[发明专利]一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄

说明书

本发明提出一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄，包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输单元；握柄本体分为上部握柄本体和下部握柄本体，二者之间采用可拆卸且可旋转方式同轴连接；在上部握柄本体内部安装有内部安装有姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元；上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，通过六个拉压力传感器配合工作实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，得到使用者对握柄各个方向的施力大小。本发明能够对使用者施力情况进行全面分析，实时感知手部运动状态从而全方位感知操作者意图。

技术领域

本发明涉及遥操作、康复训练和人机协作等领域，具体是一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄。

背景技术

在遥操作和人机协作领域，需要一种制作简易、价格低廉、高精度的装置来感知人手部在空间六个维度的施力状态，并能测量出操作者手部的运动方向，从而充分估计出操作者的运动意图。同样，医疗康复领域中也需要实现对患者的运动状态与施力情况进行实时测量。目前，多选择使用六维力传感器来实现上述需求，但六维力传感器成本较高、安装方式受限，且不能同时测量手部运动状态信息。相关替代设备只能实现部分维度的测量功能，不满足六个维度力的测量要求。

公开号为CN 111488060 A的中国专利提出了一种交互式手柄，该手柄通过安装于手柄顶部的陀螺仪测量使用者的手部运动姿态，并使用震动器来实现操作反馈。但该交互式手柄在测量方面仅仅使用陀螺仪实现了运动位姿测量，对操作时手部力量的测量功能是该申请所不具备的。

公开号为CN111467781A的专利提供了一种基于多感知系统的电容触觉手柄及其制作方法。该手柄包括圆柱形手柄主体、手柄主体外表面的柔性压力传感器、手柄顶端的拉压力传感器、手柄内部的惯性测量装置IMU。在手臂肌力测量方面，通过使用手柄顶端的拉压力传感器实现对人手施加于手柄上力的测量。但该手柄仅能实现手柄轴向一个方向的力测量，且不能实现手柄位姿状态的运动检测。要想实现对使用者的运动意图预测，要求设备能够实时检测手柄所受个方向力及手柄所处位姿。该申请所述手柄显然不能满足这些功能要求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种可实现六维力测量及运动状态测量的操控手柄。该手柄使用一个陀螺仪姿态传感器和六个拉压力传感器，可对人手施加在握柄机构上的力与运动情况进行实时测量，分析测量数据可得知手部施力情况和运动意图。该手柄轻便简单、成本低、测量精度高且容易设计实现。同时，根据本发明可实现的功能，该发明也可用于需要感知使用者施力情况的人机协作及医疗康复训练领域。

本发明的技术方案为：

所述一种可实现六维力和运动状态测量的操控手柄，包括握柄本体、上肢肌力检测单元、电源及数据传输单元；

所述握柄本体分为上部握柄本体和下部握柄本体，二者之间采用可拆卸且可旋转方式同轴连接；在上部握柄本体内部安装有姿态传感器、柔性器件、电源及数据传输单元；其中柔性器件两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动；

所述上肢肌力检测单元固定安装于握柄本体下端，所述上肢肌力检测单元包含有六个拉压力传感器，通过六个拉压力传感器配合工作实现对握柄本体空间六个方向所受力与力矩的测量，得到使用者对握柄各个方向的施力大小。

进一步的，所述握柄本体为圆柱体结构；上部握柄本体中的柔性器件采用扭簧，扭簧轴线与握柄轴线相重合，扭簧两端分别固定在上部握柄本体内部以及下部握柄本体上端，下部握柄本体固定在所述上肢肌力检测单元上，使握柄本体上下两部分之间能够实现绕握柄轴线的微小旋转运动，反映操控者手部运动状态的同时提高设备的使用舒适度。