CN212235947U

CN212235947U - 一种电容式触觉手柄

Info

Publication number: CN212235947U
Application number: CN202020851914.XU
Authority: CN
Inventors: 刘今越; 郑凯文; 田倩倩; 李铁军; 贾晓辉
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2030-05-20

Abstract

本实用新型为一种电容式触觉手柄，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，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。该触觉手柄表面包裹有电容式柔性压力传感器，采用阵列式电容原理，手柄形式能够适应不同手形大小使用者的使用需求，能与手掌各区域贴合。

Description

一种电容式触觉手柄

技术领域

本实用新型涉及触觉手柄技术领域，具体是一种电容式触觉手柄。

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。

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。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的问题是，提供一种电容式触觉手柄。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，手柄形式能够适应不同手形大小使用者的使用需求，能与手掌各区域贴合。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是：

一种电容式触觉手柄，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；柔性压力传感器与信号采集装置相连接。

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；

拉压力传感器、惯性测量装置IMU也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。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

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、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。

3、本实用新型电极层的基底选用纯棉斜纹布，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。

4、本实用新型触觉手柄上还可以搭载拉压力传感器、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，可以显著降低触觉手柄成本。

附图说明

图1为本实用新型电容式触觉手柄一种实施例的控制结构示意图。

图2为本实用新型电容式触觉手柄一种实施例的整体结构示意图。

图3为本实用新型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为本实用新型一种实施例的上电极板结构示意图。

图5为本实用新型一种实施例的下电极板结构示意图。

图6为本实用新型一种实施例的人手紧抓握触觉手柄压力分布图。

图7是本实用新型一种实施例的触觉传感器单个电容性能曲线图。

图8是本实用新型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

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

本实用新型提供了一种电容式触觉手柄(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，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；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，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。

本实用新型提供的另一种实施例的多感知的触觉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。具体数据处理及结算过程依据现有技术实现。

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。

本申请传感器具有良好的机械重复性能，触觉传感器电容单元的一致性特征相对良好。

实施例1，

本实施例电容式触觉手柄可以用于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，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；

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，

本实施例电容式触觉手柄可以用于帮助患有手部疾病患者进行康复训练与恢复评估。本实施例手柄结构同实施例1，不同之处在于，本实施例中上、下电极层的基底选用纯棉斜纹布，纯棉斜纹布规格：C 40X40 130X70 2/1；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上。

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，有助于制定合理的评估体系，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。

实施例3，

本实施例电容式触觉手柄，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，所述手柄主体外表面沿手柄主体长度方向开设有1.5mm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；柔性压力传感器与信号采集装置相连接。这种手柄能避免接线漏在外面不方便检测和使用。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种电容式触觉手柄，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；电容阵列柔性压力传感器与信号采集装置相连接。

2.根据权利要求1所述的触觉手柄，其特征在于，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；

3.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1.5-2.5mm缝隙。

4.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。

5.根据权利要求4所述的触觉手柄，其特征在于，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。

6.根据权利要求4所述的触觉手柄，其特征在于，电极层的基底选用纯棉斜纹布。