專利名稱：雙向力反饋從手手臂控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種檢測人手手臂運動狀態，并具有雙向主動驅動的力反饋功能從手手臂控制裝置。
背景技術：
由于科學技術的發展，機器人逐漸在越來越大的范圍內被使用，遙操作機器人作為一種性能可靠、技術成熟的機器人被廣泛用于各種危險的、情況復雜的、人類無法到達的環境中工作，它采用的是非常可靠的控制方式，直接由操作者發出指令來控制。隨著遙操作機器人執行的任務越來越復雜，使得人們在追求可靠性的同時，還對其靈活性提出了更高的要求，而要對復雜的機械手實施遙操作，控制機械手手臂多個關節一起協調運動，以實現特定功能，這就需要用到機械手手臂控制裝置，而具有力反饋功能的從手手臂控制裝置是對機器人的機械手實施遙操作的最有效裝置，它通過測量操作者手臂各個關節的位置信息作為控制指令控制機械手的手臂跟蹤人手手臂運動，并能將機械手手臂各個關節在運動過程中的受力情況在從手手臂控制裝置上模擬出來，作用在操作者的手臂上，使操作者產生很強的臨場感。此外，近年來虛擬現實交互技術不斷發展，雙向力反饋從手手臂控制裝置可作為一種主要的交互設備，參與到虛擬現實交互系統的構建中，例如在一個由計算機虛擬的場景里，操作者通過雙向力反饋從手手臂控制裝置控制一雙虛擬的人手拆卸或裝配機器等，還有遠程手術、游戲、3D動畫制作等都需要用到雙向力反饋從手手臂控制裝置。目前市場上的力反饋手臂控制系統復雜，體積龐大，價格極為昂貴，使其無法大量普及、推廣和使用。
發明內容本實用新型的目的是針對現有的力反饋從手手臂控制裝置價格昂貴、系統復雜、體積龐大、維護困難等缺點，提出了一種外構架式結構，將角度傳感器和關節主動驅動裝置結合為一體，在檢測人手手臂關節運動信息的同時也將反饋回來的力覺信息轉化成力或力矩直接作用于人手手臂的方法，極大簡化了復雜的力反饋從手手臂控制系統。本實用新型是用于與計算機、機械手等交互作用的設備，由手套基座、手腕及前臂運動檢測驅動機構、肘部及上臂運動檢測驅動機構、肩部運動檢測驅動機構組成，手套基座固定在人手手掌部位，手腕及前臂運動檢測驅動機構固定在前臂上靠近手腕關節的部位，肘部及上臂運動檢測驅動機構固定在上臂上靠近手臂肘部關節的部位，肩部運動檢測驅動機構固定在人體背部對應的肩關節部位，各個部位之間的機構通過連桿順序鉸接。本實用新型使用充氣方式固定上臂及前臂上的關節檢測驅動機構，使其穿戴和固定更加方便，測量更加準確。本實用新型在關節的驅動部件里加入了離合裝置，當系統有力反饋信號時，電機轉動并連接離合裝置驅動被驅動的關節，對該關節的運動施加力的作用，當系統沒有力反饋信號時，電機停止轉動并斷開與離合裝置的連接，減少和降低了關節運動的阻力，使關節的運動更加順暢。雙向力反饋從手手臂控制裝置檢測手臂各個關節的運動角度由設置在裝置上相應的角度傳感器通過相應的數學算法測量，所有關節在其運動方向或復雜運動的分解方向上都設置有獨立的驅動部件，每一個驅動部件又與被驅動關節上相應的角度傳感器配合工作形成閉環控制，以實現力反饋控制并提高其精確性。本實用新型可以精確、靈敏地檢測出在三維空間中人手手腕關節的運動、前臂繞其軸線的旋轉運動、肘部關節的運動、上臂繞其軸線的旋轉運動、肩部關節的運動，并對每個關節具有雙向主動驅動的力反饋功能，該裝置成本低，使用簡單，穿戴方便，容易維護。
圖1是本實用新型整體結構的軸側圖。圖2是本實用新型整體結構的下視圖圖3是裝置固定機構100與肩部運動檢測驅動機構101的結構示意圖。圖4是關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6的結構示意圖。圖5是肘部及上臂運動檢測驅動機構102的軸側圖。圖6是肘部及上臂運動檢測驅動機構102的結構示意圖。圖7是上臂固定環106的軸側圖。圖8是手腕及前臂運動檢測驅動機構103的軸測圖。圖9是手腕及前臂運動檢測驅動機構103的結構示意圖。圖10是手腕關節 檢測驅動部件108-1、108-2的結構示意圖。圖11是前臂固定環107的軸側圖。圖12是手套基座104的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型主要零部件100.裝置固定機構 101.肩部運動檢測驅動機構 102.肘部及上臂運動檢測驅動機構103.手腕及前臂運動檢測驅動機構 104.手套基座 105.關節檢測驅動部件106.上臂固定環107.前臂固定環108.手腕關節檢測驅動部件1.背部固定基座2.背部基座支撐桿9.上臂滑動環上部10.上臂滑動環下部11.上臂固定環齒輪15.角度傳感器16.離合裝置17.電機19.前臂滑動環上部20.前臂滑動環下部24.前臂固定環齒輪28.微型電機31.轉動連接件32.手掌基座33.手套具體實施方式
一如圖1、圖2、圖3、圖5和圖8所示，所述雙向力反饋從手手臂控制裝置，包括裝置固定機構100、肩部運動檢測驅動機構101、肘部及上臂運動檢測驅動機構102、手腕及前臂運動檢測驅動機構103、手套基座104。所述手套基座104穿戴固定在操作者手上，與手腕及前臂運動檢測驅動機構103通過兩級連桿21、22鉸接，所述手腕及前臂運動檢測驅動機構103固定在操作者前臂上靠近手腕關節的部位，與肘部及上臂運動檢測驅動機構102通過兩級連桿6、7鉸接，所述肘部及上臂運動檢測驅動機構102固定在操作者上臂上靠近手臂肘部關節的部位，與肩部運動檢測驅動機構101通過兩級連桿3、4鉸接，所述肩部運動檢測驅動機構101固定在裝置固定機構100上，所述裝置固定機構100固定在操作者后背對應的肩關節部位，所述肩部運動檢測驅動機構101與裝置固定機構100固接的部位對應于操作者的肩關節部位。雙向力反饋從手手臂控制裝置對操作者手臂各個關節運動的檢測及力反饋驅動由關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6和手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2實施。
具體實施方式
二 如圖3、圖4、圖5和圖8所示，所述關節檢測驅動部件105_1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6包括角度傳感器15，電機17，離合裝置16，外殼12、13、14,傳動軸18。所述離合裝置16通過減速齒輪組嚙合與傳動軸18聯動,所述傳動軸18通過齒輪與角度傳感器15聯動，所述電機17與離合裝置16有連接和斷開兩種工作狀態。動作實施過程當電機17轉動時，離合裝置16與電機17連接，電機17通過離合裝置16和減速齒輪組驅動傳動軸18轉動，傳動軸18通過齒輪帶動角度傳感器15轉動；當電機17停止轉動時，離合裝置16與電機17的連接斷開，傳動軸18只與電位器15聯動。如圖8和圖10所示，所述手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2包括角度傳感器15，微型電機28，離合裝置29，外殼26、27，傳動軸30。所述離合裝置29通過減速齒輪組嚙合與傳動軸30聯動，所述傳動軸30與角度傳感器15固接，所述微型電機28與離合裝置29有連接和斷開兩種工作狀態。動作實施過程當微型電機28轉動時，離合裝置29與微型電機28連接，微型電機28通過離合裝置29和減速齒輪組驅動傳動軸30轉動，傳動軸30與角度傳感器15聯動；當微型電機28停止轉動時，離合裝置29與微型電機28的連接斷開，傳動軸30只與電位器15聯動。
具體實施方式
三如圖1、圖2和圖3所示，所述裝置固定機構100包括背部固定基座I和背部基座支撐桿2，所述背部固定基座I固定于操作者的后背上，所述背部固定基座I包括A、B兩個關節測量平臺，其位置分別對應于操作者雙肩肩關節的部位，所述背部基座支撐桿2的兩端分別與背部固定基座I的A、B兩個測量平臺固接。所述肩部運動檢測驅動機構101包括關節檢測驅動部件105-1、105-2，連桿3、4，隔離柱5，所述關節檢測驅動部件105-1固定于背部基座支撐桿2的一端，固接部位對應于測量平臺A，所述關節檢測驅動部件105-1的傳動軸18的軸線與A、B兩個測量平臺中心的連線平行，所述關節檢測驅動部件105-2的底座C與關節檢測驅動部件105-1的傳動軸18固接，所述關節檢測驅動部件105-1和關節檢測驅動部件105-2的傳動軸18的軸線互相垂直，所述兩根連桿3的一端分別與關節檢測驅動部件105-2的傳動軸18兩端固接，所述兩根連桿3的另一端分別與兩根連桿4的一端鉸接，所述連桿3和連桿4鉸接處安裝有隔離柱5。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，所述肘部及上臂運動檢測驅動機構102包括關節檢測驅動部件105-3、105-4、105-5，上臂固定環106，上臂滑動環上部9，上臂滑動環下部10，上臂固定環齒輪11，連桿6、7，隔離柱5。所述上臂固定環106的外殼D為硬質材料，平臺E固定于外殼D上，所述上臂固定環106的內側充氣部件F為可充氣橡膠材質，氣門G固定于外殼D上，所述關節檢測驅動部件105-5通過螺釘固定于上臂固定環106的平臺E上，所述關節檢測驅動部件105-5的傳動軸18的軸線垂直于上臂固定環106的軸線，并平行于平臺E的上表面，所述兩根連桿6的一端分別與關節檢測驅動部件105-5的傳動軸18兩端固接，所述兩根連桿6的另一端分別與兩根連桿7的一端鉸接，所述連桿6和連桿7鉸接處安裝有隔離柱5。所述上臂固定環齒輪11固定于上臂固定環106的外殼D上，所述上臂固定環齒輪11的軸線與上臂固定環106的軸線重合，所述上臂滑動環上部9安裝在上臂固定環106的外殼D上，所述上臂滑動環上部9的圓環軸線與上臂固定環106的軸線重合，所述上臂固定環齒輪11置于上臂滑動環上部9的圓環溝槽內，所述上臂滑動環下部10安裝在上臂固定環106的外殼D上，所述上臂滑動環下部10的圓環軸線與上臂固定環106的軸線重合，所述上臂固定環齒輪11置于上臂滑動環下部10的圓環溝槽內，所述上臂滑動環上部9與上臂滑動環下部10的兩端通過螺釘固接形成一個完整的圓環，所述上臂滑動環上部9和上臂滑動環下部10可繞上臂固定環106的軸線，沿著上臂固定環106的表面做相對于上臂固定環106的旋轉運動。所述關節檢測驅動部件105-3的底座C通過轉動軸8鉸接于上臂滑動環上部9的孔N，所述轉動軸8的軸線同時垂直于上臂固定環106的軸線和關節檢測驅動部件105-3的傳動軸18的軸線，所述關節檢測驅動部件105-3以轉動軸8為軸線轉動。所述關節檢測驅動部件105-4的底座C通過螺釘固定于上臂滑動環上部9的平面R，所述關節檢測驅動部件105-4的傳動軸18的軸線與上臂固定環106的軸線平行，所述關節檢測驅動部件105-4的傳動軸18與齒輪25固接，所述齒輪25與上臂固定環齒輪11嚙合。所述關節檢測驅動部件105-3的傳動軸18兩端分別與兩根連桿4的一端固接。動作實施過程操作者的上臂在穿入上臂固定環106前，上臂固定環106的內側充氣部件F釋放氣體，使上臂固定環106的內徑大于操作者上臂的直徑，當操作者上臂穿入上臂固定環106后，上臂固定環106與操作者的上臂之間有空隙，調整位置使上臂固定環106處在操作者上臂上靠近手臂肘部關節的部位，然后通過上臂固定環106的氣門G給上臂固定環106的內側充氣部件F充入氣體，使其膨脹，填滿上臂固定環106內部與操作者上臂之間的空隙并擠壓操作者的上臂，使上臂固定環106能固定在操作者的上臂。當操作者的上臂繞肩部至肘部的軸線轉動時，上臂固定環106及上臂固定環齒輪11跟隨一起轉動，上臂滑動環上部9和上臂滑動環下部10相對于上臂固定環106靜止，則上臂固定環齒輪11通過嚙合的齒輪25驅動關節檢測驅動部件105-4的傳動軸18，傳動軸18通過嚙合的齒輪驅動角度傳感器15，使關節檢測驅動部件105-4的傳感器15能檢測出操作者上臂旋轉的角度和狀態，當控制系統無力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-4的電機17不轉動，操作者的上臂轉動不受干擾，當控制系統有力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-4的電機17轉動，關節檢測驅動部件105-4的傳動軸18輸出動力，通過固接的齒輪25驅動上臂固定環齒輪11，在其運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據關節檢測驅動部件105-4的角度傳感器15檢測到的操作者上臂旋轉角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正該驅動力的大小和方向，推動或阻礙操作者上臂的轉動，實現該關節運動的力反饋功能。人體上臂能以肩部為定點在一定范圍內朝各個方向擺動，當操作者的上臂朝任一方向擺動時，關節檢測驅動部件105-2的傳動軸18的軸線和關節檢測驅動部件105-3的傳動軸18的軸線始終保持相互平行，但兩軸線之間的直線距離會隨操作者的上臂擺動而發生改變，使鉸接的連桿3、4之間發生相對轉動，從而驅動與連桿3固接的關節檢測驅動部件105-2的傳動軸18和與連桿4固接的關節檢測驅動部件105-3的傳動軸18轉動，同時關節檢測驅動部件105-2、105-3分別繞各自底座C固接部件的軸線轉動，驅動與關節檢測驅動部件105-2底座C固接的關節檢測驅動部件105-1的傳動軸18轉動，關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3的傳動軸18轉動并驅動各自的角度傳感器15，系統根據3個角度傳感器15檢測到的數據計算出操作者上臂擺動的角度和狀態，當控制系統無力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3的電機17不轉動，操作者的上臂擺動不受干擾，當控制系統有力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3的電機17轉動，關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3的傳動軸18分別輸出動力，在各自的運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據關節檢測驅動部件105-1、105-2、105-3的角度傳感器15檢測到的操作者上臂擺動角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正該驅動力的大小和方向，推動或阻礙操作者上臂的擺動，實現該關節運動的力反饋功能。
具體實施方式
四如圖1、圖2、圖4、圖5、圖8、圖9、圖10和圖11所示，所述手腕及前臂運動檢測驅動機構103包括關節檢測驅動部件105-6，手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2，前臂固定環107，前臂滑動環上部19，前臂滑動環下部20，前臂固定環齒輪24，連桿21、22，隔離柱23。所述前臂固定環107的外殼J為硬質材料，平臺K固定于外殼J上，所述前臂固定環107的內側充氣部件L為可充氣橡膠材質，氣門M固定于外殼J上，所述手腕關節檢測驅動部件108-2的底座H通過螺釘固定于前臂固定環107的平臺K上，所述手腕關節檢測驅動部件108-2的傳動軸30的軸線垂直于前臂固定環107的軸線和平臺K的上表面，所述手腕關節檢測驅動部件108-1的底座H與手腕關節檢測驅動部件108-2的傳動軸30固接，所述手腕關節檢測驅動部件108-1的傳動軸30的軸線垂直于手腕關節檢測驅動部件108-2的傳動軸30的軸線，所述連桿21的一端與手腕關節檢測驅動部件108-1的傳動軸30固接，所述連桿21的另一端與連桿22的一端鉸接。所述前臂固定環齒輪24固定于前臂固定環107的外殼J上，所述前臂固定環齒輪24的軸線與前臂固定環107的軸線重合，所述前臂滑動環上部19安裝在前臂固定環107的外殼J上，所述前臂滑動環上部19的圓環軸線與前臂固定環107的軸線重合，所述前臂固定環齒輪24置于前臂滑動環上部19的圓環溝槽內，所述前臂滑動環下部20安裝在前臂固定環107的外殼J上，所述前臂滑動環下部20的圓環軸線與前臂固定環107的軸線重合，所述前臂固定環齒輪24置于前臂滑動環下部20的圓環溝槽內，所述前臂滑動環上部19與前臂滑動環下部20的兩端通過螺釘固接形成一個完整的圓環，所述前臂滑動環上部19和前臂滑動環下部20可繞前臂固定環107的軸線，沿著前臂固定環107的表面做相對于前臂固定環107的旋轉運動。所述關節檢測驅動部件105-6的底座C通過螺釘固定于前臂滑動環上部19的平面P，所述關節檢測驅動部件105-6的傳動軸18的軸線與前臂固定環107的軸線平行，所述關節檢測驅動部件105-6的傳動軸18與齒輪25固接，所述齒輪25與前臂固定環齒輪24嚙合。所述兩連桿7的一端分別通過螺釘鉸接于前臂滑動環上部19的S孔兩端，兩個鉸接點的連線垂直于前臂滑動環上部19的圓環軸線。動作實施過程操作者的前臂在穿入前臂固定環107前，前臂固定環107的內側充氣部件L釋放氣體，使前臂固定環107的內徑大于操作者前臂的直徑，當操作者前臂穿入前臂固定環107后，前臂固定環107與操作者的前臂之間有空隙，調整位置使前臂固定環107處在操作者前臂上靠近手腕關節的部位，然后通過前臂固定環107的氣門M給前臂固定環107的內側充氣部件L充入氣體，使其膨脹，填滿前臂固定環107內部與操作者前臂之間的空隙并擠壓操作者的前臂，使前臂固定環107能固定在操作者的前臂。當操作者的前臂繞肘部至手腕的軸線轉動時，前臂固定環107及前臂固定環齒輪24跟隨一起轉動，前臂滑動環上部19和前臂滑動環下部20相對于前臂固定環107靜止，則前臂固定環齒輪24通過嚙合的齒輪25驅動關節檢測驅動部件105-6的傳動軸18，傳動軸18通過嚙合的齒輪驅動角度傳感器15，使關節檢測驅動部件105-6的傳感器15能檢測出操作者前臂旋轉的角度和狀態，當控制系統無力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-6的電機17不轉動，操作者的前臂轉動不受干擾，當控制系統有力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-6的電機17轉動，關節檢測驅動部件105-6的傳動軸18輸出動力，通過固接的齒輪25驅動前臂固定環齒輪24，在其運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據關節檢測驅動部件105-6的角度傳感器15檢測到的操作者前臂旋轉角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正該驅動力的大小和方向，推動或阻礙操作者前臂的轉動，實現該關節運動的力反饋功能。人體前臂能以肘部為定點在一定范圍內做屈伸運動，當操作者的前臂屈伸時，前臂固定環107跟隨一起運動，使鉸接的連桿6、7發生相對轉動，從而驅動與連桿6固接的關節檢測驅動部件105-5的傳動軸18轉動，使關節檢測驅動部件105-5的角度傳感器15能檢測出操作者前臂屈伸的角度和狀態，當控制系統無力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-5的電機17不轉動，操作者的前臂屈伸不受干擾，當控制系統有力反饋信號時，則關節檢測驅動部件105-5的電機17轉動，關節檢測驅動部件105-5的傳動軸18輸出動力，在其運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據關節檢測驅動部件105-5的角度傳感器15檢測到的操作者前臂屈伸角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正該驅動力的大小和方向，推動或阻礙操作者前臂的屈伸，實現該關節運動的力反饋功能。
具體實施方式
五如圖1、圖2、圖8、圖10和圖12所示,所述手套基座104包括轉動軸8、轉動連接件31、手掌基座32、手套33。所述手套33通過穿戴方式固定在操作者手上，所述手掌基座32固定在手套33對應的手掌背面位置，所述轉動軸8固接于手掌基座32，所述轉動軸8的軸線與掌面垂直，所述轉動連接件31與轉動軸8鉸接于孔U，所述轉動連接件31的孔T通過螺釘與連桿22鉸接，所述轉動連接件31的孔T軸線垂直于轉動軸8的軸線。動作實施過程人手手掌能以腕關節為定點在一定范圍內朝各個方向擺動，當操作者的手掌朝任一方向擺動時，手腕關節檢測驅動部件108-1的傳動軸30的軸線和轉動連接件31的孔T軸線始終保持相互平行，但兩軸線之間的直線距離會隨操作者的手掌擺動而發生改變，使鉸接的連桿21、22之間發生相對轉動，從而驅動與連桿21固接的手腕關節檢測驅動部件108-1的傳動軸30轉動，同時手腕關節檢測驅動部件108-1繞其底座H固接部件的軸線轉動，驅動與手腕關節檢測驅動部件108-1底座H固接的手腕關節檢測驅動部件108-2的傳動軸30轉動，手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2的傳動軸30轉動并驅動各自的角度傳感器15轉動，系統根據兩個角度傳感器15檢測到的數據計算出操作者手掌擺動的角度和狀態，當控制系統無力反饋信號時，則手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2的電機28不轉動，操作者的手腕擺動不受干擾，當控制系統有力反饋信號時，則手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2的電機28轉動，手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2的傳動軸30分別輸出動力，在各自的運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據手腕關節檢測驅動部件108-1、108-2的角度傳感器15檢測到的操作者手掌擺動角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正該驅動力的大小和方向，推動或阻礙操作者手掌的擺動，實現該關節運動的力反饋功能。[0033]作為本實用新型的另一實例，也可以用其他傳感器代替角度傳感器，同樣可以起到檢測人手手臂各個關節在三維空間中的位置和運動狀態的目的，實現本發明的目的。作為本實用新型的又一實例，也可以省去離合器裝置16和29的環節，讓固接有傳動齒輪的驅動電機17和28直接驅動減速齒輪組和傳動軸18、30，同樣可以對關節起到施加力的作用，實現本發明的目的。作為本實用新型的又一實例，可以將關節檢測驅動部件105-2和關節檢測驅動部件105-3中任意一個的檢測驅動功能去掉，使其傳動軸18等同于普通的轉動軸，剩下的另一個關節檢測驅動部件與關節檢測驅動部件105-1配合同樣可以檢測到操作者上臂擺動的角度和狀態，并推動或阻礙操作者上臂的擺動，實現該關節運動的力反饋功能，實現本發明的目的。在不使本發明的原理受到損害的情況下，上述構成的細節和具體實施方式
僅僅是當做例子和圖示的東西，它可以不脫離本發明的范圍而廣泛改變，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求1.一種雙向力反饋從手手臂控制裝置，用于與計算機、機械手交互作用的裝置，由裝置固定機構(100)、肩部運動檢測驅動機構(101)、肘部及上臂運動檢測驅動機構(102)、手腕及前臂運動檢測驅動機構(103)、手套基座(104)組成； 其特征在于 該裝置固定在操作者手臂和后背的肩關節位置上； 手套基座(104)通過穿戴方式固定在操作者手上，與手腕及前臂運動檢測驅動機構(103)通過兩級連桿(21、22)鉸接，手腕及前臂運動檢測驅動機構(103)使用充氣方式固定在操作者前臂上靠近手腕關節的部位，與肘部及上臂運動檢測驅動機構(102)通過兩級連桿(6、7)鉸接，肘部及上臂運動檢測驅動機構(102)使用充氣方式固定在操作者上臂上靠近手臂肘部關節的部位，與肩部運動檢測驅動機構(101)通過兩級連桿(3、4)鉸接，肩部運動檢測驅動機構(101)固定在裝置固定機構(100)上，肩部運動檢測驅動機構(101)與裝置固定機構(100)固接的部位對應于操作者的肩關節部位； 該裝置對操作者手臂各個關節運動的檢測及力反饋驅動由安裝于各個關節鉸接處的關節檢測驅動部件(105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6)和手腕關節檢測驅動部件(108-1、108-2)實施，關節檢測驅動部件(105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6)和手腕關節檢測驅動部件(108-1、108-2)內部均安裝有檢測關節動作的角度傳感器(15)及驅動電機(17、28)，可在檢測手臂各個關節運動的角度和狀態的同時根據需要對其施加力的作用實現力反饋控制。
2.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述裝置固定機構(100)和肩部運動檢測驅動機構(101)包括背部固定基座(I)，背部基座支撐桿(2)，關節檢測驅動部件(105-1、105-2)，連桿(3、4)，隔離柱(5);所述背部固定基座(I)固定于操作者的后背上，背部固定基座(I)的兩個關節測量平臺(A、B)分別對應于操作者雙肩肩關節的部位，背部基座支撐桿(2)的兩端分別與背部固定基座(I)的兩個測量平臺(A、B)固接，第一關節檢測驅動部件(105-1)固定于背部基座支撐桿(2)的一端，固接部位對應于測量平臺(A)，其傳動軸(18)的軸線與兩個測量平臺(A、B)中心的連線平行，第二關節檢測驅動部件(105-2)的底座(C)與第一關節檢測驅動部件(105-1)的傳動軸(18)固接，兩個關節檢測驅動部件(105-1、105-2)的傳動軸(18)的軸線互相垂直，第一級的兩根連桿(3)一端分別與第二關節檢測驅動部件(105-2)的傳動軸(18)兩端固接，另一端分別與第二級的兩根連桿(4) 一端鉸接，鉸接處安裝有隔離柱(5)。
3.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述肘部及上臂運動檢測驅動機構(102)包括關節檢測驅動部件(105-3、105-4、105-5)，上臂固定環 (106)，上臂滑動環上部(9)，上臂滑動環下部(10)，上臂固定環齒輪(11)，連桿(6、7)，隔離柱(5);所述上臂固定環(106)的外殼(D)為硬質材料，平臺(E)固定于外殼(D)上，上臂固定環(106)的內側充氣部件(F)為可充氣橡膠材質，氣門(G)固定于外殼(D)上，第五關節檢測驅動部件(105-5)通過螺釘固定于上臂固定環(106)的平臺(E)上，其傳動軸(18)的軸線垂直于上臂固定環(106)的軸線，并平行于平臺(E)的上表面，第一級的兩根連桿(6) —端分別與第五關節檢測驅動部件(105-5)的傳動軸(18)兩端固接，另一端分別與第二級的兩根連桿(7) —端鉸接，鉸接處安裝有隔離柱(5);所述上臂固定環齒輪(11)固定在上臂固定環(106)的外殼(D)上，其軸線與上臂固定環(106)的軸線重合，上臂滑動環上部(9)和上臂滑動環下部(10)都安裝在上臂固定環(106)的外殼(D)上，上臂滑動環上部(9)和上臂滑動環下部(10)的圓環軸線都與上臂固定環(106)的軸線重合，上臂固定環齒輪(11)置于上臂滑動環上部(9)和上臂滑動環下部(10)的圓環溝槽內，上臂滑動環上部(9)與上臂滑動環下部(10)的兩端通過螺釘固接形成一個完整的圓環，可繞上臂固定環(106)的軸線，沿著上臂固定環(106)的表面做相對于上臂固定環(106)的旋轉運動，第三關節檢測驅動部件(105-3)的底座(C)通過轉動軸(8)鉸接于上臂滑動環上部(9)的孔(N)，該轉動軸(8)的軸線同時垂直于上臂固定環(106)的軸線和第三關節檢測驅動部件(105-3)的傳動軸(18)的軸線，第三關節檢測驅動部件(105-3)以轉動軸(8)為軸線轉動，第四關節檢測驅動部件(105-4)的底座(C)通過螺釘固定于上臂滑動環上部(9)的平面(R)，其傳動軸(18)的軸線與上臂固定環(106)的軸線平行，第四關節檢測驅動部件(105-4)的傳動軸(18)與齒輪(25)固接，該齒輪(25)與上臂固定環齒輪(11)嚙合，第三關節檢測驅動部件(105-3)的傳動軸(18)兩端分別與兩根連桿(4)的一端固接。
4.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述手腕及前臂運動檢測驅動機構(103)包括關節檢測驅動部件(105-6)，手腕關節檢測驅動部件(108-1、108-2)，前臂固定環(107)，前臂滑動環上部(19)，前臂滑動環下部(20)，前臂固定環齒輪(24)，連桿(21、22)，隔離柱(23);所述前臂固定環(107)的外殼(J)為硬質材料，平臺(K)固定于外殼(J)上，前臂固定環(107)的內側充氣部件(L)為可充氣橡膠材質，氣門(M)固定于外殼(J)上，第二手腕關節檢測驅動部件(108-2)的底座(H)通過螺釘固定于前臂固定環(107)的平臺(K)上，其傳動軸(30)的軸線垂直于前臂固定環(107)的軸線和平臺(K)的上表面，第一手腕關節檢測驅動部件(108-1)的底座(H)與第二手腕關節檢測驅動部件(108-2)的傳動軸(30)固接，第一手腕關節檢測驅動部件(108-1)的傳動軸(30)的軸線垂直于第二手腕關節檢測驅動部件(108-2)的傳動軸(30)的軸線，第一手腕關節檢測驅動部件(108-1)的傳動軸(30)與第一級連桿(21)的一端固接，連桿(21)的另一端與第二級連桿(22)的一端鉸接，所述前臂固定環齒輪(24)固定于前臂固定環(107)的外殼(J)上，其軸線與前臂固定環(107)的軸線重合，前臂滑動環上部(19)和前臂滑動環下部(20)都安裝在前臂固定環(107)的外殼(J)上，前臂滑動環上部(19)和前臂滑動環下部(20)的圓環軸線都與前臂固定環(107)的軸線重合，前臂固定環齒輪(24)置于前臂滑動環上部(19)和前臂滑動環下部(20)的圓環溝槽內，前臂滑動環上部(19)與前臂滑動環下部(20)的兩端通過螺釘固接形成一個完整的圓環，可繞前臂固定環(107)的軸線，沿著前臂固定環(107)的表面做相對于前臂固定環(107)的旋轉運動，第六關節檢測驅動部件(105-6)的底座(C)通過螺釘固定于前臂滑動環上部(19)的平面(P)，其傳動軸(18)的軸線與前臂固定環(107)的軸線平行，第六關節檢測驅動部件(105-6)的傳動軸(18)與齒輪(25)固接，該齒輪(25)與前臂固定環齒輪(24)嚙合，兩連桿(7)的一端分別通過螺釘鉸接于前臂滑動環上部(19)的孔(S)兩端，兩個鉸接點的連線垂直于前臂滑動環上部(19)的圓環軸線。
5.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述手套基座(104)包括轉動軸(8)、轉動連接件(31)、手掌基座(32)、手套(33);所述手套(33)通過穿戴方式固定在操作者手上，手掌基座(32)固定在手套(33)對應的手掌背面位置，轉動軸(8)固接于手掌基座(32)，轉動軸(8)的軸線與掌面垂直，轉動連接件(31)與轉動軸(8)鉸接于孔(U)，轉動連接件(31)的孔(T)通過螺釘與連桿(22)鉸接，轉動連接件(31)的孔(T)軸線垂直于轉動軸(8)的軸線。
6.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述關節檢測驅動部件(105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6)包括角度傳感器(15)，電機(17)，離合裝置(16)，外殼(12、13、14)，傳動軸(18);所述角度傳感器(15)與傳動軸(18)聯動，傳動軸(18)與離合裝置(16)聯動，離合裝置(16)由電機(17)驅動，當關節運動時，若控制系統對該關節無力反饋信號，則相電機(17)不轉動，離合裝置(16)與電機(17)連接斷開，關節可帶動傳動軸(18)自由動作不受干擾，與傳動軸(18)聯動的角度傳感器(15)可以檢測出關節運動的角度，若控制系統對該關節有力反饋信號，則電機(17)轉動，離合裝置(16)與電機(17)連接，通過減速齒輪組的配合傳動對傳動軸(18)在其運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據與傳動軸(18)聯動的角度傳感器(15)檢測到的關節角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正驅動力的大小和方向，推動或阻礙該關節運動，實現該關節運動的力反饋功能。
7.根據權利要求1所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于手腕關節檢測驅動部件(108-1、108-2)包括角度傳感器(15)，微型電機(28)，離合裝置(29)，外殼(26、27)，傳動軸(30);所述離合裝置(29)通過減速齒輪組嚙合與傳動軸(30)聯動，傳動軸(30)與角度傳感器(15)固接，當關節運動時，若控制系統對該關節無力反饋信號，則微型電機(28)不轉動，離合裝置(29)與微型電機(28)連接斷開，關節可帶動傳動軸(30)自由動作不受干擾，與傳動軸(30)聯動的角度傳感器(15)可以檢測出關節運動的角度，若控制系統對該關節有力反饋信號，則微型電機(28)轉動，離合裝置(29)與微型電機(28)連接，通過減速齒輪組的配合傳動對傳動軸(30)在其運動方向上施加一個同向或反向的驅動力，同時控制系統再根據與傳動軸(30)聯動的角度傳感器(15)檢測到的關節角度的變化，運用相應的數學算法持續地修正驅動力的大小和方向，推動或阻礙該關節運動，實現該關節運動的力反饋功能。
8.根據權利要求3所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述上臂固定環(106)的外殼(D)為硬質材料，平臺(E)固定于外殼(D)上，所述上臂固定環(106)的內側充氣部件(F)為可充氣橡膠材質，氣門(G)固定于外殼(D)上，當操作者上臂穿入上臂固定環(106)后，上臂固定環(106)內部與操作者的上臂之間有空隙，調整位置使上臂固定環(106)處在操作者上臂上靠近手臂肘部關節的部位，然后通過上臂固定環(106)的氣門(G)給上臂固定環(106)的內側充氣部件(F)充入氣體，使其膨脹，填滿上臂固定環(106)內部與操作者上臂之間的空隙并擠壓操作者的上臂，使上臂固定環(106)能固定在操作者的上臂。
9.根據權利要求4所述的雙向力反饋從手手臂控制裝置，其特征在于所述前臂固定環(107)的外殼(J)為硬質材料，平臺(K)固定于外殼(J)上，所述前臂固定環(107)的內側充氣部件(L)為可充氣橡膠材質，氣門(M)固定于外殼(J)上，當操作者的前臂在穿入前臂固定環(107)前，前臂固定環(107)的內側充氣部件(L)釋放氣體，使前臂固定環(107)的內徑大于操作者前臂的直徑，當操作者前臂穿入前臂固定環(107)后，前臂固定環(107)與操作者的前臂之間有空隙，調整位置使前臂固定環(107)處在操作者前臂上靠近手腕關節的部位，然后通過前臂固定環(107)的氣門(M)給前臂固定環(107)的內側充氣部件(L)充入氣體，使其膨脹，填滿前臂固定環(107)內部與操作者前臂之間的空隙并擠壓操作者的 前臂，使前臂固定環(107)能固定在操作者的前臂。
專利摘要雙向力反饋從手手臂控制裝置，它涉及了一種檢測人手手臂運動狀態并具有雙向主動驅動反饋從手受力的力反饋從手手臂控制裝置。本實用新型是為了解決現有的機械手臂或虛擬手臂控制裝置系統復雜、結構臃腫、維護困難、價格昂貴、不能實現雙向主動驅動等缺點，將關節檢測機構和力反饋機構集成于一體，采用獨特的連接方式和巧妙的關節測量點布局，使操作者在使用該裝置時，操作者的手臂能保持最大程度的靈活，手臂各個關節的運動狀態都能被精確檢測到，使被控制的從手的每個手臂關節都能與操作者對應的手臂關節協同一致動作，并能將從手在具體的工作環境中的受力情況反饋給操作者，以增強虛擬現實或遙操作的臨場感。
文檔編號B25J13/08GK202895235SQ201220627918
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者蘇茂 申請人:蘇茂