用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及柔性觸覺傳感裝置，柔性觸覺傳感裝置用于三維物體表面，包括一維線形傳感元件、測控電路以及計算模塊。一維線形傳感元件敷設在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測到的壓觸力轉換為電信號。測控電路與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉換所述電信號。計算模塊與所述測控電路相連，根據(jù)A/D轉換后的電信號計算壓觸力大小及壓觸位置。本實用新型能以類似手套、襪子、緊身衣、皮囊等形式套裝在諸如機器人之類的三維物體的外表面或內表面，從而能夠以較低成本覆蓋三維物體較大面積的復雜形狀肢體。
【專利說明】
用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種觸覺傳感裝置，具體地說，是涉及一種用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置。
【背景技術】
[0002]觸覺傳感器是仿人形機器人、智能假肢、智能穿戴設備、智能舒適設施(如智能沙發(fā)座椅/床)等獲取接觸信息不可缺少的手段。
[0003]以智能假肢手為例，根據(jù)觸覺傳感器提供的信息，智能假肢手可對目標物體進行可靠抓取，并可進一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性，應用于智能假肢手的觸覺傳感器要求觸覺傳感器具有高度柔性和小型化，可以牢固貼服手指表面，這就意味著，有效的安裝方式對觸覺傳感器的可靠性同樣有著至關重要的作用。
[0004]以仿人形機器人來說，目前的機器人觸覺傳感通常是在身體關鍵部位設置有少量力傳感器，尚未有便于較大面積連續(xù)覆蓋機器人肢體表面的機器觸覺傳感器出現(xiàn)，且，目前該領域的主要研究方向集中在解決單點或局部壓力/溫度傳感檢測等解決方案上，例如申請?zhí)枮椤?01210193314.9”的中國實用新型專利申請、申請該為“201310756674”的中國實用新型專利申請等。而針對觸覺、溫覺作用位置的傳感檢測尚未有合適的解決方案。目前，雖有多種利用柔性電路傳感的解決方案，但通常都是采用可以彎曲的彈性薄膜電路方式，這些薄膜電路仍然不容易拉伸，因此只能斷續(xù)覆蓋機器人局部表面，覆蓋面積也仍然不大。其難點在于:1、機器人肢體表面通常是復雜的曲面，傳統(tǒng)方法制作的電路難以適應連續(xù)彎曲的表面，且傳感層需要高彈性，對各種電路材料及芯片工藝要求高;2、在傳感層覆蓋面積較大、檢測點密集分布的場景下，傳統(tǒng)的矩陣式掃描等方法將導致巨量且分散的薄膜引出導線，實施難度大，尚未有用較經濟的方法制造出的可以檢測出觸壓作用位置的傳感裝置出現(xiàn)。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，該種柔性觸覺傳感裝置能以類似手套、襪子、緊身衣、皮囊等形式套裝在諸如機器人之類的三維物體的外表面或內表面，從而能夠以較低成本覆蓋三維物體較大面積的復雜形狀肢體。
[0006]為了解決上述技術問題，本實用新型的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，包括一維線形傳感元件、測控電路以及計算模塊。一維線形傳感元件敷設在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測到的壓觸力轉換為電信號。測控電路與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉換所述電信號。計算模塊與所述測控電路相連，根據(jù)A/D轉換后的電信號計算壓觸力大小及壓觸位置。
[0007]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其中，所述一維線形傳感元件包括柔性套體以及設置于所述柔性套體內的壓力波傳導件。
[0008]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其中，所述柔性套體為柔性波導管，所述壓力波傳導件為充滿于柔性波導管內部的液體。
[0009]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其中，所述液體為植物油、礦物油、水或防凍液。
[0010]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其中，所述一維線形傳感元件還包括分別連接在所述柔性套體的兩端的第一檢測傳感器和第二檢測傳感器。
[0011]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其中，所述一維線形傳感元件還包括多個設置在所述柔性套體上的檢測傳感器。
[0012]本實用新型的有益功效在于，基于一維線形傳感元件的設置，能以類似手套、襪子、緊身衣、皮囊等形式套裝在諸如機器人的三維物體的外表面或內表面，能夠以較低成本覆蓋較大面積的復雜形狀肢體。不僅適用于機器人、機器寵物等領域，還可廣泛應用于智能假肢、智能穿戴設備、智能舒適設施(如智能沙發(fā)座椅/床)等多種相關領域。
[0013]以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，但不作為對本實用新型的限定。
【附圖說明】
[0014]圖1a為本實用新型第一實施例的柔性觸覺傳感裝置的結構圖；
[0015]圖1b為圖1a中的一維線形傳感元件的剖視圖；
[0016]圖1c為本實用新型第一實施例的柔性觸覺傳感裝置的電路原理圖；
[0017]圖1d為本實用新型第一實施例的壓力波檢測原理圖；
[0018]圖2為本實用新型第二實施例的柔性觸覺傳感裝置的結構圖。
[0019]其中，附圖標記
[0020]10—一維線形傳感元件
[0021]11—柔性套體
[0022]12一壓力波傳導件
[0023]13—第一檢測傳感器
[0024]14 一第二檢測傳感器
[0025]15—柔性封裝材料
[0026]20—測控電路
[0027]30 一計算模塊
[0028]200—機器人肢體
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案進行詳細的描述，以更進一步了解本實用新型的目的、方案及功效，但并非作為本實用新型所附權利要求保護范圍的限制。
[0030]本實用新型的柔性觸覺傳感裝置，主要用于三維物體表面，包括一維線形傳感元件(Thread Sensor，簡稱THS)、測控電路以及計算模塊。一維線形傳感元件敷設在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測到的壓觸力轉換為電信號。測控電路與一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉換所述電信號。計算模塊與測控電路相連，根據(jù)A/D轉換后的電信號計算壓觸力大小及壓觸位置。應用時，可通過將THS纏繞、編織、往復或穿戴等方式敷設在機器人三維表面，形成機器觸覺傳感裝置，當有外力壓觸THS時，依據(jù)其輸出信號特征，在檢測壓觸力大小的同時，可以計算出壓觸點與THS端點(或特定點)的距離，并據(jù)此確定壓觸點在機器人表面的位置。
[0031]一維線形傳感元件(THS)實現(xiàn)檢測的物理原理包括:壓力波傳感、光纖傳感檢測(如OTDR光學時域反射技術)等，可以檢測力、溫度等。構成機器觸覺傳感器的THS可以是一根，也可以是多根相同或不同的THS，以平行或交織等方式覆蓋機器人表面；可以是單層THS，也可以是兩層或多層，以便復合檢測壓力、剪切力、溫度等。機器觸覺傳感裝置裝配好后，可以通過計算、或者輔以主動觸摸等方式，使計算機系統(tǒng)將壓觸點位置及壓觸力與信號的對應關系信息進行建?；虼鎯τ洃浺员憬⒊跏蓟臄?shù)據(jù)，也可以根據(jù)外部環(huán)境變化，通過機器學習等方式將該對應關系進行自動調整。
[0032]THS外部可以用彈性封裝材料包覆制成膜皮狀整體使用，也可以將THS的柔性套體與封裝材料一體化成型制成，還可以將THS的柔性套體與封裝材料、機器人肢體三者一體化制成。
[0033]以下結合幾個具體實施例對本實用新型進行詳細介紹。
[0034]第一實施例
[0035]如圖1a和圖1b所示，一維線形傳感元件(THS)1包括柔性套體11、設置于柔性套體11內的壓力波傳導件12，以及分別連接在柔性套體11的兩端的第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14。柔性套體11為柔性波導管，壓力波傳導件12為充滿于柔性波導管內部的液體。根據(jù)具體情況，還可在柔性套體11上的特定位置設置更多的檢測傳感器，以便提高計算精度和縮短響應時間。
[0036]THS以纏繞方式覆蓋在機器人肢體200的表面，并以乳膠作為柔性封裝材料15封裝成膜狀，形成機器觸覺傳感裝置。內部的液體為防凍液(由40%乙二醇+60%軟水)構成。當機器觸覺傳感器表面受到F壓觸力作用時，壓力波沿波導管向兩端傳播，分別由第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14檢測得到，電信號送給測控電路20及計算模塊30(計算模塊30可為一計算機)處理。根據(jù)壓力波到達第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的時間差，可以分別計算出壓觸點到兩端的路程(當然，若一維線形傳感元件為在柔性套體11的特定位置設置更多的檢測傳感器的情況下，是根據(jù)壓力波到達各個檢測傳感器的時間差，計算出壓觸點到兩端或特定點的路程)，進而可以確定壓觸點在機器人身體表面的位置;根據(jù)壓力波信號的幅度可以計算出壓觸力F的大小。
[0037]本實施例中的柔性波導管為娃膠管，其外徑Φ3mm/內徑Φ 2mm，長度5900mm，機器人肢體外徑Φ 55mm，硅膠管纏繞27圈，覆蓋肢體長度90mm，覆蓋肢體表面積90*55*3.14 =15543平方毫米，剩余部分在兩端作為引出部分不纏繞;第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14為MEMS壓力傳感器。檢測原理如圖1c所示，當THS受到壓觸力作用時，波導管內部的壓力波分別向兩端傳播，并由第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的檢測電橋轉換為電壓信號，經放大和A/D轉換后，送入計算機進行計算。本實施例中，當壓觸點距離第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的距離分別為LA = 5500mm、LB = 400mm、壓觸力F = 2牛頓時，信號波形如圖1d所示，壓力波先行到達第二檢測傳感器14(圖1d中的傳感器B)、其后到達第一檢測傳感器13(圖1d中的傳感器A)，壓力波傳播的時間差為144ms，壓力波傳播速度為(5.5m-
0.4m)/0.144s = 35.4m/s;第二檢測傳感器14的輸出信號強度為20mV。
[0038]第二實施例
[0039]如圖2所示，本實施例與第一實施例具有大致相同的結構。不同之處在于，壓力波傳導件12為充滿于柔性波導管內部的純凈水，且THS以往復方式覆蓋在機器人肢體200的表面，其余與第一實施例相同的結構在此就不多做贅述。當機器觸覺傳感器表面受到壓觸力作用時，壓力波沿波導管向兩端傳播，分別由第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14檢測得到，電信號送給測控電路20及計算機30處理。根據(jù)壓力波到達第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的時間差，可以分別計算出壓觸點到兩端的路程，進而可以確定壓觸點在機器人身體表面的位置;根據(jù)壓力波信號的幅度可以計算出壓觸力F的大小。
[°04°] 本實施例中的柔性波導管為娃膠管，其外徑Φ 3mm/內徑Φ 2mm，長度5900mm。第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14為MEMS壓力傳感器。當THS受到壓觸力作用時，波導管內部的壓力波分別向兩端傳播，并由第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的檢測電橋轉換為電壓信號，經放大和A/D轉換后，送入計算機30進行計算。本實施例中，當觸壓點距離第一檢測傳感器13和第二檢測傳感器14的距離分別為LA = 5500mm、LB = 400mm，壓力波傳播的時間差為127ms，壓力波傳播速度為40.14m/s。
[0041 ]上述第一實施例中，充滿于柔性波導管內部的液體為防凍液;第二實施例中，充滿于柔性波導管內部的液體為純凈水;但是，在實際應用中，液體并不局限于此，還可以為植物油、礦物油等，或者其他各種合成或有添加劑混合的液體。
[0042]當然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據(jù)本實用新型作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，包括: 一維線形傳感元件，所述一維線形傳感元件敷設在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測到的壓觸力轉換為電信號； 測控電路，與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉換所述電信號；以及 計算模塊，與所述測控電路相連，根據(jù)A/D轉換后的電信號計算壓觸力大小及壓觸位置。2.根據(jù)權利要求1所述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，所述一維線形傳感元件包括柔性套體以及設置于所述柔性套體內的壓力波傳導件。3.根據(jù)權利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，所述柔性套體為柔性波導管，所述壓力波傳導件為充滿于柔性波導管內部的液體。4.根據(jù)權利要求3所述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，所述液體為植物油、礦物油、水或防凍液。5.根據(jù)權利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，所述一維線形傳感元件還包括分別連接在所述柔性套體的兩端的第一檢測傳感器和第二檢測傳感器。6.根據(jù)權利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺傳感裝置，其特征在于，所述一維線形傳感元件還包括多個設置在所述柔性套體上的檢測傳感器。
【文檔編號】G01L1/24GK205538042SQ201620320193
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】林宏韜
【申請人】林宏韜