一种可拉伸柔性贴附式手部精细动作捕捉装置的制作方法

本实用新型属于电子信息技术领域，具体涉及一种可拉伸柔性贴附式手部精细动作捕捉装置。

背景技术：

人手是人体最灵活的器官，在人的日常生活中扮演着非常重要角色。人手能够轻松地完成物体抓取、握笔、打字、拿筷子等一系列精细动作。因此，人手对人的日常生活影响比较大，对手部精细动作研究，在很多领域中都有着非常重要的意义。例如，在体育运动领域中，羽毛球运动和乒乓球运动对手部动作有着较高的要求。运动员在进行击球发力的同时，手部通常存在着不易观察的细致动作，为了更好地研究运动员手部发力的情况，优化动作技术结构，就需要使用精度较高动作捕捉系统来还原运动员手部的精细动作。在医疗康复领域中，一些中风患者通常伴有手部功能障碍，康复治疗师会针对不同的病情，对患者进行特定的康复治疗。用来评价手部功能康复效果好坏的方法是进行手部的关节活动度测量。因此，使用手部动作捕捉系统可以快速方便地进行康复效果的评估。在军事领域中，通常会使用虚拟现实系统对士兵进行模拟实战训练，因此，就需要对士兵手的部动作进行识别，从而可以实时映射至虚拟现实场景中，实现良好的人机交互。手部动作捕捉系统在该领域也有一定的应用价值。

目前，用于人手的精细动作捕捉主要有接触式和非接触式两种方法。其中，非接触式的通常采用计算机图像捕捉的方法来进行，这种方法的优点是能够在不影响人手活动的情况下，进行实时手势识别，关节角度测量，但是这种方法通常对环境要求较高，一旦受到环境干扰，比如图像被遮挡，就会出现手势识别或者精细动作测量不精准。为了克服这个问题，目前比较流行的是使用接触式的手部动作捕捉方法，通常受试者需要佩戴动作捕捉设备，这类设备一般设计成手套状，将各种传感器搭载于手套上，通过佩戴这样的数据手套，进行人手的动作捕捉。因此数据手套上通常搭载有光纤传感器、弯曲度传感器、霍尔传感器、磁力计以及惯性传感器，其中弯曲度传感器应用最多。这种弯曲度传感器的优点是结构简单，装配方便，能够快速部署于数据手套之中，但是，在多次弯曲后会产生精度失准的现象，无法用于精细动作的精准测量，并且只能测量一个自由度的角度信息。惯性传感器能够测量物体的运动姿态，响应速率高，可靠性较好，并且能够测量物体多个自由度的角度信息，基于惯性传感器的诸多优点，国内外厂商也将其应用于各种数据手套的产品之中。但是传统的数据手套在手部运动捕捉方面存在较多的缺陷，例如：当人手在进行抓握或者触碰物体时，会产生摩擦力，佩戴数据手套后将会导致手部部分触觉失准，从而使得手部信息测量不精准。另外，在使用数据手套进行人手精细动作捕捉时，手套与人手皮肤之间也会产生滑动摩擦，这将会导致用于测量的传感器单元发生移位，使得最终的精细动作捕捉不精准。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种轻便的、高精度的、可拉伸柔性贴附式手部精细动作捕捉装置，可检测人手在做精细动作时手部各个关节的各种姿态数据。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型包括九轴姿态传感器和主控板，九轴姿态传感器包括九轴姿态传感器ⅰ、九轴姿态传感器ⅱ、九轴姿态传感器ⅲ和九轴姿态传感器ⅳ，主控板包括主控芯片和与主控芯片相连的九轴姿态传感器ⅰ，主控板集成于柔性主控电路板上，柔性主控电路板贴附于手背。

柔性主控电路板分别延伸出与五个手指和手腕方向相对应的五个手指分支和一个手腕分支；五个手指分支为分别贴附于食指、中指、无名指、小拇指、大拇指的食指分支、中指分支、无名指分支、小拇指分支、大拇指分支，在食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有九轴姿态传感器ⅱ和九轴姿态传感器ⅲ，在大拇指分支的近节与远节处分别设有九轴姿态传感器ⅱ和九轴姿态传感器ⅲ；手腕分支贴附于手腕部位，在手腕分支的腕关节处设有九轴姿态传感器ⅳ。

九轴姿态传感器ⅱ、九轴姿态传感器ⅲ和九轴姿态传感器ⅳ均集成于柔性分支电路板上，九轴姿态传感器ⅱ和九轴姿态传感器ⅲ的柔性分支电路板之间通过蜿蜒导线并联，九轴姿态传感器ⅱ和九轴姿态传感器ⅳ的柔性分支电路板通过蜿蜒导线与柔性主控电路板相连。

柔性主控电路板、柔性分支电路板和蜿蜒导线均被柔性绝缘乳胶封装。

每个手指分支的九轴姿态传感器ⅱ和九轴姿态传感器ⅲ组成测量单元用于测量每个手指第一指间关节的姿态数据，九轴姿态传感器ⅰ分别和各个九轴姿态传感器ⅱ组成测量单元用于测量每个手指掌指关节的姿态数据，九轴姿态传感器ⅳ和九轴姿态传感器ⅰ组成测量单元用于测量腕部关节的姿态数据。

所述姿态数据包括各个关节的欧拉角、加速度、角速度和地磁角度。

主控板还包括wifi射频单元，主控芯片将所有九轴姿态传感器采集的姿态数据通过wifi射频单元传输至上位机。

整个装置采用柔性绝缘乳胶封装后具有可弯曲与可延展性。

当手部关节弯曲的时候，由于柔性绝缘乳胶与蜿蜒导线均具有延展性，因此可以紧贴皮肤表面而不发生冗余或者褶皱。

所述蜿蜒导线采用双排导线或单排导线，每排导线呈蜿蜒状布置。

柔性绝缘乳胶光滑面附着有粘性材料，柔性主控电路板、柔性分支电路板和蜿蜒导线均通过柔性绝缘乳胶贴附于人手背部、手指部及手腕部皮肤表面而不发生脱落。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型采用的柔性绝缘乳胶和蜿蜒导线都具有可拉伸延展性，因此该系统不会发生断裂，且可以适应于不同大小及形状的人手；当手部关节弯曲时可以紧贴皮肤表面而不发生冗余或者褶皱，提高了测量的精确性。

2、本实用新型贴附于人手背部，不会导致手部的触觉失准，同时避免了佩戴传统数据手套导致测量的传感器单元发生移位的问题，可以检测人手在做精细动作时手部各个关节的姿态数据。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的单排蜿蜒导线连接的结构示意图。

图中：主控板(1)、柔性主控电路板(2)、九轴姿态传感器ⅲ(3)、柔性分支电路板(4)、蜿蜒导线(5)、柔性绝缘乳胶(6)、九轴姿态传感器ⅱ(7)、九轴姿态传感器ⅰ(8)、九轴姿态传感器ⅳ(9)、单排蜿蜒导线结构(10)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的可拉伸柔性可贴附式手部位精细动作捕捉装置由12个九轴姿态传感器和一个主控板1构成。每个九轴姿态传感器之间通过蜿蜒导线5与主控板1相连接，并由柔性绝缘乳胶6进行封装。主控板1包括主控芯片、wifi射频单元、九轴姿态传感器。12个九轴姿态传感器为五个位于手指中节部位的九轴姿态传感器ⅲ3、五个位于手指近节部位的九轴姿态传感器ⅱ7、一个集成于主控板1上的九轴姿态传感器ⅰ8和一个位于腕关节的九轴姿态传感器ⅳ9组成。

食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有九轴姿态传感器ⅱ7和九轴姿态传感器ⅲ3，在大拇指分支的近节与远节处分别设有九轴姿态传感器ⅱ7和九轴姿态传感器ⅲ3，九轴姿态传感器ⅲ3与九轴姿态传感器ⅱ7之间采用蜿蜒导线5进行连接。九轴姿态传感器ⅱ7和九轴姿态传感器ⅳ9与主控柔性电路板1之间的连接采用蜿蜒导线5连接。

所有的九轴姿态传感器、蜿蜒导线5、主控板1、柔性主控电路板2、柔性分支电路板4均采用柔性绝缘乳胶6进行封装。柔性绝缘乳胶6在光滑面附着粘性材料后，可以直接贴附于人体皮肤表面而不发生脱落或位置变化。

蜿蜒导线5为双排的对称结构，也可采用如图2所示的单排蜿蜒导线结构10对述双排结构的蜿蜒导线5进行替换。

具体实施方法：

使用者在柔性绝缘乳胶6的光滑面贴附双面胶，将本实用新型贴附于手部的正确位置，即在每个手指的近节、中节处以及上臂近腕部位固定相应的九轴姿态传感器；打开电源，使用者进行手部运动，主控芯片将采集到的所有九轴姿态传感器的姿态数据通过wifi射频单元传输至上位机。

每根手指上的两个九轴姿态传感器组成一个测量单元，测量得出每根手指第一指间关节的姿态数据；九轴姿态传感器ⅱ7与九轴姿态传感器ⅰ8之间组成一个测量单元，测量得出每根手指掌指关节的姿态数据；九轴姿态传感器ⅳ9与九轴姿态传感器ⅰ8之间组成一个测量单元，测量得出腕关节的姿态数据；从而完成手部运动的姿态数据采集。