CN108536301B - 一种基于压力与电刺激转换的触觉手套 - Google Patents

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Abstract

一种基于压力与电刺激转换的触觉手套，属于仿生机械手的远程控制领域，解决了现有机械式触觉手套无法精细地反馈仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息的问题。所述触觉手套：多个压力传感单元的压力敏感元件均匀分布在仿生机械手的表面上。多个电刺激单元均匀分布在手套本体的衬里上。多个压力敏感元件与多个电刺激单元的所在位置一一对应。压力传感单元将其受到的压力转换为电信号，并将该电信号发送至主控单元。主控单元将其接收到的电信号转换为电刺激驱动信号，并将该电刺激驱动信号发送至对应的电刺激单元。电刺激单元根据电刺激驱动信号对外放电。本发明所述的触觉手套特别适用于辅助控制工作在复杂受力环境下的仿生机械手。

Description

一种基于压力与电刺激转换的触觉手套
技术领域
本发明涉及一种触觉手套，属于仿生机械手的远程控制领域。
背景技术
近年来，随着仿生机械技术的兴起，以仿生机械手为首的仿生机械受到了人们前所未有的关注。伴随而来的是，如何实现对仿生机械手的精确远程控制成为仿生机械领域的研究热点与难点。
目前，对于仿生机械手的远程控制来说，控制者主要通过视觉反馈与听觉反馈来调整对仿生机械手的控制。为了进一步提高仿生机械手的控制精度，有研究学者提出将触觉反馈引入到仿生机械手的控制中，并以触觉手套的形式来实现。
当控制者佩戴触觉手套后，能够感知到仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息，并基于这些信息对仿生机械手进行更精确的控制。然而，现有触觉手套的力反馈都是借助机械结构来实现的，如图1所示。这些机械结构的结构复杂，零件繁多，制造难度较大，制造成本高。另一方面，现有的触觉手套因借助机械结构来实现力反馈而无法提供皮肤触觉式的力反馈信息。除此之外，现有机械式触觉手套不仅整体重量较大，而且反馈作用区域的总面积较小，单点反馈作用区域的面积较大，使得控制者无法精细地感知仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息，这也制约了仿生机械手的远程控制精度的提升。
发明内容
本发明为解决现有机械式触觉手套无法精细地反馈仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息的问题，提出了一种基于压力与电刺激转换的触觉手套。
本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套，用于辅助远程控制仿生机械手；
所述触觉手套包括手套本体、多个压力传感单元1、主控单元2和多个电刺激单元3；
压力传感单元1包括压力敏感元件；
多个压力敏感元件均匀分布在仿生机械手的表面上；
多个电刺激单元3均匀分布在手套本体的衬里上；
多个压力敏感元件在仿生机械手表面上的位置与多个电刺激单元3在手套本体衬里上的位置一一对应；
压力传感单元1用于将其受到的压力转换为电信号，并将该电信号发送至主控单元2；
主控单元2用于将其接收到的电信号转换为电刺激驱动信号，并将该电刺激驱动信号发送至对应的电刺激单元3；
电刺激单元3用于根据电刺激驱动信号对外放电。
作为优选的是，主控单元2还包括电刺激过保护子单元；
电刺激过保护子单元用于防止电刺激单元3的放电电压值超出预设的警戒电压值。
作为优选的是，压力传感单元1为微型压力传感器。
作为优选的是，电刺激单元3包括第一微电极4和第二微电极5，第一微电极4与第二微电极5之间的电压为电刺激单元3的放电电压。
作为优选的是，主控单元2采用电极驱动芯片实现。
本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套，通过压力传感单元来感受仿生机械手工作时的受力信息和触觉信息，并将这些信息以电信号的形式发送至主控单元。主控单元将压力传感单元发来的电信号转换为电刺激驱动信号，并将电刺激驱动信号发送至电刺激单元。电刺激单元根据电刺激驱动信号对外放电。电刺激单元的放电电流加载在控制者手部的表皮层，进而使控制者的手部产生类似于受力的感觉。本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套通过以上方式实现点对点的力反馈。
本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套基于压力与电刺激转换的原理，实现仿生机械手与控制者手部之间的力反馈。由于近端反馈的原理差异，本发明的单个电刺激单元的反馈作用面积可以远远小于现有机械式触觉手套的单个近端反馈机构的反馈作用面积。因此，与现有机械式触觉手套相比，本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套的反馈作用区域的总面积更大，单点反馈作用区域的面积更小，使得控制者能够精细地感知仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息，这有助于仿生机械手的远程控制精度的提升。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套进行更详细的描述，其中：
图1为背景技术提及的现有机械式触觉手套的结构示意图；
图2为实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套的原理框图；
图3为实施例提及的电刺激单元的放电示意图，图中，6为第一微电极引线，7为第二微电极引线，8为控制者手部表皮层，9为手套本体衬里；
图4为实施例提及的电刺激单元的放电电压随压力传感单元所受压力的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套进一步说明。
实施例：下面结合图1至图4详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套，用于辅助远程控制仿生机械手；
所述触觉手套包括手套本体、多个压力传感单元1、主控单元2和多个电刺激单元3；
压力传感单元1包括压力敏感元件；
多个压力敏感元件均匀分布在仿生机械手的表面上；
多个电刺激单元3均匀分布在手套本体的衬里上；
多个压力敏感元件在仿生机械手表面上的位置与多个电刺激单元3在手套本体衬里上的位置一一对应；
压力传感单元1用于将其受到的压力转换为电信号，并将该电信号发送至主控单元2；
主控单元2用于将其接收到的电信号转换为电刺激驱动信号，并将该电刺激驱动信号发送至对应的电刺激单元3；
电刺激单元3用于根据电刺激驱动信号对外放电。
本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套基于压力与电刺激转换的原理，在远端通过压力传感单元1感受仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息，并在近端将受力信息与触觉信息以电刺激的形式施加到控制者的手部表皮层，进而使控制者的手部产生类似于受力的感觉。因此，与现有的机械式触觉手套相比，本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套能够提供皮肤触觉式的力反馈信息。
本实施例的主控单元2还包括电刺激过保护子单元，电刺激过保护子单元用于防止电刺激单元3的放电电压值超出预设的警戒电压值。
本实施例通过设置电刺激过保护子单元的方式，来避免因电刺激单元3的放电电压过大而导致控制者手部刺痛情况的发生。
本实施例的压力传感单元1为微型压力传感器，本实施例的电刺激单元3包括第一微电极4和第二微电极5，第一微电极4与第二微电极5之间的电压为电刺激单元3的放电电压。
本实施例的压力传感单元1采用微型压力传感器来实现，如此设置，使得压力传感单元1能够更精细地采集仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息，有助于后续对仿生机械手进行精确控制。
本实施例的电刺激单元3采用双微电极的形式实现。
本实施例的主控单元2采用电极驱动芯片实现。
与现有的机械式触觉手套相比，本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套结构简单，制造难度大幅度降低。
图3为电刺激单元的放电示意图。第一微电极4和第二微电极5分别通过第一微电极引线6和第二微电极引线7与主控单元2相连。
图4为电刺激单元的放电电压随压力传感单元所受压力的变化示意图。如图4所示，当压力传感单元所受压力不超过mN时，电刺激单元的放电电压与压力传感单元所受压力成正比。当压力传感单元所受压力超过mN时，电刺激单元的理论放电电压会使得控制者的手部感到刺痛。这时，由于电刺激过保护子单元的存在，使得电刺激单元的实际放电电压不超过警戒电压值nV，进而对控制者起到了保护作用。
值得一提的是，本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套可以作为独立的辅助系统与现有仿生机械手的控制系统配合工作，也可以以对现有基于手势识别控制的仿生机械手的控制手套进行改进的形式存在。
对于现有基于手势识别控制的仿生机械手及其控制手套的改进：
直接将现有基于手势识别控制的仿生机械手上的多个压力传感器作为多个压力传感单元1，多个压力传感单元1均与仿生机械手控制器相连。将多个电刺激单元3设置在控制手套的衬里上，并均与控制手套控制器相连。仿生机械手控制器用于将压力传感单元1采集到的仿生机械手工作时的受力信息与触觉信息发送至控制手套控制器，控制手套控制器通过电极驱动芯片控制电刺激单元3放电，进而将仿生机械手的受力信息与触觉信息实时反馈到控制者的手部。此时，控制者通过佩戴的控制手套来对远端的仿生机械手进行更精确的控制。
本实施例所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套不仅可以用于辅助远程控制仿生机械手，还可以应用于虚拟现实系统，为使用者提供触觉的感官模拟。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于压力与电刺激转换的触觉手套，所述触觉手套用于辅助远程控制仿生机械手；
其特征在于，所述触觉手套包括手套本体、多个压力传感单元(1)、主控单元(2)和多个电刺激单元(3)；
压力传感单元(1)包括压力敏感元件；
多个压力敏感元件均匀分布在仿生机械手的表面上；
多个电刺激单元(3)均匀分布在手套本体的衬里上；
多个压力敏感元件在仿生机械手表面上的位置与多个电刺激单元(3)在手套本体衬里上的位置一一对应；
压力传感单元(1)用于将其受到的压力转换为电信号，并将该电信号发送至主控单元(2)；
主控单元(2)用于将其接收到的电信号转换为电刺激驱动信号，并将该电刺激驱动信号发送至对应的电刺激单元(3)；
电刺激单元(3)用于根据电刺激驱动信号对外放电；
所述电刺激单元(3)的放电电流加载在控制者手部的表皮层，使控制者的手部产生受力的感觉；
主控单元(2)还包括电刺激过保护子单元；
电刺激过保护子单元用于防止电刺激单元(3)的放电电压值超出预设的警戒电压值；
电刺激单元(3)包括第一微电极(4)和第二微电极(5)，第一微电极(4)与第二微电极(5)之间的电压为电刺激单元(3)的放电电压。
2.如权利要求1所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套，其特征在于，压力传感单元(1)为微型压力传感器。
3.如权利要求2所述的基于压力与电刺激转换的触觉手套，其特征在于，主控单元(2)采用电极驱动芯片实现。
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