气动反馈机械手

技术领域

本发明涉及虚拟现实设备领域，尤其涉及一种气动反馈机械手。

背景技术

在沉浸式虚拟环境的构建中，互动反馈手套等可穿戴设备是不可缺少的工具设备。互动反馈手套主要包括设置于手指指尖和手掌等位置的若干触觉反馈单元。在进行人机交互过程中，当用户在虚拟环境的虚拟手触碰到虚拟环境中的物体时，互动反馈手套能够模拟地在人手相应位置处产生振动形式的触觉反馈，从而产生与虚拟环境进行交互的感觉。

用户的虚拟手在虚拟环境中触碰到不同物体，所产生的物理触感效果也不同，这需要互动反馈手套在现实中给人手施加的反馈作用力度也不同。但是现有的互动反馈手套无法进行触觉反馈振动强度的调节。现有的互动反馈手套并没有完全覆盖用户的手部，无法全方位给用户的手部施加反馈。另外，现有的互动反馈手套只能对人手提供力反馈，但无法为人手提供温度等其他相关方面的反馈，降低互动反馈手套的反馈真实性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动反馈机械手，利用惯性传感器组件和柔性传感器组件分别检测用户的手部姿态数据和手指弯曲姿态数据，藉此还结合虚拟场景数据，分别控制加热片、振动马达和力反馈气囊组件向手指或手背等部分提供热反馈、振动反馈和气动压力反馈，能够在与用户进行虚拟环境互动过程中提供全方位的温度和力学反馈，提高手套进行反馈的真实性和全面性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种气动反馈机械手，包括：

手套主体，所述手套主体包括若干手指套接部；

手指卡套，所述手指卡套套设于所述手指套接部的指尖区域；

惯性传感器组件，所述惯性传感器组件设置于所述手指卡套内，用于检测用户的手部姿态数据；

柔性传感器组件，所述柔性传感器组件沿所述手指套接部的长度方向延伸并设置于所述手指套接部内部，用于检测用户的手指弯曲姿态数据；

加热片，所述加热片设置于所述手指卡套内，用于对手指提供热反馈；

振动马达，所述振动马达设置于所述手指卡套的外侧，用于对手指提供振动反馈；

力反馈气囊组件，所述力反馈气囊组件沿所述手指套接部的长度方向延伸并设置于所述手指套接部内部，用于对手指提供气动压力反馈；

微控制器，所述微控制器与所述惯性传感器组件、所述柔性传感器组件、所述加热片、所述振动马达和所述力反馈气囊组件连接，用于根据所述手部姿态数据、所述手指弯曲姿态数据和虚拟场景数据中的至少一者，控制所述加热片、所述振动马达或所述力反馈气囊组件各自产生反馈的工作状态。

在其中一实施例中，所述手指卡套包括第一卡套主体和第二卡套主体；所述第一卡套主体与所述手指套接部的指尖区域接触；所述第二卡套主体设有贯穿孔，所述力反馈气囊组件固定于所述贯穿孔内。

在其中一实施例中，所述惯性传感器组件设置于所述第一卡套主体内；所述惯性传感器组件包括加速度计、陀螺仪和磁力计；所述惯性传感器组件将检测得到用户的手部姿态数据导入到所述微控制器中，从而得到用户的手部姿态模型。

在其中一实施例中，还包括追踪器；所述追踪器设置于所述手套主体的手腕覆盖部，用于确定用户的真实手部在现实环境安装的定位器所限定的范围中的位置，以及将上述确定的位置与在虚拟场景中所确定用户的虚拟手部的位置进行匹配，从而实现所述真实手部与所述虚拟手部在移动位置与姿态的实时一致。

在其中一实施例中，所述加热片设置于所述第一卡套主体内；当确定加热片所处的手指卡套触碰到物体时，对所述加热片进行通电，从而使所述加热片的温度升高并对手指产生热反馈；当确定所述加热片所处的手指卡套离开物体时，对所述加热片进行断电。

在其中一实施例中，所述振动马达设置于所述第一卡套主体的一侧面上；当确定所述振动马达所处的手指卡套触碰到物体时，对所述振动马达施加启动信号，使所述振动马达振动并向手指指尖产生振动反馈；当确定所述振动马达所处的手指卡套离开物体时，对所述振动马达施加制动信号，使所述振动马达停止振动。

在其中一实施例中，所述柔性传感器组件包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器沿所述手指套接部的长度方向延伸并设置于所述手指套接部内部，用于检测手指发生弯曲动作对应的手指弯曲姿态数据；对称设置于所述光纤光栅传感器两侧的若干压力传感器，用于检测手指发生弯曲动作时所述光纤光栅传感器的拉伸与收缩受力数据；对称设置于所述光纤光栅传感器两侧的若干压电纳米发电器，用于将手指发生弯曲动作的动能转换为电能，对所述惯性传感器组件和所述柔性传感器组件供电；在所述光纤光栅传感器的同一侧，所述压力传感器与所述压电纳米发电器间隔设置。

在其中一实施例中，还包括设置于所述手套主体内部手背区域的摩擦纳米发电器，用于收集手指发生弯曲动作过程中手背区域皮肤的摩擦静电并转换为电能，对所述惯性传感器组件和所述柔性传感器组件供电。

在其中一实施例中，所述力反馈气囊组件包括气泵，气管，以及套设于所述气管的外周面并间隔设置的若干气囊；所述气泵通过所述气管向所述气囊充气或抽气，从而在用户通过所述手套主体进行抓取动作时，向用户的手指提供气动压力反馈。

在其中一实施例中，还包括设置于所述气泵与所述气管之间的气流阀；所述气流阀用于根据用户通过所述手套主体进行抓取动作的动作幅度或抓取物体的重量，调整所述气泵向所述气管充气或抽气的流速。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本申请提供的气动反馈机械手，利用惯性传感器组件和柔性传感器组件分别检测用户的手部姿态数据和手指弯曲姿态数据，藉此还结合虚拟场景数据，分别控制加热片、振动马达和力反馈气囊组件向手指或手背等部分提供热反馈、振动反馈和气动压力反馈，能够在与用户进行虚拟环境互动过程中提供全方位的温度和力学反馈，提高手套进行反馈的真实性和全面性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的气动反馈机械手的整体结构示意图。

图2是图1所示的气动反馈机械手的手套主体的结构示意图。

图3是图1所述的气动反馈机械手的手指卡套的结构示意图。

图4是图1所示的气动反馈机械手的加热片的结构示意图。

图5是图1所示的气动反馈机械手的振动马达的结构示意图。

图6是图1所示的气动反馈机械手的柔性传感器组件的结构示意图。

图7是图1所示的气动反馈机械手的摩擦纳米发电器的结构示意图。

图8是图1所示的气动反馈机械手的力反馈气囊组件的结构示意图。

附图标记：10、手套主体；11、手指套接部；12、手背覆盖部；13、手掌覆盖部；14、手腕覆盖部；20、手指卡套；21、第一卡套主体；22、第二卡套主体；23、贯穿孔；24、指尖容纳孔；30、柔性传感器组件；31、光纤光栅传感器；32、压力传感器；33、压电纳米发电器；34、摩擦纳米发电器；40、加热片；41、发热件；42、信号线；50、振动马达；60、力反馈气囊组件；61、气管；62、气囊。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1至图4所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手。气动反馈机械手包括手套主体10，手指卡套20，惯性传感器组件（图中未示出），柔性传感器组件30，加热片40，振动马达50，力反馈气囊组件60，以及微控制器（图中未示出）。微控制器与惯性传感器组件、柔性传感器组件30、加热片40、振动马达50和力反馈气囊组件60连接，用于根据惯性传感器组件检测的手部姿态数据、柔性传感器组件30检测的手指弯曲姿态数据和虚拟场景数据中的至少一者，控制加热片40、振动马达50或力反馈气囊组件60各自产生反馈的工作状态。其中，上述虚拟场景数据可包括但不限于是用户在虚拟环境中触碰或抓取物体的状态。

手套主体10作为气动反馈机械手的主体部分，用于提供设置安装气动反馈机械手其他组件的基础结构。手套主体10包括一体连接的五个手指套接部11，手背覆盖部12，手掌覆盖部13，和手腕覆盖部14。当用户的手部佩戴气动反馈机械手后，手套主体10能够对用户手部的五个手指、手背区域、手掌区域和手腕区域进行完整全面的覆盖，为用户手部的不同区域提供反馈，提高气动反馈机械手对用户手部进行反馈的全面性。

手指卡套20套设于手指套接部11的指尖区域，用于固定安装惯性传感器组件、加热片40和振动马达50。手指卡套20可由但不限于是橡胶材料制成，这样手指卡套20能够以可拆卸的方式套设于手指套接部11的之间区域，以使加热片40和振动马达50各自提供的热反馈与振动反馈及时和准确地传递至用户手部的指尖区域。手指卡套20包括一体成型的第一卡套主体21和第二卡套主体22。第一卡套主体21上设有指尖容纳孔24，当手指卡套20套设在手指套接部11上时，手指套接部11的指尖区域会套进指尖容纳孔24中，实现指尖区域与第一卡套主体21的接触以及手指套接部11与手指卡套20之间的相互固定。第二卡套主体22上设有贯穿孔23。力反馈气囊组件60的一端穿设固定于贯穿孔23内，并与用户手指接触，为用户手背提供实时的气动压力反馈。

惯性传感器组件设置于第一卡套主体21内，用于检测用户的手部姿态数据。当用户手部佩戴气动反馈机械手后，用户手部在真实环境的运动、与用户在虚拟环境的虚拟手的运动会形成映射关系。利用惯性传感器组件检测用户在真实环境中的手部姿态数据，并通过微控制器的手部数据插件将手部姿态数据导入到虚拟环境中，得到用户的手部姿态模型。上述手部姿态模型能够反映用户的虚拟手在虚拟环境中的姿态情况。

惯性传感器组件可包括但不限于加速度计、陀螺仪和磁力计。惯性传感器组件能够在用户手部佩戴气动反馈机械手进行运动过程中实时检测用户手部在三轴方向上的运动加速度、运动角速度和地磁感应强度，从而提高检测手部姿态数据的精确性。

此外，在手套主体10的手腕覆盖部14还安装有追踪器，同时在气动反馈机械手的真实工作环境周围还设置有定位器。其中，定位器对追踪器进行定位，使得追踪器在定位器所限定的范围内的位置与虚拟环境中虚拟手在虚拟显示设备的摄像监测视野范围中的位置相匹配，从而使得用户的手部在真实环境中的移动和位姿，与虚拟手在虚拟环境中的移动和位姿实时一致。通过上述匹配，当用户的真实手部在环境中进行动作的同时，虚拟手能够在虚拟环境中同步和准确地触碰或抓取物体。

请参阅图4所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手的加热片的结构示意图。加热片40设置于第一卡套主体21内。加热片40包括发热件41和信号线42。信号线42用于连接微控制器与发热件41，向发热件41传输相应的控制信号，以控制发热件41的工作状态。发热件41可为但不限于是半导体发热件。可选地，发热件41可具有扁平薄片结构，其还可具有15mm*10mm的面积尺寸。上述面积尺寸与人手指尖的指腹面积相匹配，保证加热片40能够对用户手指指尖的指腹区域进行全范围覆盖的热反馈。微控制器根据预设碰撞函数模型控制加热片40的工作，其中预设碰撞函数模型用于确定用户在虚拟环境中的虚拟手触碰到虚拟环境中的物体还是离开虚拟环境中的物体。

具体而言：当确定用户在虚拟环境中的虚拟手触碰到虚拟环境中的物体时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生触碰物体事件的手指，再向对应的手指卡套20的发热件41发出启动控制信号，使得发热件41通电工作，此时发热件41的温度会升高，从而对手指产生相应的热反馈。当确定用户在虚拟环境中的虚拟手离开虚拟环境中的物体时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生离开物体事件的手指，再向对应的手指卡套20的发热件41发出停止控制信号，使得发热件41断电，此时发热件41的温度会降低，从而对手指产生相应的热反馈。此外，还可对虚拟环境中的不同物体预先设定不同的温度，当用户的虚拟手在虚拟环境中触碰到不同物体时，微控制器向发热件41发出的启动控制信号也不同，使得信号线42向发热件41施加的驱动电流大小也相应不同，从而使发热件41最终升高的温度不同，这样用户在虚拟环境中触碰到不同物体时，能够获得不同温度的热反馈。

请参阅图5所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手的振动马达的结构示意图。振动马达50贴合设置于第一卡套主体21的其中一个侧面上，特别地可为与用户手指指尖的指腹相对的侧面。振动马达50可具有扁平圆形结构。可选地，振动马达50的直径为8mm、厚度为2mm。上述形状尺寸，保证振动马达50能够对用户手指指尖的指腹区域进行全范围覆盖的振动反馈。微控制器根据预设碰撞函数控制振动马达50的工作，其中预设碰撞函数模型用于确定用户在虚拟环境中的虚拟手触碰到虚拟环境中的物体还是离开虚拟环境中的物体。

具体而言：当确定用户在虚拟环境中的虚拟手触碰到虚拟环境中的物体时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生触碰物体事件的手指，再向对应的手指卡套20的振动马达50发出启动控制信号，使得振动马达50通电工作，此时振动马达50会发生振动，从而对手指产生相应的振动反馈。当确定用户在虚拟环境中的虚拟手离开虚拟环境中的物体时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生离开物体事件的手指，再向对应的手指卡套20的振动马达50发出停止控制信号，使得振动马达50断电，此时振动马达50会停止振动。此外，还可对虚拟环境中的不同物体预先设定不同的振动幅度或振动频率，当用户的虚拟手在虚拟环境中触碰到不同物体时，微控制器向振动马达50发出的启动控制信号也不同，使得振动马达50以不同振动幅度或振动频率进行振动，这样用户在虚拟环境中触碰到不同物体时，能够获得不同触感的振动反馈。

请参阅图6所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手的柔性传感器组件的结构示意图。柔性传感器组件30沿手指套接部11的长度方向延伸并设置于手指套接部11内部，与手指接触，其用于检测用户的手指弯曲姿态数据。可选地，柔性传感器组件30沿手指套接部11的长度方向延伸设置于手指的背面侧，当用户手指进行弯曲动作时，同步带动柔性传感器组件30进行弯曲动作，柔性传感器组件30在弯曲动作的作用下，发生弯曲形变而实现手指弯曲姿态数据的检测。

柔性传感器组件30可包括但不限于光纤光栅传感器31，若干压力传感器32，以及若干压电纳米发电器33。

光纤光栅传感器31作为柔性传感器组件30的主体部件，沿手指套接部11的长度方向延伸并设置于手指套接部11内部，用于检测手指发生弯曲动作对应的手指弯曲姿态数据。当用户手指进行弯曲动作时，光纤光栅传感器31同步发生弯曲形变，此时光纤光栅传感器31内部传输的光线会发生偏转折射，通过分析上述光线的偏转折射情况可检测得到手指弯曲姿态数据。

若干压力传感器32对称设置于光纤光栅传感器31两侧，用于检测手指发生弯曲动作时光纤光栅传感器31的拉伸与收缩受力数据。当用户手指进行弯曲动作时，光纤光栅传感器31同步发生弯曲形变，此时沿着自身长度方向存在相应的内部拉伸应力或收缩应力。通过在光纤光栅传感器31两侧对称设置若干压力传感器32，可实时检测光纤光栅传感器31拉伸和收缩情况，以配合光纤光栅传感器31自身的检测，从而得到更加准确的手指弯曲姿态数据。

若干压电纳米发电器33对称设置于光纤光栅传感器31两侧，并与惯性传感器组件和柔性传感器组件30供电连接。当用户手指发生弯曲动作时，会带动压电纳米发电器33中的压电材料产生变形和挤压，使得压电材料当中的离子分离变化，从而在压电纳米发电器33上形成电荷集聚。压电纳米发电器33将集聚的电荷进行收集储备，从而形成相应的供电电源，以对惯性传感器组件和柔性传感器组件30进行供电。供电电源的供电电压大小与手指弯曲动作的弯曲幅度和弯曲角度相关，当手指弯曲动作的弯曲幅度或弯曲角度越大，供电电压也越大，反之，供电电压越小。

此外，在光纤光栅传感器31的同一侧，压力传感器32与压电纳米发电器33间隔设置，这样能够保证压力传感器32准确地检测光纤光栅传感器31内部的拉伸应力或收缩应力，以及保证每个压电纳米发电器33均能持续稳定发电。

请参阅图7所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手的摩擦纳米发电器的结构示意图。为了对惯性传感器组件和柔性传感器组件30进行稳定持续供电，还可在手套主体10的手背覆盖部12内侧设置摩擦纳米发电器34。摩擦纳米发电器34用于收集手指发生弯曲动作过程中手背区域皮肤的摩擦静电并转换为电能，对惯性传感器组件和柔性传感器组件30供电。具体而言，用户手背区域的皮肤具有弹性，在用户手指发生弯曲动作过程中，手背区域的皮肤会发生伸缩，从而与摩擦纳米发电器34表面发生机械摩擦。上述机械摩擦会使摩擦纳米发电器34表面的纳米材料形成静电集聚，再将集聚的静电收集后可得到稳定的供电电能。摩擦纳米发电器34的供电电压大小与上述机械摩擦的摩擦动作幅度和摩擦动作频率相关，当上述机械摩擦的摩擦动作幅度或摩擦动作频率越大，供电电压也越大，反之，供电电压越小。

通过设置压电纳米发电器33和摩擦纳米发电器34，将用户手部动作的机械能转换为电能，并用于对惯性传感器组件和所述柔性传感器组件30供电，从而形成一个自供电的传感器系统。

请参阅图8所示，本申请一实施例提供的气动反馈机械手的力反馈气囊组件的结构示意图。力反馈气囊组件60沿手指套接部11的长度方向延伸并设置于手指套接部11内部，用于对手背提供气动压力反馈。力反馈气囊组件60包括气泵（图中未示出），气管61，以及套设于气管61的外周面并间隔设置的若干气囊62。气泵用于向气管61进行充气或抽气，从而在用户通过手套主体10进行抓取动作时，向用户的手指背部提供气动压力反馈。

具体而言，当确定用户在虚拟环境中的虚拟手对虚拟环境中的物体进行抓取时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生抓取物体事件的手指，再向对应的手指套接部11的气泵发出充气控制信号，使得气泵进行充气工作，气管61会将气泵充入的空气传递到气囊62，此时气囊62会发生膨胀变大，并对用户的手指背部进行挤压作用，从而产生相应气动压力反馈。当确定用户在虚拟环境中的虚拟手对虚拟环境中的物体进行放下时，微控制器会先确定虚拟手中具体发生放下物体事件的手指，再向对应的手指套接部11的气泵发出抽气控制信号，使得气泵进行抽气工作，气管61会将气囊62内部的空气抽取出去，此时气囊62会缩小，相应对用户的手指背部的挤压作用会变小，从而产生相应气动压力反馈。

此外，还可在气泵与气管61之间设置气流阀（图中未示出），用于根据用户通过手套主体10进行抓取动作的动作幅度或抓取物体的重量，调整气泵向气管61充气或抽气的流速。具体而言，当用户的虚拟手在虚拟环境中抓取或放下不同重量的物体时，微控制器会相应控制气流阀的阀门开度大小。比如，当用户的虚拟手在虚拟环境中抓取或放下重量较大的物体时，微控制器会指示气流阀增大阀门开度，这样气泵在进行充气操作或抽气操作时，相应的充气流速或抽气流速也相应变大，此时对用户的手指背部施加的气动压力反馈也相应变大。当用户的虚拟手在虚拟环境中抓取或放下重量较小的物体时，微控制器会指示气流阀减小阀门开度，这样气泵在进行充气操作或抽气操作时，相应的充气流速或抽气流速也相应变小，此时对用户的手指背部施加的气动压力反馈也相应变小。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。