[发明专利]一种检测手部动作的外骨架式数据手套

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现遥控操作机器人的人机交互装置，特别是涉及一种检测人手手部关节在三维空间位置及运动状态的外骨架式数据手套。

背景技术

随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在复杂、危险、恶劣环境中的应用，而现有工业机器人又不能很好的应对多变的环境，因而如何使机器人能够灵活、智能的为人类服务，已成为现在机器人研究领域的焦点问题。

机器人有两个发展方向：一、全自主方式工作的机器人，二、遥控操作的机器人。全自主方式工作的机器人一直是科研工作者所追求的目标。然而上世纪八十年代以来对智能机器人的研究表明全自主式智能机器人的应用在今后可以预见的时间内是难以实现的，这是因为几项支撑技术——控制、传感和人工智能等目前还不能满足发展全自主式智能机器人的需要。但是，随着原子能技术、空间技术和海洋技术的迅速发展，迫切需要大量能在危险环境下工作的机器人，因而工作在交互方式下遥控操作的机器人是一种现实可行的选择。工作在交互方式下的遥控机器人是完成远程作业任务的有力手段，所谓交互技术包括人与机器人的交互以及机器人与环境的交互。前者的意义在于由人去完成机器人在空间未知环境或任务中难以做到的规划和决策，后者的意义在于由机器人去完成人所不宜到达或不能到达的空间环境中的作业任务。例如，在原子能利用、空间探测、海洋开发、排险、医疗、军事等领域的应用。

手是人与外界进行接触及意识表达的主要媒介。人与机器人进行交互的传统接口设备无非就是按钮、手柄等，只能是间断性的操作按钮进行简单运动控制的设备，然而作为表达意识的主体——手运动的灵巧性被牺牲了，不能让人脑更好的解放出来，阻碍了人对系统控制意识表达的全面性与灵活性，导致机器人难以在恶劣和危险的环境下迅速完成各种复杂的作业任务。 

发明内容

本发明的目的是针对现有人机交互接口不能及时、高效、可靠的表达人对机器人的控制意识；不能满足人对机器人各关节灵活性的要求。提出了一种检测手部动作的外骨架式数据手套，高的检测精度、可靠性、长的使用寿命，且穿戴方便，以致可以用于工程控制领域。本发明的技术关键在于依附于人手上的外骨架的设计，各个关节之间采用巧妙的联接，减小或消除检测机构对人手手指灵活度的影响。

本发明涉及的数据手套主要采用了外骨架的结构形式，能适应不同手大小的设计理念。在本设计中，信号的检测、采集、传递、处理等环节，都考虑到精度、可靠性及实时性等。为完成对手指弯曲角度的测量，设计了该数据手套各个关节和人手关节运动关系相对应的外骨架，并通过拉丝将手运动带动外骨架数据手套关节运动的角位移实时传递给角度传感器，进而获取手部的运动信息。将采集到的角度信息交给单片机、PLC、计算机等信息处理设备进行处理。

本发明的具体技术方案：

本发明的核心内容是一套能适应不同手大小的外骨架式数据手套的外骨架结构设计。

外骨架由五个手指、手掌结构及拉丝组成。

手掌由螺杆基座、拇指位置调节导轨、拇指位置调节滑块、拇指位置调节螺杆、拇指位置调节螺母、手掌宽度调节导轨、手掌宽度调节杆、手掌宽度调节螺杆、手掌宽度调节螺母、小指掌骨、无名指掌骨、中指掌骨及食指掌骨组成。通过调节拇指位置调节螺母，带动拇指位置调节滑块沿拇指位置调节导轨运动，从而改变拇指的位置，以适用不同手的大小；通过调节手掌宽度调节螺母，带动手掌宽度调节导轨沿中指掌骨运动，驱动小指掌骨、无名指掌骨、食指掌骨沿手掌宽度调节导轨运动，从而改变外骨架数据手套的手掌尺寸，以适应不同人的手掌宽度。

手部关节运动的检测是外骨架数据手套的技术关键。

本发明所要检测的手部关节分为掌指关节、指骨间关节、拇指腕掌关节。其中拇指的掌指关节只有一个自由度，在本发明中将其划分为指骨间关节。

小指、无名指、中指、食指掌指关节角度检测部分由小指掌骨、无名指掌骨、中指掌骨、食指掌骨、关节内回转体、小指近节指骨、无名指近节指骨、中指近节指骨、食指近节指骨、掌指关节盖、拉丝、复位弹簧、角度传感器及定位卡组成。手指运动带动近节指骨运动，近节指骨在关节回转体内做转动运动，同时带动关节内回转体在掌骨内做回转运动。并通过拉丝将相应的运动传递给角度传感器，进而获取掌指关节的角度信息。