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一种用于手掌压感应的柔性声波手套

申请号 CN202311448815.1 申请日 2023-11-02 公开(公告)号 CN117707334A 公开(公告)日 2024-03-15
申请人 中国科学院深圳先进技术研究院; 发明人 郭师峰; 姜超; 李叶海; 曹欢庆; 冯伟;
摘要 本 发明 公开一种用于手掌压 力 感应的柔性 超 声波 手套,包括手掌部、第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件,其中,第一松紧部件位于 手指 远节指骨部位处、第二松紧部件位于手指中节指骨部位处、第三松紧部件位于手指近端指骨部位处,且第三松紧部件与手掌部形成整体;所述手掌部的手背部 位置 处设有超声脉冲回波 电路 ;第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件与所述手掌部通过封装 导线 连接,并最终连接于所述超声脉冲回波电路;所述手掌部设有压力传感部件,位于籽骨对应的肌肉组织处,且第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件均设有对应的压力传感部件。利用本发明能够精确得到手指骨下端面及手指垫的反射 信号 ,进而准确感应手掌压力。
权利要求

1.一种用于手掌压感应的柔性声波手套,包括手掌部、第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件,其中:
第一松紧部件位于手指远节指骨部位处、第二松紧部件位于手指中节指骨部位处、第三松紧部件位于手指近端指骨部位处,且第三松紧部件与手掌部形成一个整体;
所述手掌部的手背部位置处设有超声脉冲回波电路
第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件与所述手掌部通过封装导线连接,并最终连接于所述超声脉冲回波电路;
所述手掌部设有压力传感部件,位于籽骨对应的肌肉组织处,且第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件均设有对应的压力传感部件。
2.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,在应用状态,第一松紧部件处于手指甲床末端位置,第二松紧部件和第三松紧部件分别处于相对应骨节的中间位置。
3.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,所述封装导线长于手指的长度。
4.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,对于第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件,对应的压力传感部件中的1‑3柔性复合材料通过所述封装导线与该超声脉冲回波电路连接。
5.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,所述超声脉冲回波电路包含超声波发射电路模和超声波接收电路模块,对于第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件,对应的压力传感部件中的1‑3柔性复合材料通过所述封装导线与所述超声脉冲回波电路连接,所述封装导线包含两股导线,分别连接所述超声波发射电路模块和所述超声波接收电路模块。
6.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,对于所述手掌部、第一松紧部件、第二松紧部件、第三松紧部件,对应的压力传感部件中的1‑3柔性复合材料由PZT或硬质压电陶瓷和软模橡胶PDMS材料通过切割‑浇筑工艺制备。
7.根据权利要求1所述的柔性超声波手套,其特征在于,对于所述手掌部,对应的压力传感部件贴合手背皮肤
8.一种手掌压力感测方法,包括以下步骤:
利用权利要求1至7任一项所述的柔性超声波手套获取超声反射波在时域信号上的变化;
通过读取时域信号上的变化大小,识别出手掌所受到压力的大小。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其中,该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求8所述的方法的步骤。
10.一种计算机设备,包括存储器和处理器,在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述的方法的步骤。

说明书全文

一种用于手掌压感应的柔性声波手套

技术领域

[0001] 本发明涉及虚拟现实交互技术领域,更具体地,涉及一种用于手掌压力感应的柔性超声波手套。

背景技术

[0002] 虚拟现实交互(VR)的热度在游戏、医疗保健、机器人遥控和制造业等领域正在不断攀升,通过虚拟交互,人们能以低成本、高可达性和非接触方式真实再现触觉感知。如果想获得准确的触觉反馈,使手掌感受其形状、压力反应等特点,需要一个能与皮肤紧贴的压力感知设备,用于收集压力并反馈。
[0003] 压力感知手套是一种能够感知手指和手掌压力的设备,可以作为智能人机界面的一种形式,使用户通过手势和压力来控制计算机或其他设备。在蓬勃发展的虚拟现实、增强现实混合现实(VR、AR和XR)行业中,生动的压力感知系统使用户能够在虚拟世界中更加精准地控制局部动作,从而提高真实感和沉浸感。手部的动态运动特性使得为手部实现大而密集的压力感知阵列非常具有挑战性,除非整个设备以超柔性和可变形的形式设计。因此,压力感知手套技术可以促进多个领域的发展,例如用于生物医学目的,模拟手术中真实人体反应的触觉感知技术。要使外科医生沉浸在VR虚拟手术中,需要通过建立明确的存在度量,将人类感知量化成数据,从而帮助医生在虚拟手术中感受到真实的人体反应,提高手术技术和操作精度
[0004] 现有的用于VR手套设备的压力传感器通常是电容式或电阻传感,利用电容敏感元件将被测压力转换能与之成一定关系的电量输出,可实现连续的动态压力检测。然而,电容式或电阻式压力传感器在用于手掌压力检测时主要安装于手掌面,严密的封装影响使用者用户体验,而且长时间佩戴VR手套很容易产生汗渍,这会引起电容式压力传感器的测量误差。因此需要探索别的方法来实现手部的压力感知。例如,专利申请公布号US11397486A公开了一种手部压力感知的方法,将压电体(压电陶瓷或压电聚合物)安装于指甲盖上,通过检测压电体发出的超声波与指骨和手指垫之间脉冲回波信号来判断所受压力大小情况。这种方法的局限性在于体压电体不能有效地紧贴皮肤,而聚合物虽然具有柔性,但是所产生的超声能量不能得到高信噪比的脉冲回波信号,其次脉冲回波信号处理需要大量的电子电路支持,难以通过无线传输的形式来实现压力感知,增加手套成本及负重。

发明内容

[0005] 本发明的目的是克服上述现有技术缺陷,提供一种用于手掌压力感应的柔性超声波手套,包括手掌部、第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件,其中:
[0006] 第一松紧部件位于手指远节指骨部位处、第二松紧部件位于手指中节指骨部位处、第三松紧部件位于手指近端指骨部位处,且第三松紧部件与手掌部形成一个整体;
[0007] 所述手掌部的手背部位置处设有超声脉冲回波电路;
[0008] 第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件与所述手掌部通过封装导线连接,并最终连接于所述超声脉冲回波电路;
[0009] 所述手掌部设有压力传感部件,位于籽骨对应的肌肉组织处,且第一松紧部件、第二松紧部件和第三松紧部件均设有对应的压力传感部件。
[0010] 根据本发明的第二方面,提供一种手掌压力感测方法。该方法包括以下步骤:
[0011] 利用上述提供的柔性超声波手套获取超声反射波在时域信号上的变化;
[0012] 通过读取时域信号上的变化大小,识别出手掌所受到压力的大小。
[0013] 与现有技术相比,本发明的优点在于,本发明基于超声波反射的原理,可排除汗渍等液体等带来的影响。
[0014] 通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述,本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

[0015] 被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
[0016] 图1是手指骨骼示意图;
[0017] 图2是根据本发明一个实施例的用于手掌压力检测的超声波智能手套示意图;
[0018] 图3是根据本发明一个实施例的手背处安置压力传感组件的部位示意图;
[0019] 图4是根据本发明一个实施例的用于手掌压力检测的超声波智能手套的手指部位局部放大图;
[0020] 图5是根据本发明一个实施例的基于超声脉冲回波的换能器与电路连接示意图及工作原理示意图;
[0021] 图6是根据本发明一个实施例的基于一收一发原理的换能器与电路连接示意图及工作原理示意图;
[0022] 图7是根据本发明一个实施例的实验验证效果示意图。

具体实施方式

[0023] 现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0024] 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0025] 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0026] 在这里示出和讨论的所有例子中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
[0027] 应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0028] 首先,分析手指骨骼特征,参见图1所示,当用手指去探索一个物体的刚度、阻尼、质地、滞后及其他特点时,手指会紧握物体表面,手掌主要的受力部位为远节指骨1、中节指骨2、近节指骨3以及籽骨4处所包覆的肌肉组织。
[0029] 结合手指骨骼特征与受力情况,本发明提供用于手掌压力检测的超声波智能手套,图2是用于手掌压力检测的超声波智能手套示意图,图3是手背处可安置压力传感组件的部位示意图。
[0030] 结合图2和图3所示,该超声波智能手套包括手掌部5以及与其通过封装导线6连接的手指远节指骨部位处的松紧部件7、手指中节指骨部位处的松紧部件8和手指近端指骨部位处的松紧部件9。手指近端指骨部位处的松紧部件9与手掌部5为一个整体。手指远节指骨部位处的松紧部件7穿戴于手掌上时,优选位于手指甲床末端位置。手指中节指骨部位处的松紧部件8和手指近端指骨部位处的松紧部件9穿戴于手掌上时,则分别位于相对应骨节的中间位置。手掌部5可装有压力传感组件,位于籽骨4所对应肌肉组织处。手指不同指节处的松紧部件仅通过封装导线6连接,封装导线6相对于手指的长度略长,因此可以微调整松紧部位的位置,而不受个人手指长度差异影响。
[0031] 图4是手指部位局部放大图。压力传感部件10封装于松紧部件内,紧贴手背皮肤,手指不同指节处的松紧部件通过封装导线6连接,最终连接于手背部位的电路结构。压力传感部件10中的1‑3柔性复合材料可由PZT或在其他系列硬质压电陶瓷和软模橡胶PDMS等材料通过切割‑浇筑工艺制备而成,具有一定的柔性弯曲能力,可随手部弯曲而变形。
[0032] 图5是基于超声脉冲回波的换能器与电路连接示意图。对于基于超声脉冲回波的换能器,压力传感部件10中的1‑3柔性复合材料通过封装导线6与手背部位的超声脉冲回波电路11连接。超声脉冲回波电路11发射调制电脉冲信号,通过正压电效应激励压力传感组件产生超声波,超声波在手指结构中传播时因肌肉组织与骨骼的声阻抗不同,会产生声波反射。超声波经骨骼上端面12、下端面13或者手掌面14反射回压力传感组件10,通过逆压电效应产生电压信号,电压信号再由同一根导线传输至超声脉冲回波电路11处理。当手掌面接收到来自外界的压力时,手掌的肌肉组织会产生形变而在声波传输的方向引起传播距离的变化,如手指手背一侧表面到指骨上端的距离15、手指手背一侧表面到指骨下端的距离16和手指手背一侧表面到手指手心一侧的距离17,由此引起超声反射波在时域信号上的变化,通过读取时域信号上的变化大小,即可识别出手掌所受到压力的大小,例如,可实现压力的三档(无压力/轻压/重压)传感或者更多档传感。
[0033] 图6是基于一收一发原理的换能器与电路连接示意图。对于基于一收一发的换能器,压力传感部件10中的1‑3柔性复合材料通过封装导线6与手背部位的超声脉冲回波电路连接。封装导线6由两股导线组成,两股导线分别连接超声波发射电路模块18和超声波接收电路模块19,超声波发射电路模块18发射调制电脉冲信号,通过正压电效应激励压力传感部件10的其中一块产生超声波,超声波在手指结构中传播时因肌肉组织与骨骼的声阻抗不同,会产生声波反射,超声波经骨骼上端面12、下端面13或者手掌面14反射回超声换能器的另一部分,通过逆压电效应产生电压信号,电压信号再由导线传输至超声波接收电路19处理。当手掌面接收到来自外界的压力时,手掌的肌肉组织会产生形变而在声波传输的方向引起传播距离的变化,如手指手背一侧表面到指骨上端的距离15、手指手背一侧表面到指骨下端的距离16和手指手背一侧表面到手指手心一侧的距离17,由此引起超声反射波在时域信号上的变化,通过读取时域信号上的变化大小,即可识别出手掌所受到压力的大小,可实现压力的三档(无压力/轻压/重压)传感甚至更多档传感。
[0034] 为进一步验证本发明的效果,进行了模拟实验。由图7可以看出,可清晰观察到手指骨下端面及手指垫的反射信号,进而可以准确感应手掌压力。
[0035] 综上所述,本发明采用两块可变形的柔性压电复合材料紧贴皮肤,其中一块用于发射超声体波,超声体波在手指中传播,在手指遇到压力时,手指各层之间的结构厚度会变化引起反射超声体波接收时间的变化,从而获得手指所受压力大小。本发明采用的材料为具有一定柔性和良好压电活性的1‑3柔性压电复合材料。采取的信号获得方式包括脉冲回波和一收一发两种形式,并且传感器可布置于手掌背面任意位置。利用本发明,可获得高信噪比信号,并且通过设计一收一发型的传感形式,可有效减少信号处理难度,降低信号处理电路的成本。
[0036] 本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质,其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
[0037] 计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD‑ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身,诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如,通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号
[0038] 这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备,或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令,并转发该计算机可读程序指令,以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0039] 用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码,所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Python等,以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中,通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路,例如可编程逻辑电路、现场可编程阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA),该电子电路可以执行计算机可读程序指令,从而实现本发明的各个方面。
[0040] 这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解,流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合,都可以由计算机可读程序指令实现。
[0041] 这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器,从而生产出一种机器,使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时,产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中,这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作,从而,存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品,其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
[0042] 也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上,使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤,以产生计算机实现的过程,从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
[0043] 附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分,所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是,通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
[0044] 以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。
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