CN107006924A - 一种具有fbg编织手指弯曲检测功能的智能手套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，属于光纤传感技术领域。智能手套包括手套本体、聚合物FBG、弹性编织纤维、粘贴点和聚合材料。手套本体材料采用弹性编织纤维，利用编织技术将聚合物FBG和弹性编织纤维混合编织，通过粘结点固定聚合物FBG于手指关节处，聚合物FBG彼此串联，形成FBG级联结构，聚合物FBG侧面抛磨，并涂敷聚合材料，形成光纤光栅一体化结构。当手指发生弯曲时，智能手套手指处编织材料发生形变，聚合物FBG的反射波长发生变化，通过检测聚合物FBG反射波长的变化间接地检测手指弯曲的角度。本发明提出的手指弯曲角度检测结构聚合物FBG具有柔韧性高、灵敏度高和检测结果精确的优点。

Description

一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术领域，尤其涉及一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套。

背景技术

目前智能手套广泛的被提出，其中智能手套中识别手语、打电话和定位等功能不断地被提出。但是，目前被提出的智能手套均依靠电、磁工作，其中传统传感器尤为普遍，传统传感器体积大，影响智能手套的美观，受电磁干扰，灵敏度不高，且手指移动易受限。FBG具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、电绝缘、耐腐蚀等优点，适用于智能手套以及狭小空间的应用。

目前，在人机交互方式中，力反馈数据手套主要通过非接触式的磁阻传感器间接测量手指弯曲角度；北京科技大学设计的数据手套通过FSR(力敏电阻)测量手指弯曲角度；5DT Dataglove、Cyberglove等数据手套采用光纤传感器测量手指的弯曲角度；通过利用正切比较的方法，捕捉手指姿态，分析手指自由度，从而检测手指关节弯曲角度。但是磁阻传感器和力敏电阻易受电磁干扰，且灵敏度比较低，使用范围比较窄；5DT Dataglove是利用光纤中返回光线的强度间接测量手指弯曲程度，但是手指和手套不能完全贴合，不能保证手指弯曲与光纤受力完全同步，Cyberglove等采用的光纤传感器普遍采用多模光纤传感器，模间色散较大，不具备柔性，检测结果不精确；基于正切比较的方法采用视觉图像处理的过程复杂，普遍适用于远程操作，设备比较复杂，操作不方便。

随着光纤光栅的发展，光纤光栅普遍的应用于应变传感器，基于FBG制成的应变传感器具有以下的优点：(1)抗电磁干扰，测量结果更精确；(2)灵敏度高，测量微应变范围大；(3)一根光纤上有多个光纤光栅，实现多点准分布式检测，节约系统成本。但是，目前的光纤光栅应变传感器普遍采用表贴式、管式或者埋入式的封装方式，且不具备柔性功能，易对传感器造成伤害，另外常用FBG的透射光谱率较低，降低了FBG级联结构中光波的透射率。

为解决上述问题，本发明通过编织技术将聚合物FBG与弹性编织纤维混合编织，聚合物FBG利用粘贴点固定于手套本体手指关节处，既保证聚合物FBG与智能手套很好的贴合，又提高手指弯曲角度的检测准确度。本发明采用的聚合物FBG具有低反射率，通过侧边抛磨，增加FBG的柔韧性，提高手指弯曲角度检测的灵敏度。综上所述，本发明提供一种基于编织技术的具有柔性、高灵敏度、可以进行高精度手指弯曲角度检测结构的聚合物FBG。

发明内容

本发明的目的在于针对目前手指弯曲角度检测的方法以及应变传感器不能很好的贴合在手套内部等的不足，设计了一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，该智能手套手指弯曲角度检测结构聚合物FBG具有良好柔性、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，采用编织技术可使聚合物FBG能够很好地和智能手套贴合，进而准确检测手指弯曲角度，为弯曲角度检测提供一种技术途径。

本发明采用的技术方案如下：一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，包括手套本体，聚合物FBG，弹性编织纤维，粘贴点，聚合材料。

所述的手套本体采用弹性编织纤维作为编织材料，通过编织技术将聚合物FBG与弹性编织纤维混合编织，所述手套本体手指关节部位通过粘贴点固定聚合物FBG，制作成智能手套。

所述的聚合物FBG位于所述手套本体手指关节处，聚合物FBG彼此串联，形成FBG级联结构。

所述的聚合物FBG编织过程中光栅敏感区裸露在编织材料外，消除编织时光栅弯曲带来的本征波长漂移。

所述的聚合物FBG采用紫外光相位掩模技术刻写光纤光栅，具有低反射率，反射率为6％。

所述的聚合物FBG侧面抛磨，单侧包层剩余厚度为10-30μm，并涂敷聚合材料，形成光纤光栅一体化结构。

所述的弹性编织纤维是一种具有良好柔韧性的编织材料，便于与聚合物FBG混合编织，作为所述手套本体。

所述的粘贴点采用环氧胶为胶粘剂，分别等距离固定在聚合物FBG两侧。

所述的聚合材料为聚氨酯改性环氧丙烯酸酯，厚度为10μm。

本发明的有益效果是：

1.本发明是一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，该手指弯曲角度检测结构聚合物FBG在光激励下工作，抗电磁干扰能力强。聚合物FBG具有高柔韧性、高传感灵敏度，适用于小型器件和高灵敏度的应变检测。

2.本发明中聚合物FBG为低反射率的聚合物FBG，既保持原有FBG的优点，又提高了FBG的透射率，降低损耗，提高末端光纤光栅的波长漂移解调精度；手指关节处的聚合物FBG侧面抛磨，并涂敷聚合材料，形成光纤光栅一体化结构，有效的提高聚合物FBG的柔韧性，进而有效保护聚合物FBG。

3.本发明采用弹性编织纤维作为编织材料，利用编织技术将弹性编织纤维和聚合物FBG混合编织，使光纤的弯曲等效为手指绕关节的弯曲，弹性编织纤维具有柔韧性和弯曲度，能够很好地保护聚合物FBG；采用编织技术，使得智能手套在保证其柔韧性的前提下提高了其结构强度。因此，利用编织技术制作的智能手套，不仅使聚合物FBG具有良好的弯曲传感灵敏度，也提高了智能手套和手指关节的贴合度，也提高了手指弯曲角度的检测精度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明智能手套的结构示意图。图1中：1为手套本体，2为聚合物FBG，3为弹性编织纤维，4为宽带光源，5为环形器，6为信号检测。

图2为本发明智能手套的局部手指编织结构示意图。图2中：2为聚合物FBG，3为弹性编织纤维，7为粘贴点；

图3为本发明聚合物FBG的侧面抛磨示意图。图3中：8为纤芯，9为包层，10为聚合材料；

图4为本发明的检测原理图。

具体实施方式

图1、图2和图3中，本发明所采用的技术方案：一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，包括：手套本体1，聚合物FBG2，弹性编织纤维3，宽带光源4，环形器5，信号检测6，粘贴点7，纤芯8，包层9，聚合材料10。

所述的手套本体1采用弹性编织纤维作为编织材料，采用编织技术将聚合物FBG与弹性编织纤维进行混合编织，所述手套本体手指关节处通过粘贴点固定聚合物FBG，制作成智能手套，达到弯曲检测的目的。

所述的聚合物FBG2位于所述手套本体手指关节处，所述聚合物FBG彼此串联，形成FBG级联结构，进而提高检测精度。

所述的聚合物FBG2编织过程中光栅敏感区裸露在编织材料外，消除编织过程中光栅弯曲带来的本征波长漂移。

所述的聚合物FBG2由纤芯8，包层9，聚合材料10组成，利用紫外光相位掩模技术刻写光纤光栅，具有低反射率，反射率为6％，所述的聚合物FBG2侧面抛磨，抛磨部位为手指关节处，单侧包层剩余厚度为10-30μm，并涂敷聚合材料，形成光纤光栅一体化结构，增强光纤的柔软性，从而提高应变检测的灵敏度。

所述的弹性编织纤维3是一种具有良好柔韧性的编织材料，便于与所述聚合物FBG混合编织，有效保护所述聚合物FBG，也提高了智能手套的柔软性，从而提高手指弯曲角度的检测精度。

所述的粘结点7采用环氧胶为胶粘剂，室温固化环氧胶，分别等距离固定在所述聚合物FBG的两侧，以防止手指活动时聚合物FBG与手指关节部位发生偏移，保证准确进行应变检测，准确检测手指弯曲角度。

所述的聚合材料10为聚氨酯改性环氧丙烯酸酯，厚度为10μm，通过旋涂工艺将聚合材料均匀涂敷于侧面抛磨光纤两侧，采用紫外光固化，形成局部具有超柔性涂覆层的FBG，从而保护FBG。

图4中，宽带光源与环形器端口1连接，信号检测与环形器端口3连接，环形器端口2与分布式的FBG相连，构成准分布式FBG光纤传感网络，宽带光源信号通过端口1进入环形器，经由端口2进入FBG光纤传感网络，FBG反射波长信号反射进入环形器，通过端口3达到信号检测的目的。

本发明进行手指弯曲角度检测的基本原理：当有待测弯曲发生时，低反射率聚合物FBG就会受到应力而发生形变，光栅周期发生变化，光纤布拉格光栅的反射波长就发生相应变化。当宽带光源发出的光源经环形器进入光纤，入射到分布式FBG传感网络，经过FBG相应波段的光就会被反射，最后由信号检测设备接收，如图4所示。手指弯曲度越大，光纤布拉格光栅受到应变就越大，反射波长就相应越大。通过解调仪解调反射波长与手指弯曲曲率之间的对应关系进而得到手指弯曲角度的大小。

Claims (3)

1.一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，包括：手套本体、聚合物FBG、弹性编织纤维、粘贴点、聚合材料，所述手套本体采用弹性编织纤维制成，所述聚合物FBG通过编织技术与所述弹性编织纤维混合编织，固定于所述手套本体手指关节处，所述聚合物FBG彼此串联，形成FBG级联结构，所述聚合物FBG侧面抛磨并涂敷聚合材料，形成光纤光栅一体化结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，其特征在于，所述聚合物FBG采用紫外光相位掩模技术刻写光纤光栅，具有低反射率，反射率为6％，所述聚合物FBG侧面抛磨，单侧包层剩余厚度为10-30μm，并涂敷所述聚合材料，形成光纤光栅一体化结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有FBG编织手指弯曲检测功能的智能手套，其特征在于，所述聚合材料为聚氨酯改性环氧丙烯酸酯，采用旋涂工艺涂敷于所述聚合物FBG侧面抛磨部位，厚度为10μm。