光纖植入式手套姿勢感知裝置以及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖植入式手套姿勢感知裝置以及制作方法，包括一個無上下蓋的長方體硬質(zhì)盒，所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的內(nèi)側(cè)各設(shè)置一個彈性裝置，每個所述的彈性裝置均內(nèi)鑲嵌有光纖布拉格光柵；所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的外側(cè)各自分別連接一個柔性線狀結(jié)構(gòu)，柔性線狀結(jié)構(gòu)一端連接在長方體硬質(zhì)盒的外側(cè)，柔性線狀結(jié)構(gòu)另一端固定在關(guān)節(jié)附近，在所述的柔性線狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)套裝有對其移動位置進(jìn)行限定的限定裝置。本裝置成本低，可多次重復(fù)使用，可集成，占用空間小，使用方便，可靠性強(qiáng)，抗電磁干擾。
【專利說明】
光纖植入式手套姿勢感知裝置以及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明公開了一種光纖植入式手套姿勢感知裝置以及制作方法。
技術(shù)背景
[0002]數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件，能夠?qū)崟r獲取人手的姿勢，以便在虛擬的環(huán)境中能夠再現(xiàn)人手姿勢。數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對手掌、手指及手腕的各個部位的彎曲、外展等測量以及在此基礎(chǔ)上的姿勢的反演。完成反演主要取決于對手部姿勢的建模，最根本的是確定傳感器的測量數(shù)據(jù)和手部各關(guān)節(jié)運(yùn)動姿勢之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0003]獲取手姿勢可以通過測量手指關(guān)節(jié)的彎曲角度。彎曲角度的測量可以利用不同類型的傳感器，比如電阻柔性傳感器、磁感應(yīng)線圈、印刷導(dǎo)電混合物和光纖傳感器等。北京科技大學(xué)數(shù)據(jù)手套采用導(dǎo)電油墨作為傳感器，利用了油墨彎曲受壓使電阻變化的原理;北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所也成功研制了 3指5關(guān)節(jié)BHF-1型簡易數(shù)據(jù)手套，電位計(jì)是其檢測元件，基于具有運(yùn)動約束的非同心圓機(jī)構(gòu)的原理。商業(yè)數(shù)據(jù)手套CyberGlove利用壓阻材料。當(dāng)材料拉伸時，電阻會相應(yīng)改變。手套集成了大量的壓阻傳感器使結(jié)果更加可靠。然而，在測量拇指運(yùn)動方面存在不足，而且該產(chǎn)品價(jià)格很高。目前，市場上已經(jīng)有許多類型的數(shù)據(jù)手套，如5DTGlove ,PinchGlove，但這些數(shù)據(jù)手套在精度和價(jià)格之間難以協(xié)調(diào)，并且許多設(shè)計(jì)不能監(jiān)測到足夠的自由度，因此限制了真正的應(yīng)用。傳統(tǒng)的金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)接線復(fù)雜，在關(guān)節(jié)處的接線易發(fā)生故障，而且不能抗電磁干擾。磁感應(yīng)技術(shù)采用時分的方法，使用掃描發(fā)生器線圈補(bǔ)償磁場的干擾。印刷導(dǎo)電混合物可以直接集成，但其響應(yīng)是非線性的。用加速度計(jì)測量關(guān)節(jié)角度的方法很可靠，但是其整個系統(tǒng)很笨重，對于復(fù)雜的動作的測量不準(zhǔn)確。
[0004]基于光纖的傳感器在數(shù)據(jù)手套中的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，包括體積小、重量輕、復(fù)用能力強(qiáng)、抗電磁干擾，有魯棒性。巴西坎皮納斯州立大學(xué)的E.Fujiwara等人一直研究以手套為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中利用光纖微彎傳感器的系統(tǒng)開發(fā)。他們用粘合膠直接將光纖固定到手套表面，或者采用基于滑動結(jié)構(gòu)的柔性微彎傳感器的方法，其可以對關(guān)節(jié)的角位移有較好的測量。葡萄牙米尼奧大學(xué)的A.F.S.Silva利用光纖布拉格光柵傳感器研制了光纖布拉格光柵傳感手套，也可用于檢測手部姿勢。VPL公司的數(shù)據(jù)手套DataGlove，使用塑料光纖將光纖安裝在Lycra手套上。使用Isotrack 3_D位置傳感器。手指的每個被測關(guān)節(jié)上都裝有一個光纖維環(huán)。每個手指在其背面安裝兩個傳感器用于測量主要關(guān)節(jié)的彎曲。纖維在手指彎曲時有小的移動。該光纖傳感器重量輕體積小，但同時其成本較高，彈性較差，多次使用后難于恢復(fù)，而且容易在彎曲處產(chǎn)生裂隙。這些影響很不利于傳感器的測量精度的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)以上現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提出了一種光纖植入式手套姿勢感知技術(shù)裝置，本裝置成本低，可多次重復(fù)使用，可集成，占用空間小，使用方便，可靠性強(qiáng)，抗電磁干擾。
[0006]本發(fā)明給出了一種基于人工皮膚光纖植入手套的姿勢感知裝置以及方法，具體如下:
[0007]光纖植入式手套姿勢感知裝置，包括一個無上下蓋的長方體硬質(zhì)盒，所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的內(nèi)側(cè)各設(shè)置一個彈性裝置，每個所述的彈性裝置內(nèi)均鑲嵌有光纖布拉格光柵;所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的外側(cè)各自分別連接一個柔性線狀結(jié)構(gòu)，柔性線狀結(jié)構(gòu)一端連接在長方體硬質(zhì)盒的外側(cè)，柔性線狀結(jié)構(gòu)另一端固定在手指關(guān)節(jié)附近，在所述的柔性線狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)套裝有對其移動位置進(jìn)行限定的限定裝置。
[0008]進(jìn)一步，所述的長方體硬質(zhì)盒的底邊位置略高于彈性裝置底邊位置，彈性裝置粘貼在手套背部。
[0009]進(jìn)一步的，所述的光纖布拉格光柵的變形方向與其所在的彈性裝置的粘貼面垂直，所述的光纖布拉格光柵嵌入位置的高度與連接在長方體硬質(zhì)盒外側(cè)的柔性線狀結(jié)構(gòu)高度一 Sc ο
[0010]進(jìn)一步的，每根光纖布拉格光柵所在的光纖均與解調(diào)裝置相連。
[0011]進(jìn)一步的，所述的彈性裝置為一個彈性塊，所述的彈性塊粘貼在長方體硬質(zhì)盒的四個面的內(nèi)偵U。
[0012]進(jìn)一步的，所述的柔性線狀結(jié)構(gòu)為尼龍繩。
[0013]進(jìn)一步的，所述的限定裝置為直徑略大于光纖直徑的極細(xì)硬質(zhì)管。
[0014]本發(fā)明的制作步驟如下:
[0015]步驟I制作無上下蓋長方體硬質(zhì)盒；
[0016]步驟2準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的極細(xì)硬質(zhì)管及極細(xì)硬質(zhì)直角管；
[0017]步驟3制作四個相同的嵌有光纖布拉格光柵的彈性裝置；
[0018]步驟4將彈性裝置粘貼在長方體硬質(zhì)盒內(nèi)表面，硬質(zhì)盒上表面與長方體盒頂部平齊;將四個硬質(zhì)管分別粘貼在長方體盒外表面的各面中心位置；
[0019]步驟5將硬質(zhì)盒粘貼在手套背面上；
[0020]步驟6在關(guān)節(jié)前設(shè)置固定點(diǎn)；
[0021 ]步驟7將極細(xì)硬質(zhì)管貼在關(guān)節(jié)前后及其他相應(yīng)位置；
[0022]步驟8將尼龍繩的一端連接固定點(diǎn)，穿過連接路徑中的極細(xì)管，另一端與硬質(zhì)盒外表面相連。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024]相較于其它的手套姿勢感知技術(shù)，此發(fā)明基于光纖，抗電磁干擾，可靠性強(qiáng);采用波長解調(diào)，不受光強(qiáng)干擾。本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)將不同方向的受力轉(zhuǎn)換成光柵軸向變形，提高了靈敏度，并且將傳感部分集成于一個長方體，占用空間小，使用方便。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1傳感器部分的結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2傳感器安裝在手套手指上的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖3傳感器安裝在手套手指上的結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖中:I長方體硬質(zhì)盒，2-1、2-2、2-3、2_4光纖布拉格光柵，3彈性裝置，4細(xì)管，5關(guān)節(jié)，6固定點(diǎn)，7手套背部，7-1、7-2、7-3、7_4手套手指，8尼龍繩。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0031]本發(fā)明可以感知手套多個手指的彎曲程度及區(qū)分出彎曲手指。如圖1、2、3所示該傳感器布置在手套的背面，其具體包括一個無上下蓋長方體硬質(zhì)盒I;盒內(nèi)側(cè)四個面上粘貼一定大小的彈性裝置3，盒的底邊位置略高于彈性裝置底邊位置;在每個彈性裝置內(nèi)分別嵌有光纖布拉格光柵2-1、2-2、2-3、2-4，光纖布拉格光柵嵌入方向與其所在彈性裝置3所貼面垂直，盒I外側(cè)四個面上粘貼一定長度的極細(xì)的細(xì)管4，彈性裝置粘貼在手套背部7上;在關(guān)節(jié)5前一定位置設(shè)置固定點(diǎn)，尼龍繩8—端連固定點(diǎn)6，沿手套手指7方向貼細(xì)管4，使尼龍繩8穿過細(xì)管，尼龍繩另一端穿過粘在盒外側(cè)表面的細(xì)管粘在盒外側(cè)表面上，這樣他們就可以控制他們只能且輕易地在細(xì)管內(nèi)移動，而且盒子四個面被拉伸的力只能垂直于盒表面。
[0032]上面所述的手指關(guān)節(jié)前一定位置是指手指關(guān)節(jié)與手指末端之間的某一個位置。
[0033]上述的細(xì)管4可以設(shè)計(jì)成如圖2所示的，其僅僅分布在關(guān)節(jié)前后、尼龍繩垂直角位置以及硬質(zhì)盒外側(cè)。
[0034]上述的細(xì)管4還可以設(shè)計(jì)成如圖3所示的，除了手指關(guān)節(jié)位置，剩下的整個尼龍繩上都套裝有細(xì)管。
[0035]當(dāng)然本發(fā)明不局限于上述兩種方法，只要基于預(yù)緊的原則，可以有不同的設(shè)計(jì)。
[0036]當(dāng)一個手指伸展，關(guān)節(jié)的彎曲角度是O。當(dāng)手指關(guān)節(jié)彎曲時，因?yàn)榫€從固定點(diǎn)通過短管的方向被拉神，從而施加給與其連接的盒表面一個力。該力傳遞給彈性裝置。由于彈性裝置具有良好的柔性，會在受到施加力時發(fā)生相應(yīng)的伸縮，從而帶動嵌在基體里的光纖布拉格光柵變形，其布拉格光柵中心波長變化。彎曲程度越大，波長變化量就越大。將光纖與解調(diào)儀連接，通過上位機(jī)軟件就可看出波長變化。
[0037]彈性裝置是由液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套的固化劑混合物組成;所述的液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套的固化劑按質(zhì)量比10:1比例混合均勻后，利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱內(nèi)烤一個小時。
[0038]液態(tài)聚二甲硅氧烷(含配套固化劑)型號為Sylgardl84(道康寧公司，購買時提供主劑/固化劑雙組合液態(tài)包裝)
[0039]以測手套四只手指7-1、7-2、7-3、7-4中的一只手指7-3為例:
[0040]當(dāng)手指7-3彎曲時，彈性裝置變形，使其內(nèi)的FBG2_3被拉伸，中心波長向右偏移增大;對應(yīng)位置彈性裝置2-1被壓縮，使其內(nèi)的FBG被壓縮，中心波長向左偏移減小。同時，2-2和2-4的FBG因被拉伸波長會同時變大;因此，判斷是哪根手指彎曲的算法是:
[0041 ]若2-1、2-3波長變化方向相反，則2-1、2-3中中心波長變大的手指彎曲；
[0042]若2-1、2-3波長變化方向相同，則2-1、2_3都沒有彎曲；
[0043]若2-2、2_4波長變化方向相反，則2-2、2_4中中心波長變大的手指彎曲；
[0044]若2-2、2_4波長變化方向相同，則2-2、2_4都沒有彎曲；
[0045]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，包括一個無上下蓋的長方體硬質(zhì)盒，所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的內(nèi)側(cè)各設(shè)置一個彈性裝置，每個所述的彈性裝置均內(nèi)鑲嵌有光纖布拉格光柵;所述長方體硬質(zhì)盒的四個面的外側(cè)各自分別連接一個柔性線狀結(jié)構(gòu)，柔性線狀結(jié)構(gòu)一端連接在長方體硬質(zhì)盒的外側(cè)，柔性線狀結(jié)構(gòu)另一端固定在手指關(guān)節(jié)附近，在所述的柔性線狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)套裝有對其移動位置進(jìn)行限定的限定裝置。2.如權(quán)利要求1所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，所述的長方體硬質(zhì)盒的底邊位置略高于彈性裝置底邊位置，彈性裝置粘貼在手套背面。3.如權(quán)利要求1所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，所述的光纖布拉格光柵的變形方向與其所在的彈性裝置的粘貼面垂直。4.如權(quán)利要求1所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，每根光纖布拉格光柵所在的光纖均與解調(diào)裝置相連。5.如權(quán)利要求1所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，所述的彈性裝置為一個彈性塊，所述的彈性塊粘貼在長方體硬質(zhì)盒的四個面的內(nèi)側(cè)。6.如權(quán)利要求1所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，所述的柔性線狀結(jié)構(gòu)為尼龍繩。7.如權(quán)利要求6所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置，其特征在于，所述的限定裝置為極細(xì)硬質(zhì)管。8.如權(quán)利要求7所述的光纖植入式手套姿勢感知裝置的制造方法，其特征在于，如下: 步驟I制作無上下蓋長方體硬質(zhì)盒； 步驟2準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的極細(xì)硬質(zhì)管及極細(xì)硬質(zhì)直角管； 步驟3制作四個相同的嵌有光纖布拉格光柵的彈性裝置； 步驟4將彈性裝置粘貼在長方體硬質(zhì)盒內(nèi)表面，硬質(zhì)盒上表面與長方體盒頂部平齊;將四個硬質(zhì)管分別粘貼在長方體盒外表面的各面中心位置； 步驟5將硬質(zhì)盒粘貼在手套背面上； 步驟6在關(guān)節(jié)前設(shè)置固定點(diǎn)； 步驟7將極細(xì)硬質(zhì)管貼在關(guān)節(jié)前后及其他相應(yīng)位置； 步驟8將尼龍繩的一端連接固定點(diǎn)，穿過連接路徑中的極細(xì)管，另一端與硬質(zhì)盒外表面相連。
【文檔編號】G06F3/01GK105892669SQ201610247152
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】趙晨璐, 蔣奇, 李貽斌, 宋銳
【申請人】山東大學(xué)