1.本发明涉及人机交互技术领域，特别涉及一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置及方法。
背景技术：2.随着机电交互技术、智能控制及机器人技术的不断发展，先进的接触力反馈与控制技术被不断地引入康复设备与患者的人机交互中。在包含较为复杂的手部抓握动作的手功能康复训练中，指尖与被抓取物体间接触力的测量为提高人体与康复机器人间人机交互的柔顺性、协调人机运动提供了重要的反馈信息。
3.然而，现有的指尖接触力测量方法大多是通过位于佩戴者指腹上的力传感器来完成的，存在影响指尖触觉、干涉指尖运动、无法测量不同方向的接触力等情况，难以满足精细手部康复训练的需求。一方面，人类的握力控制很大程度上依赖于触觉，因此传感器引起的触觉障碍会导致操作灵巧度降低，具体来说，触觉减弱可能引起握力过大，导致物体损伤，或者握力不足，导致滑脱，甚至造成手部二次损伤；另一方面，在手部康复训练中，触觉对大脑皮层的刺激作用能够促进中枢神经系统恢复四肢的感知与控制能力，从而可逐步激活或重建神经传导通路，实现“运动认知再学习”，提高康复效果。
4.近年来，基于指尖形变的指尖接触力估计方法吸引了研究人员的注意。2019年，韩国的junghoon park等人(park j,heo p,kim j,et al.a finger grip force sensor with an open-pad structure for glove-type assistive devices[j].sensors,2019,20(1).)尝试将定制电容式传感器用于具有开放指腹式结构的手套式辅助设备，采用类指数函数有选择地校准传感器，该方法在接触力5n以下时误差较小(0.843n)；然而这种方法只能测得单方向上接触力的大小，无法为手部精细运动的康复训练提供高质量的三维力反馈信号。2019年，日本的ayane saito等人(saito a,kuno w,kawai w,et al.estimation of fingertip contact force by measuring skin deformation and posture with photo-reflective sensors[c]//the 10th augmented human international conference 2019.2019.)通过使用光反射传感器来测量指尖侧面和传感器之间的距离来估计指尖三维接触力，在三个方向上的接触力估计误差均值分别达到0.661n、1.002n和1.071n；这种方法容易受到环境光线的影响，且估计精确度不高。
技术实现要素：[0005]
为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置及方法，可为手功能康复机器人的抓握力控制提供可靠的反馈信号，具有轻质、贴合人体、校准用时短、康复效果好等特点。
[0006]
为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：
[0007]
一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置，为对称结构，包括基座1，基座1内腔上部安装有适应垫2，适应垫2与人体手指7的上表面接触；基座1的两侧连接有侧板3，侧板3的
内侧安装有径向薄膜传感器4；基座1的下部对称设有传感器槽10，传感器槽10中安装有轴向薄膜传感器6，轴向薄膜传感器6和基座1内腔前部对称安装的接触头5对应配合。
[0008]
所述的适应垫2依据人体手指7的大小以及曲面特征进行个性化设计。
[0009]
通过改变侧板3与基座1之间垫片的厚度，调节人体手指7与径向薄膜传感器4接触下的预紧力，满足不同患者的使用需求。
[0010]
所述的传感器槽10的宽度与轴向薄膜传感器6厚度相同。
[0011]
所述径向薄膜传感器4和轴向薄膜传感器6为fsr400薄膜压力传感器，电阻值随感应区压力增大而减小，其感应区直径为5mm，厚度为0.3mm,灵敏范围为0.2n-20n。
[0012]
接触头5的凸出端与人体手指7前端接触，根据不同使用要求替换接触头5的型号；接触头5的凸出端采用球状头设计。
[0013]
所述径向薄膜传感器4粘贴于侧板3内侧，侧板3内侧设置为凹面，以保证径向薄膜传感器4始终与人体手指7接触。
[0014]
所述的保留触觉的指尖三维接触力传感装置佩戴在人体手指7的上部，开放指腹部分。
[0015]
所述的基座1、适应垫2、侧板3和接触头5均通过3d打印技术加工制造；基座1、侧板3和接触头5采用8200p树脂材料，适应垫2的采用软胶材料。
[0016]
利用一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置的方法，包括以下步骤：
[0017]
第一步，力信号采集：人体手指7佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，依次沿人体手指7的不同方向对三轴压力传感装置施加压力，并采集保留触觉的指尖三维接触力传感装置的四路薄膜传感器信号和三路三轴压力传感器信号的七路压力信号；
[0018]
第二步，建立指尖接触力估计模型：将七路压力信号送入多元回归学习系统中，并设置五次交叉验证以避免过拟合，通过指数gpr建立建立指尖接触力估计模型；
[0019]
第三步，三维接触力估计：人体手指7佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，在任意方向对物体施加任意大小压力，将采集四个薄膜传感器的四路压力信号，送入第二步已建立的指尖接触力估计模型中，通过指数gpr计算得出估计的三维接触力，作为手功能康复机器人的抓握力控制提供的反馈信号。
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
本发明装置开放人体手指7的指腹部分，保留了在指腹接触物体时的指尖触觉，通过四个薄膜传感器分别测量人体手指7指尖轴向和径向的交互力，送入多元回归学习系统中得到指尖接触力估计模型，实现指尖三维接触力的高精度估计。
[0022]
本发明装置结构紧凑，材料轻质，适合佩戴在人体手指指尖；基座1与接触头5可按照人体手指外形与尺寸进行个性化设计，增强了产品的适配性，提高了产品的康复效果。
[0023]
本发明方法采用指数核的高斯过程回归模型进行多元回归学习，指数gpr以一定概率保证预测误差的有界性，在三个方向上的接触力估计误差均值分别为0.4360n、0.3698n和0.4654n，比ayane saito等人用光反射传感器进行估计的研究中误差均值降低的47％，使其能被应用于对安全性要求较高的康复机器人指尖接触力反馈场景。
附图说明
[0024]
图1是本发明装置的整体结构示意图。
[0025]
图2是本发明装置的手指佩戴示意图。
[0026]
图3是本发明装置的爆炸图。
[0027]
图4是本发明装置基座的结构示意图。
[0028]
图5是本发明装置接触头的结构示意图。
[0029]
图6是本发明装置侧板的结构示意图。
[0030]
图7是本发明方法的流程图。
[0031]
图8是本发明方法手指坐标系的示意图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033]
参照图1-图2，一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置，为对称结构，包括基座1、适应垫2、侧板3、径向薄膜传感器4、接触头5、轴向薄膜传感器6；
[0034]
基座1内腔上部安装有适应垫2，适应垫2与人体手指7的上表面接触，通过revopoint手持式三维扫描仪对人体手指7进行扫描，得到人体手指7的大小以及曲面特征，适应垫2依据人体手指7的大小以及曲面特征进行个性化设计；
[0035]
参照图3，基座1的两侧分别设有侧板3的安装孔，侧板3通过一对螺钉即第一螺钉8、第二螺钉9固定在基座1上，侧板3的内侧安装有径向薄膜传感器4；通过改变侧板3与基座1之间垫片的厚度，可调节人体手指7与径向薄膜传感器4接触下的预紧力，满足不同患者的使用需求。
[0036]
参照图3、图4，基座1的下部对称设有传感器槽10，传感器槽10中安装有轴向薄膜传感器6，传感器槽10的宽度与轴向薄膜传感器6厚度相同；轴向薄膜传感器6和基座1内腔前部对称安装的接触头5对应配合。
[0037]
所述径向薄膜传感器4和轴向薄膜传感器6为fsr400薄膜压力传感器，电阻值随感应区压力增大而减小，常用于医疗设备上以检测人体受压程度，可感知微小压力与触觉信号，其感应区直径为5mm，厚度为0.3mm,轻薄耐弯，灵敏范围为0.2n-20n。
[0038]
参照图5，接触头5的凸出端与人体手指7前端接触，根据不同使用要求替换接触头5的型号，从而改变机构的尺寸，满足不同患者的使用需求；接触头5的凸出端采用球状头设计，增加佩戴舒适性。
[0039]
参照图1、图6，所述径向薄膜传感器4粘贴于侧板3内侧，侧板3内侧设置为凹面，以保证径向薄膜传感器4始终与人体手指7接触。
[0040]
所述的保留触觉的指尖三维接触力传感装置佩戴在人体手指7的上部，开放指腹部分，保证指尖的触觉。
[0041]
所述基座1、适应垫2、侧板3和接触头5均通过3d打印技术加工制造；基座1、侧板3和接触头5采用8200p树脂材料，保证结构的韧性与轻质；适应垫2的采用软胶材料，保证佩戴舒适性。
[0042]
参照图7-图8，利用一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置的方法，通过同时采集的四路薄膜传感器信号和三轴压力传感器信号，并进行低通滤波、去零偏差、电压-力转换等处理后，将七路信号送入多元回归学习系统中，建立指尖接触力估计模型，对指尖三维
接触力进行估计，具体步骤为：
[0043]
第一步，力信号采集：人体手指7佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，依次沿人体手指7的+x、-x、+y、-y、+z和+x+y等分线等六个方向对量程分别在x轴方向为10n、y轴方向为10n、z轴方向为20n的lz-swf46三轴压力传感器施加量程范围内任意大小压力，在每个方向上分别按压十次，每次按压用时为5s，同时压力信号采集装置采集四个薄膜传感器和lz-swf46三轴压力传感器的七路压力信号；
[0044]
第二步，建立指尖接触力估计模型：将七路压力信号通过smacq3020数据采集卡进行采集与传输，送入多元回归学习系统中，设置五次交叉验证以避免过拟合，通过指数gpr(高斯过程回归)建立建立指尖接触力估计模型；
[0045]
第三步，三维接触力估计：人体手指7佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，在任意方向对物体施加压力，同时压力信号采集装置采集四个薄膜传感器的四路压力信号，并将四路压力信号送入第二步已建立的指尖接触力估计模型中，通过指数gpr(高斯过程回归)计算得出估计的三维接触力，进而作为手功能康复机器人的抓握力控制提供可靠的反馈信号。
[0046]
gpr(高斯过程回归)是一种非参数建模方法，适用于非线性系统的建模，可以根据训练数据调整模型的复杂度；假设数据集{x，y}由n对数据构成，其中输入集为x，输出集为y；对于一个问询点x，它对应的输出f(x)可以表示为输出集y的先验分布以及y和f(x)联合分布可以表示为：
[0047]
其中k(x,x)是n
×
n维的gp协方差矩阵，由元素k(xi,xj)，i，j＝1,
…
,n组成；k(x,x)是输入集x中所有元素分别与问询点所求得的协方差组成的协方差向量，同理可得k(x,x)和k(x,x)；而f(x)的后验同样服从高斯分布:gp的核函数有很多中选择，如线性核函数、多项式核函数、指数核函数、二次有理核函数等。
[0048]
指数gpr是使用指数核的高斯过程回归模型，由于指数gpr以一定概率保证预测误差的有界性，使其能被应用于对安全性要求较高的康复机器人指尖接触力反馈场景。
[0049]
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，凡是根据本发明实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置，为对称结构，包括基座(1)，其特征在于：基座(1)内腔上部安装有适应垫(2)，适应垫(2)与人体手指(7)的上表面接触；基座(1)的两侧连接有侧板(3)，侧板(3)的内侧安装有径向薄膜传感器(4)；基座(1)的下部对称设有传感器槽(10)，传感器槽(10)中安装有轴向薄膜传感器(6)，轴向薄膜传感器(6)和基座(1)内腔前部对称安装的接触头(5)对应配合。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的适应垫(2)依据人体手指(7)的大小以及曲面特征进行个性化设计。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过改变侧板(3)与基座(1)之间垫片的厚度，调节人体手指(7)与径向薄膜传感器(4)接触下的预紧力，满足不同患者的使用需求。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的传感器槽(10)的宽度与轴向薄膜传感器(6)厚度相同。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述径向薄膜传感器(4)和轴向薄膜传感器(6)为fsr400薄膜压力传感器，电阻值随感应区压力增大而减小，其感应区直径为5mm，厚度为0.3mm,灵敏范围为0.2n-20n。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：接触头(5)的凸出端与人体手指(7)前端接触，根据不同使用要求替换接触头(5)的型号；接触头(5)的凸出端采用球状头设计。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述径向薄膜传感器(4)粘贴于侧板(3)内侧，侧板(3)内侧设置为凹面，以保证径向薄膜传感器(4)始终与人体手指(7)接触。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的保留触觉的指尖三维接触力传感装置佩戴在人体手指(7)的上部，开放指腹部分。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的基座(1)、适应垫(2)、侧板(3)和接触头(5)均通过3d打印技术加工制造；基座(1)、侧板(3)和接触头(5)采用8200p树脂材料，适应垫(2)的采用软胶材料。10.利用权利要求1所述的一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，力信号采集：人体手指(7)佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，依次沿人体手指(7)的不同方向对三轴压力传感装置施加压力，并采集保留触觉的指尖三维接触力传感装置的四路薄膜传感器信号和三路三轴压力传感器信号的七路压力信号；第二步，建立指尖接触力估计模型：将七路压力信号送入多元回归学习系统中，并设置五次交叉验证以避免过拟合，通过指数gpr建立建立指尖接触力估计模型；第三步，三维接触力估计：人体手指(7)佩戴保留触觉的指尖三维接触力传感装置，在任意方向对物体施加任意大小压力，将采集四个薄膜传感器的四路压力信号，送入第二步已建立的指尖接触力估计模型中，通过指数gpr计算得出估计的三维接触力，作为手功能康复机器人的抓握力控制提供的反馈信号。
技术总结一种保留触觉的指尖三维接触力传感装置及方法，装置为对称结构，包括基座，基座内腔上部安装有适应垫，基座的两侧连接有侧板，侧板的内侧安装有径向薄膜传感器；基座的下部对称设有传感器槽，传感器槽中安装有轴向薄膜传感器，轴向薄膜传感器和基座内腔前部对称安装的接触头对应配合；方法是佩戴装置后沿不同方向对三轴压力传感装置施加压力，采集四路薄膜传感器信号和三路三轴压力传感器信号；然后送入多元回归学习系统中，通过指数GPR建立建立指尖接触力估计模型；最后人体手指佩戴装置就对物体施加压力，将四个薄膜传感器信号送入指尖接触力估计模型中，得出估计的三维接触力；本发明具有轻质、贴合人体、校准用时短等特点。校准用时短等特点。校准用时短等特点。
技术研发人员：张四聪 江开元 徐光华 张凯 梁仍昊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/7/5
