本發(fā)明涉及軟體材料傳感、驅動控制領域，尤其涉及一種基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套。

背景技術：

隨著人類科技的快速發(fā)展及其生產(chǎn)力的大幅度提升，出現(xiàn)了眾多新興的高科技產(chǎn)品，滲透于人們的生活、工作、娛樂等各個領域。非于過去，當今的各類新產(chǎn)品在學科交叉的推動下，開始呈現(xiàn)多元化、高科技化、便捷化等特征。其中，虛擬現(xiàn)實及其智能設備即是本時代上述特征的代表，并在近幾年以井噴式出現(xiàn)在了人們日常所能涉及的各個方面。

虛擬現(xiàn)實技術是指使用計算機及相關技術創(chuàng)造一個在視、聽、觸覺等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶可以使用相關的智能設備與之進行交互并相互影響，虛擬現(xiàn)實技術為人們提供了一個學習和認識自然的平臺。

虛擬現(xiàn)實技術能夠提供一個多元的虛擬世界，用戶可以通過實體行動去感知和改變這個虛擬世界，具有極強的沉浸感，在這個虛擬世界里，智能設備是與之直接交互的工具，是支撐虛擬現(xiàn)實技術最重要的組成部分。虛擬現(xiàn)實技術所涉及到的智能設備主要包含以下大類：智能眼鏡、全息頭盔、智能耳塞等頭部智能穿戴設備，智能手套、手環(huán)、手表等手部智能穿戴設備，智能外套智能鞋子等其他智能設備。

人手是人體與外界進行交流的主要器官，其能夠傳遞多種姿態(tài)信息，正因為人手作為信息輸出器官，具有可傳遞信息種類多、信息量大以及映射能力強的特點，因此手部穿戴設備備受關注，設計出了大量的智能穿戴設備。而在各類手部智能穿戴設備中，數(shù)據(jù)手套又由于最能充分利用手部姿態(tài)信息，故具有極強的開發(fā)與研究潛力。

在目前已有的數(shù)據(jù)手套技術中，為了獲取人手的運動信息，一種方式是利用視覺系統(tǒng)對人手的動作進行識別。但目前這種方法的計算過于復雜，穩(wěn)定性和精度都比較低，同時需要的操作條件過高，不適用于普遍情況。除視覺系統(tǒng)反饋外，近年來出現(xiàn)了一些商業(yè)化的數(shù)據(jù)手套，如vpl公司的數(shù)據(jù)手套dataglove，matal公司的powerglove，immersion公司的數(shù)據(jù)手套cyberglove，sarcos公司的exos手套等。這些手套式控制輸入設備大致可分為兩類：①關節(jié)位置傳感器(光纖、金屬應變片等)依附在手套上測量關節(jié)運動，如dataglove、cyberglove等。這類數(shù)據(jù)手套的優(yōu)點就是重量輕，操作者穿戴和使用都非常方便，主要缺點是不同的操作者穿戴，傳感器位置會滑移，而且關節(jié)傳感器測量的角度需要標定才能滿足操作的要求；②機械連桿結構帶動電位計等關節(jié)傳感器用于測量關節(jié)的運動，如sarcos公司的exos。這類手套將輸入控制和力反饋裝置融為一體，但研制復雜，沒有產(chǎn)品化。同時，以上兩大類為獲取手指信息的方式都是采用外部傳感器，如光纖、應變片或電位計等等，沒有實現(xiàn)手套自身自傳感。同時，目前可驅動的輔助數(shù)據(jù)手套，所需要的動力源主要可分為以下兩大類：(1)氣動，利用氣泵充氣，實現(xiàn)手套的驅動，這種方式的主要缺點是裝置中需要隨時帶有氣泵，不方便隨身攜帶；(2)電機驅動，利用伺服電機起到驅動作用，這種方式的不足在于電機的驅動噪聲大，且是硬性材料，不能普遍適用于各種情況。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套，該數(shù)據(jù)手套不需要外部傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)手套自身的自傳感，同時實現(xiàn)了傳感與驅動的一體化。

一種基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套，包括由彈性材料制成手套本體，所述手套本體的手指手背側外表面依次貼附有碳納米管薄膜、介電彈性體薄膜和柔性電極薄膜，還包括：

形變監(jiān)測器，嵌入在所述手套本體的各個手指手背側的碳納米管薄膜內，監(jiān)測各個手指手背側的碳納米管薄膜的形變并進行分析處理，得到手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)；

高壓電路，兩端分別與碳納米管薄膜和柔性電極薄膜相連，根據(jù)無線通訊模塊發(fā)送的驅動信號調節(jié)兩極輸出的電壓的幅值和頻率；

無線通訊模塊，將形變監(jiān)測器得到的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)輸送至上位機，接收上位機發(fā)送的驅動信號并發(fā)送至高壓電路；

電源，為形變監(jiān)測器、無線通訊模塊、高壓電路供電。

嵌在所述手套本體的各個手指手背側的碳納米管薄膜內的形變監(jiān)測器為本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的傳感部分，通過監(jiān)測各個手指手背側的碳納米管薄膜的形變而得到手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的自傳感功能；依次粘附于手套本體外表面的碳納米管薄膜、介電彈性體薄膜和柔性電極薄膜形成驅動膜，為本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的驅動部分，通過控制高壓電路兩極輸出的電壓的幅值和頻率來控制驅動膜的振幅和頻率，實現(xiàn)本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的驅動功能。

所述的高壓電路為將低壓的電源通過振蕩穩(wěn)壓得到6kv～9kv的振蕩電路。

作為優(yōu)選，所述的形變監(jiān)測器包括：

多個電位采集點，嵌入在所述手套本體的各個手指手背側的碳納米管薄膜內，位于同一手指手背側的多個電位采集點串聯(lián)于電源的兩極之間；

處理器，采集不同時刻各個電位采集點處的電位數(shù)據(jù)，分析得到不同時刻相應的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)。

各個電位采集點可以為銅箔圓片，通過細導線引出，與處理器相連。

位于同一手指背側的多個電位采集點串聯(lián)于電源的兩極之間，采集不同時刻各個電位采集點處的電位數(shù)據(jù)，計算可得不同時刻位于同一手指背側的相鄰兩個電位采集點之間的電阻變化，通過訓練過的bp神經(jīng)網(wǎng)絡的計算從而得到各個手指的彎曲角度，分析得到相應時刻的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，所述電位采集點分別位于各個手指的指骨或掌骨處。這樣，各個手指關節(jié)的彎曲均能引起手指背側相應的兩個相鄰電位采集點之間的長度拉伸，從而引起兩個相鄰電位采集點之間的碳納米管薄膜的電阻發(fā)生變化，進而引起兩個相鄰電位采集點之間的電位差發(fā)生變化，通過形變監(jiān)測器可以準確的反推出相應手指關節(jié)的彎曲角度，能夠檢測細微的手或手指的運動，使分析得到的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)更加準確。

碳納米管薄膜的形變恢復能力決定了形變監(jiān)測器的準確性，作為優(yōu)選，所述的碳納米管薄膜的制備方法為：將質量比為20∶1∶1～2的聚二甲基硅氧烷(pdms)：固化劑：碳納米管溶于四氫呋喃中，均勻涂覆在手套本體的手背側外表面上，于80℃烘干，得到碳納米管薄膜。

固化劑為與聚二甲基硅氧烷(pdms)相匹配的固化劑。例如：聚二甲基硅氧烷和固化劑為道康寧公司生產(chǎn)的sylgard184配套產(chǎn)品。

聚二甲基硅氧烷(pdms)具有高彈性，作為碳納米管良好的基體，與碳納米管按照質量比20∶1～2混合后，形成懸濁液，再與聚二甲基硅氧烷(pdms)相匹配的固化劑按一定比例混合后，得到的懸濁液均勻涂在介電高彈體的基底上，在80℃的環(huán)境下烘干，按照這樣方式制備的碳納米管薄膜，具有聚二甲基硅氧烷(pdms)的高彈性以及碳納米管的導電性，可作為高精度的分布式電阻傳感器。同時，由于混合液在80℃的條件下烘干，可形成穩(wěn)定的介電高彈聚合物，這樣制成的碳納米管薄膜多次試驗的漂移偏差小，可多次使用，重復性能好。

作為優(yōu)選，所述的柔性電極薄膜為碳納米管薄膜。

碳納米管薄膜具有良好的形變恢復能力，撤去形變力后，碳納米管薄膜能很好的恢復原狀，延長數(shù)據(jù)手套的使用壽命。

本發(fā)明的數(shù)據(jù)手套有兩種工作模式，即傳感工作模式和驅動工作模式，作為優(yōu)選，本發(fā)明的基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套還包括：

繼電器，將形變監(jiān)測器接通電源或將高壓電路接通電源；

控制器，接收上位機的工作模式切換信號，通過繼電器選擇將形變監(jiān)測器接通電源或將高壓電路接通電源。

繼電器將形變監(jiān)測器接通電源時，本發(fā)明數(shù)據(jù)手套處于傳感工作模式，將將高壓電路接通電源時，本發(fā)明數(shù)據(jù)手套處于驅動工作模式，通過控制器實現(xiàn)兩種工作模式的切換。

依次粘附于手套本體外表面的碳納米管薄膜、介電彈性體薄膜和柔性電極薄膜形成驅動膜，在用戶將數(shù)據(jù)手套戴在手上后，介電彈性體薄膜處于等雙軸預拉伸狀態(tài)，作為優(yōu)選，介電彈性體薄膜等雙軸預拉伸前的厚度為0.5～1.5mm，等雙軸預拉伸值為100％～150％。

介電彈性體薄膜的等雙軸預拉伸值可以調節(jié)介電高彈體對電壓的靈敏度，并且可以調節(jié)在相同的壓力下，介電高彈體的變形量。最優(yōu)選的，介電彈性體薄膜的等雙軸預拉伸值為120％。

作為優(yōu)選，所述的介電彈性體薄膜為聚丙烯酸薄膜、硅橡膠薄膜、丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜或矛氨酯薄膜。

可根據(jù)不同的工況，選擇不同的材料：在壓力變化比較緩慢的場合，宜選擇聚丙烯酸薄膜；在環(huán)境溫度較高的工作環(huán)境下，宜選擇硅橡膠薄膜；在壓力比較大的場合，宜選用丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜；在油性工作場合下可以選擇矛氨酯薄膜。

本發(fā)明的高壓電路的高壓通過低壓電源振蕩穩(wěn)壓得到，雖然電壓較高，達到6kv～9kv，但是通過高壓電路的電流很小，對人體安全，但是為了防止觸電，作為優(yōu)選，柔性電極薄膜通過導線與高壓電路的接地端相連，碳納米管薄膜通過導線與高壓電路的正極相連。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的手勢姿態(tài)傳感部分與驅動部分一體化，結構簡單；數(shù)據(jù)手套整體為全柔性結構，可以完美貼合手型；傳感部分的驅動電壓低，驅動部分的驅動電壓較高，但是是通過低壓電源振蕩穩(wěn)壓得到，雖然電壓較高，但是通過高壓電路的電流很小，高壓低電流的控制模式，降低了設備的功耗，減少了發(fā)熱，可長時間工作，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套的手背側示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套的手背側的截面示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖1所示，本發(fā)明的數(shù)據(jù)手套按照正常成人的手掌大小設計。

如圖1和2所示，本發(fā)明的數(shù)據(jù)手套的手套本體1為介電彈性體薄膜制成，大小適于人手穿戴。手套本體1的手背側外表面依次粘附有第一碳納米管薄膜2、介電彈性體薄膜3和第二碳納米管薄膜4。

手套本體1和介電彈性體薄膜3的材質為vhb4910，數(shù)據(jù)手套制成后，手套本體1和介電彈性體薄膜3的厚度為1mm，戴在用戶手上時，手套本體1和介電彈性體薄膜3均處于等雙軸預拉伸狀態(tài)，等雙軸預拉伸值為120％。

在手套本體1和介電彈性體薄膜3之間夾有第一碳納米管薄膜2，介電彈性體薄膜3的外表面粘附有第二碳納米管薄膜4。將質量比為20∶1∶1的聚二甲基硅氧烷(pdms)：固化劑：碳納米管溶于四氫呋喃中，均勻涂覆在手套本體1的手背側外表面上，于80℃烘干，得到第一碳納米管薄膜2；在第一碳納米管薄膜2的外表面粘貼一層介電彈性體薄膜3，將質量比為20∶1∶1的聚二甲基硅氧烷(pdms)：固化劑：碳納米管溶于四氫呋喃中，均勻涂覆在介電彈性體薄膜3的外表面上，于80℃烘干，得到第二碳納米管薄膜4。聚二甲基硅氧烷和固化劑為道康寧公司生產(chǎn)的sylgard184配套產(chǎn)品。

第一碳納米管薄膜2和第二碳納米管薄膜4分別與高壓電路的正極和接地端相連，第一碳納米管薄膜2、介電彈性體薄膜3和第二碳納米管薄膜4形成驅動膜，通過高壓電路輸出高頻電壓使介電彈性體薄膜3產(chǎn)生振動，通過調節(jié)高壓電路輸出電壓的幅值和頻率來控制介電彈性體薄膜3振動的幅度和頻率。

高壓電路的高壓是通過低壓電源振蕩穩(wěn)壓得到，高壓高達6kv～96kv。

數(shù)據(jù)手套通過第一碳納米管薄膜2、介電彈性體薄膜3、第二碳納米管薄膜4以及高壓電路來實現(xiàn)其驅動功能。

第一碳納米管薄膜2內嵌入有19個銅箔圓片6，作為電位采集點，19個銅箔圓片6分別位于各個手指的指骨或掌骨處，位于同一手指上的相鄰兩個銅箔圓片6之間為手指關節(jié)。位于同一手指背側的多個電位采集點串聯(lián)于電源的兩極之間，各個銅箔圓片6由細導線引出，與處理器相連，處理器采集不同時刻各個電位采集點處的電位數(shù)據(jù)，計算可得不同時刻位于同一手指背側的相鄰兩個電位采集點之間的電阻變化，通過訓練過的bp神經(jīng)網(wǎng)絡的計算從而得到各個手指的彎曲角度，分析得到相應時刻的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)。得到的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)通過2.4g無線通訊模塊傳輸給上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)手套的傳感功能。

因此，本發(fā)明的數(shù)據(jù)手套具有傳感和驅動兩種工作模式。

數(shù)據(jù)手套還設有繼電器和控制器，控制器接收上位機的工作模式切換信號，通過繼電器選擇打開傳感工作模式或驅動工作模式。

本發(fā)明的基于碳納米管薄膜的傳感與驅動一體化的數(shù)據(jù)手套的工作原理如下：

驅動工作模式下，通過高壓電路給介電彈性體薄膜3兩側的第一碳納米管薄膜2和第二碳納米管薄膜4施加相反的電荷，即第一碳納米管薄膜2上加正電荷，第二碳納米管薄膜4上加負電荷，兩碳納米管薄膜之間產(chǎn)生吸引力，該吸引力對介電彈性體薄膜3產(chǎn)生一個沿著薄膜平面法向的擠壓作用，使得原本經(jīng)過預拉伸的介電彈性體薄膜3變薄，面積增大，整體效果為舒展開來；同時，第一碳納米管薄膜2上的電荷之間相互排斥，使得第一碳納米管薄膜2各部分之間產(chǎn)生排斥力，同理第二碳納米管薄膜4的各部分之間也產(chǎn)生排斥力，由于第一碳納米管薄膜2和第二碳納米管薄膜4直接貼在介電彈性體薄膜3上，因此其效果也使得介電彈性體薄膜3舒展；而介電彈性體薄膜3制成手套形狀之后，戴在手上時處于預拉伸狀態(tài)，具有回彈力，由手腕處固定端以及內部手指的限制，達到平衡狀態(tài)，通電之后，介電彈性體薄膜3舒展，斷電之后，介電彈性體薄膜3收縮回到初始狀態(tài)，通過高壓電路提供高頻脈沖電壓，可以達到振動的驅動效果；

傳感工作模式下，位于同一手指上的各個銅箔圓片通過第一碳納米管薄膜2串聯(lián)與電源的兩端連通，形成串聯(lián)電路；各個手指之間形成并聯(lián)電路。當手指的關節(jié)彎曲時使第一碳納米管薄膜2拉伸，改變位于該關節(jié)兩側的銅箔圓片之間的電阻，從而該相鄰兩銅箔圓片之間的電位差也改變了，通過采集銅箔圓片的電位，通過處理器反推計算可以得到各個手指關節(jié)的彎曲動作，從而得到整個手的手勢姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)手套的自傳感效果。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。