CN113229553A - 一种基于柔性传感器的智能传感手套及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性传感器的智能传感手套及方法,将柔性传感器与手套相结合,将许多小的柔性传感器置于特制的柔性手套中来制作一款智能传感手套。柔性传感器可根据需要监测手部不同部位的各种信号,敏锐感知并采集手部信息,它能够粘贴在手套的内部,贴合手部形状,实现手套的触觉性能,进而探测其在人手掌不同点的情况,能敏锐地感知到手部各种信息的变化,并通过数据采集电路将之传输到计算机中进行储存。通过对人手掌上不同部位的信号进行整理分析,可以对整个手部动作进行分析。通过智能传感手套不但可以将熟练工人操作时难以言传的工作经验转化为理论数据,还可以为机器人仿人手部动作建立大数据依据,从而提高机器人的智能化水平。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴设备技术领域,具体涉及一种智能传感手套及方法。
背景技术
随着科学技术的发展,智能传感器受到越来越多的重视,智能机器人也在迅猛地发展,机器人越来越多地代替人类进行工作。为了尽可能提高工作的效率和准确度,许多机器人的手部都在尝试使用仿人手设计,但是机器人在操作一些极其精细、灵敏度要求较高的工作时往往显得不够智能,其在模仿人手部动作进行作业时难以和人保持相同的力度、姿态等。另一方面,生产一线的熟练工人常常无法准确描述自己的工作经验,而这使得工人的培训成为了一件困难的事情。以上问题是由于动作时的手部动作信息无法被准确描述而产生的,如果能够对人手部的动作进行实时的信息采集,那么以上问题将可以解决。
目前常见的智能手套常采用加速度传感器,例如孙炎辉等人(参见专利“基于加速度传感器和ZigBee的数据手套-2011102266044”)使用加速度传感器通过对手部不同部位的加速度进行分析,得到手部动作的部分信息。但是加速度传感器价格昂贵,增加了智能手套的制作成本,而且加速度传感器智能测量物体的加速度信号,局限了手套的使用范围,将加速度传感器放入手套中,会使手套的穿戴舒适性下降,导致使用者的动作产生一定的变形,影响手套的使用效果。
柔性传感器是指使用柔性材料制成的传感器,其通常具有良好的柔韧性、延展性、甚至可以自由弯曲或者折叠,而且结构形式灵活多样,可以根据测量条件灵活布置。大多数柔性传感器造价低廉,可以降低智能手套的使用成本,同时多种柔性传感器保证了手套的使用范围广,柔性材料制成的传感器集成至手套中后,也可以保证手套的舒适性,最小限度的影响使用者的动作,保证信号的准确性。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种基于柔性传感器的智能传感手套及方法,将柔性传感器与手套相结合,将许多小的柔性传感器置于特制的柔性手套中来制作一款智能传感手套。柔性传感器可根据需要监测手部不同部位的各种信号,敏锐感知并采集手部信息,它能够粘贴在手套的内部,贴合手部形状,实现手套的触觉性能,进而探测其在人手掌不同点的情况,能敏锐地感知到手部各种信息的变化,并通过数据采集电路将之传输到计算机中进行储存。通过对人手掌上不同部位的信号进行整理分析,可以对整个手部动作进行分析。通过智能传感手套不但可以将熟练工人操作时难以言传的工作经验转化为理论数据,还可以为机器人仿人手部动作建立大数据依据,从而提高机器人的智能化水平。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种基于柔性传感器的智能传感手套,包括手套基体、多个柔性传感器、连接线、束线器、信号放大电路和数据采集器;
所述手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
所述多个柔性传感器具有柔性,分别安装在手套基体内层不同位置用于采集手部受力信号,并且不影响使用者的动作;
所述连接线连接柔性传感器和信号放大电路,用于传送柔性传感器采集的手部受力信号;
所述束线器设置在手套基体内层的背部,用于固定连接线;
所述信号放大电路设置在手套基体外部,通过连接线与柔性传感器连接,用于放大柔性传感器采集的手部受力信号;
所述数据采集器设置在手套基体外部,信号放大电路将柔性传感器采集的手部受力信号放大后输入数据采集器,数据采集器再将手部受力信号送入数据采集计算机。
优选地,所述手套基体与传感器采用胶接方式连接。
优选地,所述柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器。
优选地,所述柔性传感器有多个,分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置。
一种基于柔性传感器的智能传感手套制作及使用方法,包括如下步骤:
步骤1:设计手套基体结构;
手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
步骤2:确定柔性传感器种类并设计柔性传感器在手套基体中的布局;
确定柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器,将多个柔性传感器分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置;
步骤3:线路连接及固定;
柔性传感器使用胶粘方式固定在内层手套上,连接线全部经手套基体内层背部的束线器进行固定,防止由于连接线路的移动导致柔性传感器收到不确定信号导致测量结果出现误差;
柔性传感器采集的手部压力信号通过连接线传输至信号放大电路;信号放大电路通过BNC接头连接到数据采集器,将放大后的手部压力信号送入数据采集器;
数据采集器与数据采集计算机连接,用于将采集到的手部压力信号数据保存在计算机中;
步骤4:数据的采集、储存、处理与分析;
戴上智能传感手套,进行手部动作实验,通过计算机对数据采集器中采集到的手部压力信号数据进行储存;
对于存储的手部压力信号数据进行处理,首先消除数据中的趋势项,去除因连接线移动而产生的信号干扰;其次通过低通滤波,消除非手部受力因素产生的信号干扰;
利用通过数据处理之后的手部压力数据构建所做动作下的手部信息模型,为其它研究提供数据支持。
本发明的有益效果如下:
1、本发明所采用的柔性传感器的高柔性保证了其在作为可穿戴设备的智能传感元件时可以保证设备的舒适性。
2、本发明所采用的柔性传感器可以根据设计需要布置在任意需要的地方,增强了手套的应用灵活性。
3、本发明通过数据处理的信号具有更高准确度。
4、本发明所采用柔性传感器的多样性使得本发明中的传感手套可以测量多种手部信号,构建手部模型。
附图说明
图1为本发明基于柔性传感器的智能传感手套设计概念图。
图2为本发明基于柔性传感器的智能传感手套信号采集线路示意图。
图3为本发明智能传感手套制作和使用方法流程图。
图中:1-手套基体,2-柔性传感器,3-连接线,4-束线器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于柔性传感器的智能传感手套,包括手套基体、多个柔性传感器、连接线、束线器、信号放大电路和数据采集器;
所述手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
所述多个柔性传感器具有柔性,分别安装在手套基体内层不同位置用于采集手部受力信号,并且不影响使用者的动作;
所述连接线连接柔性传感器和信号放大电路,用于传送柔性传感器采集的手部受力信号;
所述束线器设置在手套基体内层的背部,用于固定连接线;
所述信号放大电路设置在手套基体外部,通过连接线与柔性传感器连接,用于放大柔性传感器采集的手部受力信号;
所述数据采集器设置在手套基体外部,信号放大电路将柔性传感器采集的手部受力信号放大后输入数据采集器,数据采集器再将手部受力信号送入数据采集计算机。
优选地,所述手套基体与传感器采用胶接方式连接。
优选地,所述柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器。
优选地,所述柔性传感器有多个,分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置。
一种基于柔性传感器的智能传感手套制作及使用方法,包括如下步骤:
步骤1:设计手套基体结构;
传感手套属于小型可穿戴设备,必须做到穿戴舒适以及提高传感器采集信号准确度两点要求。因此对于手套的具体结构提出很高的要求,本专利中的智能手套设计为双层结构,其中内层手套应保持舒适性,并完成传感器的固定工作,外层手套应保证传感器的采集环境及线路的传输环境尽量减少外界环境的干扰,以减少信号因传输而产生的失真问题。
手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
步骤2:确定柔性传感器种类并设计柔性传感器在手套基体中的布局;
由于数据采集器的通道数量有限,能同时监测的传感器数量存在上限,如果智能手套中同时布置传感器数量过多,不但传感器时间会互相干扰,也无法进行同步的数据采集,因此,需要依据所分析的手部动作进行传感器的布局规划,检测手部的主要受力及施力部位的具体数据。同时,根据传感器布局应选择合适的传感器形状以贴合手部,提高所采集信号的精确程度。
最终确定柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器,将多个柔性传感器分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置;
步骤3:线路连接及固定;
本传感手套涉及多个元器件的连接,同时连接线的运动与变形会对所采集的信号产生影响。传感器主要固定在内层手套上,其连接需要其保证紧密贴合的状态以提高对手部受力采集的准确度。手套中传感器的数量越多,所需的数据传输线路也会越多,为此应在手套内部设计束线器以对大量的传输线进行固定,防止其在手套中来回攒动而使信号在传输过程中失真。
信号采集电路中的数据连线可使用BNC接头以保证信号的稳定性。对于不同的柔性传感器,应根据其特性采用不同的电路对信号进行转换与采集,以保证通过数据采集上传到计算机中的信号是清晰可靠的。
柔性传感器使用胶粘方式固定在内层手套上,连接线全部经手套基体内层背部的束线器进行固定,防止由于连接线路的移动导致柔性传感器收到不确定信号导致测量结果出现误差;
柔性传感器采集的手部压力信号通过连接线传输至信号放大电路;信号放大电路通过BNC接头连接到数据采集器,将放大后的手部压力信号送入数据采集器;
数据采集器与数据采集计算机连接,用于将采集到的手部压力信号数据保存在计算机中;
步骤4:数据的采集、储存、处理与分析;
戴上智能传感手套,进行手部动作实验,通过计算机对数据采集器中采集到的手部压力信号数据进行储存;
由于可穿戴设备工作时处在运动状态,而且数据采集装置及其它装置可能对存在不同程度的信号干扰,因此需要直接储存的信号无法直接用于分析,需要对其进行数据处理,首先消除数据中的趋势项,去除因连接线移动而产生的信号干扰;其次通过低通滤波,消除非手部受力因素产生的信号干扰;
通过数据处理之后的数据可以认为能够较好地反应手部的信息,可以通过对其进行分析,构建所做动作下的手部信息模型,为其它研究提供数据支持。
具体实施例:
1、确定传感器种类并设计传感器布局
本实施例中决定使用智能手套监测手指处在使用订书机、遥控器、螺丝刀的受力情况。选择传感器为圆形PVDF薄膜传感器,与手指及关节形状相近。PVDF是一种压电薄膜传感器,对动态应力非常敏感,可以对较小的力进行监测,同时其具有较高的柔性,可以安装在手套内部而不影响使用者的正常动作。为精确监测手部受力信号。将传感器布置在拇指、食指、中指及无名指四指的指尖附近。
2、设计手套结构并选择各层手套具体材料
手套采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,可贴合手部,更好的传递手部受力信息,外层为较宽松的硅胶手套,便于传感器线路排布及固定。本实施例中,手套基体与传感器采用胶接方式连接,可以更好地传递受力信息,且不易脱落。
3、线路连接及固定
传感器使用胶粘方式固定在内层手套上,为减小传感器线路对手部的动作影响,传感器线路全部经内层手套背部的束线器进行固定,防止由于线路的移动导致传感器受到不确定信号导致测量结果出现误差。此外,传感器及其连接线在关节处均采用胶粘固定防止移动及缠绕。PVDF传感器的信号监测需要进行放大电路与数据采集器,因此在手套外部将多个放大电路接头与数据采集器连接,并将数据采集器与数据采集计算机相连,便于将采集到的数据及时保存于计算机中。
4、数据的采集、储存,处理与分析
使用者佩戴手套,使数据采集器与计算机处于开始采集状态,使用者进行动作,同时将数据信息保存于计算机中。
对所储存信号进行趋势项消除以及低通滤波,可以得到真实的手部受力信号,通过对比三组动作的受力信号差距。可得到如下结论:使用订书机与遥控器时,大拇指均为主要发力点。而拧螺丝时,手部动作复杂,四个手指交替受力,监测信号与客观事实相符,达到了手套设计预期要求。
Claims (5)
1.一种基于柔性传感器的智能传感手套,其特征在于,包括手套基体、多个柔性传感器、连接线、束线器、信号放大电路和数据采集器;
所述手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
所述多个柔性传感器具有柔性,分别安装在手套基体内层不同位置用于采集手部受力信号,并且不影响使用者的动作;
所述连接线连接柔性传感器和信号放大电路,用于传送柔性传感器采集的手部受力信号;
所述束线器设置在手套基体内层的背部,用于固定连接线;
所述信号放大电路设置在手套基体外部,通过连接线与柔性传感器连接,用于放大柔性传感器采集的手部受力信号;
所述数据采集器设置在手套基体外部,信号放大电路将柔性传感器采集的手部受力信号放大后输入数据采集器,数据采集器再将手部受力信号送入数据采集计算机。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性传感器的智能传感手套,其特征在于,所述手套基体与传感器采用胶接方式连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性传感器的智能传感手套,其特征在于,所述柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性传感器的智能传感手套,其特征在于,所述柔性传感器有多个,分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置。
5.一种基于柔性传感器的智能传感手套制作及使用方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:设计手套基体结构;
手套基体采用双层结构,其中内层为单层弹性针织手套,能够贴合手部,用于传递手部受力信息;外层为硅胶手套,用于连接线排布及固定;
步骤2:确定柔性传感器种类并设计柔性传感器在手套基体中的布局;
确定柔性传感器为圆形PVDF薄膜传感器,将多个柔性传感器分别安装在手套基体内层拇指、食指、中指及无名指四指的指尖位置;
步骤3:线路连接及固定;
柔性传感器使用胶粘方式固定在内层手套上,连接线全部经手套基体内层背部的束线器进行固定,防止由于连接线路的移动导致柔性传感器收到不确定信号导致测量结果出现误差;
柔性传感器采集的手部压力信号通过连接线传输至信号放大电路;信号放大电路通过BNC接头连接到数据采集器,将放大后的手部压力信号送入数据采集器;
数据采集器与数据采集计算机连接,用于将采集到的手部压力信号数据保存在计算机中;
步骤4:数据的采集、储存、处理与分析;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210810 |