器(26)通過所述拇指力反饋裝置與所述第六電位器(25)相連，且所述第七電位器(26)與所述第六電位器(25)軸線平行，所述第三電位器(6)與一個所述第二電位器(5)相連，所述第三電位器(6)位于所述底座(I)背面，且所述第三電位器(6)軸線和四個所述第二電位器(5)軸線所在的豎直平面相交，所述第三電位器(6)還與控制器(2)連接； 所述連接桿結(jié)構(gòu)包括五對異形連接桿(3)和五個直桿(11)，其中四對異形連接桿(3)和四個直桿(11)與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連，其余一對異形連接桿(3)和一個直桿(11)與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連，所述每對異形連接桿(3)成活動連接，所述每對異形連接桿(3) —端連接有手指帽(7)，所述每對異形連接桿(3)另一端均設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)軸(12)，其中一個所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)與所述第七電位器(26)同軸連接，另外四個所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)分別與一個所述第四電位器(10)同軸連接， 每個所述直桿(11)的一端設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)軸(13)，其中一個所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)與所述第六電位器(25)同軸連接，另外四個所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)與所述第一電位器(4)同軸連接，與所述第六電位器(25)相連的所述直桿(11)的另一端連接所述第五電位器(24)，與所述第一電位器(4)相連的所述直桿(11)的另一端連接所述第二電位器(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述四指力反饋裝置和所述拇指力反饋裝置結(jié)構(gòu)相同，均包括外殼(14)、傳動裝置和鎖緊裝置，所述傳動裝置和所述鎖緊裝置位于所述外殼(14)內(nèi)，所述四指力反饋裝置的所述外殼(14)的兩端各活動設(shè)有一個所述第四電位器(10)和一個所述第一電位器(4)，所述拇指力反饋裝置的所述外殼(14)的兩端各活動設(shè)有一個所述第七電位器(26)和一個所述第六電位器(25)， 其中與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿(3)的所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)與所述第四電位器(10)同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述四指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿(11)的所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)與所述第一電位器(4)同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)， 其中與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的異形連接桿(3)的所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)與所述第七電位器(26)同軸連接，且所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)通過鎖緊裝置可實現(xiàn)定位鎖死，與所述拇指感應(yīng)傳感器組件相連的直桿(11)的所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13 )與所述第六電位器(24)同軸連接，且所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)通過鎖死裝置可實現(xiàn)定位鎖死，所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)或阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)； 所述傳動裝置包括異型齒輪(15)、第一齒條(16)和第二齒條(17)，所述第一齒條(16)和所述第二齒條(17)互相平行，且所述第一齒條(16)和所述第二齒條(17)分別與位于所述外殼(14)內(nèi)的兩個滑軌(18)活動連接，所述異型齒輪(15)與所述外殼(14)相連，所述異型齒輪(15)位于所述第一齒條(16)和所述第二齒條(17)正上方，且所述異型齒輪(15)與所述第一齒條(16)和所述第二齒條(17)均嚙合，所述第一齒條(16)和所述第二齒條(17)在所述異型齒輪(15)的驅(qū)動下可沿所述滑軌(18)滑動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述鎖死裝置為棘輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條(16)臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)的一端和所述第二齒條(17)臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)的一端均設(shè)有尖端(19)，所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)外圍和所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)外圍均設(shè)有若干棘齒(20)，所述棘齒(20)與所述尖端(19)嚙合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述鎖死裝置為阻力輪鎖死結(jié)構(gòu)，所述第一齒條(16)臨近所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)的一端和所述第二齒條(17)臨近所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)的一端分別連接一個阻力塊(21)，每個所述阻力塊(21)上均設(shè)有U型槽(22)，所述U型槽(22)的開口朝向所述外殼(14)兩端，所述U型槽(22)的弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)和所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)相配合，且所述弧形凹面與所述第一旋轉(zhuǎn)軸(12)和所述第二旋轉(zhuǎn)軸(13)的表面設(shè)有相互配合的螺紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述傳動裝置還設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)(23)，所述驅(qū)動機構(gòu)(23)位于所述外殼(14)外側(cè)，所述驅(qū)動機構(gòu)(23)與所述異型齒輪(15)相連，且所述驅(qū)動機構(gòu)(23)還與所述控制器(2)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述驅(qū)動機構(gòu)(23)為舵機或減速電機或絲桿電機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述控制器(2)為帶有藍牙模塊的控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述底座(I)上還設(shè)有連接件(8)，所述連接件(8)為尼龍綁帶、金屬環(huán)或塑料環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有力反饋的利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的手部動作捕獲裝置，其特征在于:所述手指帽(7)通過駁接插銷(9)與所述異形連接桿(3)成活動連接。
【文檔編號】G06F3/01GK203966058SQ201420401934
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】谷逍馳 申請人:谷逍馳