Беспроводной манипулятор

Область техники
Техническое решение относится к HID (human interface device) - классу устройств для взаимодействия с цифровой средой. Это беспроводной манипулятор (контроллер "перчатка"), повторяющий анатомическое положение руки, передающий данные на подключенное устройство (компьютер, смартфон), затем эти данные можно использовать как для визуализации рук в дополненной и виртуальной реальности (вызов событий при определенных жестах и взаимодействие с виртуальными объектами), так и для управления мультимедийными приложениями: запуск/остановка видеоплеера, масштабирование и вращение моделей в программах для создания 3D-графики.
Уровень техники
Из уровня техники известна бионическая рука (https://macsphere.mcmaster.ca/bitstream/11375/14486/1/fulltext.pdf). В известном техническом решении также используется датчик холла и магнит для определения сгибания и разгибания кисти руки. Отличие от нашего устройства в расположении датчика и магнита и дальнейшей обработке сигнала. В документе магнит передвигается над датчиком в горизонтальной оси, тогда как наше устройство использует перпендикулярное отдаление магнита отдатчика с помощью конструкции соединяющей резинки.
Недостатком известного технического решения является то, что известное техническое решение обрабатывает сигнал от сенсора и отдает команду на протез (согнуть/разогнуть), то есть механизм знает лишь два состояния всего устройства: полностью согнуть/полностью разогнуть. Техническое решение, заявленное в настоящей полезной модели, позволяет определять промежуточные градусы сжатия каждого пальца, позволяя более плавно и точно позиционировать цифровой скелет руки.
Из уровня техники известно устройство для позиционирования протеза или ортопедии с помощью пальца (US 7828857 В2, опубл. 09.11.2010). Известное устройство содержит один или несколько датчиков пациента; протезное устройство, в котором протезное устройство содержит элемент ладони, который образует плоскость вдоль поверхности элемента ладони и центральную ось, проходящую через центр плоскости, элемент большого пальца, несколько элементов пальца и датчик угла, который измеряет положение элемент для большого пальца вокруг оси вращения, обычно параллельной центральной оси; система управления, связанная с одним или несколькими датчиками пациента и датчиком угла; и приводной механизм, связанный с системой управления и связанный с протезом; при этом система управления сконфигурирована для управления приводным механизмом для позиционирования одного или нескольких элементов с большим пальцем в ответ на вращение элемента для большого пальца вдоль указанной оси вращения, как измерено датчиком угла и на основе входных сигналов, полученных от одного или более датчиков пациента.
Недостатком известного технического решения является то, что обеспечивается определения только двух положений, а именно: полностью согнутого или полностью разогнутого пальца. Настоящее техническое решение по заявленной полезной модели выполнено с возможностью считывания промежуточных углов каждого пальца руки. Это позволяет более точно и плавно считывать положение каждого пальца.
Сущность полезной модели
Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание быстрого и безотказно работающего, простого в использовании манипулятора для работы с цифровой средой.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении надежности работы устройства.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что манипулятор, содержащий основание, зафиксированное на тыльной стороне ладони, размещенный на основании корпус, внутри которого расположен блок управления и соединенные с ним шлейфом датчики Холла, и гироскоп, при этом в корпусе выполнены пазы, в которых установлены резиновые дуги, прикрепляемые к пальцам пользователя, при этом резиновые дуги установлены с возможностью вращения, причем на каждой резиновой дуге расположен постоянный магнит, а датчик Холла установлен в корпусе у основания каждой резиновой дуги.
В частном случае реализации заявленного технического решения вычислительная микросхема выполнена с возможностью сбора данных со всех пяти пальцев в режиме реального времени, а также выполнена с возможностью фильтрации мелких шумом сенсоров, нормализации и передачи данных на подключенное к руке-манипулятору устройство по каналу беспроводной связи.
В частном случае реализации заявленного технического решения основание выполнено кожаным и зафиксировано на тыльной стороне ладони пользователя посредством ремешков.
В частном случае реализации заявленного технического решения корпус выполнен из пластика.
В частном случае реализации заявленного технического решения постоянный магнит зафиксирован на дуге посредством накладки, выполненной из пластика.
В частном случае реализации заявленного технического решения резиновая дуга закреплена на фаланге пальца посредством резинового кольца.
В частном случае реализации заявленного технического решения беспроводная передача данных выполнена по протоколу BLUETOOTH.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид.
Фиг. 2 - вид на магнит и датчик Холла, размещенный у основания пальца.
Фиг. 3-а) положение пальца в распрямленном состоянии; б) положение пальца в согнутом состоянии.
На фигурах цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
1 - пластиковый корпус; 2 - кнопка управления питанием; 3 - разъем для подзарядки аккумулятора; 4 - кожаное основание; 5 - ремешки для фиксации; 6 - датчик Холла; 7 - пластиковая накладка; 8 - резиновая дуга; 9 - съемное кольцо из гибкой резины; 10 - магнит.
Раскрытие технического решения
Заявленное техническое решение представляет собой беспроводной манипулятор (контроллер "перчатка"), повторяющий анатомическое положение руки и передающий данные на подключенное устройство (компьютер, смартфон), после чего эти данные можно использовать как для визуализации рук в дополненной и виртуальной реальности (вызов событий при определенных жестах и взаимодействие с виртуальными объектами), так и для управления мультимедийными приложениями: запуск / остановка видеоплеера, масштабирование и вращение моделей в программах для создания 3D-графики.
Устройство выполнено в виде кожаного основания (4), размещаемого и фиксируемого на тыльной стороне ладони пользователя посредством ремешков (5).
На кожаном основании закреплен корпус (1).
Корпус (1) выполнен пластиковым, внутри которого расположено пять датчиков Холла (6), по одному на каждый палец, при этом датчики соединены шлейфом с блоком управления, также расположенным внутри упомянутого корпуса (1). Внутри упомянутого корпуса также расположен гироскоп, который электрически соединен с упомянутым блоком. Электрическое питание манипулятора осуществляется посредством аккумулятора, расположенного в корпусе (1) под блоком управления.
В пластиковом корпусе выполнены пазы, для установки резиновых дуг (8).
Резиновые дуги (8) размещены в пластиковом корпусе (1) с возможностью вращения, при этом оси вращения у основания пальцев выполнены в виде резиновых дуг, что защищает схему от возможных заклиниваний, при этом гибкость резины предотвращает возможную механическую поломку оси в отличие от пластика.
У основания каждой резиновой дуги (8) расположен постоянный магнит (10). Магнит (10) зафиксирован на резиновой дуге (8) посредством пластиковой накладки (7), при этом в корпусе (1) у основания каждого пальца расположен датчик Холла. Таким образом, каждый палец выполнен в виде резиновой дуги (8) с постоянным магнитом и датчиком Холла, расположенным в корпусе (1).
Резиновая дуга (8), закрепленная на фаланге пальца одним концом посредством кольца (9) и на оси другим, выполняет роль передаточного механизма. При разогнутом пальце резиновая дуга (8) отдаляет расположенный внутри магнит (10) от оси с датчиком. При согнутом пальце расстояние между магнитом и датчиком уменьшается.
Блок управления (в некоторых вариантах реализации может быть выполнен на базе системы на кристалле, например ESP32) в режиме реального времени осуществляет сбор данных с датчиков Холла всех пяти пальцев, фильтрует мелкие шумы сенсоров, нормализует данные и передает их на подключенное к перчатке устройство по каналу беспроводной связи.
Блок управления выполнен с возможностью включения и выключение устройства, обеспечения беспроводного передачи обработанных данных на любое подключенное устройство (BLUETOOTH). Блок управления манипулятора выполнен с возможностью получения/приема данных (опрашивания) гироскопа (может быть выполнен на базе MPU9250, IMU-сенсор) и датчиков Холла, а также транслирования (преобразования, перевода) данных, полученных от гироскопа в углы поворота кисти, а данные сдатчиков холла в углы сгиба пальцев. Затем эти данные по Bluetooth отправляются на подключенное внешнее устройство, где они используются в зависимости от запущенной программы.
Данные с датчиков Холла переводятся блоком управления в цифровое значение в ограниченном диапазоне при максимальном приближении и максимальном удалении магнита от датчика. При максимально согнутом пальце магнит, находящийся в оси-резинке максимально приближен к датчику Холла, находящемся в корпусе (1) под резинкой у основания пальца.
Считываемый аналоговый сигнал с датчика переводится в цифровой при помощи блока управления, расположенного в корпусе устройства.
При максимально разогнутом пальце аналоговый сигнал сдатчика Холла принимает минимально возможное значение и также переводится в цифровое значение блоком управления для дальнейшей обработки.
Для удобства обработки сигналов максимальный полученный сигнал с датчика Холла переводится блоком управления в значение 255, минимальное показание с датчика Холла интерпретируется как 0 (нуль) (Загнутый на половину палец выдаст значение 128).
В единицу времени данные от всех пальцев являются массивом из 5 цифровых значений от 0 до 255 и хранятся в памяти блока обработки.
Манипулятор выполнен с возможностью беспроводной передачи данных (например, по Bluetooth на подключенное устройство для дальнейшего их использования для управления различными интерактивными приложениями, симуляцией курсора и клавиатуры, либо игровых VR приложений.
Манипулятор может быть использован, например, в качестве симулятора компьютерной мыши - углы поворота переводятся в позицию курсора. Резкое сжатие и распрямление указательного пальца вызывают клик левой кнопки мыши.
Манипулятор может быть использован, например, в качестве джойстика для компьютерной игры, например жанра шутера, при этом стрельба ведется движением указательного пальца, а камера игрока поворачивается гироскопом.