CN109431765A - 一种fbg传感的柔性自适应按摩手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FBG传感的柔性自适应按摩手，包括多个软体手指结构，所述软体手指结构分别连接至手掌基座，其中一个软体手指结构通过旋转结构连接至手掌基座；所述软体手指结构内部植入FBG传感器，用于对手指弯曲程度及按摩力度进行感知并将信号传输至控制器，所述控制器控制气动装置继而实现充入软体手指结构中气压大小的调节。手指内部植入FBG传感器，能对手指弯曲程度及按摩力度进行感知与反馈，提高了安全性和精度。大拇指和手掌连接处为手动旋转转轴，可以调整大拇指的位置，从而实现了按压、推揉、抓捏三个标准按摩手法，对实现安全可靠的机器按摩具有重要意义。

Description

一种FBG传感的柔性自适应按摩手

技术领域

本公开涉及仿生软体机器人与理疗按摩器具技术领域，特别是涉及一种FBG传感的柔性自适应按摩手。

背景技术

中医按摩推拿在我国有着悠久的历史，它能够疏通经络，促进血液循环、淋巴循环以及各组织间的代谢，使各组织、器官功能更为协调，提高人体的新陈代谢机能，达到治疗疾病的目的。但是人工按摩成本高，劳动强度大，并且按摩效果与按摩师的经验水平有关，甚至存在着安全隐患。因此，设计一种安全舒适的按摩手，已经成为临床迫切需求。

关于仿生机器按摩手的研究发明已经有很多。如山东建筑大学的LLR--1型中医按摩理疗机器人，能够实现临床常见的按法、揉法、滚法、击法、捏法等传统中医按摩手法，但柔性较差。此外还有连云港职业技术学院设计了一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手，通过气动变胞机构实现了柔性按摩，但是在按摩时缺乏对按摩手的主动感知手段。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种FBG传感的柔性自适应按摩手，采用气动软体手指结构，按摩时实现了柔性及舒适性。

一种FBG传感的柔性自适应按摩手，包括多个软体手指结构，所述软体手指结构分别连接至手掌基座，其中一个软体手指结构通过旋转结构连接至手掌基座；

所述软体手指结构内部植入FBG传感器，用于对手指弯曲程度及按摩力度进行感知并将信号传输至控制器，所述控制器控制气动装置继而实现充入软体手指结构中气压大小的调节。

进一步的技术方案，所述软体手指结构包括不可延展层，所述不可延展层上设置有可延展层，所述FBG传感器包括光纤，所述不可延展层与可延展层之间布设有光纤，所述可延展层内部包括若干个相通的气室，所述气室与导气管相连。

进一步的技术方案，每个软体手指结构内部均布设有光纤，光纤包括多个光栅，软体手指结构从顶部至靠近手掌基座的位置依次设置有光栅。

进一步的技术方案，位于软体手指结构顶部的光栅用于测量感知的接触力，其余的光栅用于测量软体手指的弯曲程度。

进一步的技术方案，测量软体手指的弯曲程度时，通过不同光栅测量的不同感知点各自的曲率结合插值算法实现重构，得到一条完整的形状曲线，因此可用F(ρ1，ρ2，ρ3)表示；各感知点曲率大小与波长变化量成正比，各感知点曲率大小反馈至软体手气动装置控制器，气动装置控制器通过调节气室气压来调整软体手指的弯曲程度。

进一步的技术方案，所述光纤表面涂覆胶水，将光纤粘贴到软体手指内侧的不可延展层与可延展层之间，其中，不可延展层刻有槽，用于光纤敷设。

一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制系统，包括控制器，所述控制器通过气动装置连接至自适应按摩手。

一种应用，所述一种FBG传感的柔性自适应按摩手应用至按摩系统。

一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制方法，包括：

光栅的测量信号传输至控制器，控制器根据光栅弯曲造成的偏移量，通过插值算法，将光栅各自曲率进行重构，形成整个手指的形状重构，在指尖处，光纤的走向为横线，即与手指垂直，根据按摩力造成的波长偏移量得出按摩接触力；

控制器通过调节气室气压继而调节软体手指结构中气压的大小。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本申请按摩手指采用气动软体手指结构，实现了柔性及舒适性。手指内部植入FBG传感器，能对手指弯曲程度及按摩力度进行感知与反馈，提高了安全性和精度。大拇指和手掌连接处为手动旋转转轴，可以调整大拇指的位置，从而实现了按压、推揉、抓捏三个标准按摩手法，对实现安全可靠的机器按摩具有重要意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例子气动手指结构示意图；

图2为本申请实施例子按摩手整体结构示意图；

图3(a)-图3(b)本申请实施例子光纤敷设位置示意图；

图中，1.光纤；2.光栅；3.气动软体手指；4.手动旋转轴；5.手掌基座，6.气室，7.导气管，8.不可延展层，9.可延展层，

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请所提供的一种实施例子中，如图2所示，公开了一种FBG传感的柔性自适应按摩手，由气动软体手指3和刚性手掌基座5组成，代表大拇指的气动软体手指通过手动旋转轴4连接至手掌基座5，气动软体手指主要由弹性硅胶制成，具有柔性及自适应性，内部植入FBG传感器，可对按摩过程中的接触力及弯曲幅度大小进行检测并不断调整到最优状态，提高了按摩的舒适性及安全性。

在具体实施时，根据检测到的接触力及弯曲从而进行调整。由于软体手采用气动驱动方式，因此可以通过调节内部充气气压来调整接触力和弯曲程度，根据内部植入的光纤光栅，可以确定按摩过程中的按压力，最优状态要根据中医按摩经验力度来对应，不同的人也有不同的按摩力度，此处可以根据需要具体设定。

如图1所示，软体手指可延展层9通过3D打印模具然后液态硅胶浇筑得到。手指内部含有多个气室6，再结合不可延展层8，通过气动装置控制充气弯曲。每个手指内有一根光纤1，上面有四个光栅2，每个光栅中心波长不同，通过波分复用技术减少了光纤数量并提高效率。前三个用于光栅弯曲形状重构，位于指尖处的光栅用于按摩时的接触力检测。在大拇指与手掌(基座)连接处有一个可手动调整的转轴，便于调整大拇指的位置，结合气动装置控制手指弯曲，从而实现抓捏、按压、推揉三个按摩动作。

其中，可延展层内部即为一个个气室，可延展层本身是一个封闭整体结构(类似气球，充气变形)，下部粘贴着不可延展层，不可延展层不易拉伸但易弯曲，因此充气后带着可延展层整体弯曲。

每根手指内部有一根光纤，每根光纤有四个光栅，相对位置如图2所示。五个手指具有相同的结构，故不再赘述。手掌基座除了对五个手指进行支撑外，内部留有导气管及光纤的通道，便于气体和光信号的传导。手掌上的旋转转轴是为了能够调整大拇指的位置从而实现按压、抓捏、推揉三个动作。在按摩时，根据前三个光栅受弯曲造成的波长变化大小，确定弯曲程度；第四个光栅用于接触力感知，从而保证合适的按摩力度。因此内部的传感器可形成闭环反馈，便于调整按摩力度的大小。同时其柔性以及自适应性可提高舒适度以及安全性。

在具体实施时，通道是指手掌基座内部的留出的空圆柱体空腔，方便导气管及光纤从中间穿过，导气管跟光纤是并排走线的。

弯曲程度可用三个感知点各自的曲率结合插值算法等实现重构，得到一条完整的形状曲线，因此可用F(ρ1，ρ2，ρ3)表示，各感知点曲率大小与波长变化量成正比，具体系数跟光栅、制作材料都有关，反馈至软体手气动装置控制器，通过调节气室气压来调整，控制对象是软体手本身。

整个气动软体手指具有很好的柔性及自适应性，因此考虑到使用五个手指结合手掌基座制成按摩手，提高舒适性及安全性。由于该手指由气动方式驱动，存在很大的非线性，难以精确控制，因此采用柔性好、直径细的光纤作为内部的传感器。

现有技术中布置在垫子上的传感器主要是进行压力感知，其它机构为刚性。而本按摩手为了实现更舒适安全以及自适应的特点，采用非线性度较高的气动驱动，因此采用光纤进行手指弯曲幅度的测量以及接触压力的测量形成闭环反馈，与仅仅测量接触力的设计不同。

本实施例子中针对光纤进行封装和保护，防止使用过程中光纤拉断损坏。封装主要是将胶水涂覆在光纤表面，起到保护和固定的作用，将光纤粘贴到软体手指内侧(朝向掌心那一侧，远离手背那侧)的不可延展层与可延展层之间，不可延展层需提前刻出一道槽方便光纤敷设，见附图3(a)-图3(b)所示。

光纤的位置为软体手内侧不可延伸层与软体手指之间夹层处，不可延伸层一般为高分子聚合材料，可弯曲不易拉伸，从而使软体手指充气时朝着内侧弯曲。由于最后的指尖位置需要检测接触力，因此光纤在末端会有方向调整。

手动旋转轴的设置，是为了调整手指位置以实现不同的按摩手法，否则一个手型难以实现多种按摩手法。

每根光纤上刻有四个光栅(即敏感元件，对应变敏感)，前三个位于手指处，用于弯曲检测，最后一个位于指尖处，对按摩过程中的接触力进行测量。信号处理步骤如下：

光栅对于自身的应变敏感，其中心波长偏移量Δλ与应变成正比。因此，当手指弯曲时，其中心波长会偏移，且弯曲程度越大，偏移量越大。由于传感器本身分布是有间隔的不连续的，因此，通过标定之后，可以得出弯曲曲率与波长偏移的关系，然后根据三个弯曲造成的偏移量，通过插值算法，将各自曲率重构的结果连起来，形成整个手指的形状重构。在指尖处，光纤的走向为横线，即与手指垂直，根据按摩力造成的波长偏移量得出按摩接触力，形成整个反馈。一根光纤上刻有多个光栅，但是在初始的中心波长上是分开的，因此可以区分是检测弯曲的还是检测压力的，以及弯曲检测的是位于哪个部位的。

光栅有初始中心波长，例如三个光栅初始中心波长分别1546nm,1550nm,1554nm,而波长变化范围为0-3nm,这三个栅区可以串到一根光纤上，各自返回的中心波长都能被读出，根据安装时光栅的位置及波长就可以确定检测部位(例如初始1550nm的光栅，变化后波长范围应为1550-1553，然后粘贴光纤时确定这个光栅位于手指的具体位置，因此可以确定数据与位置的关系。

通过以上一套系统，形成了柔性、自适应性的闭环反馈软体按摩手，提高按摩的安全性和舒适性。

自适应主要是通过手指的柔性体现的。当按摩力度过大时，由于气动驱动结合手指本身的柔性，可以自适应变形，比刚性手指安全很多。

本公开的另一实施例子，公开了一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制系统，包括控制器，所述控制器通过气动装置连接至上述自适应按摩手。

本公开的再一实施例子，一种应用，所述一种FBG传感的柔性自适应按摩手应用至按摩系统。

本公开的另一实施例子，一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制方法，包括：

光栅的测量信号传输至控制器，控制器根据光栅弯曲造成的偏移量，通过插值算法，将光栅各自曲率进行重构，形成整个手指的形状重构，在指尖处，光纤的走向为横线，即与手指垂直，根据按摩力造成的波长偏移量得出按摩接触力；

控制器通过调节气室气压继而调节软体手指结构中气压的大小。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，包括多个软体手指结构，所述软体手指结构分别连接至手掌基座，其中一个软体手指结构通过旋转结构连接至手掌基座；

所述软体手指结构内部植入FBG传感器，用于对手指弯曲程度及按摩力度进行感知并将信号传输至控制器，所述控制器控制气动装置继而实现充入软体手指结构中气压大小的调节。

2.如权利要求1所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，所述软体手指结构包括不可延展层，所述不可延展层上设置有可延展层，所述FBG传感器包括光纤，所述不可延展层与可延展层之间布设有光纤，所述可延展层内部包括若干个相通的气室，所述气室与导气管相连。

3.如权利要求1所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，每个软体手指结构内部均布设有光纤，光纤包括多个光栅，软体手指结构从顶部至靠近手掌基座的位置依次设置有光栅。

4.如权利要求1所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，位于软体手指结构顶部的光栅用于测量感知的接触力，其余的光栅用于测量软体手指的弯曲程度。

5.如权利要求1所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，测量软体手指的弯曲程度时，通过不同光栅测量的不同感知点各自的曲率结合插值算法实现重构，得到一条完整的形状曲线，因此可用F(ρ1，ρ2，ρ3)表示；各感知点曲率大小与波长变化量成正比，各感知点曲率大小反馈至软体手气动装置控制器，气动装置控制器通过调节气室气压来调整软体手指的弯曲程度。

6.如权利要求1所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手，其特征是，所述光纤表面涂覆胶水，将光纤粘贴到软体手指内侧的不可延展层与可延展层之间，其中，不可延展层刻有槽，用于光纤敷设。

7.基于权利要求1-6任一所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制系统，其特征是，包括控制器，所述控制器通过气动装置连接至自适应按摩手。

8.一种应用，其特征是，权利要求1-6任一所述的一种FBG传感的柔性自适应按摩手应用至按摩系统。

9.一种FBG传感的柔性自适应按摩手的控制方法，其特征是，包括：

光栅的测量信号传输至控制器，控制器根据光栅弯曲造成的偏移量，通过插值算法，将光栅各自曲率进行重构，形成整个手指的形状重构，在指尖处，光纤的走向为横线，即与手指垂直，根据按摩力造成的波长偏移量得出按摩接触力；

控制器通过调节气室气压继而调节软体手指结构中气压的大小。