CN111467781A - 一种基于多感知系统的电容式触觉手柄及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于多感知系统的电容式触觉手柄及其制作方法，包括圆柱形手柄主体、包裹在手柄主体外表面的电容阵列柔性压力传感器，所述手柄主体外表面沿手柄主体长度方向开设有缝隙，将在缝隙周围的手柄主体内部的区域部分掏空，缝隙与内部掏空区域联通，用于放置固定在柔性压力传感器上的连接线；在手柄主体的顶端装有用于检测人手抓握时沿手柄竖直方向的受力情况的拉压力传感器，手柄主体内部掏空区域内安装有惯性测量装置IMU。该触觉手柄配备有三种传感器，抓握时不仅可以对手掌不同区域受力状态进行实时感知，而且还可以将手部运动状态动态更新，从而全方位感知操作者意图。

Description

一种基于多感知系统的电容式触觉手柄及其制作方法

技术领域

本发明涉及压力检测、医疗康复和人机协作等领域，具体是一种基于多感知系统的电容式触觉手柄及其制作方法。

背景技术

智能机器人技术的快速发展使其逐渐应用在除传统工业与制造业的其他领域中，人机协作应用场景愈发广泛。针对具有精确触觉感知以及完善触觉反馈系统的人来说，研究其抓握的触觉体系将是对人机交互中意图感知的一项重要补充和完善。目前抓握的载体主要是六维力传感器，但是价格昂贵，普遍几千上万元，而且所获取的抓握姿态与相关信息欠缺，因此，迫切需要一种制作简易，价格低廉，高精度的装置来感知人手的抓握姿态与运动趋势，充分展现人机协作中操作者的意图。

申请公布号为CN 110531863 A的专利提出了一种基于超级电容感知原理的柔性触觉手套，运用阵列式电容原理来感知整个手掌和手指的压力分布。该触觉手套需要操作人员进行穿戴使用，并不便捷；手套没有固定的载体，使用过程中容易产生穿戴操作不当损坏电容单元的问题；单一产品不能很好的适应手形大小不同的使用者，进而不能完好的与手掌各个区域贴合，易出现采集数据缺乏丢失等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种基于多感知系统的电容式触觉手柄。该触觉手柄表面包裹有电容式柔性压力传感器，采用阵列式电容原理，并且配备有拉压力传感器与惯性测量装置IMU，抓握时不仅可以对手掌不同区域受力状态进行实时感知，而且还可以将手部运动状态动态更新，从而全方位感知操作者意图。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：

一种基于多感知系统的电容式触觉手柄，包括圆柱形手柄主体、包裹在手柄主体外表面的电容阵列柔性压力传感器，其特征在于，所述手柄主体外表面沿手柄主体长度方向开设有缝隙，将在缝隙周围的手柄主体内部区域部分掏空，缝隙与内部掏空区域联通，用于放置固定在柔性压力传感器上的连接线；在手柄主体的顶端装有用于检测人手抓握时沿手柄竖直方向的受力情况的拉压力传感器，手柄主体内部掏空区域内安装有惯性测量装置IMU，惯性测量装置IMU用于实时检测与反映操作者抓握触觉手柄过程中手柄主体的运动状态，在三维空间中的角速度和加速度；

拉压力传感器、惯性测量装置IMU、柔性压力传感器均与信号采集装置相连接，通过无线传输装置与上位机连接完成通讯。

本发明还保护一种基于多感知系统的电容式触觉手柄的制作方法，该方法的步骤是：

(1)电极层的制作

将纯棉斜纹布裁剪成大小合适的布块，并且熨烫平整，将其放置并固定在丝印台上，已经定制好的丝网印版置于斜纹布上方并与斜纹布间隔高度1.5-2.5cm，在丝网印版上倒入含银量为60％的石墨烯导电银浆，用刮板刮至导电银浆覆盖整个图案，重复该步骤2-3次，抬起丝网印版，取下已经印刷好的布块放入工业用烤箱，直至导电银浆变干取出；用万用表测量导电性能，单条电极电阻值在3-3.2欧，且任意两条电极的电阻值差值不超过0.2欧；分别获得上下电极层；

(2)传感器接线

选取上下两电极层所有平行电极的一端，沿相邻电极之间的间隙将纯棉斜纹布裁剪出合适的长度，采用铜片压紧的方式对电极与导线进行固定，并对连接处做绝缘处理；

(3)手柄封装

将上、下两电极层的的电极相互垂直放置，采用聚氨酯海绵作为中间介电层10；外部封装屏蔽层8选用醋酸乙烯共聚物单面海绵胶带，选用无尘布作为缓冲层12，然后整个包裹在打印好的柱状手柄主体13上，线路部分沿手柄主体的缝隙集中放置在手柄主体内部掏空区域中，在手柄主体13内部下方位置放置惯性测量装置IMU3；手柄主体13顶端安装拉压力传感器；

(4)传感器标定

采用触觉传感器标定实验平台对封装好的手柄进行标定实验，采用机器自动加压的方式，对传感单元在0-60N范围内实施连续性加载；在传感器上均匀随机选择十多个不同位置的传感单元进行了压力加载实验，并对测得的这十多个不同位置的传感单元的相应加载实验数值点进行拟合，确保上下电极层构成的电容单元的一致性特征良好。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、手柄外侧留有缝隙，与内部掏空区域相连，用于放置固定在柔性压力传感器上的连接线，最大程度保障了外部柔性压力传感器包裹的密闭性与连续性，缝隙非常小，外部传感器包裹时首尾相接就能实现紧密与连续性，线全部放到内部，从下面引出来，不影响抓握，满足了操作者从不同角度、方位任意抓握的需求。

2、柔性传感器的电极层由含银量为60％的石墨烯导电银浆作为印刷材料，电阻更小，采用丝网印刷的方式印刷在纯棉斜纹布上而成，使得每条电极的宽度和两条电极之间的间隙得以保证，电容单元之间的间隙较小，电容单元分布更加密集，提高了分辨率，总体上提升了传感器的精度。将石墨烯导电银浆印刷于纯棉斜纹布上，整体轻便，且由于银浆具有渗透性，使得电极不易脱落，结构稳定，提高了传感器的柔性与使用寿命。

3、采用圆柱形手柄外表面包裹柔性传感器的方式，便于人手抓握，适应于具有不同抓握习惯与抓握方式的操作者(如左手抓握与右手抓握)；抓握时整个手掌表面与触觉手柄外侧面之间接触更为充分，由于是圆柱外面包裹，抓握时手部关节与手柄之间接触更充分，比其他那些平铺的柔性传感器人手按上去效果要好，能够完整采集出整个人手的整体抓握信息与手掌各个部分之间的受力分布。

4、本发明制作方法中在电极层的制作方面，柔性触觉传感器的电极层制作采用了丝网印刷的方式，28条电极均匀分布，保证了电极的宽度和相邻两电极的间隙，电容单元密集且均匀，进而提高了传感器的精度。其次，印刷材料选用了含银量为60％的石墨烯导电银浆，电阻较小，有效提高了导电性能。最后，电极层的基底选用了纯棉斜纹布，整体轻便，成本较低；由于纯棉这种纤维织物具有渗透性，使得电极附着性较好，结构稳定，提高了传感器的柔性与使用寿命。

本发明制作方法主要是对电极层的改进，将导电银浆印刷在纯棉斜纹布上来制作电极层，由于纯棉斜纹布具有疏松多孔的特点，导电银浆可以渗透到布的缝隙当中，干燥后与纯棉斜纹布形成一个整体，每条电极导电效果不受影响(阻值并不大)，电极层使用过程中(会产生摩擦)不易损坏，大角度弯曲甚至折叠后每条电极不会断裂。本发明一改常规用胶质材料作为基底，在基底的选取方面通过大量实验后评估效果确定的使用纯棉斜纹布，对于纹理比较细密，厚度比较薄的布(1mm左右)银浆不易渗透，电极使用过程中仍会产生断裂的现象；对于孔隙较大，表面比较粗糙，厚度相对较厚(3mm左右)的布，会产生银浆分布不匀的现象，每条电极的电阻阻值不能保证。克服了现有技术中普遍使用导电胶带手工贴制而导致的电极之间间隙不能保证，精度不足，且传感器包裹时导电胶带容易产生褶皱，柔性较差，电信号引出时导线置于手柄外表面，阵列传感器无法实现对整个手柄的包裹，导致手柄部分区域抓握时采集不到抓握数据，限制了操作者抓握方位与抓握姿态等问题。

5、本发明触觉手柄上搭载了拉压力传感器、惯性测量装置IMU构成一个多元传感体系，手柄主体外表面的柔性阵列传感器和拉压力传感器主要负责检测操作者的控制意图，引导机器人运动，IMU实时反馈机器当前的运动状态，包括速度加速度和位置信息，为操作者和机器提供反馈，且拉压力传感器和惯性IMU比较便宜，平均也就几百多，可以显著降低手柄成本，又可以更加全面而充分的感知操作者的意图，弥补了传统触觉感知设备的感知源单一的缺陷，对上位机采集的数据进行处理，从人手的抓握姿态扩展到了整个手臂的姿态意图，是一个多感知系统的触觉传感器。

6、触觉手柄制作工艺简单，造价低廉，适应于手形尺寸不同的人群使用，具有推广价值。

附图说明

图1为本发明基于多感知系统的电容式触觉手柄一种实施例的控制结构示意图。

图2为本发明基于多感知系统的电容式触觉手柄一种实施例的整体结构示意图。

图3为本发明一种实施例的电容阵列柔性压力传感器的结构示意图。

图4为本发明一种实施例的上电极板结构示意图。

图5为本发明一种实施例的下电极板结构示意图。

图6为本发明一种实施例的人手紧抓握触觉手柄压力分布图。

图7是本发明一种实施例的触觉传感器单个电容性能曲线图。

图8是本发明一种实施例的触觉传感电容单元一致性曲线图。

图中：1、拉压力传感器；2、电容阵列柔性压力传感器；3、惯性测量装置IMU；4、信号采集装置；5、无线传输装置；6、上位机；7、触觉手柄与机器连接装置；8、外部封装屏蔽层；9上电极层；10介电层；11、下电极层；12、缓冲层；13、手柄主体；14、带状电极。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。

本发明提供了一种基于多感知系统的电容式触觉手柄(简称触觉手柄，参见图2)，包括手柄主体13、拉压力传感器1、电容阵列柔性压力传感器2、惯性测量装置3、信号采集装置4、无线传输装置5、上位机6；所述电容阵列柔性压力传感器2包裹于手柄主体13外表面，拉压力传感器1与惯性测量装置3分别固定于手柄主体13上端与内部；整个触觉手柄(即电容阵列柔性压力传感器、拉压力传感器1与惯性测量装置IMU3)与信号采集装置4相连接，通过无线传输装置5与上位机6完成数据通讯，将数据传递到上位机6中，并通过上位机6的显示器实时得到人手抓握压力分布图像。

所述手柄主体13是用PLA材料3D打印成型的柱状手柄，圆柱直径为46mm，适应于绝大部分手形的操作者抓握，外表面边缘开有2mm缝隙，内部部分区域掏空，缝隙与内部掏空区域联通，用于放置固定在电容阵列柔性压力传感器2上的连接线；电容阵列柔性压力传感器2由五层平面结构堆叠而成，由外至内分别为外部封装屏蔽层8、上电极层9、介电层10、下电极层11和缓冲层12：上电极层9和下电极层11分别有A和B条带状平行且具有一定间隔的电极，其中上、下电极层根据尺寸需要定制合适的丝印网版，采用丝网印刷的方式完成对电极层的制备，每条电极的宽度与相邻电极的间隔得以保障，上电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1mm，下电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1.1mm，手柄直径46mm，能实现完整包裹；上下两个电极层在空间中呈垂直状态分布，形成阵列结构，构成A×B个电容单元，每个电容单元都是一个小的电容传感器；带状电极14采用含银量为60％的石墨烯导电银浆作为原材料印刷在纯棉斜纹布上，石墨烯导电银浆具有良好的导电性，常用含银量有40％与60％两种，考虑到银浆的导电特性，选择含银量60％的银浆作为印刷材料，纯棉斜纹布具有一定的厚度利于银浆的渗透，柔性较好，故选择为印刷电极的基底材料，每条电极的阻值为3-3.2欧，制作时将斜纹布平铺到丝印台上，四周用胶带固定，丝网印版置于斜纹布上方并与斜纹布间隔高度2cm左右，印刷次数为2-3次，次数太少银浆覆盖不全面，次数太多可能会使多余银浆扩散使得相邻两条电极之间接触短路；每条电极都通过导线连接至信号采集装置4；所述连接过程中的具体操作为：选取印刷好的电极一端，沿相邻电极之间的间隙将纯棉斜纹布边缘裁剪出一定长度，注意不要破坏电极，采用铜片压紧的方式对电极与导线进行固定，并对连接处做绝缘处理，保证相邻电极之间的绝缘性；

外部封装屏蔽层8采用厚度为0.5mm的EVA海绵胶带；缓冲层采用聚酯纤维编制而成的无尘布；介电层10采用弹性好，恢复能力强的聚氨酯海绵，厚度为3mm；手柄主体13上端装有拉压力传感器1，与信号采集装置4相连接，可以检测人手抓握时沿手柄竖直方向的受力情况；手柄主体13的内部下端装有惯性测量装置IMU3，包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态，与信号采集装置4相连接，用于实时检测与反映操作者抓握触觉手柄过程中手柄的运动状态与趋势，进而可以通过人体模型反解出人体手臂的姿态，后期根据操作的实际情况可规划出操作者操作机械的安全区域；拉压力传感器1上端连接有触觉手柄与机器连接装置7，可以完成与工作机器末端执行机构的连接；

所述信号采集装置4是一块数据采集卡，主要包括：低通放大模块、AD多路通道采集模块、MCU微控制器、DA多路通道输出模块和通信模块；所涉及的模块可直接采用现有技术实现，IMU采用LPMS-ME1型号，拉压力传感器可用HYLY-019型号。

所述无线传输装置5为蓝牙模块和/或无线传输模块，与信号采集装置4和上位机6连接。

本发明的工作原理和工作流程是：操作者抓握手柄的运动过程中，包裹在手柄主体外表面的电容阵列柔性压力传感器的电容单元受到外界压力的作用产生电容变化，进而引起串联电阻两端电压的变化；手柄上端拉压力传感器受到力的作用，使拉压传感器内部的电阻发生改变，电信号随之改变；惯性测量装置IMU随着手柄的运动产生位置和速度的变化，借助内置的加速度传感器和陀螺仪产生相应的电信号；三者连接数据采集卡，通过无线传输装置将采集到的数据实时传入上位机。上位机收集到电信号的变化数值，经过数据处理(所用的采集卡采集到的数据形式是16进制的数据，再经过上位机转成10进制，然后将数据按照采集频率进行分组存储，最后可视化得到图像)可以显示出人手在不同姿态下抓握的压力分布图像，拉压力传感器的受力变化曲线以及IMU测量到的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率，通过上位机解算可获得触觉手柄的姿态、速度和位移等信息。

图6为人手在紧抓握触觉手柄状态下的压力分布，图中左半部分是四指区域，四指明显的区分开来，右半部分是拇指与大鱼际区域，中间下半部分是小鱼际区域，三个区域所夹的空白区域是手掌中心区域；手掌中心区域与四指区域的准确检测为特征区域的定位、实现不同方向的抓握以及对后期智能算法学习准确率的提高有了很大的帮助，说明本申请制备的手柄检测精度更高，效果更好。

图7加载压力和电容示数在一定范围内呈现出正比例关系，表明传感器具有良好的机械重复性能图，在加载力比较小(0-10N)时，图像线性程度有了一定提升。图8在电容柔性阵列传感器上均匀随机选择了10个不同位置的电容单元进行了压力加载实验，并对测得的这10个不同位置的电容单元的压力加载实验数据进行拟合，拟合曲线参见图8中的黑线，曲线趋于平稳，图像中各条曲线间的间隙更小，触觉传感器电容单元的一致性特征相对良好。

实施例1，触觉手柄可以感知操作者的操作意图，实现人机交互，手柄主体13是用PLA材料3D打印成型的柱状手柄，圆柱直径为46mm，适应于绝大部分手形的操作者抓握，外表面边缘开有2mm缝隙，内部部分区域掏空，缝隙与掏空区域联通，用于放置固定在电容阵列柔性压力传感器2上的连接线；电容阵列柔性压力传感器2由五层平面结构堆叠而成，由外至内分别为外部封装屏蔽层8、上电极层9、介电层10、下电极层11和缓冲层12：上电极层9和下电极层11分别有28和28条带状平行且具有一定间隔的电极，其中上、下电极层根据尺寸需要定制合适的丝印网版，采用丝网印刷的方式完成对电极层的制备，上电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1mm，下电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1.1mm；上下两个电极层在空间中呈垂直状态分布，形成阵列结构，构成28×28个电容单元，每个电容单元都是一个小的电容传感器；带状电极14采用含银量为60％的石墨烯导电银浆作为材料印刷在纯棉斜纹布(厚度为0.2mm)上，每条电极的阻值为3-3.2欧；；每条电极都通过导线连接至信号采集装置4；所述连接过程中的具体操作为：选取印刷好的电极一端，沿相邻电极之间的间隙将纯棉斜纹布边缘裁剪出1-2cm左右的长度，注意不要破坏电极，采用铜片压紧的方式对电极与导线进行固定，并对连接处做绝缘处理，如用绝缘胶带包裹住铜片外表面，保证相邻电极之间的绝缘性；保证相邻电极之间的绝缘性；外部封装屏蔽层8采用厚度为0.5mm的EVA海绵胶带；缓冲层采用聚酯纤维编制而成的无尘布；介电层10采用聚氨酯海绵，厚度为3mm；手柄主体13上端装有拉压力传感器1，手柄主体13的内部下端装有惯性测量装置IMU3，包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，2个传感器与信号采集装置4相连接，通过无线传输装置将采集到的数据实时传入上位机，上位机收集到电信号的变化数值，经过数据处理可以显示出人手在不同姿态下抓握的压力分布图像，拉压力传感器的受力变化曲线以及IMU测量到的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率；拉压力传感器1上端连接有触觉手柄与机器连接装置7，可以连接到机器执行机构末端(例如机械臂末端)。

当操作者使用触觉手柄作业时，手柄主体外部包裹的电容柔性阵列传感器可以检测出人手在不同姿态下抓握的压力分布图像，通过图像处理的手段可以区分人手的抓握姿态，拉压力传感器可以检测到沿手柄竖直方向的受力变化趋势，IMU测量到手柄的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率，通过解算可获得手柄的姿态、速度和位移等信息，进而可以通过人体模型反解出人体手臂的姿态，后期根据操作的实际情况可规划出操作者操作机械的安全区域；综合人手抓握姿态、手柄竖直方向的受力变化以及人体手臂姿态与运动趋势，可以全面感知操作者的意图信息，进而高效、准确、安全的完成不同场景下的机械作业，提高人机交互水平。

实施例2，触觉手柄可以帮助患有手部疾病患者进行康复训练与恢复评估，手柄主体13是用PLA材料3D打印成型的柱状手柄，圆柱直径为46mm，适应于绝大部分手形的操作者抓握，外表面边缘开有2mm缝隙，内部部分区域掏空，缝隙与掏空区域联通，用于放置固定在电容阵列柔性压力传感器2上的连接线；电容阵列柔性压力传感器2由五层平面结构堆叠而成，由外至内分别为外部封装屏蔽层8、上电极层9、介电层10、下电极层11和缓冲层12：上电极层9和下电极层11分别有28和28条带状平行且具有一定间隔的电极，其中上、下电极层根据尺寸需要定制合适的丝印网版，采用丝网印刷的方式完成对电极层的制备，上电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1mm，下电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1.1mm；上下两个电极层在空间中呈垂直状态分布，形成阵列结构，构成28×28个电容单元，每个电容单元都是一个小的电容传感器；带状电极14采用含银量为60％的石墨烯导电银浆作为材料印刷在纯棉斜纹布(纯棉斜纹布规格：C40X40130X702/1)上，每条电极的阻值为3-3.2欧；；每条电极都通过导线连接至信号采集装置4；所述连接过程中的具体操作为：选取印刷好的电极一端，沿相邻电极之间的间隙将纯棉斜纹布边缘裁剪出1.5cm的长度，注意不要破坏电极，采用铜片压紧的方式对电极与导线进行固定，并对连接处做绝缘处理，保证相邻电极之间的绝缘性；保证相邻电极之间的绝缘性；外部封装屏蔽层8采用厚度为0.5mm的EVA海绵胶带；缓冲层采用聚酯纤维编制而成的无尘布；介电层10采用聚氨酯海绵，厚度为3mm；手柄主体13上端装有拉压力传感器1，手柄主体13的内部下端装有惯性测量装置IMU3，包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，3个传感器与信号采集装置4相连接，通过无线传输装置将采集到的数据实时传入上位机，上位机收集到电信号的变化数值，经过数据处理可以显示出人手在不同姿态下抓握的压力分布图像，拉压力传感器的受力变化曲线以及IMU测量到的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率；拉压力传感器1上端连接有触觉手柄与机器连接装置7，可以连接到一个活动机构。

首先可以采集多组正常人手抓握下3个传感器所获取的数据，制作成数据集。当患者使用触觉手柄作恢复训练时，手柄主体外部包裹的柔性阵列传感器可以检测出患者在不同姿态下抓握的压力分布图像，分析各个区域压力的阈值，拉压力传感器可以检测到沿手柄竖直方向的受力大小与变化趋势，IMU测量到手柄的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率，通过解算可获得手柄的姿态、速度和位移等信息，进而可以通过人体模型反解出人体手臂的姿态；综合人手抓握的压力分布图像、手柄竖直方向的受力大小与变化趋势以及患者手臂姿态，通过上位机可以实时与制作的数据集进行对比，制定合理的评估体系，针对手部受伤，通过检测手掌各个区域的受力变化与正常的人的数据相比较，可以判断恢复程度以及需要进一步治疗和加强的手掌区域，便于有目的的进行手部抓握的训练，为恢复情况作出合理的评估。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于多感知系统的电容式触觉手柄，包括圆柱形手柄主体、包裹在手柄主体外表面的电容阵列柔性压力传感器，其特征在于，所述手柄主体外表面沿手柄主体长度方向开设有缝隙，将在缝隙周围的手柄主体内部的区域部分掏空，缝隙与内部掏空区域联通，用于放置固定在柔性压力传感器上的连接线；在手柄主体的顶端装有用于检测人手抓握时沿手柄竖直方向的受力情况的拉压力传感器，手柄主体内部掏空区域内安装有惯性测量装置IMU，惯性测量装置IMU用于实时检测与反映操作者抓握触觉手柄过程中手柄主体的运动状态，在三维空间中的角速度和加速度；

拉压力传感器、惯性测量装置IMU、柔性压力传感器均与信号采集装置相连接，通过无线传输装置与上位机连接完成通讯。

2.根据权利要求1所述的触觉手柄，其特征在于，所述手柄主体为用PLA材料3D打印成型的柱状手柄，外表面边缘开有2mm缝隙。

3.根据权利要求1所述的触觉手柄，其特征在于，所述电容阵列柔性压力传感器由五层平面结构堆叠而成，能任意弯曲卷起，自远离手柄主体至靠近手柄主体的方向分别为外部封装屏蔽层、上电极层、介电层、下电极层和缓冲层：上电极层和下电极层分别有A和B条带状平行且具有一定间隔的电极，电极由含银量为40-60％的石墨烯导电银浆在纯棉斜纹布上印刷而成；所述介电层为厚度为3mm的聚氨酯海绵；缓冲层采用聚酯纤维编织而成的无尘布；上电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1mm，下电极层电极宽度为4mm，相邻两条电极之间的间距为1.1mm，阵列数为28个。

4.根据权利要求1所述的触觉手柄，其特征在于，该手柄的工作原理和工作流程是：操作者抓握手柄的运动过程中，包裹在手柄主体外表面的电容阵列柔性压力传感器的电容单元受到外界压力的作用产生电容变化，进而引起串联电阻两端电压的变化；手柄上端拉压力传感器受到力的作用，使拉压传感器内部的电阻发生改变，电信号随之改变；惯性测量装置IMU随着手柄的运动产生位置和速度的变化，借助内置的加速度传感器和陀螺仪产生相应的电信号；三者连接数据采集卡，通过无线传输装置将采集到的数据实时传入上位机；上位机收集到电信号的变化数值，经过数据处理显示出人手在不同姿态下抓握的压力分布图像，拉压力传感器的受力变化曲线以及IMU测量到的来自三个方向的线性加速度和旋转角速率，通过上位机解算获得触觉手柄的姿态、速度和位移信息。

5.一种基于多感知系统的电容式触觉手柄的制作方法，该方法的步骤是：

(1)电极层的制作

将纯棉斜纹布裁剪成大小合适的布块，并且熨烫平整，将其放置并固定在丝印台上，已经定制好的丝网印版置于斜纹布上方并与斜纹布间隔高度1.5-2.5cm，在丝网印版上倒入含银量为40-60％的石墨烯导电银浆，用刮板刮至导电银浆覆盖整个图案，重复该步骤2-3次，抬起丝网印版，取下已经印刷好的布块放入工业用烤箱，直至导电银浆变干取出；用万用表测量导电性能，单条电极电阻值在3-3.2欧，且任意2条电极的电阻值差值不超过0.2欧；分别获得上下电极层；

(2)传感器接线

选取上下两电极层所有平行电极的一端，沿相邻电极之间的间隙将纯棉斜纹布裁剪出合适的长度，采用铜片压紧的方式对电极与导线进行固定，并对连接处做绝缘处理；

(3)手柄封装

将上、下两电极层的的电极相互垂直放置，采用聚氨酯海绵作为中间介电层；外部封装屏蔽层选用醋酸乙烯共聚物单面海绵胶带，选用无尘布作为缓冲层，然后整个包裹在打印好的柱状手柄主体上，线路部分沿手柄主体的缝隙集中放置在手柄主体内部掏空区域中，在手柄主体内部下方位置放置惯性测量装置IMU；手柄主体顶端安装拉压力传感器；

(4)传感器标定

采用触觉传感器标定实验平台对封装好的手柄进行标定实验，采用机器自动加压的方式，对传感单元在0-60N范围内实施连续性加载；在传感器上均匀随机选择十个不同位置的传感单元进行了压力加载实验，并对测得的这十个不同位置的传感单元的相应加载实验数值曲线进行拟合，确保上下电极层构成的电容单元的一致性特征良好。

Images