（机械制造及其自动化专业论文）基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究.pdf

硕士论文基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究 摘要 虚拟现实系统中，力觉模拟和再现是增强系统真实感，营造沉浸效果的基本手段 之一，与之相关的研究日益受到重视，并成为一个新的研究领域。目前，力觉再现的 形式各种各样，其中应用比较广泛的为力反馈数据手套。 本文提出并设计了一种基于气动肌肉的外骨架式双向力反馈数据手套，只对指尖 施加单点作用力，无需对每个手指关节施加力。使得整体结构简单，重量轻，与手指 的固定更牢固，便于控制。该数据手套能够提供双向力作用，可以驱动手指弯曲伸 展双向运动，使其不仅能够应用于虚拟装配、遥操作等虚拟现实领域，而且能够应用 于手指的医学康复中。 本文首先介绍了数据手套的整体结构、驱动系统、角度测量原理和力反馈原理。 驱动系统采用了一对对抗性气动肌肉加制动器的方式，既能够满足人手的自然运动， 又能够随时制动进而产生双向力反馈。采用非接触式磁阻传感器，间接测量手指的弯 曲角度。设计了一种基于应变测量的力矩传感器，通过测量数据手套的驱动力矩，间 接测量作用在手指上的指尖力。 在简化人手模型的基础上，对手指和数据手套进行了运动学分析和静力学分析， 推导出了手指关节与外骨架连杆机构的运动学关系，得到了作用在手指上的指尖力， 为数据手套的结构设计、角度测量和力反馈控制提供了理论依据。根据运动学分析和 静力学分析的结果，研究了双向力反馈数据手套在虚拟现实领域和手指康复中的工作 原理，为力反馈数据手套的应用奠定了理论基础。 其次介绍了角度传感器的测量原理、校准方法、角度测量基准点的确定和角度换 算关系。介绍了力矩传感器的原理及标定方法。在满足人手佩戴要求的基础上，分析 了连杆结构参数对角度测量和指尖力的影响，为结构参数的选择提供了依据。 最后搭建了力反馈数据手套的实验系统，采用l a b v i e w 编写了控制程序，对数据 手套的角度信号和力矩信号进行采集。对自制的气动肌肉进行了基本特性测试，完成 了角度测量实验，对力反馈数据手套进行了开环静、动态特性测试。在前面实验的基 础上，采用p i d 控制策略完成了指尖力反馈闭环实验。实验表明，设计的双向力反馈 数据手套可以测量手指关节弯曲角度，能够提供双向力作用，力作用效果明显。 关键字：双向力反馈，数据手套，虚拟现实，康复 坝士记又基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究 a b s t r a c t i nv i r t a a lr e a l i t ys y s t e m ，f o r c es i m u l a t i o na n dd i s p l a yi sab a s i cm e t h o dt os t r e n g t h e n t h er e a l i s t i cs e n s a t i o na n dc o n s t r u c tt h ei m m e r s i o n n l er e s e a r c ha b o u ti th a sr e c e i v e d i n c r e a s i n ga t t e n t i o n ，a n db e c o m e a l la p p e a l i n gr e s e a r c hf i e l d a tp r e s e n t , t h e r ea r ed i f f e r e n t w a y st or e a l i z ef o r c ef e e d b a c k , o n eo fw h i c hw i d e l yu s e di sf o r c ef e e d b a c kd a t a g l o v e an o v e lb i d i r e c t i o n a lf o r c ef e e d b a c ke x o s k e l e t o nd a t a g l o v eu s i n gp n e u m a t i cm u s c l e s a sa c t u a t o r si sp r e s e n t e d t h ed a t a g l o v ee x e r t sb i d i r e c t i o n a lf o r c eo n l yo nt h ef i n g e r t i p ， n o to ne v e r yf i n g e rj o i n t t h u si th a sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，l i g h tw e i g h t ，f i r m l y a t t a c h e di t s e l ft ot h ef i n g e r a n di se a s yt ob ec o n t r 0 1 t h ed a t a g l o v ec a l ls u p p l y b i d i r e c t i o n a lf o r c et od r i v et h ef i n g e rt of l e xa n de x t e n di nb i d i r e c t i o n ，w h i c hm a k ei t n o to n l ya p p l i e dt ov i r t u a la s s e m b l ys y s t e ma n dt e l e p r e s e n c es y s t e ma n do t h e rv i r t u a l r e a l i t yf i e l d s ，b u ta l s oa p p l i e dt or e h a b i l i t a t i o no ff i n g e ri n j u r i e s f i r s t l y , t h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，a c t u a t i o ns y s t e m ，p r i n c i p l eo fa n g l em e a s u r e m e n ta n d p r i n c i p l eo ff o r c ef e e d b a c ka r ei n t r o d u c e d t h ec o m b i n a t i o no fap a i ro fa n t a g o n i s t i c p n e u m a t i cm u s c l e sa n db r a k e si sa p p l i e dt oa c t u a t i o ns y s t e m ，w h i c hn o to n l ym e e t st h e n e e do ft h en a t u r a lm o t i o no fh a n d ，b u ta l s ob r a k e st h ep n e u m a t i cm u s c l e sw h e n e v e ri ti s n e c e s s a r yt og e n e r a t eb i - d i r e c t i o n a lf o r c ef e e d b a c k t h ef l e x i o na n g l e so ff i n g e r sa r e i n d i r e c t l ym e a s u r e db yt h en o n - c o n t a c tm a g n e t o r e s i s t a n c es e n s o r s at o r q u es e n s o rb a s e d o ns t r a i nm e a s u r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e dt oi n d i r e c t l ym e a s u r ef i n g e r t i pf o r c eb y m e a s u r i n gt h ed r i v i n gt o r q u eo ft h ed a t a g l o v e b a s e do nt h es i m p l i f i e dh a n dm o d e l ，t h ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n ds t a t i ca n a l y s i so f i n d e xf m g e ra n dt h ed a t a 酉o v ea r em a d e t h ef i n g e r t i pf o r c ea n dt h ek i n e m a t i cr e l a t i o n b e t w e e nf i n g e rj o i n t sa n dt h el e v e r a g eo ft h ee x o s k e l e t o na r ed e r i v e d ，w h i c hp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，a n g l em e a s u r e m e n ta n df o r c ef e e d b a c kc o n t r o lo f t h e d a t a g l o v e a c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i ca n a l y s i s a n ds t a t i ca n a l y s i s ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ed a t a g l o v e i nt h ev i r t u a lr e a l i t yf i e l da n dt h er e h a b i l i t a t i o no ff i n g e ri n j u r i e s i ss t u d i e d ，w h i c hl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fb i d i r e c t i o n a lf o c e f e e d b a c kd a t a g l o r e s e c o n d l y , t h em e a s u r e m e n tt h e o r y , e r r o rc o r r e c t i o nm e t h o d ，a n g l ec o n v e r s i o na n d r e f e r e n c ep o i n td e t e r m i n a t i o no ft h ea n g l es e n s o ra l ei n t r o d u c e d t h em e a s u r e m e n tt h e o r y a n dt h ec a l i b r a t i o nm e t h o do ft h et o r q u es e n s o ra r ep r e s e n t e d o nt h ep r e m i s eo fm e e t i n g w e a r a b l er e q u i r e m e n to ft h eh a n d ，t h ee f f e c t so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fl i n k a g e so na n g l e 1 1 1 a b s t r a c t硕士论文 m e a s u r e m e n ta n df i n g e r t i pf o r c ea r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e sh e l pf o rt h ec h o i c eo f p a r a m e t e r s f i n a l l y , a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h ef o r c ef e e d b a c kd a t a g l o v ei se s t a b l i s h e d t h e e x p e r i m e n t a lc o n t r o lp r o g r a mi sc o m p i l e db yl a b v i e w , w h i c hc o u l da c q u i r ea n g l es i g n a l a n df o r c es i g n a l t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c st e s t i n go ft h es e l fm a d ep n e u m a t i cm u s c l ei s d o n e ，a n dt h ee x p e r i m e n to fa n g l em e a s u r e m e n ti sf i n i s h e d e x p e r i m e n t sa b o u ts t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t a g l o v ea r er e s e a r c h e d b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t s ， f i n g e r t i pf o r c e f e e d b a c kc l o s e d - l o o pe x p e r i m e n t sw i t hp i dc o n t r o l l e ra r es t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed a t a g l o v ed e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nm e a s u r et h e f l e x i o na n g l e so ff i n g e rjo i n t s ，a n ds u p p l yr e a l i s t i cb i d i r e c t i o n a lf o r c ee f f e c t i v e l y k e y w o r d s ： b i d i r e c t i o n a lf o r c ef e e d b a c k ，d a t a g l o v e ，v i r t u a lr e a l i t y , r e h a b i l i t a t i o n i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除- y j 口以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：磋! 垫! 奎 研年石月z 石 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：馒d 2 垒 z 9 7 年月垢 硕士论文 基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究 1 绪论 1 1 课题背景及意义 迅速发展的计算机硬件与不断改进的计算机软件系统使得大型数据集合的声音 和图像实时再现成为可能，以沉浸、交互和构想为特征的计算机虚拟现实技术得到蓬 勃发展【1 】。虚拟现实技术通过计算机图形构造虚拟环境，借助相应的硬件手段的帮助， 如数据手套、头盔和立体眼镜等设备，提供视、听、触、嗅觉等感观刺激，可以使用 户沉浸在虚拟环境中，产生身临其境的临场感。在虚拟现实系统中，力觉和触觉的模 拟和再现是增强系统真实感，营造沉浸效果的重要环节，与之相关的研究日益受到重 视，并己成为一个热门的研究领域【2 j 。 目前，与虚拟现实技术相结合的力触觉接口设备被广泛应用于产品概念设计、虚 拟装配、遥操作、医疗康复等各个领域。在虚拟装配系统中，对于有些要求操作者对 虚拟环境进行灵巧度要求很高的精细操作的场合，由于视觉主要用于对操作对象和环 境的宏观判断，单纯依靠视觉往往难以胜任；而力触觉主要用于对工作过程更细微的 判断。此时，力触觉就成为操作过程中最重要和最可靠的信息来源。依靠高性能的力 触觉再现，操作者可以获得操作对象的各种运动信息和属性信息，包括质量、惯性、 形状、硬度、材质等，这些信息的丰富程度与真实程度常常决定了能否成功地完成作 业。不少研究也证实，力触觉的引入将大大提高任务执行的效率【3 】。在遥操作系统中， 通过力触觉接口设备能够真实的再现远端环境作业过程中的接触和受力，为操作者提 供完整逼真的从端受力信息【4 j 。 在众多的力触觉接口设备中，应用比较广泛的为力反馈数据手套。将力反馈数据 手套应用于由损伤、中风等所致手部功能性障碍的医学康复也受到越来越多的关注 【5 ，6 】。全世界每年患中风症的人有1 5 0 0 万以上，2 3 的幸存者中约有8 0 的人由于手 臂功能性障碍而影响日常生活i 7 j 。主要的治疗手段是治疗师通过物理治疗方法帮助患 者运动来恢复功能，实现生活自理。而物理治疗需要很长时间，给患者增加了经济负 担。随着人口老龄化的不断加剧，大量老年疾病如中风、关节损伤等给家庭和社会带 来了巨大的负担，因此，社会对康复医疗有巨大需求。借助于力反馈数据手套等力反 馈装置可以改变传统的由治疗师辅助病人的治疗方法，更好地为患者实现功能康复。 本文研究的目的是设计一种双向力反馈数据手套，对手指指尖施加单点、双向的 作用力，实现力反馈。由于数据手套在指尖处可以施加双向作用力，手指能够完成弯 曲伸展双向运动。因此，该数据手套不仅可以应用于虚拟装配、遥操作等领域，而 且可以应用于手指的医学康复中。本课题的研究和探索，将会推动力反馈数据手套的 应用，具有重要的理论意义和应用价值。 1 1 绪论 硕士论文 1 2 力反馈数据手套概述 在虚拟现实系统之中，能让用户产生“沉浸效果的关键因素之一是用户能够去 操作虚拟物体，并在操作的同时能够感受到虚拟物体的反作用力。一般的数据手套能 够辅助计算机检测人手的位姿，从而可以实时地生成手与物体接近或远离的图像。然 而大部分数据手套不提供力反馈作用，就很难让用户的手有抓到物体和推动物体的真 实感觉。 力反馈装置的研究最初是从机器人领域开始的，当时人们致力于让使用遥操作伺 服手的操作员有更好的人工现实感，此类系统一般构造复杂，成本昂贵。许多人在低 成本方面进行努力，将力学反馈做到操纵竿上。然而力学反馈操纵竿将手的运动范围 限制在一个较小的范围内，而且无法对每一个单独的手指施加力反馈。后来力反馈数 据手套技术提供给用户一种虚拟手控制系统，数据手套的主要作用是使操作者能够通 过自己手的动作对遥控客体或者虚拟客体进行操作，而力反馈装置的主要作用则是将 客体受到的力真实地反馈给操作者，使操作者得到力觉临场感，从而达到对客体进行 准确操作的目的。安装有力反馈装置的数据手套才能真正使操作者在控制时产生“沉 浸感”。通常把具有力反馈功能的数据手套称为力反馈数据手套【8 1 。 作为虚拟现实系统中的力觉接口设备，力反馈数据手套必须具备以下特点【9 】： ( 1 ) 安全性：由于力反馈手套是和人直接接触的，因此在设计方案时，要把安 全性放在首要位置考虑，不能对人体造成意外的伤害。 ( 2 ) 轻便性：由于力反馈手套是戴在操作者手上的，如果装置太笨重，使用者 会感到厌烦，不愿意使用。所以手套要尽量的轻便，而且要质量稳定，便于维修。 ( 3 ) 准确性：要求当机械装置与环境交互时的作用力大小与力反馈手套给操作 者的作用力大小相等。 ( 4 ) 实时性：要求当机械装置和环境交互时，反馈力的信息要能实时的传送到 操作者手上。 1 3 国内外研究现状及分析 1 3 1 力反馈数据手套在虚拟现实领域的研究现状 目前，力反馈数据手套主要应用在虚拟装配、遥操作和产品概念设计等虚拟领域。 按照力反馈装置的驱动形式，力反馈数据手套可分为电驱动、气体驱动两大类。 1 3 1 1 基于电驱动的力反馈数据手套 b o u z i t 设计了由力矩电机驱动的外骨架式l r p 数据手套 1 0 , 1 1 】，如图1 1 所示。采 用d c 电机对5 个手指的各个关节提供力反馈，基于平面四连杆机构间接测量手指的 2 硕士论文基于气动肌肉的口向力反馈皴据手套的研究 弯曲角度。为了减轻手套的重量，驱动器系统搁置在离操作者较远的地方，采用腱鞘 传输系统传递力。角度的测量是通过安装在电机轴上的光电编码器测量绳子的长度变 化来计算的。小的悬臂粱传感器安装在底座上用于测量力的大小。手套的结构能够适 应人手的大小变化，但角度的测量装置位于驱动器上，离手指远，精度不易保证。 瓣? + l 圈12c y b e r g r a s p 力反馈手套 h a s h i m o t o 设计的力反馈数据手套【1 4 i ”，如图1 3 所示，采用外骨架结构，有2 0 个自由度。由电机驱动通过线传递对每个手指关节提供力反馈。角度采用旋转编码器 凛惶，转矩通过安装在骨架上的应变片来柳0 量。 北京航空航天大学研制了一种新型的b h g i i 型数据手套1 1 6 , 1 7 】，由机械电子率体、 数据采集卡、仿真软件部分组成，具有良好的适应性和稳定性，如图14 所示。其研 究特色是抛弃传统手套的形状，可以适用于不同的成人手型采用基于四杆机构的机 氇 硕论文 耀 拶举 嘲l5f o r c e f e e l 力反馈系统 嫡， 硕论文基于气动肌肉的取向力反埙数据手套的研究 1 3 1 2 基于气体驱动的力反馈数据手套 力反馈数据手套采用电机驱动，易造成结构复杂，体积庞大，其安全性能差。气 动执行机构便宜、干净，又因空气的压缩性，保证了安全性，因此力反馈数据手套很 多都采用气动驱动器来实现。 美国p u t g e r s 大学b u r d e a 设计的r u t g e r s m i n t e rg l o v e m 2 ”，如图1 6 所示。四个 玻璃石墨结构的微型气缸安装在位于手套手掌部位处的l 型平台上，结构简单，重 量轻。每个气缸与球形关节同轴安装，手指可以弯t $ 伸展和外展内收。执行机构通 过尼龙措扣带子固定在支撑手套上，可以根据用户手的大小进行调节。采用非接触霍 尔传感器测量气缸的转动角度，红外传感器测量气缸的位移，根据二者的数据以及虚 拟手模型可以计算手指关节的弯曲角度，该手套在每个手指上能够连续产生1 6 n 的 力，摩擦力小，但手指的运动空间受到跟制，手套的整体性能优于c s b e r g r a s p 。 围1 6 r u t g e r s 鼓据手套 f i u i dp o w e ro l o v e 足日本h o s e i 大学田中验室研究的力反馈数据手套州】，如 图17 所示，在商品化的数据手套每个手指上固定一个气动波纹管产生力反馈。波纹 管内的压力改变，其弯曲刚度也随之改变，当手指弯曲时产生力反馈。对于不同直 径的球以及剐性体和柔性体进行了抓握试验。 幽17 流体动力手套 绪论 碳l = 论文 捷克的l u k a sk o p e c n y 利用气动肌肉实现力觉再现4 5 埘1 ，如图1 8 所示。气动肌 肉一端固定在支架上，一端固定在戴在手指上的套管上，通过控制压力来产生横向力。 这种力觉接口设各仪能产生力觉，对于手部的位置或手指的弯曲角度并没有测量。 图l8 气动肌肉力反馈装置 英国s a l f o r d 大学c a l d w e l l 设计了7 自由度外骨架式力觉再现装置口”。该结构由 气动人工肌肉驱动，7 个自由度分别为肩部3 个自由度、肘部和腕部各有2 个自由度。 对于关节处力矩的控制和虚拟接触力的计算进行了研究。与虚拟环境的交互实验表明 可以正确的复现接触力，能够产生逼真感。该机构重量轻，低于2 k g 。 哈尔滨t 业大学s m c 气动中心研制了以气动人工肌肉为驱动器的外骨架式力反 馈数据手套口”，采用非接触式磁阻传感器，基于平面四连杆机构运动确定性原理测量 关节手指的弯曲角度。其驱动器部分戴在小臂上，通过腱鞘传输系统将气动肌肉产生 的反馈力传输到前端手指的各个关节上。该数据手套基于多关节力反馈控制使得结 构复杂，不便于携带，并且只能施加单方向作用力。 1 3 2 力反馈数据手套在医疗康复领域的研究现状 随着科技的进步，医学康复的实现手段正从传统的由治疗师辅助病人进行运动训 练转变为采用各种康复器械甚至康复机器人帮助患者进行康复。手部医学康复主要是 指通过手指和腕部的被动运动和主动运动，逐步恢复手部的运动功能。 由于手是人体最复杂的器官之一，在人体的各个关节中，手部的关节自由度多、 结构也最为复杂。因此，到目前为止针对手指关节的康复装置在市场上出现的较少， 相关的文献资料也较少。 桌面式的手、腕部康复结构固定在桌面上，不增加手部的重量，但限制手活动范 围，便携性较差。美国e m o r y 大学研制了m e n t o r 气动肌肉手部治疗装置口i ，如图1 9 所示，m e a t o r 通过气动肌肉驱动器带动连杆机构驱动手腕关节和手指做反复运动， 取得了良好的康复效果。 碰论文 基于气动肌内的取向力反馈教据手套的研究 圈1 9 m e n t o r 康夏装置 将力反馈装置应用于手部康复中也受到越来越多的关注。德国的w e g e 将外骨架 结构式力反馈装置应用于手部康复中口”，如图l1 0 所示，采用磁阻传感器测量手 指关节角度，用电机驱动，通过腱鞘传输系统将反馈力传送到关节处的滑轮上驱动 关节双向运动。但其驱动系统也是隔离在离操作者较远的地方，力传输距离长，摩擦 力大。哈尔滨工业大学张付祥设计的康复机械手也采用外骨架结构口2 娜i ，如图l1 1 所示，采用仿生肌肉技术实现装置的远距离驱动，减小了机械手的体积。不过这两种 康复装置都对每个关节单独控制，使得结构复杂，固定困难，影响康复效果。 图i1 0 外骨架式康复数据手套 圈i1 i c p m 数据手套 l3 3 力反馈数据手套的现状分析 力反馈数据手套按照驱动器的安装方式可以分为两类：驱动器内置式和外骨架结 构式。b u r d e a 设计的r u t g e r s m a s t e r g l o v e 和田中的f l u i d p o w e rg l o v e 属于前者。这类 力反馈数据手套虽然结构紧凑、重量轻，但是驱动器在手掌内部，人手的运动空间受 到限制，降低用户操作的灵活性。而采用外骨架结构的数据手套可以最大限度地满足 手的运动范围，如l r p 数据手套、c y b e r g r a s p 数据手套和b h g 一1 i 数据手套等。 外骨架式力反馈数据手套大多采用电机作为驱动器，由于电机驱动器较重，只能 放在桌面上，这样势必会使力的传输距离变长，增加腱鞘传输系统的摩擦力。外骨架 武力反馈数据手套按照每个手指力作用关节的多少分为手指尖单独力控制和多关节 1 绪论 硕士论文 力控制。多关节力控制方式由于固定装置不容易与手指每个关节连接牢固，角度测量 和力控制都受到影响。而指尖力控制方式由于力的作用点位于手指尖，固定容易，角 度测量和力控制的精度都容易保证。目前商业化、性能好的数据手套如c y b e r g r a s p 、 r u t g e r sm a s t e rg l o v e 等都是采用指尖力控制方式。外骨架式数据手套存在的共性问题 是由于力的作用方式是通过腱鞘系统，单方向施加拉力，力是单向的，限制了使用范 围。如果是双向的则既可以应用于虚拟现实当中，又可以应用于手指康复中。 1 4 主要研究内容 外骨架式力反馈数据手套存在的问题如下：只能产生单方向的拉力；需要对每个 指关节单独控制，结构复杂；只能再现抓取物体时的抓力，不能再现物体的重量等信 息；驱动器大多采用电机驱动，使力的传输距离变长，摩擦力增大；应用范围小，只 能应用于虚拟现实领域，不能应用于医学康复等领域。本课题的特色是针对这些问题 设计由气动人工肌肉作为驱动器的双向力反馈多功能数据手套，该数据手套只在人手 指尖处单点作用，结构简单，便于控制；能够施加双方向的作用力，佩戴在手上后， 手指可以完成弯曲伸展双向运动，不仅可应用于虚拟装配、遥操作等领域，而且可 以用于手指的医学康复中。围绕本课题的目标，主要开展如下研究： ( 1 ) 在分析现有力反馈数据手套的基础上，设计出一种采用气动人工肌肉为驱 动器的外骨架式双向力反馈数据手套。 ( 2 ) 从简化手的模型入手，对手指和数据手套进行运动学和静力学分析，建立 手指与外骨架结构的几何关系模型，获得施加在指尖的单点作用力，为力反馈提供依 据。 ( 3 ) 设计角度传感器和力矩传感器，完成传感器的校准及标定。分析双向力力 反馈数据手套的结构参数对角度测量和指尖力的影响。 ( 4 ) 搭建双向力反馈数据手套实验台，对气动肌肉的基本特性进行研究，对力 反馈数据手套的特性进行测试研究，完成指尖力反馈闭环实验。 8 硕士论文 基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究 2 双向力反馈数据手套设计与分析 2 1 手的结构模型 力反馈数据手套产生的力作用到手上，使人形成力感知。在设计力反馈数据手套 之前，了解手的解剖结构是必不可少的一步。 人手解剖结构如图2 1 所示1 3 4 1 。人手由手掌和5 指构成，掌骨节构成手掌主要部 分，5 指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指。其中，食指、中指、无名指和小 指结构基本相同，每个手指由3 个指骨和3 个关节组成，3 个指骨分别是近指骨、中 指骨和远指骨，3 个关节分别是指掌关节( m p j ) 、近指关节( p i j ) 和远指关节( d u ) 。 拇指与其他4 指不同，只有近指骨和远指骨两个指骨。食指有4 个自由度，其中指掌 关节( m p j ) 有2 个自由度：关节的弯曲伸展运动、外展内收运动，近指关节( p u ) 和远指关节( d u ) 只有1 个自由度：关节的弯曲伸展运动。 图2 1 手的解剖结构图 在手指结构中需要对其运动类型及所涉及的关节加入如下约束0 5 , 3 6 ： ( 1 ) 约束1 ：m p j 关节弯曲伸展的轴线和内收外展的轴线几乎垂直，p i j 和 d i j 只能在同一平面上作弯曲伸展运动。 ( 2 ) 约束2 ：每个指骨的旋转运动是绕着它后面与它相连的一个关节( 可看作一 个点) 而转动，且转动角度只能在0 。9 0 。的范围内。 ( 3 ) 约束3 ：p i j 和d i j 之间的运动相互约束，即使没有外力作用，p i j 弯曲的 同时，d i j 也必然会弯曲；反之亦然。 ( 4 ) 约束4 ：d i j 和p i j 之间的弯曲角度具有线性关系( 拇指除外) ，其相关性表 示为q o i , = ( 1 2 ) q e u 。 9 2 双向力反馈数据手套设计与分析硕士论文 2 2 双向力反馈数据手套的设计 2 2 1 双向力反馈数据手套的总体结构 本文设计了基于食指的双向力反馈数据手套，结构图如图2 2 所示，实物图如图 2 3 所示。力反馈数据手套由外骨架机械系统、驱动系统和传感系统三大部分组成。 外骨架机械系统由图2 2 中的构件1 至构件1 2 组成，采用空间4 r 连杆机构，模拟手 指的运动模型，有四个自由度分别为：连杆3 与连杆2 、连杆2 与连杆l 及连杆l 与 旋转架间的弯曲伸展运动，旋转架与掌基座间的内收外展运动。驱动系统由构件 1 4 至构件2 3 构成，采用一对气动肌肉仿照人体拮抗肌的对抗性方式来工作。连杆2 与滑轮固连在一起，通过腱鞘传输系统得到驱动系统提供的驱动力矩，并将之传递到 人手指尖上。力反馈数据手套的传感系统由角度传感器和力矩传感器组成，角度传感 器安装在连杆与连杆间的铰接处，通过测量连杆夹角，间接获得手指关节的弯曲角度。 力矩传感器安装在连杆2 上，用于测量驱动系统提供的驱动力矩。传感系统实现了数 据手套检测人手位姿的功能需求，并为数据手套的力反馈控制提供必要的信息。 1 0 2 0 1 一指尖套2 一连杆33 一转轴2 34 一连杆25 一滑轮6 一转轴1 2 7 一连杆18 一导向架9 一转轴0 11 0 一旋转架11 转轴o o1 2 一掌基座 1 3 一手背底座1 4 一手臂前支架 1 5 一肌肉支架 1 6 气动人工肌肉1 7 手臂底座 l8 一手臂后支架 1 9 一端盖2 0 一软弹簧2 1 一制动活塞2 2 气管2 3 薄壁套筒 2 4 一手模型2 5 磁铁2 6 一角度传感器 图2 2 双向力反馈数据手套装置结构图 硕士论文 基于气动肌肉的观向力反馈鼓据手套的研究 图2 3 职向力反馈数据手套 相对于多关节力反馈，指尖单点力反馈使得数据手套整体结构简单，与手指的固 定更容易、更牢固，测量精度和控制精度更高。采用一对气动肌肉对抗的工作方式驱 动手指实现双向运动，使得数据手套能够应用到手部的医学康复中，对手指施加主动 式或被动式康复训练。由于气动肌肉质量轻、柔顺性好等优点，可将驱动系统戴在手 臂上，使得力的传输距离变短，摩擦力减小，也便于携带。 双向力反馈数据手套能够适应不同尺寸的人手。为了减轻重量，外骨架结构均采 用铝合金制作。力反馈数据手套融角度测量和力反馈为一体，不但可以使用户以比较 的自然方式将自己手部的动作传递给虚拟环境，实现对虚拟环境中物体操作，也可以 使用户从虚拟环境得到必要的力觉反馈信息，产生真实的沉浸感。 2 2 2 驱动系统 直流电机及其控制技术相对比较成熟，因此在很多力反馈系统中得到广泛的应 用。但是电机驱动易造成结构复杂，体积庞大。另外其安全性能差，出现故障时容易 对人体造成伤害。气动执行机构便宜、干净，又困空气的可压缩性，保证了安全性。 根据力反馈数据手套的功能需求，本文选用了一种新型的气动柔性执行器一气动肌 肉。力反馈数据手套的驱动系统能够提供双向驱动力矩，由气动肌肉和制动器两部分 组成。 2 2 2 1 气动肌肉 气动人工肌肉是目前比较理想的可以模仿生物肌肉用于仿生机构研究的一种驱 动器，有输出力自重比高，安装简单，可弯曲，柔性，安全等优点。本文采用m e k j b b c n 气动肌肉，主要结构如图2 4 所示。其主体由橡胶内管和纤维编织套组成，两端由堵 头、连接装置和通气管路组成。橡胶管要保证弹性好，以便于充气后能充分变形。编 织套的网线之问可以产生相对交错运动但纤维线本身变形要小。当气动肌肉充气后， 橡胶管膨胀并和编织套紧紧贴住，从而将内部气体的压力传递给编织套。当压力升高 2 艰向力反馈数* 手套设计与升析 颈论文 时，气动肌肉内部的体积增大，气动肌肉在径向产生膨胀，由于编织套网线不发生宏 观变形，其径向的增大引起纵向的缩短，从而使得气动肌肉产生收缩运动。在气动肌 肉收缩过程中，编织套足主要的承力部分。 圈2 4 m c k i b b e n 肌肉结构简图 本文中使用的气动肌肉是在实验室自制的，主要由薄壁橡胶管和编织网手工制 成，如图2 5 所示。 图2 5 气动人工肌肉 2 2 2 2 气动肌肉双向驱动的原理 气动肌肉最主要的应用方式是仿照人类拮抗肌的工作方式来驱动关节实现双向 运动，基本原理如图2 6 所示。两个气动肌肉的a 、c 端固定，b 、d 端用绳索连在带 轮上。工作时依靠一个气动肌肉的收缩和另一个气动肌肉的伸长来驱动带轮旋转， 产生双向驱动力矩。关节运动过程当中，两个气动肌肉的长度之和保持不变，而关节 的运动最终是通过气动肌肉张力的平衡而到达某一平衡位黄。在图中，t 为关节产生 的驱动力矩，定义其顺时针方向为正。由气动肌肉的模型可知h ”，气动肌肉输出力矩 的大小与气动肌肉初始有效长度无关。与链轮半径r 和两侧气动肌肉的供气压力 、 b 有关。 囤2 6 气动肌肉双向驱动原理圈 2 2 2 3 制动器 图2 6 所示的艘向驱动方式应用到力反馈数据手套中是无法满足力反馈要求的。 因为气动肌肉的a 、c 端被固定后。存在着两个问题：在不需要力反馈时，手指的运 顿论文基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究 动行程受到限制，不能自然弯曲伸展；另外，气动肌肉可以在没有充气列被拉伸， 由于橡胶内管的弹性较大，使手指在自然运动时就有力感了。 为了解决上述问题，满足力反馈的要求，本文在文献 2 8 的基础上，提出气动 肌肉双向驱动的改进方案，如图27 所示，在气动肌肉的后端加一个制动器。制动器 结构如图2 8 所示，主要由薄壁套筒、软弹簧、制动活塞、橡胶管组成。 囤27 气动肌肉艘向驱动改进方案 l 掘索2 一端盖3 一软弹簧4 一薄峨套简s 一制动活寒6 一橡胶管7 气管 剀2 , 8 制动器结构幽 绳索穿过软弹簧系在制动活塞前端的连接孔上，橡胶管与制动活塞粘结在一起， 薄壁套筒固定在手臂后支架上。当不给制动器充气时，橡胶管与薄壁套筒内壁没有接 触，只有活塞两端与内壁光滑接触，摩擦力很小，活塞在薄壁套筒中自由滑动；而当 给制动器充气时，橡胶管膨胀，其外壁与薄壁圊管内部接触，摩擦力大，活塞不能移 动，相当于将气动肌肉的一端固定。采用制动器后，气动肌肉的后端可以随时固定， 相当于施力点可以不断变化。在不需要力反馈时，两侧的气动肌肉可以移动，因而手 指可以自然弯曲伸展。需要力反馈时，制动器会即时制动气动肌肉。 图2 , 9 制动器实物图 力传输系统采用绳索和套管组成，与自行车的手闸制动系统原理相似。绳索可以 在套管中自由滑动套管起到导向作用。气动肌肉产生的收缩力通过力传输系统作用 到滑轮上，产生驱动力矩，实现双向力反馈。 1 3 2 双向力反馈数据手套设计与分析硕士论文 2 2 3 角度传感器 数据手套间接或直接测量手指关节的弯曲角度，驱动虚拟环境中的虚拟手运动， 使用户能以一种比较自然的方式与虚拟环境进行实时交互。交互质量的好坏很大程度 上取决于手指弯曲角度测量的准确度。角度的测量通过安装在手套中的传感器来检测 手势变化。采用直接法测量手指关节弯曲角度的数据手套存在如下不足：手套的大小 限制手套的戴用者范围；传感介质在任何部位的变形会累积为关节运动；手套与手之 间会发生滑移，影响精度。为了克服这些缺点，采用外骨架式结构间接测量手指关节 的弯曲角度。 双向力反馈数据手套基于平面六连杆闭环机构，检测手指关节的弯曲角度，测量 原理如图2 10 所示。将数据手套佩戴在手上后，手指与外骨架连杆组成一个平面六 连杆闭环机构，a b c d 段为外骨架连杆，d e e g 段表示手指。并作了如下假设：数据 手套的手背底座固联在手背上，无相对滑移，将其看做连杆机构的机架；数据手套的 连杆3 固联在指尖上，且始终垂直于指尖，故将连杆3 与连杆4 视为一体，如图中的 c d e 段。 图2 1 0 关节角度测量原理图 该连杆闭环机构的自由度为： f = 3 n 一2 e l 一乓= 3x 5 2 x 6 0 = 3 ( 2 1 ) 该连杆机构是一个三自由度冗余机构，必须同时知道三个连杆夹角0 。、0 ：、0 3 ， 才能根据连杆几何关系确定毋、仍、吼的大小。手指m p j 关节共有两个自由度，除 了弯曲伸展自由度外，还有内收# b 展自由度，本文中用吼表示，可通过测量旋转架 在掌基座的转角e o 直接确定g o 。 本文采用飞利浦生产的磁阻传感器k m z 4 1 制成角度传感器，用于测量连杆夹角 e 。、0 ，、0 ，、0 ，。该磁阻传感器测量精度高，体积大小为：5 m m 4 m m x1 2 m m ， 1 4 碗士论文基于气动肌内的日向力反馈教据手套的研究 可以减小力反馈数据手套的体积。测量连杆夹角e 。、0 、0 ：、0 ，的传感器分别称为 角度传感器0 、角度传感器l 、角度传感器2 、角度传感器3 ，传感器的安装位置示意 图如图2 1 1 所示。 图21 1 角度传感器安装位鲨示意图 2 2 4 力矩传感器 在气动肌肉提供驱动力矩r 时，由于结构和人工肌肉自身特性的影响，实际的驱 动力矩与理论要求的会有差异的。因此，要求在力反馈时，能够实时测出作用在外骨 架结构上的驱动力矩，获得反馈力信息，并提供给控制系统进行实时处理。 应变测量是应用最广泛、技术最成熟的一种力传感方式 3 8 】。应变测量的基本原 理是：在力或力矩的作用下，传感器的弹性体产生弹性变形，使粘贴在弹性体变形部 分的应变片的电阻值发生变化，然后利用电桥等方式检测电阻的变化，从而实现力或 力矩的测量。 本文研究的力矩传感器就是基于应变测量原理设计的，测量原理如图21 2 所示。 外骨架连杆2 与滑轮固连，通过腱鞘传输系统得到驱动力矩，将之传递到手指指尖上。 豳2 1 2 力矩测黹原理图 本文将连杆2 作为力矩传感器的本体，结构如图21 3 所示，由弹性体和应变梁 1 5 2 职向力反馈数据手套设计分析 颇l 论文 组成。弹性体f 一安装滑轮，获得驱动力矩后，会弯曲变形。应变梁的上下表面粘贴 对电阻应变片且、r ：，通过电桥将应变吊转为电信号，实现力矩测量。 矽 图21 3 力矩传感器本体结构图 2 3 双向力反馈数据手套的运动学分析 力反馈数据手套的运动学分析不但为数据手套的结构设计提供依据，也为手指关 节角度测量的实现奠定理论基础。 手指的简化模型和数据手套的外骨架结构均可以看作一个开式运动链，是由一系 列连杆通过