一種外附支架、全自由度自適應數據手套及其數據處理方法與流程
2023-05-13 06:24:02
本發明涉及機械電子領域，尤其涉及一種外附支架、全自由度自適應數據手套及其數據處理方法。
背景技術：
數據手套是一種多模式的虛擬實境硬體，通過軟體編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫遊的工具。數據手套的出現，為虛擬實境系統提供了一種全新的交互手段，目前的產品如cyberglove已經能夠通過彎曲電阻製成的彎曲傳感器檢測手指特定關節的彎曲。數據手套的技術含量在於其所能測量手指自由度的數量，能夠測量的自由度越多，相應技術含量也就越高。如授權公告號為cn204868848u的實用新型專利中僅採用了5個彎曲電阻製成了5個彎曲傳感器，僅有5個自由度。而如cyberglove這種較為前沿的產品已經開發至15個自由度（測量手指關節角度）。以上所述的數據手套均以彎曲電阻為核心材料，製成彎曲傳感器，從而測量手指各關節的角度。彎曲電阻是一種長條狀的電阻，彎曲時其阻值會隨彎曲角度而成線性變化，特別適合用於測量弧形關節的角度，但其缺點在於製造成本昂貴，且體積較大，不宜測量多軸角度。
技術實現要素：
針對背景技術及現有設計的不足之處，本發明旨在發明一種外附支架、全自由度自適應數據手套、及其數據處理方法。
本發明提供一種外附支架，其特徵在於，所述外附支架包含拇指外附支架、食指外附支架、中指外附支架、無名指外附支架、小指外附支架；
無名指與中指的手背部分使用柔性連接片進行連接；食指和中指採用一體化模塊設計，無名指與小指的手背部分採用螺絲固定；
各手指外附支架上包含至少一個關節連接點，各關節點採用軸承相連，在各關節處內置有一個微型電位器，微型電位器通過一塊細小的鋁片與外部同心支架相連。
優選的，微型電位器與控制器相連，或者通過多路復用器與控制器相連，將手指關節處的彎曲角度轉化為電位器兩端的電壓信號，再利用控制器根據電壓信號反演計算出實際彎曲角度。
優選的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背側還設置有凹槽，用於安裝復位彈簧，該復位彈簧被配置用於在手指伸直的過程中將數據手套各關節拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。
優選的，拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，小指外附支架具有3通道模擬信號輸入。
優選的，拇指尖端有兩個自由度，佔用兩個個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度；
食指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，食指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，食指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度；
中指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，中指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，中指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度；
無名指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度；
小指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，小指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，小指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。
一種全自由度自適應數據手套，其特徵在於，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；
外附支架與手套貼合使用，在外附支架的底部設置有魔術貼，在穿戴者的手套上的相應位置也有與之契合的異極性魔術貼。
優選的，所述全自由度自適應數據手套還包括手掌彎曲電阻適配器，在手掌彎曲電阻適配器中，內置有彎曲電阻。
優選的，在所述手掌彎曲電阻適配器上採用柔性材料成形，其上設置有多個凹槽，通過多個凹槽縫合在手套內部；所述手掌彎曲電阻適配器的夾層細槽用於放置彎曲電阻，夾層平面與手掌平面相互平行。
優選的，所述手掌彎曲電阻適配器具有一定初始弧度，是為了誘導彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數據可靠性。
一種前述手套的數據處理方法，其特徵在於：所述外附支架中包含有多路復用器，所述數據處理方法的具體步驟為：
s1：採集電位器、彎曲電阻對應的電信號；
s2：復用器周期性的選擇埠傳輸數據；
s3：利用單片機進行模數轉換；
s4：將數據映射到特定區間，確保數據傳輸的位數不變；
s5:：判斷是否處理完畢，若是，則結束數據處理，若否，則執行s1。
本發明最大的優點在於極大地降低了數據手套的製造成本，高度依靠彎曲傳感器的數據手套的製造成本大多源於彎曲電阻的製作，而本發明的一隻手套只有一處採用彎曲傳感器，其餘處皆可使用廉價的普通電位器，用於關節角度讀取的電位器成本可降低97%。
附圖說明
圖1為本發明的外附支架的結構示意圖；
圖2是本發明的食指結構示意圖；
圖3是本發明的拇指結構示意圖；
圖4是本發明的主幹結構（以食指為例）的爆炸示意圖；
圖5是本發明的彎曲電阻適配器結構示意圖；
圖6是本發明的程序邏輯示意流程圖。
具體實施方式
為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本發明的具體實施方式。
本發明提供一種外附支架，其特徵在於，所述外附支架包含拇指外附支架、食指外附支架、中指外附支架、無名指外附支架、小指外附支架；
無名指與中指的手背部分使用柔性連接片進行連接；食指和中指採用一體化模塊設計，無名指與小指的手背部分採用螺絲固定；
各手指外附支架上包含至少一個關節連接點，各關節點採用軸承相連，在各關節處內置有一個微型電位器，微型電位器通過一塊細小的鋁片與外部同心支架相連。
優選的，微型電位器與控制器相連，或者通過多路復用器與控制器相連，將手指關節處的彎曲角度轉化為電位器兩端的電壓信號，再利用控制器根據電壓信號反演計算出實際彎曲角度。
優選的，所述外附支架的各手指外附支架上，在指背側還設置有凹槽，用於安裝復位彈簧，該復位彈簧被配置用於在手指伸直的過程中將數據手套各關節拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。
優選的，拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，小指外附支架具有3通道模擬信號輸入。
優選的，拇指尖端有兩個自由度，佔用兩個個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，拇指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度；
食指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，食指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，食指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度；
中指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，中指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，中指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度；
無名指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，無名指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度；
小指尖端有一個自由度，佔用一個通道的模擬信號輸入，小指與手掌的連接部分有兩個自由度，佔用兩個通道的模擬信號輸入，小指與手掌連接的這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。
一種全自由度自適應數據手套，其特徵在於，包含如前述外附支架、穿戴者配置的手套；
外附支架與手套貼合使用，在外附支架的底部設置有魔術貼，在穿戴者的手套上的相應位置也有與之契合的異極性魔術貼。
優選的，所述全自由度自適應數據手套還包括手掌彎曲電阻適配器，在手掌彎曲電阻適配器中，內置有彎曲電阻。
優選的，在所述手掌彎曲電阻適配器上採用柔性材料成形，其上設置有多個凹槽，通過多個凹槽縫合在手套內部；所述手掌彎曲電阻適配器的夾層細槽用於放置彎曲電阻，夾層平面與手掌平面相互平行。
優選的，所述手掌彎曲電阻適配器具有一定初始弧度，是為了誘導彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數據可靠性。
一種前述手套的數據處理方法，其特徵在於：所述外附支架中包含有多路復用器，所述數據處理方法的具體步驟為：
s1：採集電位器、彎曲電阻對應的電信號；
s2：復用器周期性的選擇埠傳輸數據；
s3：利用單片機進行模數轉換；
s4：將數據映射到特定區間，確保數據傳輸的位數不變；
s5:：判斷是否處理完畢，若是，則結束數據處理，若否，則執行s1。
在本發明中，所述拇指外附支架具有4通道模擬信號輸入，整個支架固定在拇指背面，當拇指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，並帶動內置電位器的轉動，從而實時測量拇指各關節的彎曲角度。拇指尖端有兩個自由度（佔用兩個個通道的模擬信號輸入），拇指與手掌的連接部分有兩個自由度（佔用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個拇指與手掌的縱向相對角度和整個拇指與手掌的橫向相對角度。
該發明的各個關節能夠在外力的所用下進行一定行程內的伸縮並在彈簧的作用力之下自動回復到初始位置。該設計能夠使該發明適應多種手掌的尺寸與手形，從而提升佩戴時的舒適度。
所述食指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在食指背面，當食指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，並帶動內置電位器的轉動，從而實時測量食指各關節的彎曲角度。由於食指尖端兩個關節的彎曲角度基本成線性相關，故食指尖端有一個自由度（佔用一個通道的模擬信號輸入），食指與手掌的連接部分有兩個自由度（佔用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個食指與手掌的縱向相對角度和整個食指與手掌的橫向相對角度。
所述中指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在中指背面，當中指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，並帶動內置電位器的轉動，從而實時測量中指各關節的彎曲角度。由於中指尖端兩個關節的彎曲角度基本成線性相關，故中指尖端有一個自由度（佔用一個通道的模擬信號輸入），中指與手掌的連接部分有兩個自由度（佔用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個中指與手掌的縱向相對角度和整個中指與手掌的橫向相對角度。
所述無名指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在無名指背面，當無名指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，並帶動內置電位器的轉動，從而實時測量無名指各關節的彎曲角度。由於無名指尖端兩個關節的彎曲角度基本成線性相關，故無名指尖端有一個自由度（佔用一個通道的模擬信號輸入），無名指與手掌的連接部分有兩個自由度（佔用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個無名指與手掌的縱向相對角度和整個無名指與手掌的橫向相對角度。
所述小指外附支架具有3通道模擬信號輸入，整個支架固定在小指背面，當小指彎曲時該外附支架跟隨食指進行彎曲，並帶動內置電位器的轉動，從而實時測量小指各關節的彎曲角度。由於小指尖端兩個關節的彎曲角度基本成線性相關，故小指尖端有一個自由度（佔用一個通道的模擬信號輸入），小指與手掌的連接部分有兩個自由度（佔用兩個通道的模擬信號輸入），這兩個自由度分別測量整個小指與手掌的縱向相對角度和整個小指與手掌的橫向相對角度。
所述手掌彎曲電阻適配器是一個柔性封裝且具有一定初始彎曲角度的薄壁保護套，用於隔絕彎曲電阻與外界的幹擾信號。裝在裡面的彎曲電阻是該發明使用的唯一一個彎曲電阻，用於讀取拇指與手掌的相對角度。
優選的，本發明的所用零件均可通過不局限於使用3d列印技術成型。
具體的，為更好的理解本發明，下面結合附圖對本發明進行說明。
圖1是本發明的整體結構示意圖，如圖所示，從左到右依次是拇指，食指，中指，無名指和小指，分別對應圖1中的附圖標記1-5。其中中指與無名指手背部分使用柔性連接片7進行連接，無名指與小指的手背部分也用螺絲6固定住，這兩項設計使整個數據手套從食指到小指連成一片，使其穩定性最佳，從而保證了測量、讀取數據的可靠性。考慮到手背有一定弧度，為了適應該弧度，連接片採用柔性耗材並採用3d列印技術成形。圖1中標記8處的底部有魔術貼，穿戴者的手套上的相同位置也有與之契合的異極性魔術貼，該項設計使數據手套能方便快捷地被固定在穿戴者的手上，且十分易於調整各傳感器方位。
圖2是本發明的食指結構示意圖，由圖1可看出本發明的食指，中指，無名指以及小指有類似結構。圖2中a1,a2,a3以及a4都是可以活動的關節連接點，其內部均內置一個微型電位器，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。當該關節旋轉時，鋁片和外部支架結構一同旋轉，從而帶動電位器旋轉，通過這種方式將手指關節處的彎曲角度轉化為電位器兩端的電壓信號。圖2中b1,b2,b3處均為安裝復位彈簧的凹槽，由於手指彎曲後數據手套的各關節都會伸長一部分（如圖所示），因此復位彈簧用於在手指伸直的過程中將數據手套各關節拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。圖2中c1,c2用於疏導導線，由於本發明所測量的關節數量多，因此導線數量也很多，因此c1,c2處的設計是為了讓本發明的走線更加美觀，也在一定程度上保護了導線,使設備更加耐用，更加可靠。圖2中d1,d2處為柔性材料製作的指套，其柔軟的材質和光滑的表面最大程度上保證了穿戴的舒適性。且該指套具有一定的徑向強度，不易變形，從而保證了測量數據的準確性和可靠性。
圖3是本發明的拇指結構示意圖。與食指的結構類似，圖3中a1,a2,a3都是可以活動的關節連接點，其內部均內置一個微型電位器，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。其中，外部同心軸嵌套在軸承內部，外部同心軸的端部與外部同心支架相連，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連，當該關節旋轉時，鋁片和外部同心支架結構一同旋轉。通過這種方式將手指關節處的彎曲角度轉化為電位器兩端的電壓信號。圖3中b1,b2處均為安裝復位彈簧的凹槽，由於手指彎曲後數據手套的各關節都會伸長一部分（如圖2所示），因此復位彈簧用於在手指伸直的過程中將數據手套各關節拉回原位，從而為下一次彎曲做好準備。圖3中c1,c2用於疏導導線，由於本發明所測量的關節數量多，因此導線數量也很多，因此c1,c2處的設計是為了讓本發明的走線更加美觀，也在一定程度上保護了導線,使設備更加耐用，更加可靠。圖3中d1，d2處為柔性材料製作的指套，其柔軟的材質和光滑的表面最大程度上保證了穿戴的舒適性。且該指套具有一定的徑向強度，不易變形，從而保證了測量數據的準確性和可靠性。
圖4是本發明的主幹結構（以食指為例）的爆炸示意圖，如圖所示，a1，a2處為微型電位器，內置於關節處，各個關節之間由軸承z相連，最大程度上保證連接處的光滑與高同心率。圖中，b處即為外部同心軸，c處即為外部同心支架，外部同心軸嵌套在軸承內部，外部同心軸的端部與外部同心支架相連，電位器通過一塊細小的鋁片與外部的同心軸相連。
圖5是本發明的彎曲電阻適配器結構示意圖，圖5中a處的三個凹槽用於固定該適配器，該適配器通過這三個凹槽縫合在手套內部。圖5中b處的細槽用於放置彎曲電阻，彎曲電阻放進後使用熱熔膠將該縫隙堵上，從而防止彎曲電阻意外掉出。該適配器使用柔性材料成形，保證其能夠自由彎曲，且該適配器具有一定初始弧度，是為了誘導彎曲電阻始終往同一方向彎曲，增加數據可靠性。
圖6是本發明的程序邏輯示意流程圖，由於本發明需要測量的關節數量較多，因此需要大量埠來接收數據，因此選用一塊多路復用器來實現埠擴展。將數據映射到特定區間是為了保證數據傳輸的位數不變，從而提升數據採集的可靠性與有效性。
需要說明的是，對於前述的各個方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本申請並不受所描述的動作順序的限制，因為依據本申請，某一些步驟可以採用其他順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施例均屬於優選實施例，所涉及的動作和單元並不一定是本申請所必須的。
在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳細描述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程序可存儲於計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光碟、rom、ram等。
以上所揭露的僅為本發明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。