基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套的制作方法

本实用新型涉及软体材料传感、驱动控制领域，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套。

背景技术：

随着人类科技的快速发展及其生产力的大幅度提升，出现了众多新兴的高科技产品，渗透于人们的生活、工作、娱乐等各个领域。非于过去，当今的各类新产品在学科交叉的推动下，开始呈现多元化、高科技化、便捷化等特征。其中，虚拟现实及其智能设备即是本时代上述特征的代表，并在近几年以井喷式出现在了人们日常所能涉及的各个方面。

虚拟现实技术是指使用计算机及相关技术创造一个在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境，用户可以使用相关的智能设备与之进行交互并相互影响，虚拟现实技术为人们提供了一个学习和认识自然的平台。

虚拟现实技术能够提供一个多元的虚拟世界，用户可以通过实体行动去感知和改变这个虚拟世界，具有极强的沉浸感，在这个虚拟世界里，智能设备是与之直接交互的工具，是支撑虚拟现实技术最重要的组成部分。虚拟现实技术所涉及到的智能设备主要包含以下大类：智能眼镜、全息头盔、智能耳塞等头部智能穿戴设备，智能手套、手环、手表等手部智能穿戴设备，智能外套智能鞋子等其他智能设备。

人手是人体与外界进行交流的主要器官，其能够传递多种姿态信息，正因为人手作为信息输出器官，具有可传递信息种类多、信息量大以及映射能力强的特点，因此手部穿戴设备备受关注，设计出了大量的智能穿戴设备。而在各类手部智能穿戴设备中，数据手套又由于最能充分利用手部姿态信息，故具有极强的开发与研究潜力。

在目前已有的数据手套技术中，为了获取人手的运动信息，一种方式是利用视觉系统对人手的动作进行识别。但目前这种方法的计算过于复杂，稳定性和精度都比较低，同时需要的操作条件过高，不适用于普遍情况。除视觉系统反馈外，近年来出现了一些商业化的数据手套，如VPL公司的数据手套Dataglove，Matal公司的PowerGlove，Immersion公司的数据手套CyberGlove，Sarcos公司的EXOS手套等。这些手套式控制输入设备大致可分为两类：①关节位置传感器(光纤、金属应变片等)依附在手套上测量关节运动，如DataGlove、cyberGlove等。这类数据手套的优点就是重量轻，操作者穿戴和使用都非常方便，主要缺点是不同的操作者穿戴，传感器位置会滑移，而且关节传感器测量的角度需要标定才能满足操作的要求；②机械连杆结构带动电位计等关节传感器用于测量关节的运动，如SarCoS公司的EXOS。这类手套将输入控制和力反馈装置融为一体，但研制复杂，没有产品化。同时，以上两大类为获取手指信息的方式都是采用外部传感器，如光纤、应变片或电位计等等，没有实现手套自身自传感。同时，目前可驱动的辅助数据手套，所需要的动力源主要可分为以下两大类：(1)气动，利用气泵充气，实现手套的驱动，这种方式的主要缺点是装置中需要随时带有气泵，不方便随身携带；(2)电机驱动，利用伺服电机起到驱动作用，这种方式的不足在于电机的驱动噪声大，且是硬性材料，不能普遍适用于各种情况。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套，该数据手套不需要外部传感器，实现数据手套自身的自传感，同时实现了传感与驱动的一体化。

一种基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套，包括由弹性材料制成手套本体，所述手套本体的手指手背侧外表面依次贴附有碳纳米管薄膜、介电弹性体薄膜和柔性电极薄膜，还包括：

形变监测器，嵌入在所述手套本体的各个手指手背侧的碳纳米管薄膜内，监测各个手指手背侧的碳纳米管薄膜的形变并进行分析处理，得到手势姿态数据；

高压电路，两端分别与碳纳米管薄膜和柔性电极薄膜相连，根据无线通讯模块发送的驱动信号调节两极输出的电压的幅值和频率；

无线通讯模块，将形变监测器得到的手势姿态数据输送至上位机，接收上位机发送的驱动信号并发送至高压电路；

电源，为形变监测器、无线通讯模块、高压电路供电。

嵌在所述手套本体的各个手指手背侧的碳纳米管薄膜内的形变监测器为本实用新型数据手套的传感部分，通过监测各个手指手背侧的碳纳米管薄膜的形变而得到手势姿态数据，实现本实用新型数据手套的自传感功能；依次粘附于手套本体外表面的碳纳米管薄膜、介电弹性体薄膜和柔性电极薄膜形成驱动膜，为本实用新型数据手套的驱动部分，通过控制高压电路两极输出的电压的幅值和频率来控制驱动膜的振幅和频率，实现本实用新型数据手套的驱动功能。

所述的高压电路为将低压的电源通过振荡稳压得到6kV～9kV的振荡电路。

作为优选，所述的形变监测器包括：

多个电位采集点，嵌入在所述手套本体的各个手指手背侧的碳纳米管薄膜内，位于同一手指手背侧的多个电位采集点串联于电源的两极之间；

处理器，采集不同时刻各个电位采集点处的电位数据，分析得到不同时刻相应的手势姿态数据。

各个电位采集点可以为铜箔圆片，通过细导线引出，与处理器相连。

位于同一手指背侧的多个电位采集点串联于电源的两极之间，采集不同时刻各个电位采集点处的电位数据，计算可得不同时刻位于同一手指背侧的相邻两个电位采集点之间的电阻变化，通过训练过的BP神经网络的计算从而得到各个手指的弯曲角度，分析得到相应时刻的手势姿态数据。

作为优选，所述电位采集点分别位于各个手指的指骨或掌骨处。这样，各个手指关节的弯曲均能引起手指背侧相应的两个相邻电位采集点之间的长度拉伸，从而引起两个相邻电位采集点之间的碳纳米管薄膜的电阻发生变化，进而引起两个相邻电位采集点之间的电位差发生变化，通过形变监测器可以准确的反推出相应手指关节的弯曲角度，能够检测细微的手或手指的运动，使分析得到的手势姿态数据更加准确。

碳纳米管薄膜的形变恢复能力决定了形变监测器的准确性，作为优选，所述的碳纳米管薄膜的制备方法为：将质量比为20∶1∶1～2的聚二甲基硅氧烷(PDMS)∶固化剂∶碳纳米管溶于四氢呋喃中，均匀涂覆在手套本体的手背侧外表面上，于80℃烘干，得到碳纳米管薄膜。

固化剂为与聚二甲基硅氧烷(PDMS)相匹配的固化剂。例如：聚二甲基硅氧烷和固化剂为道康宁公司生产的SYLGARD 184配套产品。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有高弹性，作为碳纳米管良好的基体，与碳纳米管按照质量比20∶1～2混合后，形成悬浊液，再与聚二甲基硅氧烷(PDMS)相匹配的固化剂按一定比例混合后，得到的悬浊液均匀涂在介电高弹体的基底上，在80℃的环境下烘干，按照这样方式制备的碳纳米管薄膜，具有聚二甲基硅氧烷(PDMS)的高弹性以及碳纳米管的导电性，可作为高精度的分布式电阻传感器。同时，由于混合液在80℃的条件下烘干，可形成稳定的介电高弹聚合物，这样制成的碳纳米管薄膜多次试验的漂移偏差小，可多次使用，重复性能好。

作为优选，所述的柔性电极薄膜为碳纳米管薄膜。

碳纳米管薄膜具有良好的形变恢复能力，撤去形变力后，碳纳米管薄膜能很好的恢复原状，延长数据手套的使用寿命。

本实用新型的数据手套有两种工作模式，即传感工作模式和驱动工作模式，作为优选，本实用新型的基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套还包括：

继电器，将形变监测器接通电源或将高压电路接通电源；

控制器，接收上位机的工作模式切换信号，通过继电器选择将形变监测器接通电源或将高压电路接通电源。

继电器将形变监测器接通电源时，本实用新型数据手套处于传感工作模式，将将高压电路接通电源时，本实用新型数据手套处于驱动工作模式，通过控制器实现两种工作模式的切换。

依次粘附于手套本体外表面的碳纳米管薄膜、介电弹性体薄膜和柔性电极薄膜形成驱动膜，在用户将数据手套戴在手上后，介电弹性体薄膜处于等双轴预拉伸状态，作为优选，介电弹性体薄膜等双轴预拉伸前的厚度为0.5～1.5mm，等双轴预拉伸值为100％～150％。

介电弹性体薄膜的等双轴预拉伸值可以调节介电高弹体对电压的灵敏度，并且可以调节在相同的压力下，介电高弹体的变形量。最优选的，介电弹性体薄膜的等双轴预拉伸值为120％。

作为优选，所述的介电弹性体薄膜为聚丙烯酸薄膜、硅橡胶薄膜、丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜或矛氨酯薄膜。

可根据不同的工况，选择不同的材料：在压力变化比较缓慢的场合，宜选择聚丙烯酸薄膜；在环境温度较高的工作环境下，宜选择硅橡胶薄膜；在压力比较大的场合，宜选用丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜；在油性工作场合下可以选择矛氨酯薄膜。

本实用新型的高压电路的高压通过低压电源振荡稳压得到，虽然电压较高，达到6kV～9kV，但是通过高压电路的电流很小，对人体安全，但是为了防止触电，作为优选，柔性电极薄膜通过导线与高压电路的接地端相连，碳纳米管薄膜通过导线与高压电路的正极相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型数据手套的手势姿态传感部分与驱动部分一体化，结构简单；数据手套整体为全柔性结构，可以完美贴合手型；传感部分的驱动电压低，驱动部分的驱动电压较高，但是是通过低压电源振荡稳压得到，虽然电压较高，但是通过高压电路的电流很小，高压低电流的控制模式，降低了设备的功耗，减少了发热，可长时间工作，实现实时监控。

附图说明

图1为本实用新型的基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套的手背侧示意图；

图2为本实用新型的基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套的手背侧的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型的数据手套按照正常成人的手掌大小设计。

如图1和图2所示，本实用新型的数据手套的手套本体1为介电弹性体薄膜制成，大小适于人手穿戴。手套本体1的手背侧外表面依次粘附有第一碳纳米管薄膜2、介电弹性体薄膜3和第二碳纳米管薄膜4。

手套本体1和介电弹性体薄膜3的材质为VHB4910，数据手套制成后，手套本体1和介电弹性体薄膜3的厚度为1mm，戴在用户手上时，手套本体1和介电弹性体薄膜3均处于等双轴预拉伸状态，等双轴预拉伸值为120％。

在手套本体1和介电弹性体薄膜3之间夹有第一碳纳米管薄膜2，介电弹性体薄膜3的外表面粘附有第二碳纳米管薄膜4。将质量比为20∶1∶1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)∶固化剂∶碳纳米管溶于四氢呋喃中，均匀涂覆在手套本体1的手背侧外表面上，于80℃烘干，得到第一碳纳米管薄膜2；在第一碳纳米管薄膜2的外表面粘贴一层介电弹性体薄膜3，将质量比为20∶1∶1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)∶固化剂∶碳纳米管溶于四氢呋喃中，均匀涂覆在介电弹性体薄膜3的外表面上，于80℃烘干，得到第二碳纳米管薄膜4。聚二甲基硅氧烷和固化剂为道康宁公司生产的SYLGARD 184配套产品。

第一碳纳米管薄膜2和第二碳纳米管薄膜4分别与高压电路的正极和接地端相连，第一碳纳米管薄膜2、介电弹性体薄膜3和第二碳纳米管薄膜4形成驱动膜，通过高压电路输出高频电压使介电弹性体薄膜3产生振动，通过调节高压电路输出电压的幅值和频率来控制介电弹性体薄膜3振动的幅度和频率。

高压电路的高压是通过低压电源振荡稳压得到，高压高达6kV～96kV。

数据手套通过第一碳纳米管薄膜2、介电弹性体薄膜3、第二碳纳米管薄膜4以及高压电路来实现其驱动功能。

第一碳纳米管薄膜2内嵌入有19个铜箔圆片6，作为电位采集点，19个铜箔圆片6分别位于各个手指的指骨或掌骨处，位于同一手指上的相邻两个铜箔圆片6之间为手指关节。位于同一手指背侧的多个电位采集点串联于电源的两极之间，各个铜箔圆片6由细导线引出，与处理器相连，处理器采集不同时刻各个电位采集点处的电位数据，计算可得不同时刻位于同一手指背侧的相邻两个电位采集点之间的电阻变化，通过训练过的BP神经网络的计算从而得到各个手指的弯曲角度，分析得到相应时刻的手势姿态数据。得到的手势姿态数据通过2.4G无线通讯模块传输给上位机，实现数据手套的传感功能。

因此，本实用新型的数据手套具有传感和驱动两种工作模式。

数据手套还设有继电器和控制器，控制器接收上位机的工作模式切换信号，通过继电器选择打开传感工作模式或驱动工作模式。

本实用新型的基于碳纳米管薄膜的传感与驱动一体化的数据手套的工作原理如下：

驱动工作模式下，通过高压电路给介电弹性体薄膜3两侧的第一碳纳米管薄膜2和第二碳纳米管薄膜4施加相反的电荷，即第一碳纳米管薄膜2上加正电荷，第二碳纳米管薄膜4上加负电荷，两碳纳米管薄膜之间产生吸引力，该吸引力对介电弹性体薄膜3产生一个沿着薄膜平面法向的挤压作用，使得原本经过预拉伸的介电弹性体薄膜3变薄，面积增大，整体效果为舒展开来；同时，第一碳纳米管薄膜2上的电荷之间相互排斥，使得第一碳纳米管薄膜2各部分之间产生排斥力，同理第二碳纳米管薄膜4的各部分之间也产生排斥力，由于第一碳纳米管薄膜2和第二碳纳米管薄膜4直接贴在介电弹性体薄膜3上，因此其效果也使得介电弹性体薄膜3舒展；而介电弹性体薄膜3制成手套形状之后，戴在手上时处于预拉伸状态，具有回弹力，由手腕处固定端以及内部手指的限制，达到平衡状态，通电之后，介电弹性体薄膜3舒展，断电之后，介电弹性体薄膜3收缩回到初始状态，通过高压电路提供高频脉冲电压，可以达到振动的驱动效果；

传感工作模式下，位于同一手指上的各个铜箔圆片通过第一碳纳米管薄膜2串联与电源的两端连通，形成串联电路；各个手指之间形成并联电路。当手指的关节弯曲时使第一碳纳米管薄膜2拉伸，改变位于该关节两侧的铜箔圆片之间的电阻，从而该相邻两铜箔圆片之间的电位差也改变了，通过采集铜箔圆片的电位，通过处理器反推计算可以得到各个手指关节的弯曲动作，从而得到整个手的手势姿态数据，实现数据手套的自传感效果。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。