本發(fā)明涉及光纖傳感，尤其涉及一種基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套及交互系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確獲得手部姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)高效交互的數(shù)據(jù)手套。

背景技術(shù)：

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、操縱桿等，由于缺乏操作靈活性，并且真實(shí)感不強(qiáng)，已經(jīng)漸漸不能滿足操作者的需求。數(shù)據(jù)手套為人機(jī)交互提供了一種新的方式，通過(guò)數(shù)據(jù)手套，操作者可以把手勢(shì)輸入給計(jì)算機(jī)，從而可以自然地、靈活地操縱計(jì)算機(jī)所生成的虛擬物體。目前數(shù)據(jù)手套常用的傳感器有：光纖傳感器、磁力計(jì)、加速度計(jì)和力反饋等，這些傳感器都有一定的優(yōu)勢(shì)和局限性。光纖光柵作為一種新興的傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、不受光強(qiáng)干擾、易于實(shí)現(xiàn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、易植入等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)手套中，將有望提高數(shù)據(jù)手套的性能，進(jìn)一步改善人機(jī)交互的質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套及交互系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確實(shí)時(shí)捕獲手部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而操縱計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體，實(shí)現(xiàn)方便快捷、真實(shí)感更強(qiáng)的人機(jī)交互。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于光纖光柵的彎曲傳感器，包括光纖光柵、記憶合金絲和金屬毛細(xì)管，所述光纖光柵粘貼于記憶合金絲上，記憶合金絲的一端設(shè)有固定端，用于固定在待檢測(cè)物體上，另一端置于金屬毛細(xì)管中，從而使記憶合金絲可以自由滑動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述光纖光柵采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼于記憶合金絲上。所述固定端采用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定。

本發(fā)明所述的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套，包括上述的彎曲傳感器、手套本體、光纖和光纖接頭，所述彎曲傳感器通過(guò)固定端固定在手套本體的手指位置處，彎曲傳感器通過(guò)光纖連接至光纖接頭。

進(jìn)一步的，所述彎曲傳感器具體布設(shè)于手套本體的手指關(guān)節(jié)范圍處，并使彎曲傳感器的光纖光柵正對(duì)手指關(guān)節(jié)。

進(jìn)一步的，所述彎曲傳感器共布設(shè)有14個(gè)，光纖接頭共布設(shè)有5個(gè)，其中，在手套本體大拇指的兩個(gè)關(guān)節(jié)處上各布設(shè)有1個(gè)彎曲傳感器，在其余手指的三個(gè)關(guān)節(jié)處各布設(shè)有1個(gè)彎曲傳感器，一個(gè)手指上的彎曲傳感器通過(guò)一根光纖熔接光纖光柵方式串接起來(lái)，一根光纖末端熔接一個(gè)光纖接頭，從而形成分布式網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)一步的，所述光纖接頭具體為fc/pc接頭。所述手套本體具體為尼龍手套。

本發(fā)明所述的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套交互系統(tǒng)，包括上述的數(shù)據(jù)手套、多通道光纖光柵解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)，多通道光纖光柵解調(diào)儀和數(shù)據(jù)手套之間通過(guò)光纖連接，計(jì)算機(jī)與多通道光纖光柵解調(diào)儀之間通過(guò)網(wǎng)線連接。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)捕獲手部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而操縱計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體，實(shí)現(xiàn)方便快捷、真實(shí)感更強(qiáng)的人機(jī)交互，靈活性和舒適性更強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的基于光纖光柵的彎曲傳感器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套交互系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖；

圖4是結(jié)構(gòu)彎曲示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種基于光纖光柵的彎曲傳感器，如圖1所示，包括光纖光柵111、記憶合金絲112和金屬毛細(xì)管113，記憶合金絲直徑為1mm左右，光纖光柵111采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼于記憶合金絲112上，記憶合金絲發(fā)生形變時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，根據(jù)此數(shù)據(jù)可計(jì)算出彎曲角度。記憶合金絲112的一端設(shè)有固定端114，具體為環(huán)氧樹(shù)脂膠，用于固定在待檢測(cè)物體(例如手套)上，另一端置于金屬毛細(xì)管113中，金屬毛細(xì)管的內(nèi)徑為3mm左右，長(zhǎng)度為5mm左右，使記憶合金絲112可自由滑動(dòng)。因?yàn)橛洃浐辖鸾z具有超彈性，可以保證光纖光柵在非工作狀態(tài)下不受應(yīng)力，避免其長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)下，延長(zhǎng)了光纖光柵的使用壽命。同時(shí)記憶合金絲可以避免光纖光柵111在大角度彎曲的狀態(tài)下被拉斷，保證了傳感器的強(qiáng)度。記憶合金絲的直徑很小，同時(shí)采用一端固定、一端可自由滑動(dòng)的方式可以減小傳感器對(duì)關(guān)節(jié)的阻力，使數(shù)據(jù)手套的靈活性和舒適性更強(qiáng)。因此該傳感器具有輕巧、柔性好、植入性好、可靠性性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套，如圖2所示，包括實(shí)施例1中的彎曲傳感器11、手套本體12、光纖13和光纖接頭14，彎曲傳感器11通過(guò)固定端104固定在手套本體12的手指位置處，彎曲傳感器11通過(guò)光纖13連接至光纖接頭14。為保證佩戴的舒適性，減少手指彎曲時(shí)手套表面產(chǎn)生的褶皺，手套本體12具體可采用尼龍材料。光纖接頭14具體可采用fc/pc接頭。

同時(shí)參考圖1和圖2，彎曲傳感器11具體布設(shè)于手套本體12的手指關(guān)節(jié)范圍處，并使彎曲傳感器11的光纖光柵101正對(duì)手指關(guān)節(jié)。具體的，彎曲傳感器11共布設(shè)有14個(gè)，光纖接頭14共布設(shè)有5個(gè)，其中，在手套本體12大拇指的兩個(gè)關(guān)節(jié)處上各布設(shè)有1個(gè)彎曲傳感器11，在其余手指的三個(gè)關(guān)節(jié)處各布設(shè)有1個(gè)彎曲傳感器11，一個(gè)手指上的彎曲傳感器11通過(guò)一根光纖13熔接光纖光柵101方式串接起來(lái)，一根光纖13末端熔接一個(gè)光纖接頭14，從而形成分布式網(wǎng)絡(luò)。為利用光纖光柵的空分復(fù)用和波分復(fù)用特性，每根手指上傳感器所采用光纖光柵的中心波長(zhǎng)間隔10nm，避免在大角度彎曲狀態(tài)下，相鄰光纖光柵之間的相互干擾。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供了一種基于光纖光柵的數(shù)據(jù)手套交互系統(tǒng)，如圖3所示，包括實(shí)施例2中的數(shù)據(jù)手套1、多通道光纖光柵解調(diào)儀2和計(jì)算機(jī)3，多通道光纖光柵解調(diào)儀2和數(shù)據(jù)手套1之間通過(guò)光纖4連接，計(jì)算機(jī)3與多通道光纖光柵解調(diào)儀2之間通過(guò)網(wǎng)線5連接。多通道光纖光柵解調(diào)儀2為至少5通道的光纖光柵解調(diào)儀2，其采集數(shù)據(jù)手套中各光纖光柵的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)并送給計(jì)算機(jī)3，計(jì)算機(jī)3通過(guò)tcp/ip協(xié)議與多通道光纖光柵解調(diào)儀2進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲得各個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)中心波長(zhǎng)變化量與彎曲角度之間的函數(shù)關(guān)系，將光纖光柵解調(diào)儀獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各個(gè)手指關(guān)節(jié)的彎曲角度，實(shí)時(shí)獲得手部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而操縱計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體，實(shí)現(xiàn)方便快捷的人機(jī)交互。

其中，計(jì)算每個(gè)手指關(guān)節(jié)處的彎曲角度的原理如下：

當(dāng)測(cè)量環(huán)境周?chē)臏囟缺３趾愣〞r(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)λ偏移量δλ與被測(cè)對(duì)象測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)變?chǔ)艥M足：

pe表示光纖光柵的光彈系數(shù)。

如圖4所示，在純彎曲條件下，結(jié)構(gòu)受壓或受拉作用而產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，形狀近似為弧狀。中心層長(zhǎng)度不變，受拉一側(cè)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，受壓一側(cè)長(zhǎng)度變短，所發(fā)生的長(zhǎng)度l變化δl符合下式：

l+δl＝(ρ+h/2)θ

ρ表示曲率半徑，h表示光纖光柵到中性軸的距離，θ表示彎曲角度。(請(qǐng)補(bǔ)充)

根據(jù)材料力學(xué)理論，可得應(yīng)變?yōu)椋?/p>

綜合以上三式，可得彎曲角度θ與中心波長(zhǎng)λ變化的關(guān)系如下式：

此函數(shù)關(guān)系為理論關(guān)系，由于環(huán)氧樹(shù)脂膠、粘貼誤差等因素的影響，在計(jì)算之前，應(yīng)先對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)波長(zhǎng)與角度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行修正，提高測(cè)量精度。通過(guò)此函數(shù)，計(jì)算機(jī)即可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得手部姿態(tài)，可以在虛擬環(huán)境中重構(gòu)出手部姿態(tài)，也可以操縱計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體，實(shí)現(xiàn)方便快捷的人機(jī)交互。

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實(shí)施例而已，不能以此來(lái)限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。