[发明专利]一种用于遥操作的力觉反馈数据手套

权利要求书

1.一种用于遥操作的力觉反馈数据手套,其特征在于，包括：

所涉及的力反馈数据手套包含两部分，手背处的运动捕捉部份和掌心处的力觉反馈部份；

手背处的运动捕捉部份包括；手套主体部份(101)，通过固定绑带(102)固定在手指外侧的五个弯曲传感器(103)，固定在手背的pcb集合电路板(104)，镶嵌在pcb板子上的微型处理器(105)、姿态检测传感器(106)以及通信器(107)，并通过导线与之相连接；与pc机相连接的信号接收器；

掌心处的力觉反馈部份包括：固定于掌心处的两个机械底座(111)，用虎克铰(108)将两个机械底座连接；通过三个十字轴(110)将三个微型气缸(109)与机械底座连接；气缸末端用固定绑带与手套指尖末端固定；通过空气压缩机经由过滤器，油雾分离器，电磁阀，比例阀，对微型气缸进行充气；

步骤(1)将弯曲传感器固定在手套手指部份的外侧；在手套手背处安装微型处理器，姿态传感器以及通讯单元，通过导线将各部份连接；在手套掌心处安装三个微型气缸，活塞末端固定在手套的手指末端，气缸底座通过十字轴与机械底座相连接，气缸可随人手运动自由活动；

步骤(2)对手部的实时运动进行运动捕捉，通过固定在手指背部的弯曲传感器跟随手指运动发生形变，间接测出手指的弯曲程度；再通过正逆运动学算法转换得到从端机械手的关节角度信息，通过通信环节实现主手到从手的运动映射；

步骤(3)获取从端机械手的反馈力，通过通信环节传递给主手端的力反馈手套，设计输出力控制系统；将反馈的力觉信息经过系统转换成输入微型气缸的气压值，通过对气缸冲气实现力觉的反馈。

2.根据权利要求1所述的一种用于遥操作的力觉反馈数据手套，其特征在于：步骤一中对于弯曲传感器的选择，选用应变片式弯曲传感器。

3.根据权利要求1所述的一种用于遥操作的力觉反馈数据手套，其特征在于：步骤1中为实现手部姿态检测，考虑到人手运动，选用加速度计。

4.根据权利要求1所述的一种用于遥操作的力觉反馈数据手套，其特征在于：步骤二中通过弯曲传感器采集到的手指弯曲度信息，基于笛卡尔坐标系建立手的运动模型，已知手指的关节转角，通过正向运动学，获得手指关节及指尖的位置.把人手看作一个关节链接的铰链结构，按照旋转矩阵转移坐标系建立手指的运动方程；食指、中指、无名指和小指在结构上是一样的，每个手指有4个转动关节和4个自由度，根据转动轴方向的不同，手掌侧摆角度为θ₁、掌指关节角度θ₂、近端指间关节角度为θ₃、远端指间关节角度为θ₄，掌指关节长度为l₁、近端指间关节长度为l₂、远端指间关节长度为l₃，即相应两个z轴之间的距离；

手指运动类型有侧摆和屈曲，分别在食指的掌指关节、近端指间关节、远端指间关节以及指尖处建立坐标系，模型的基坐标设在食指指骨与掌骨的交叉连接处.通过旋转矩阵，建立关节坐标在直角坐标系之间的转换，坐标系i和坐标系k之间的坐标转换为：

其中坐标系i与坐标系i-1之间的齐次变换矩阵及利用正向运动学计算指尖坐标：

其中：

s_i＝sinθ_i,c_i＝cosθ_i

s_ij＝sin(θ_i+θ_j),c_ij＝cos(θ_i+θ_j)

s_ijk＝sin(θ_i+θ_j+θ_k),c_ijk＝cos(θ_i+θ_j+θ_k)

计算得出指尖坐标(x_tip，y_tip，z_tip)即为最后一列，其中

指尖X轴坐标：x_tip＝l₃c₁c₂₃₄+l₂c₁c₂₃+l₁c₁c₂

指尖Y轴坐标：y_tip＝l₃s₁c₂₃₄+l₂s₁c₂₃+l₁s₁c₂

指尖z轴坐标：z_tip＝-l₃s₂₃₄-l₂s₂₃-l₁s₂。