机械外骨骼及VR设备
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械外骨骼及VR设备。
背景技术
VR技术(VR为Virtual Reality的缩写，中文名称为虚拟现实技术)的出现改变了人类与计算机的交互方式，在虚拟现实的场景中，为了增强用户对虚拟世界的感知，常常会应用到带有力反馈装置的手部外骨骼装置来进行手部动作捕获。
力反馈装置可以在人手动作时，提供一个与该动作方向相反的扭矩，从而使人获得一个触觉体验。人手抓取物体时，手指和手掌的正面会同时与物体接触受力，而市场上的手部机械外骨骼在人手进行抓取等动作时，只是针对手指进行力反馈调节，无法针对掌心进行力反馈调节，即，穿戴手部机械外骨骼后，用户只能在手指处获得触觉体验，无法在手掌心处获得触觉体验。
实用新型内容
本实用新型提供了一种机械外骨骼及VR设备，旨在解决手部机械外骨骼被穿戴后，无法为用户提供掌心力反馈调节的问题。
一种机械外骨骼包括：底座；固定部件，所述固定部件能够安装在所述底座上，用于将人体穿戴部位固定在所述底座上；驱动部件，所述驱动部件固定在所述底座上，并与所述控制器电性连接，以便接收所述控制器的控制信号；施力部件，所述施力部件与所述驱动部件相接，人体穿戴部位被绑定在所述底座时，所述驱动部件能够带动所述施力部件对手掌正面施力，使人体穿戴部位正面可以获得触觉体验。
进一步的，所述驱动部件包括：拉伸驱动装置，所述拉伸驱动装置固定在所述底座上，并与所述控制器电性连接，以便接收所述控制器的控制信号；所述施力部件包括：柔性带，所述柔性带的一端与所述拉伸驱动装置相接，另一端能够安装在所述底座上；其中，人体穿戴部位被所述柔性带固定在所述底座时，所述柔性带与人体穿戴部位正面接触；所述拉伸驱动装置能够拉紧所述柔性带，进而使柔性带对人体穿戴部位正面施加压力。
进一步的，所述拉伸驱动装置包括第一驱动电机，所述第一驱动电机固定在所述底座上，并与所述控制器电性连接，以便接收所述控制器的控制信号；所述柔性带绕设在所述第一驱动电机的主轴上，所述第一驱动电机能够在接受所述控制器的控制信号后转动，从而收卷拉紧所述柔性带；及/或所述柔性带和所述手掌固定部件为同一绑带结构；所述绑带的一端与所述拉伸驱动装置相接，另一端可固定在所述底座上，以便将人体穿戴部位绑定在所述底座上。
进一步的，所述施力部件还包括滑块，所述滑块穿设在所述柔性带上，用于与人体穿戴部位正面接触，且在所述拉伸驱动装置拉紧所述柔性带时，所述柔性带与所述滑块之间相对滑动；其中，所述滑块与人体穿戴部位正面之间的摩擦力大于所述滑块与所述柔性带之间的摩擦力，以便在所述柔性带与所述滑块之间相对滑动时，所述滑块与人体穿戴部位正面之间无相对滑动，进而减小施力部件对人体穿戴部位掌施加的侧向力。
进一步的，所述手掌滑块具有通孔，所述通孔内壁为光滑表面，或者所述通孔内壁设有滚动件，以便使所述滑块与所述柔性带之间滚动摩擦；所述滑块用于与人体穿戴部位正面接触的表面为粗糙表面。
进一步的，所述驱动部件包括：旋转驱动装置，所述旋转驱动装置固定在所述底座上，并与所述控制器电性连接，以便接收所述控制器的控制信号；旋转杆，所述旋转杆的第一端与所述旋转驱动装置相接；所述施力部件包括：施力板，所述施力板与所在旋转杆的第二端相接，并在人体穿戴部位固定于所述底座时与人体穿戴部位正面接触；其中，所述旋转驱动装置接收所述控制器的控制信号后，可对所述旋转杆的第一端施加扭力，使所述施力板获取向人体穿戴部位正面运动的驱动力，从而使手掌正面收到所述施力板施加的压力。
进一步的，所述旋转驱动装置包括第二驱动电机，所述第二驱动电机固定在所述底座上，所述第二驱动电机的主轴与所述旋转杆的第一端固定相接。
进一步的，所述施力板用于与手掌正面接触的端面为曲面，以便使所述施力板与人体穿戴部位正面贴合。
进一步的，所述驱动部件包括气源装置，所述气源装置安装在所述底座上，并与所述控制器电性连接，以便接收所述控制器的控制信号；所述施力部件包括气囊，所述气囊设置在所述固定部件上，并与人体穿戴部位正面相对，所述气源装置的出气孔通过气管与所述气囊的进气口相接。
进一步的，所述驱动部件还包括用于检测所述气囊内压力的气压表，所述气压表与所述控制器电性连接，以便所述控制器在所气囊内的压力达到预定值时，控制所述气源装置停止向所述气囊内充气。
本实用新型还提供了一种VR设备，该VR设备包括如上任意一项所述的机械外骨骼。
在本实用新型提供的机械外骨骼可以是用于人手穿戴的手部机械外骨骼，当人手固定在底座上时，驱动部件可以带动施力部件对手掌正面施力，实现对人手进行掌心力反馈调节，使得用户穿戴手部机械外骨骼后可以获得更加真实的触觉体验。
附图说明
图1为本实用新型提供的手部机械外骨骼的整体结构示意图；
图2为本实用新型第一实施例提供的手部机械外骨骼的局部示意图；
图3为本实用新型第一实施提供的带有手掌滑块的手部机械外骨骼的局部示意图；
图4为本实用新型第一实施提供的带有手掌滑块的手部机械外骨骼的侧面视图；
图5为本实用新型第二实施提供的手部机械外骨骼的侧面视图；
图6为本实用新型第三实施提供的手部机械外骨骼的整体结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于、安装于或者设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接或相接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
在本实用新型提供的实施例中，机械外骨骼是用于人体穿戴的设备，机械外骨骼可以是用于人手穿戴的手部机械外骨骼、用于人体头部穿戴的头部机械外骨骼，或者是用于其他人体穿戴部位穿戴的机械外骨骼。在本实施例中，以手部机械外骨骼为例对本实用新型进行描述。
如图1至图4所示，为本实用新型实施例提供的手部机械外骨骼，该手部机械外骨骼包括：底座1、固定部件2、驱动部件以及施力部件。其中，固定部件2可以安装在底座1上，用于将人手固定在底座1上，此时手掌正面(手掌正面是指手掌心所在的一侧)与固定部件2接触，手掌背面与底座1的第一端面接触，另外，固定部件2可以是绑带结构、手套结构等。驱动部件也固定在底座1上，并与控制器电性连接，以便接收控制器的控制信号。施力部件与驱动部件相接，驱动部件在接收到控制器的控制信号后可以产生相应的动作，进而带动施力部件朝向底座1的第一端面运动。当人手固定在底座1上时，施力部件可以对手掌正面施力，实现对人手进行掌心力反馈调节，使得用户穿戴手部机械外骨骼后可以获得更加真实的触觉体验。
在本实施例中，控制器可以是单片机等，控制器可以是手部机械外骨骼的一部分，此时，控制器可以设置在底座1上；当然控制器也可以是不属于手部外机械骨骼，比如控制器为VR设备的主控制器，其中手部机械外骨骼是VR设备的一部分。
另外，为了使手部机械外骨骼穿戴起来更舒适，在本实用新型提供的实施例中，底座1的第一端面上设有软垫。其中，软垫可以是由海绵、硅胶等材料制成。
如图1所示所示，手部机械外骨骼还包括手指机构3，手指机构3安装在底座1上，用于固定人手的手指，并可随手指一起运动。在本实施例中，底座1 和固定部件2实际上是属于手掌机构的一部分，用于固定人手的手掌。
如图2所示，在本实用新型提供的第一实施例中，驱动件包括拉伸驱动装置40，拉伸驱动装置40固定在底座1上，并与控制器电性连接，以便接收控制器的控制信号；施力部件包括柔性带50，柔性带50的一端与拉伸驱动装置40 相接，柔性带的另一端可以固定在底座1上，以便将手掌固定在柔性带50、拉伸驱动装置40以及底座1所构成的闭环空间内。当人手被柔性带50固定在底座1上时，柔性带50与手掌正面接触；拉伸驱动装置40在接收到控制器的控制信号后可以拉紧柔性带50，进而使柔性带50对手掌正面施加压力。
具体的，在本实施例中，拉伸驱动装置40包括有第一驱动电机，其中第一驱动电机固定在底座1上，并与控制器电性连接，以便接受控制器发出的控制信号；柔性带50的绕设在第一驱动电机的主轴上，当控制器向第一驱动电机发送相应的控制信号后，第一驱动电机可以转动，以收卷拉紧柔性带50，从而使柔性带50对手掌正面施加压力，进而使手掌获得触觉体验。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，拉伸驱动装置40也可以是其他驱动装置，比如，拉伸驱动装置40可以是包括有气泵、气缸等元器件组成的气动装置，气泵与气缸均可以固定在底座上，气缸的活塞杆与柔性带50相接。需要对手掌进行掌心力反馈调节时，控制器会向气泵发出控制信号，使气泵工作，向气缸内通入气体，此时气缸的活塞杆会向外伸出，可以带动柔性带50运动并将其被拉紧。
此外，在本实施例中，柔性带50可以是布带、塑料带或者金属带等的任一种或任意组合。进一步的，为了降低手部机械外骨骼的材料成本，并方便生产装配，在本实施例中，柔性带50和固定部件2为同一绑带结构，其中，绑带结构的一端与拉伸驱动装置40相接，另一端可固定在底座1上，以便将人手掌绑定在底座1上。另外，绑带结构可以通过魔术贴粘贴方式、按扣扣合等方式固定在底座上，此时底座1上设有可使绑带结构穿过的孔位，绑带结构相应位置设有按扣的公扣和母扣或者魔术贴的毛面和勾面。
如图3和图4所示，在本实施例中，施力部件还包括手掌滑块51。手掌滑块51具有通孔511，套设在柔性带50上(柔性带50从通孔内穿过)；手掌滑块 51用于与手掌正面接触，且在拉伸驱动装置拉紧柔性带50时，柔性带与手掌滑块51之间相对滑动。其中，手掌滑块51与手掌正面之间的摩擦力大于手掌滑块51与柔性带50之间的摩擦力，以便在柔性带50与手掌滑块51之间相对滑动时，手掌滑块51与手掌正面之间无相对滑动，进而减小施力部件对手掌施加的侧向力。
可以理解的，当柔性带50不直接与手掌接触，且手掌滑块51与手掌正面之间的摩擦力远大于手掌滑块51与柔性带50之间的摩擦力时，或者当柔性带 50不直接与手掌接触，手掌滑块51与柔性带50之间的摩擦力近似为零时，柔性带50被拉紧时对手掌施加的侧向力近似为零(主要通过手掌滑块51对手掌正面进行施力)，提高用户的体验效果。
具体的，在本实施例中，通孔511的内壁设有滚针512，以便使手掌滑块 51与柔性带50之间滚动摩擦，降低二者之间的摩擦力。同时，手掌滑块51用于与手掌正面接触的表面为粗糙表面，以增大二者之间的摩擦力。其中，手掌滑块51用于与手掌正面接触的表面为滴胶表面或者问磨砂表面。此外，在本实用新型提供的其他实施例中，滚针512也可以利用滚珠等滚动件进行替换。当然，在本实用新型提供的其他实施例中，通孔511的内壁也可以设置成光滑表面以减小手指滑块与柔性带50之间的摩擦力。
如图5所示，在本实用新型提供的第二实施例中，驱动部件包括有旋转驱动装置400和旋转杆401；施力部件包括有施力板500。其中，旋转驱动装置400 固定在底座1上，并与控制器电性连接，以便接收控制器发送的控制信号；旋转杆401的第一端与旋转驱动装置400相接，旋转杆401的第二端与施力板500 相接；施力板500可在人手固定于底座1时与人手正面接触；旋转驱动装置400 接收控制器的发出的相应控制信号后，可对旋转杆401的第一端施加扭力，使得旋转杆401的第二端带动施力板500朝向底座1的第一端面运动，即施力板 500可以获取朝向手掌正面运动的驱动力，以便在人手固定于底座1时，对手掌正面施加的压力。
具体的，在本实施例中，旋转驱动装置400包括有第二驱动电机，第二驱动电机固定在底座1上，第二驱动电机的主轴与旋转杆401的第一端固定相接。当第二驱动电机接收到控制器发送的相应的控制信号时，可以带动旋转杆401 一起转动，从而使施力板500获取朝向底座1的第一端面运动的驱动力。可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，拉伸驱动装置400也可以是其他驱动装置，比如，拉伸驱动装置400可以是包括有气泵、气缸等元器件组成的气动装置，气泵与气缸均可以固定在底座1上，气缸的活塞杆与旋转杆401的第一端相接，此时旋转杆401的中间某一位置铰接在底座上。需要对手掌进行掌心力反馈调节时，控制器会向气泵发出控制信号，使气泵工作并向气缸内通入气体，此时气缸的活塞杆会向外伸出，对旋转杆401的第一端施力，使得旋转杆401可以绕其与底座的铰接点转动，进而使旋转杆401的第二端带动施力板500朝底座的第一端面运动。
如图5所示，在本实施例中，旋转驱动装置400和旋转杆401的个数为两个，分别设置在底座1的两侧，以便对手掌均匀施力。另外，旋转杆401为弧形杆，且弧形杆的内凹部分朝向底座1，这样可以有效避免旋转杆401与手掌接触，进而避免手掌侧面受到旋转杆401的施力。
如图5所示，在本实施例中，施力板500设置在固定部件2的外侧，以避免对固定部件2固定手掌造成干涉，其中，固定部件2的内侧是指与所述底座1 的第一端面相对的一侧，固定部件2的外侧与固定部件2的内侧相背。此外，施力板500用于与手掌正面接触的端面为曲面，这样可以使施力板与手掌正面贴合更紧密，使得施力板500对手掌的施力更均匀，提高力反馈的效果。
可以理解的，在其他实施例中，施力板500设置在固定部件2上，并与并能够与旋转杆401的第二端相接触，这样电机驱动旋转杆401转动时，旋转杆 401的第二端便能够挤压施力板500，使得施力板500对手掌心施力。
如图6所示，在本实用新型提供的第三种实施例中，驱动部件包括有气源装置4000，施力部件包括有气囊5000。其中，气源装置5000安装在底座1上，并与控制器电性连接，以便接收控制器的控制信号；气囊5000设置在固定部件 2的内侧，并与底座1的第一端面相对，气源装置4000的出气孔通过气管4001 与气囊5000的进气口相接。当气源装置4000接收到控制器的相应控制信号后，会向气囊5000内通入适量的气体，使气囊膨胀。当人手固定在底座1时，气囊与手掌正面相对，并在通气膨胀时对手掌正面施加压力。
在本实施例中，气源装置4000可以是气泵、储气罐等装置，气源装置4000 的出气口与气囊5000的进气口之间还设有开关阀，以控制二者间气路的通断，开关阀可以是电磁换向阀等元器件。此外，气囊5000还设有出气口，气囊的出气口也设有开关阀，以便在合适的时候排出气囊5000内的气体。
为了使气囊5000对手掌正面施加的压力更精准，提高掌心力反馈的效果，在本实施例中，驱动部件还包括用于检测气囊内压力的气压表，其中，气压表与控制器电性连接，可将检测到的气压值传递至控制器。另外，气压表可以直接安装在气囊5000上，也可以安装在底座1上。
可以理解的，当机械外骨骼是人体其他部位穿戴的外骨骼时，也可以通过相同是设置，使得穿戴该机型外骨骼的人体穿戴部位的正面得到相应力反馈调节。
本实用新型还提供了一种VR设备，该VR设备使用了上述任一实施例所述的机械外骨骼，从而使人体获得更好穿戴体验。比如机械外骨骼为手部机械外骨骼时，可以使该VR设备具有掌心力反馈的功能，人们使用该VR设备时可以获得更好的力反馈效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
