CN209657257U - 一种基于光纤弯曲传感器的数据手套及交互*** - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种基于光纤弯曲传感器的数据手套及包括该数据手套的交互***，数据手套包括手套本体、光纤弯曲传感器、姿态传感器、控制板和电源装置，控制板上设置有控制器和无线通讯装置，无线通讯装置、光纤弯曲传感器、姿态传感器和电源装置均与控制器连接；其中，光纤弯曲传感器设置于手套本体内与手指关节对应的位置处，光纤弯曲传感器包括光发射端、光接收端、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤。通过上述方式，本实用新型实施例的数据手套结构简单，成本较低，且穿戴舒适。

Description

一种基于光纤弯曲传感器的数据手套及交互***

技术领域

本实用新型实施例涉及交互设备技术领域，特别是涉及一种基于光纤弯曲传感器的数据手套及包括该数据手套的交互***。

背景技术

数据手套是一种可以实现人与机器交互的设备，通过数据手套模拟出手部的真实动作，再将这些数据反馈到相应的控制机器中，就可实现手势操控机器的目的。

数据手套广泛应用于虚拟现实、智能可穿戴等新兴领域，目前市面上较常见的数据手套大多是外构架或者说是外骨骼数据手套，即通过精密的机械件及电位器在手部关节部位布局来实现手部关节运动的检测。这种数据手套结构复杂，成本较高，并且由于手套主体所需机械件多导致手套实体过大，不方便穿脱及维护，用户使用舒适感较低。

实用新型内容

本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种基于光纤弯曲传感器的数据手套及包括该数据手套的交互***，结构简单，成本较低，且穿戴舒适。

为实现上述目的，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于光纤弯曲传感器的数据手套，包括手套本体、光纤弯曲传感器、姿态传感器、控制板和电源装置，所述控制板上设置有控制器和无线通讯装置，所述无线通讯装置、所述光纤弯曲传感器、所述姿态传感器和所述电源装置均与所述控制器连接；

其中，光纤弯曲传感器设置于所述手套本体内与手指关节对应的位置处，所述光纤弯曲传感器包括光发射端、光接收端、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，所述光发射端与所述第一多芯光纤的一端连接，所述第一多芯光纤的另一端弯曲后与所述单芯光纤的一端连接，所述单芯光纤的另一端通过所述第二多芯光纤与所述光接收端连接，所述第一多芯光纤和所述单芯光纤呈U型结构排布。

在一实施例中，所述单芯光纤包括纤芯和包层，所述单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

在一实施例中，所述第一多芯光纤、所述单芯光纤以及所述第二多芯光纤均为塑料光纤。

在一实施例中，所述第一多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连，所述单芯光纤和所述第二多芯光纤同轴相连；

所述第一多芯光纤和所述第二多芯光纤分别与所述光发射端和所述光接收端同轴相连。

在一实施例中，所述光发射端包括光源，所述光接收端包括光电探测器，所述光源和所述光电探测器集成为一体，且分别与所述控制器连接。

可选地，所述光源为LED。

在一些实施例中，所述姿态传感器采用九轴姿态传感器。

在一些实施例中，所述手套本体包括主套体以及与所述主套体连通的多个手指套体，多个所述手指套体内对应手指关节的位置设有所述光纤弯曲传感器。

可选地，所述主套体包括掌部套体和腕部套体，所述电源装置设置于所述腕部套体中，所述控制板和所述姿态传感器设置于所述掌部套体中。

本实用新型实施例还提供一种交互***，包括上位机或受控设备，以及如上所述的数据手套，所述数据手套通过所述无线通讯装置和所述上位机或所述受控设备通信连接。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例的数据手套，包括手套本体、光纤弯曲传感器、姿态传感器、控制板和电源装置，控制板上设置有控制器和无线通讯装置，无线通讯装置、光纤弯曲传感器、姿态传感器和电源装置均与控制器连接，其中，光纤弯曲传感器设置于手套本体内与手指关节对应的位置处，光纤弯曲传感器采用多芯光纤进行导光传输，采用单芯光纤进行弯曲检测，检测的精度和灵敏度较高，而且解调信号是光强，解调电路简单；通过光纤弯曲传感器采集操控者手指的弯曲程度，以及通过姿态传感器采集操控者手部的姿态变化，本实施例的数据手套结构简单，成本较低，且穿戴舒适。

附图说明

图1是本实用新型实施例的数据手套的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的数据手套的功能结构示意图；

图3是本实用新型实施例的光纤弯曲传感器的结构示意图；

图4是现有技术中单芯光纤的结构示意图；

图5是本实用新型实施例的光纤弯曲传感器中单芯光纤的结构示意图；

图6是本实用新型实施例的光纤弯曲传感器中单芯光纤的另一结构示意图；

图7是本实用新型实施例的光纤弯曲传感器的输出数据图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型实施例提供一种基于光纤弯曲传感器的数据手套，请参阅图1和图2，数据手套包括手套本体10、光纤弯曲传感器20、姿态传感器30、控制板40和电源装置50，控制板40上设置有控制器41和无线通讯装置42，无线通讯装置42、光纤弯曲传感器20、姿态传感器30 和电源装置50均与控制器41连接。

其中，手套本体10包括主套体11以及与主套体11连通的手指套体12，手指套体12内对应手指关节的位置设有光纤弯曲传感器20，而主套体11包括掌部套体和腕部套体，电源装置50设置于腕部套体中，控制板40和姿态传感器30设置于掌部套体中。在其他实施例中，手套本体10也可以不设置腕部套体，和/或，将电源装置50、控制板40和姿态传感器30均设置于掌部套体中。

光纤弯曲传感器20用于采集操控者手指的弯曲程度；姿态传感器 30用于采集操控者手部的姿态变化，如手部的俯仰、翻滚、平移等三维空间位置的变化。在一实施方式中，姿态传感器30为九轴姿态传感器。

控制器41用于驱动光纤弯曲传感器20和姿态传感器30，并将上述传感器采集的数据信息通过无线通讯装置42发送给受控设备或上位机，实现与受控设备或上位机交互的目的，或者，在数据手套与受控设备连接时，控制器41还可以根据上述传感器采集的数据信息生成操控指令，通过无线通讯装置42将操控指令发送给受控设备。

在实际应用中，控制器41为具有一定逻辑运算能力的处理器，可以是合适类型的单片机(如STM32F429、Arduino)、微处理器等，无线通讯装置42可以包括蓝牙模块、Zigbee模块或WIFI模块中的一种或多种。

电源装置50用于为数据手套内的各个功能模块供电，本实施例中，电源装置50包括可充电电池、充电模块和电压转换模块，当电源装置 50与外部电源连接时，通过充电模块向可充电电池进行充电，电压转换模块用于提供各个模块正常工作所需电压。

作为优选地方案，手套本体10多个手指套体12，多个手指套体12 内对应手指关节的位置设有光纤弯曲传感器20。例如，手套本体10包括五个手指套体，可在其中的两个或者三个手指套体内对应手指关节的位置设置光纤弯曲传感器20，不同的光纤弯曲传感器20对应不同的交互信号或操控指令，以增强其实用性。

常规的弯曲传感器通过电阻值的变化检测弯曲程度，与常规的弯曲传感器相比，光纤弯曲传感器具有径细、质软、重量轻的优点，在数据手套中采用光纤弯曲传感器，使得用户穿戴舒适。

现有技术中光纤弯曲传感器通常分为两种:一种是基于光谱频移，另一种是基于光强变化。基于光谱频移的光纤弯曲传感器是通过检测波长的移动来检测弯曲程度，具有较高的精度和灵敏度，可以实现高精度的检测，如，目前市场上应用较多的基于光纤布拉格光栅制成的光纤传感器，但是这种传感器往往都需要利用光谱仪等设备进行解调，结构复杂并且造价昂贵。基于光强变化的光纤弯曲传感器则是通过检测光强度的损耗来检测弯曲程度，解调信号是光强，解调电路简单并且成本低，但是基于光强变化的光纤弯曲传感器的精度和灵敏度较低。

如图3所示，本实施例中，光纤弯曲传感器20包括光发射端21、光接收端22、第一多芯光纤23、单芯光纤24和第二多芯光纤25，光发射端21与第一多芯光纤23的一端连接，第一多芯光纤23的另一端弯曲后与单芯光纤24的一端连接，单芯光纤24的另一端通过第二多芯光纤25与光接收端22连接，第一多芯光纤23和单芯光纤24呈U型结构排布。

光发射端21即为可以发射光的一端，光接收端22即为可以接收光的一端，光发射端21发出的光，依次经过第一多芯光纤23、单芯光纤 24和第二多芯光纤25后进入到光接收端22。由于光纤结构上的差异性，多芯光纤对弯曲不敏感，弯曲后损失的光强较小，而单芯光纤24弯曲后损失的光强较大，因此，为增强光纤弯曲传感器20的精度和灵敏度，同时避免单芯光纤24弯曲后因光损耗过大而检测不到光强信号，本实施例中采用第一多芯光纤23和第二多芯光纤25进行导光传输，采用单芯光纤24进行弯曲检测，不仅方便光纤与光发射端21、光接收端22进行连接，还可将第一多芯光纤23和单芯光纤24设置成U型结构，使得光发射端21和光接收端22处于同一端，使用起来更加方便。

在一实施方式中，光纤弯曲传感器20还包括保护层26，部分第一多芯光纤23和单芯光纤24封装在保护层26中。

请一并参阅图4-图6，单芯光纤24包括纤芯242和包层241，单芯光纤24一侧的部分包层241被去除，或者部分包层241及部分纤芯242 被去除，使得单芯光纤24的一侧存在连续间隙(如图5所示)或者不连续间隙(如图6所示)，还能够识别弯曲方向。

在光纤弯曲传感器20处于平直状态时，因单芯光纤24一侧的结构不完整，其内部光透射到空气中发生损耗，导致进入到光接收端22的光强减小；在光纤弯曲传感器向光纤结构不完整的一侧弯曲时(即弯曲外弧为光纤结构完整的一侧)，随着弯曲角度的增大，其内部光透射到空气中的损耗减小，导致进入到光接收端22的光强增大；在光纤弯曲传感器向结构完整的一侧弯曲时(即弯曲外弧为光纤结构不完整的一侧)，随着弯曲角度的增大，其内部光透射到空气中的损耗增大，导致进入到光接收端22的光强进一步减小。因此，通过光接收端22接收到的光强信号，便可实现弯曲程度的检测和弯曲方向的识别。

假设光纤弯曲传感器20保持平直态时，光接收端22输出的电信号为单位1，在其末端施加一扰动使传感器自由振动时，光接收端22的输出数据图如图7所示，随着向两侧弯曲程度的变化，光接收端22输出的电信号变化不同，在弯曲角度越大时，光强增加或损耗的幅度也越大，因此，在光纤弯曲传感器20设置于与手指掌指关节对应的位置时，控制器41通过光纤弯曲传感器20采集的数据，不仅能够确定手指的弯曲状态，还能够确定手指的弯曲方向。

具体实施时，单芯光纤24的一侧可以经过打磨处理，使得打磨一侧的部分包层241被去除，或者部分包层241及部分纤芯242被去除，工艺简单。单芯光纤24的一侧还可以通过物理切割、激光加工或化学腐蚀处理的方式，使其一侧的部分包层241被去除，或者部分包层241 及部分纤芯242被去除。

作为优选地方案，第一多芯光纤23、单芯光纤24以及第二多芯光纤25均为塑料光纤。塑料光纤(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤，与玻璃光纤相比，具有易加工、易弯曲，不易折断等优点。

作为优选地方案，第二多芯光纤25选择与第一多芯光纤23相同的光纤。

请继续参阅图3，光纤弯曲传感器20还包括转环块27，第一多芯光纤23的弯曲部分和单芯光纤24的一端固定在转环块27内，转环块 27用于使第一多芯光纤23和单芯光纤24同轴相连，以减小第一多芯光纤23和单芯光纤24之间的连接损耗。

光纤弯曲传感器20还包括连接块28，第二多芯光纤25的一端和单芯光纤24的另一端固定在连接块28内，连接块28用于使第二多芯光纤25和单芯光纤24同轴相连，以减少第二多芯光纤25和单芯光纤24 之间的连接损耗。第一多芯光纤23也可以固定在连接块28内，通过连接块28将单芯光纤24、第二多芯光纤25以及第一多芯光纤23固定。

光纤弯曲传感器20还包括第二连接块29，第二连接块29用于使第一多芯光纤23和第二多芯光纤25分别与光发射端21和光接收端22同轴相连。

光发射端21包括光源，光接收端22包括光电探测器，光源和光电探测器集成为一体，且分别与控制器41连接。光源可以为LED，以进一步降低成本，光电探测器可以为任何可以将光信号转化为电信号的光电元件。

本实施例的数据手套包括手套本体10、光纤弯曲传感器20、姿态传感器30、控制板40和电源装置50，控制板40上设置有控制器41和无线通讯装置42，无线通讯装置42、光纤弯曲传感器20、姿态传感器 30和电源装置50均与控制器41连接，其中，光纤弯曲传感器20设置于手套本体内与手指关节对应的位置处，光纤弯曲传感器20采用第一多芯光纤23和第二多芯光纤25进行导光传输，采用单芯光纤24进行弯曲检测，检测的精度和灵敏度较高，而且解调信号是光强，解调电路简单；通过光纤弯曲传感器20采集操控者手指的弯曲程度，以及通过姿态传感器30采集操控者手部的姿态变化，本实施例的数据手套结构简单，成本较低，且穿戴舒适。

本实用新型实施例还提供一种交互***，包括上位机或受控设备，以及如上所述的数据手套，数据手套通过无线通讯装置42和上位机或受控设备通信连接。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤弯曲传感器的数据手套，其特征在于，包括手套本体、光纤弯曲传感器、姿态传感器、控制板和电源装置，所述控制板上设置有控制器和无线通讯装置，所述无线通讯装置、所述光纤弯曲传感器、所述姿态传感器和所述电源装置均与所述控制器连接；

其中，光纤弯曲传感器设置于所述手套本体内与手指关节对应的位置处，所述光纤弯曲传感器包括光发射端、光接收端、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，所述光发射端与所述第一多芯光纤的一端连接，所述第一多芯光纤的另一端弯曲后与所述单芯光纤的一端连接，所述单芯光纤的另一端通过所述第二多芯光纤与所述光接收端连接，所述第一多芯光纤和所述单芯光纤呈U型结构排布。

2.根据权利要求1所述的数据手套，其特征在于，

所述单芯光纤包括纤芯和包层，所述单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

3.根据权利要求1所述的数据手套，其特征在于，

所述第一多芯光纤、所述单芯光纤以及所述第二多芯光纤均为塑料光纤。

4.根据权利要求1所述的数据手套，其特征在于，

所述第一多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连，所述单芯光纤和所述第二多芯光纤同轴相连；

所述第一多芯光纤和所述第二多芯光纤分别与所述光发射端和所述光接收端同轴相连。

5.根据权利要求1所述的数据手套，其特征在于，

所述光发射端包括光源，所述光接收端包括光电探测器，所述光源和所述光电探测器集成为一体，且分别与所述控制器连接。

6.根据权利要求5所述的数据手套，其特征在于，

所述光源为LED。

7.根据权利要求1-6任一项所述的数据手套，其特征在于，

所述姿态传感器采用九轴姿态传感器。

8.根据权利要求1-6任一项所述的数据手套，其特征在于，

所述手套本体包括主套体以及与所述主套体连通的多个手指套体，多个所述手指套体内对应手指关节的位置设有所述光纤弯曲传感器。

9.根据权利要求8所述的数据手套，其特征在于，

所述主套体包括掌部套体和腕部套体，所述电源装置设置于所述腕部套体中，所述控制板和所述姿态传感器设置于所述掌部套体中。

10.一种交互***，其特征在于，包括上位机或受控设备，以及如权利要求1-9任一项所述的数据手套，所述数据手套通过所述无线通讯装置和所述上位机或所述受控设备通信连接。