光纤植入式手套姿势感知装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤植入式手套姿势感知装置，包括一个无上下盖的长方体硬质盒，所述长方体硬质盒的四个面的内侧各设置一个弹性装置，每个所述的弹性装置均内镶嵌有光纤布拉格光栅；所述长方体硬质盒的四个面的外侧各自分别连接一个柔性线状结构，柔性线状结构一端连接在长方体硬质盒的外侧，柔性线状结构另一端固定在关节附近，在所述的柔性线状结构的外侧套装有对其移动位置进行限定的限定装置。本装置成本低，可多次重复使用，可集成，占用空间小，使用方便，可靠性强，抗电磁干扰。
【专利说明】
光纤植入式手套姿势感知装置
技术领域
[0001]本实用新型公开了一种光纤植入式手套姿势感知装置。
技术背景
[0002]数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，能够实时获取人手的姿势，以便在虚拟的环境中能够再现人手姿势。数据手套实现的关键点在于对手掌、手指及手腕的各个部位的弯曲、外展等测量以及在此基础上的姿势的反演。完成反演主要取决于对手部姿势的建模，最根本的是确定传感器的测量数据和手部各关节运动姿势之间的对应关系。
[0003]获取手姿势可以通过测量手指关节的弯曲角度。弯曲角度的测量可以利用不同类型的传感器，比如电阻柔性传感器、磁感应线圈、印刷导电混合物和光纤传感器等。北京科技大学数据手套采用导电油墨作为传感器，利用了油墨弯曲受压使电阻变化的原理;北京航空航天大学机器人所也成功研制了 3指5关节BHF-1型简易数据手套，电位计是其检测元件，基于具有运动约束的非同心圆机构的原理。商业数据手套CyberGlove利用压阻材料。当材料拉伸时，电阻会相应改变。手套集成了大量的压阻传感器使结果更加可靠。然而，在测量拇指运动方面存在不足，而且该产品价格很高。目前，市场上已经有许多类型的数据手套，如5DTGlove ,PinchGlove，但这些数据手套在精度和价格之间难以协调，并且许多设计不能监测到足够的自由度，因此限制了真正的应用。传统的金属和半导体应变计接线复杂，在关节处的接线易发生故障，而且不能抗电磁干扰。磁感应技术采用时分的方法，使用扫描发生器线圈补偿磁场的干扰。印刷导电混合物可以直接集成，但其响应是非线性的。用加速度计测量关节角度的方法很可靠，但是其整个系统很笨重，对于复杂的动作的测量不准确。
[0004]基于光纤的传感器在数据手套中的应用有很多优点，包括体积小、重量轻、复用能力强、抗电磁干扰，有鲁棒性。巴西坎皮纳斯州立大学的E.Fujiwara等人一直研究以手套为基础的系统中利用光纤微弯传感器的系统开发。他们用粘合胶直接将光纤固定到手套表面，或者采用基于滑动结构的柔性微弯传感器的方法，其可以对关节的角位移有较好的测量。葡萄牙米尼奥大学的A.F.S.Silva利用光纤布拉格光栅传感器研制了光纤布拉格光栅传感手套，也可用于检测手部姿势。VPL公司的数据手套DataGlove，使用塑料光纤将光纤安装在Lycra手套上。使用Isotrack 3_D位置传感器。手指的每个被测关节上都装有一个光纤维环。每个手指在其背面安装两个传感器用于测量主要关节的弯曲。纤维在手指弯曲时有小的移动。该光纤传感器重量轻体积小，但同时其成本较高，弹性较差，多次使用后难于恢复，而且容易在弯曲处产生裂隙。这些影响很不利于传感器的测量精度的提高。
【实用新型内容】
[0005]根据以上现有方法的不足，本实用新型提出了一种光纤植入式手套姿势感知技术装置，本装置成本低，可多次重复使用，可集成，占用空间小，使用方便，可靠性强，抗电磁干扰。
[0006]本实用新型给出了一种基于人工皮肤光纤植入手套的姿势感知装置以及方法，具体如下:
[0007]光纤植入式手套姿势感知装置，包括一个无上下盖的长方体硬质盒，所述长方体硬质盒的四个面的内侧各设置一个弹性装置，每个所述的弹性装置内均镶嵌有光纤布拉格光栅;所述长方体硬质盒的四个面的外侧各自分别连接一个柔性线状结构，柔性线状结构一端连接在长方体硬质盒的外侧，柔性线状结构另一端固定在手指关节附近，在所述的柔性线状结构的外侧套装有对其移动位置进行限定的限定装置。
[0008]进一步，所述的长方体硬质盒的底边位置略高于弹性装置底边位置，弹性装置粘贴在手套背部。
[0009]进一步的，所述的光纤布拉格光栅的变形方向与其所在的弹性装置的粘贴面垂直，所述的光纤布拉格光栅嵌入位置的高度与连接在长方体硬质盒外侧的柔性线状结构高度一 Sc ο
[0010]进一步的，每根光纤布拉格光栅所在的光纤均与解调装置相连。
[0011]进一步的，所述的弹性装置为一个弹性块，所述的弹性块粘贴在长方体硬质盒的四个面的内侦U。
[0012]进一步的，所述的柔性线状结构为尼龙绳。
[0013]进一步的，所述的限定装置为直径略大于光纤直径的极细硬质管。
[0014]本实用新型的制作步骤如下:
[0015]步骤I制作无上下盖长方体硬质盒；
[0016]步骤2准备相应数量的极细硬质管及极细硬质直角管；
[0017]步骤3制作四个相同的嵌有光纤布拉格光栅的弹性装置；
[0018]步骤4将弹性装置粘贴在长方体硬质盒内表面，硬质盒上表面与长方体盒顶部平齐;将四个硬质管分别粘贴在长方体盒外表面的各面中心位置；
[0019]步骤5将硬质盒粘贴在手套背面上；
[0020]步骤6在关节前设置固定点；
[0021 ]步骤7将极细硬质管贴在关节前后及其他相应位置；
[0022]步骤8将尼龙绳的一端连接固定点，穿过连接路径中的极细管，另一端与硬质盒外表面相连。
[0023]本实用新型的有益效果:
[0024]相较于其它的手套姿势感知技术，此实用新型基于光纤，抗电磁干扰，可靠性强；采用波长解调，不受光强干扰。本实用新型采用的结构将不同方向的受力转换成光栅轴向变形，提高了灵敏度，并且将传感部分集成于一个长方体，占用空间小，使用方便。
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1传感器部分的结构图；
[0027]图2传感器安装在手套手指上的结构图；
[0028]图3传感器安装在手套手指上的结构图；
[0029]图中:I长方体硬质盒，2-1、2-2、2-3、2_4光纤布拉格光栅，3弹性装置，4细管，5关节，6固定点，7手套背部，7-1、7-2、7-3、7_4手套手指，8尼龙绳。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本实用新型进行详细说明:
[0031]本实用新型可以感知手套多个手指的弯曲程度及区分出弯曲手指。如图1、2、3所示该传感器布置在手套的背面，其具体包括一个无上下盖长方体硬质盒I;盒内侧四个面上粘贴一定大小的弹性装置3，盒的底边位置略高于弹性装置底边位置;在每个弹性装置内分别嵌有光纤布拉格光栅2-1、2-2、2-3、2-4，光纤布拉格光栅嵌入方向与其所在弹性装置3所贴面垂直，盒I外侧四个面上粘贴一定长度的极细的细管4，弹性装置粘贴在手套背部7上；在关节5前一定位置设置固定点，尼龙绳8—端连固定点6，沿手套手指7方向贴细管4，使尼龙绳8穿过细管，尼龙绳另一端穿过粘在盒外侧表面的细管粘在盒外侧表面上，这样他们就可以控制他们只能且轻易地在细管内移动，而且盒子四个面被拉伸的力只能垂直于盒表面。
[0032]上面所述的手指关节前一定位置是指手指关节与手指末端之间的某一个位置。
[0033]上述的细管4可以设计成如图2所示的，其仅仅分布在关节前后、尼龙绳垂直角位置以及硬质盒外侧。
[0034]上述的细管4还可以设计成如图3所示的，除了手指关节位置，剩下的整个尼龙绳上都套装有细管。
[0035]当然本实用新型不局限于上述两种方法，只要基于预紧的原则，可以有不同的设
i+o
[0036]当一个手指伸展，关节的弯曲角度是O。当手指关节弯曲时，因为线从固定点通过短管的方向被拉神，从而施加给与其连接的盒表面一个力。该力传递给弹性装置。由于弹性装置具有良好的柔性，会在受到施加力时发生相应的伸缩，从而带动嵌在基体里的光纤布拉格光栅变形，其布拉格光栅中心波长变化。弯曲程度越大，波长变化量就越大。将光纤与解调仪连接，通过上位机软件就可看出波长变化。
[0037]弹性装置是由液态聚二甲硅氧烷和配套的固化剂混合物组成;所述的液态聚二甲硅氧烷和配套的固化剂按质量比10:1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱内烤一个小时。
[0038]液态聚二甲硅氧烷(含配套固化剂)型号为Sylgardl84(道康宁公司，购买时提供主剂/固化剂双组合液态包装)
[0039]以测手套四只手指7-1、7-2、7-3、7-4中的一只手指7-3为例:
[0040]当手指7-3弯曲时，弹性装置变形，使其内的FBG2_3被拉伸，中心波长向右偏移增大;对应位置弹性装置2-1被压缩，使其内的FBG被压缩，中心波长向左偏移减小。同时，2-2和2-4的FBG因被拉伸波长会同时变大;因此，判断是哪根手指弯曲的算法是:
[0041 ]若2-1、2-3波长变化方向相反，则2-1、2-3中中心波长变大的手指弯曲；
[0042]若2-1、2-3波长变化方向相同，则2-1、2_3都没有弯曲；
[0043]若2-2、2_4波长变化方向相反，则2-2、2_4中中心波长变大的手指弯曲；
[0044]若2-2、2_4波长变化方向相同，则2-2、2_4都没有弯曲；
[0045]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【主权项】
1.光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，包括一个无上下盖的长方体硬质盒，所述长方体硬质盒的四个面的内侧各设置一个弹性装置，每个所述的弹性装置均内镶嵌有光纤布拉格光栅;所述长方体硬质盒的四个面的外侧各自分别连接一个柔性线状结构，柔性线状结构一端连接在长方体硬质盒的外侧，柔性线状结构另一端固定在手指关节附近，在所述的柔性线状结构的外侧套装有对其移动位置进行限定的限定装置。2.如权利要求1所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，所述的长方体硬质盒的底边位置略高于弹性装置底边位置，弹性装置粘贴在手套背面。3.如权利要求1所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅的变形方向与其所在的弹性装置的粘贴面垂直。4.如权利要求1所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，每根光纤布拉格光栅所在的光纤均与解调装置相连。5.如权利要求1所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，所述的弹性装置为一个弹性块，所述的弹性块粘贴在长方体硬质盒的四个面的内侧。6.如权利要求1所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，所述的柔性线状结构为尼龙绳。7.如权利要求6所述的光纤植入式手套姿势感知装置，其特征在于，所述的限定装置为极细硬质管。
【文档编号】G06F3/01GK205540580SQ201620333902
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】赵晨璐, 蒋奇, 黄袁洋, 梁佩, 王俊杰
【申请人】山东大学