[發明專利]一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄及其制作方法

在審

• 申請號: 202010431354.7
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111467781A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 劉今越;鄭凱文;田倩倩;李鐵軍;賈曉輝
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: A63B71/06
• 分類號: A63B71/06;G01C9/00;G01L1/14;G01L5/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

1.一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄，包括圓柱形手柄主體、包裹在手柄主體外表面的電容陣列柔性壓力傳感器，其特征在于，所述手柄主體外表面沿手柄主體長度方向開設有縫隙，將在縫隙周圍的手柄主體內部的區域部分掏空，縫隙與內部掏空區域聯通，用于放置固定在柔性壓力傳感器上的連接線；在手柄主體的頂端裝有用于檢測人手抓握時沿手柄豎直方向的受力情況的拉壓力傳感器，手柄主體內部掏空區域內安裝有慣性測量裝置IMU，慣性測量裝置IMU用于實時檢測與反映操作者抓握觸覺手柄過程中手柄主體的運動狀態，在三維空間中的角速度和加速度；

拉壓力傳感器、慣性測量裝置IMU、柔性壓力傳感器均與信號采集裝置相連接，通過無線傳輸裝置與上位機連接完成通訊。

2.根據權利要求1所述的觸覺手柄，其特征在于，所述手柄主體為用PLA材料3D打印成型的柱狀手柄，外表面邊緣開有2mm縫隙。

3.根據權利要求1所述的觸覺手柄，其特征在于，所述電容陣列柔性壓力傳感器由五層平面結構堆疊而成，能任意彎曲卷起，自遠離手柄主體至靠近手柄主體的方向分別為外部封裝屏蔽層、上電極層、介電層、下電極層和緩沖層：上電極層和下電極層分別有A和B條帶狀平行且具有一定間隔的電極，電極由含銀量為40-60％的石墨烯導電銀漿在純棉斜紋布上印刷而成；所述介電層為厚度為3mm的聚氨酯海綿；緩沖層采用聚酯纖維編織而成的無塵布；上電極層電極寬度為4mm，相鄰兩條電極之間的間距為1mm，下電極層電極寬度為4mm，相鄰兩條電極之間的間距為1.1mm，陣列數為28個。

4.根據權利要求1所述的觸覺手柄，其特征在于，該手柄的工作原理和工作流程是：操作者抓握手柄的運動過程中，包裹在手柄主體外表面的電容陣列柔性壓力傳感器的電容單元受到外界壓力的作用產生電容變化，進而引起串聯電阻兩端電壓的變化；手柄上端拉壓力傳感器受到力的作用，使拉壓傳感器內部的電阻發生改變，電信號隨之改變；慣性測量裝置IMU隨著手柄的運動產生位置和速度的變化，借助內置的加速度傳感器和陀螺儀產生相應的電信號；三者連接數據采集卡，通過無線傳輸裝置將采集到的數據實時傳入上位機；上位機收集到電信號的變化數值，經過數據處理顯示出人手在不同姿態下抓握的壓力分布圖像，拉壓力傳感器的受力變化曲線以及IMU測量到的來自三個方向的線性加速度和旋轉角速率，通過上位機解算獲得觸覺手柄的姿態、速度和位移信息。

5.一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄的制作方法，該方法的步驟是：

(1)電極層的制作

將純棉斜紋布裁剪成大小合適的布塊，并且熨燙平整，將其放置并固定在絲印臺上，已經定制好的絲網印版置于斜紋布上方并與斜紋布間隔高度1.5-2.5cm，在絲網印版上倒入含銀量為40-60％的石墨烯導電銀漿，用刮板刮至導電銀漿覆蓋整個圖案，重復該步驟2-3次，抬起絲網印版，取下已經印刷好的布塊放入工業用烤箱，直至導電銀漿變干取出；用萬用表測量導電性能，單條電極電阻值在3-3.2歐，且任意2條電極的電阻值差值不超過0.2歐；分別獲得上下電極層；

(2)傳感器接線

選取上下兩電極層所有平行電極的一端，沿相鄰電極之間的間隙將純棉斜紋布裁剪出合適的長度，采用銅片壓緊的方式對電極與導線進行固定，并對連接處做絕緣處理；

(3)手柄封裝

將上、下兩電極層的的電極相互垂直放置，采用聚氨酯海綿作為中間介電層；外部封裝屏蔽層選用醋酸乙烯共聚物單面海綿膠帶，選用無塵布作為緩沖層，然后整個包裹在打印好的柱狀手柄主體上，線路部分沿手柄主體的縫隙集中放置在手柄主體內部掏空區域中，在手柄主體內部下方位置放置慣性測量裝置IMU；手柄主體頂端安裝拉壓力傳感器；

(4)傳感器標定

采用觸覺傳感器標定實驗平臺對封裝好的手柄進行標定實驗，采用機器自動加壓的方式，對傳感單元在0-60N范圍內實施連續性加載；在傳感器上均勻隨機選擇十個不同位置的傳感單元進行了壓力加載實驗，并對測得的這十個不同位置的傳感單元的相應加載實驗數值曲線進行擬合，確保上下電極層構成的電容單元的一致性特征良好。