1.本发明涉及作用力反馈装置技术领域，具体涉及一种穿戴式指尖力反馈装置及其反馈方法。
背景技术：2.当下，力反馈技术已逐渐渗透到康复医疗、军事、娱乐等各个领域中。以康复医疗领域为例，现代的康复医疗技术是一种主动的康复技术，通过强化患者神经上的运动模式，使患者更为主动地参与到康复训练这个过程，这种康复模式致力于患者身心上的全面恢复。但是目前这种康复技术大多是凭借治疗师的经验来判断康复程度的，这便缺乏一种量化标准，而力反馈技术恰恰能够量化康复训练这一过程，通过测量患者在康复过程中所施加的力来评价患者的神经与肌肉的状态，从而来评判患者的康复程度。此外，将力反馈技术和虚拟现实技术相融合，使患者沉浸于虚拟环境中的交互过程来促进患者主动康复的积极性，可以显著地增强康复效果。
3.尽管现有的个别医疗康复设备已融入了力反馈技术，如给患者的肢体部位提供反馈力，但此类设备造价高昂、重量较大；现有的某些气动式力反馈设备由于需要对气缸内部进行充放气的方式来控制反馈力，故会产生气动延时，造成指尖力反馈的响应不够及时，实时性减弱。
4.因此，研制一种可穿戴的、便携式的指尖力反馈装置，用于向人手与物体交互最为频繁且力感知较敏感的指尖部位输出反馈力，以实现患者手部的康复，具有重要的应用价值。
技术实现要素：5.为此，本发明提供一种穿戴式指尖力反馈装置及其反馈方法，以解决现有技术中的上述缺陷。
6.一种穿戴式指尖力反馈装置，包括可穿戴式的手套以及安装在所述手套的五个指头部位的指套，所述手套上的食指的掌骨处、中指的掌骨处、无名指的掌骨处、小指的掌骨处和拇指的掌骨处分别可拆卸安装有沿着手指方向延伸的长条基座，所述长条基座的上方设置有导向轨，所述导向轨上滑动安装有滑动块，所述滑动块上沿着所述导向轨延伸的方向固定设置有斜齿长条，所述长条基座上还设置有安装步进电机的电机支座，所述步进电机的输出轴上安装有与所述斜齿长条相互啮合的斜齿轮，所述斜齿长条的内部沿着斜齿长条延伸的方向设置有导向槽，所述导向槽内部贯穿设置有弹簧片，所述弹簧片朝向指套的一端与所述指套之间通过细绳连接，所述弹簧片的另一端通过螺母固定安装在所述长条基座上。
7.优选的，所述手套与对应所述长条基座之间通过魔术贴连接。
8.一种穿戴式指尖力反馈装置的反馈方法包括步骤：
9.s100、穿戴：手部套上手套，完成指尖力反馈装置的穿戴；
10.s200、数据采集：
11.手指弯曲，启动步进电机控制弹簧片的伸长量l，并且测量弹簧片前端弯曲的挠度w；
12.s300、计算反馈：
13.依据公式：得出指尖处的力在垂直方向上的分量的大小f；
14.其中e为弹簧片的弹性模量，i为弹簧片的截面惯性矩。
15.本发明具有如下优点：
16.(1)本发明便携式可穿戴：结构简单，具备小巧便携以及手部活动范围不受限制的特点；
17.(2)力反馈的控制设计简单：通过齿轮齿条控制弹簧片的伸长量l，然后依照悬臂梁模型即可计算出伸长量l下，不同挠度w时(即手指的不同弯曲程度)的指尖力的大小f；
18.(3)实时交互性强：本装置基于齿轮齿条的机械式传动的特征可以快速控制反馈力的大小，缩短力反馈的响应时间，增强力的感知，从而提升交互性。
附图说明
19.图1为本发明的整体结构示意图；
20.图2为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条位于初始位置且手指处于自然状态下的左视图；
21.图3为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条位于初始位置且手指处于弯曲状态下的左视图；
22.图4为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条移动一段距离后且手指处于自然状态下的左视图；
23.图5为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条移动一段距离后且手指处于弯曲状态下的左视图；
24.图6为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条移动至末端位置后且手指处于自然状态下的左视图；
25.图7为本发明的一种穿戴式指尖力反馈装置中的齿条移动至末端位置后且手指处于弯曲状态下的左视图；
26.图8为本发明的侧视结构示意图。
27.图中：
28.1-手套；2-指套；3-长条基座；4-导向轨；5-滑动块；6-斜齿长条；7-电机支座；8-斜齿轮；9-细绳；10-导向槽；11-弹簧片；12-螺母；13-步进电机。
具体实施方式
29.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
30.如图1至图8所示，本发明提供了一种穿戴式指尖力反馈装置，包括可穿戴式的手套1以及安装在所述手套1的五个指头部位的指套2，所述手套1上的食指的掌骨处、中指的
掌骨处、无名指的掌骨处、小指的掌骨处和拇指的掌骨处分别可拆卸安装有沿着手指方向延伸的长条基座3，所述手套1与对应所述长条基座3之间通过魔术贴(图中未示出)连接。
31.所述长条基座3的上方设置有导向轨4，所述导向轨4上滑动安装有滑动块5，所述滑动块5上沿着所述导向轨4延伸的方向固定设置有斜齿长条6，所述长条基座3上还设置有安装步进电机13的电机支座7，所述步进电机13的输出轴上安装有与所述斜齿长条6相互啮合的斜齿轮8，所述斜齿长条6的内部沿着斜齿长条6延伸的方向设置有导向槽10，所述导向槽10内部贯穿设置有弹簧片11，所述弹簧片11朝向指套2的一端与所述指套2之间通过细绳9连接，所述弹簧片11的另一端通过螺母12固定安装在所述长条基座3上。
32.上述一种穿戴式指尖力反馈装置的反馈方法包括以下步骤：
33.s100、穿戴：手部套上手套1，完成指尖力反馈装置的穿戴；
34.s200、数据采集：
35.手指弯曲，启动步进电机13控制弹簧片11的伸长量l，并且测量弹簧片11前端弯曲的挠度w；
36.s300、计算反馈：
37.依据公式：得出指尖处的力在垂直方向上的分量的大小f；
38.其中e为弹簧片的弹性模量，i为弹簧片的截面惯性矩。
39.本发明装置的工作原理：
40.具体地讲，手指弯曲时会同步地带动手套1的弯曲，手套1的指尖部位会按压指套2，指套2通过细绳9和弹簧片11的一端相连，拉动弹簧片11弯曲至一定的挠度，弹簧片11会将弯曲形变产生的应力通过细绳9、指套2、手套1，最终传递给人手的指尖部位。
41.长条基座3上的力反馈部件是这样运作的：步进电机13转动时，带动斜齿轮8转动，由于本装置的斜齿轮8和斜齿长条6在45度方向上啮合，所以斜齿长条6是沿着步进电机13的轴向进行直线运动的。斜齿长条6和滑动块5是连接在一起的，当斜齿长条6沿轴向运动时，带动滑动块5沿着导向轨4进行直线运动。
42.当斜齿长条6和滑动块5沿着导轨运动时，会改变弹簧片11延伸出导向槽10部位的伸长量，即改变弹簧片11弯曲形变的应力，从而影响指尖处的反馈力。
43.最后，本发明的装置在使用时，分为主动式力反馈和被动式力反馈两种反馈形式，以食指的运动状态为例。
44.1、主动式力反馈：
45.参阅图2，此时斜齿长条6处于初始位置p1，食指处于自然弯曲状态，弹簧片11处于伸直状态且弹簧片11的伸长量为l1；
46.参阅图3，此时斜齿长条6处于初始位置p1，而食指弯曲了一定的角度，指尖按压指套2，指套2通过细绳9的牵引，拉动弹簧片11一端弯曲至挠度为w1的位置
47.此时可依据悬臂梁公式计算出指尖处的力在垂直方向上的分量的大小f，其中e为弹簧片11的弹性模量，i为弹簧片11的截面惯性矩；
48.参阅图4，此时斜齿长条6处于位置p2，食指处于自然弯曲状态，弹簧片11处于伸直状态且弹簧片11的伸长量为l2；
49.参阅图5，此时斜齿长条6任然处于位置p2，而食指弯曲了一定角度，指尖按压指套2，指套2通过细绳9的牵引，拉动弹簧片11一端弯曲至挠度为w2的位置。
50.假设指尖按压在指套2上的垂直方向上的分力不变，仍然为f，由于l2《l1，依据悬臂梁公式可得到w2《w1。这表明：随着弹簧片11的伸长量的减少，指尖所按压的虚拟物体的刚度在逐渐增大，导致食指越不容易弯曲；
51.参阅图6，此时斜齿长条6处于位置p3，食指处于自然弯曲状态，弹簧片11处于伸直状态且弹簧片11的伸长量趋于0；
52.参阅图7，此时斜齿长条6处于位置p3，而食指弯曲了微小的角度，指尖按压指套2，指套2通过细绳9的牵引，拉动弹簧片11一端弯曲至挠度为w3的位置。依据悬臂梁公式由于此时弹簧片11的挠度w3趋于0，故指尖的力f理论上为无穷大。这表明：当弹簧片11的伸长量趋于0时，食指指尖所按压的虚拟物体的刚度为无限大，导致食指无法弯曲。
53.2、被动式力反馈：
54.参阅图3，此时斜齿长条6处于初始位置p1，弹簧片11的伸长量为l1，当食指指尖按压指套2，指套2通过细绳9的牵引拉动弹簧片11弯曲至挠度为w1的位置；
55.参阅图5，当步进电机13发生转动时，通过控制步进电机13的转动圈数来调节斜齿长条6和滑动块5的位置至p2，此时，弹簧片11的伸长量缩短至l2，假设指尖按压在指套2上的力不变，弹簧片11会弯曲至挠度为w2的位置，那么依据悬臂梁公式可得到关系w2《w1，食指指尖部位经力反馈的作用被拉升。这表明：可以通过控制斜齿长条6的位置来调节弹簧片11的伸长量，从而控制指尖被拉升后的位置，实现被动式的力反馈。
56.本发明具有如下优点：
57.(1)本发明便携式可穿戴：结构简单，具备小巧便携以及手部活动范围不受限制的特点；
58.(2)力反馈的控制设计简单：通过齿轮齿条控制弹簧片的伸长量l，然后依照悬臂梁模型即可计算出伸长量l下，不同挠度w时(即手指的不同弯曲程度)的指尖力的大小f；
59.(3)实时交互性强：本装置基于齿轮齿条的机械式传动的特征可以快速控制反馈力的大小，缩短力反馈的响应时间，增强力的感知，从而提升交互性。
60.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
技术特征：1.一种穿戴式指尖力反馈装置，其特征在于：包括可穿戴式的手套(1)以及安装在所述手套(1)的五个指头部位的指套(2)，所述手套(1)上的食指的掌骨处、中指的掌骨处、无名指的掌骨处、小指的掌骨处和拇指的掌骨处分别可拆卸安装有沿着手指方向延伸的长条基座(3)，所述长条基座(3)的上方设置有导向轨(4)，所述导向轨(4)上滑动安装有滑动块(5)，所述滑动块(5)上沿着所述导向轨(4)延伸的方向固定设置有斜齿长条(6)，所述长条基座(3)上还设置有安装步进电机(13)的电机支座(7)，所述步进电机(13)的输出轴上安装有与所述斜齿长条(6)相互啮合的斜齿轮(8)，所述斜齿长条(6)的内部沿着斜齿长条(6)延伸的方向设置有导向槽(10)，所述导向槽(10)内部贯穿设置有弹簧片(11)，所述弹簧片(11)朝向指套(2)的一端与所述指套(2)之间通过细绳(9)连接，所述弹簧片(11)的另一端通过螺母(12)固定安装在所述长条基座(3)上。2.根据权利要求1所述的一种穿戴式指尖力反馈装置，其特征在于：所述手套(1)与对应所述长条基座(3)之间通过魔术贴连接。3.根据权利要求1～2任意一项所述的一种穿戴式指尖力反馈装置的反馈方法，其特征在于：包括以下步骤：s100、穿戴：手部套上手套1，完成指尖力反馈装置的穿戴；s200、数据采集：手指弯曲，启动步进电机13控制弹簧片11的伸长量l，并且测量弹簧片11前端弯曲的挠度w；s300、计算反馈：依据公式：得出指尖处的力在垂直方向上的分量的大小f；其中e为弹簧片的弹性模量，i为弹簧片的截面惯性矩。
技术总结本发明公开了一种穿戴式指尖力反馈装置，包括可穿戴式的手套以及安装在手套的五个指头部位的指套，手套的各个指头的掌骨处安装有沿着手指方向延伸的长条基座，长条基座上滑动设置的滑动块上沿着导向轨延伸的方向固定设置有斜齿长条，步进电机的输出轴上安装有与斜齿长条相互啮合的斜齿轮，斜齿长条的内部贯穿设置有弹簧片，弹簧片一端与指套连接，弹簧片另一端固定安装在长条基座上，其反馈方法包括穿戴、数据采集以及计算反馈步骤，本发明装置穿戴便捷、实时交互性强且力反馈的控制设计简单。单。单。
技术研发人员：曹青青 赵蕾 李从宏 陆驹 梁婷 才智
受保护的技术使用者：南京工业职业技术大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
