用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及柔性觸覺(jué)傳感裝置，柔性觸覺(jué)傳感裝置用于三維物體表面，包括一維線形傳感元件、測(cè)控電路以及計(jì)算模塊。一維線形傳感元件敷設(shè)在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測(cè)到的壓觸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)控電路與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)。計(jì)算模塊與所述測(cè)控電路相連，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)計(jì)算壓觸力大小及壓觸位置。本實(shí)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(jī)器人之類的三維物體的外表面或內(nèi)表面，從而能夠以較低成本覆蓋三維物體較大面積的復(fù)雜形狀肢體。
【專利說(shuō)明】
用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種觸覺(jué)傳感裝置，具體地說(shuō)，是涉及一種用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]觸覺(jué)傳感器是仿人形機(jī)器人、智能假肢、智能穿戴設(shè)備、智能舒適設(shè)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(jué)傳感器提供的信息，智能假肢手可對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行可靠抓取，并可進(jìn)一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性，應(yīng)用于智能假肢手的觸覺(jué)傳感器要求觸覺(jué)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(duì)觸覺(jué)傳感器的可靠性同樣有著至關(guān)重要的作用。
[0004]以仿人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，目前的機(jī)器人觸覺(jué)傳感通常是在身體關(guān)鍵部位設(shè)置有少量力傳感器，尚未有便于較大面積連續(xù)覆蓋機(jī)器人肢體表面的機(jī)器觸覺(jué)傳感器出現(xiàn)，且，目前該領(lǐng)域的主要研究方向集中在解決單點(diǎn)或局部壓力/溫度傳感檢測(cè)等解決方案上，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?01210193314.9”的中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)、申請(qǐng)?jiān)摓椤?01310756674”的中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)等。而針對(duì)觸覺(jué)、溫覺(jué)作用位置的傳感檢測(cè)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(jī)器人局部表面，覆蓋面積也仍然不大。其難點(diǎn)在于:1、機(jī)器人肢體表面通常是復(fù)雜的曲面，傳統(tǒng)方法制作的電路難以適應(yīng)連續(xù)彎曲的表面，且傳感層需要高彈性，對(duì)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(cè)點(diǎn)密集分布的場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的矩陣式掃描等方法將導(dǎo)致巨量且分散的薄膜引出導(dǎo)線，實(shí)施難度大，尚未有用較經(jīng)濟(jì)的方法制造出的可以檢測(cè)出觸壓作用位置的傳感裝置出現(xiàn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，該種柔性觸覺(jué)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(jī)器人之類的三維物體的外表面或內(nèi)表面，從而能夠以較低成本覆蓋三維物體較大面積的復(fù)雜形狀肢體。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，包括一維線形傳感元件、測(cè)控電路以及計(jì)算模塊。一維線形傳感元件敷設(shè)在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測(cè)到的壓觸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)控電路與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)。計(jì)算模塊與所述測(cè)控電路相連，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)計(jì)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(jué)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(shè)置于所述柔性套體內(nèi)的壓力波傳導(dǎo)件。
[0008]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，其中，所述柔性套體為柔性波導(dǎo)管，所述壓力波傳導(dǎo)件為充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)部的液體。
[0009]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)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(jué)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(cè)傳感器和第二檢測(cè)傳感器。
[0011]上述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，其中，所述一維線形傳感元件還包括多個(gè)設(shè)置在所述柔性套體上的檢測(cè)傳感器。
[0012]本實(shí)用新型的有益功效在于，基于一維線形傳感元件的設(shè)置，能以類似手套、襪子、緊身衣、皮囊等形式套裝在諸如機(jī)器人的三維物體的外表面或內(nèi)表面，能夠以較低成本覆蓋較大面積的復(fù)雜形狀肢體。不僅適用于機(jī)器人、機(jī)器寵物等領(lǐng)域，還可廣泛應(yīng)用于智能假肢、智能穿戴設(shè)備、智能舒適設(shè)施(如智能沙發(fā)座椅/床)等多種相關(guān)領(lǐng)域。
[0013]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1a為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的柔性觸覺(jué)傳感裝置的結(jié)構(gòu)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(shí)用新型第一實(shí)施例的柔性觸覺(jué)傳感裝置的電路原理圖；
[0017]圖1d為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的壓力波檢測(cè)原理圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的柔性觸覺(jué)傳感裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]其中，附圖標(biāo)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(dǎo)件
[0023]13—第一檢測(cè)傳感器
[0024]14 一第二檢測(cè)傳感器
[0025]15—柔性封裝材料
[0026]20—測(cè)控電路
[0027]30 一計(jì)算模塊
[0028]200—機(jī)器人肢體
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，以更進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的目的、方案及功效，但并非作為本實(shí)用新型所附權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。
[0030]本實(shí)用新型的柔性觸覺(jué)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(jiǎn)稱THS)、測(cè)控電路以及計(jì)算模塊。一維線形傳感元件敷設(shè)在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測(cè)到的壓觸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)控電路與一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)。計(jì)算模塊與測(cè)控電路相連，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)計(jì)算壓觸力大小及壓觸位置。應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)將THS纏繞、編織、往復(fù)或穿戴等方式敷設(shè)在機(jī)器人三維表面，形成機(jī)器觸覺(jué)傳感裝置，當(dāng)有外力壓觸THS時(shí)，依據(jù)其輸出信號(hào)特征，在檢測(cè)壓觸力大小的同時(shí)，可以計(jì)算出壓觸點(diǎn)與THS端點(diǎn)(或特定點(diǎn))的距離，并據(jù)此確定壓觸點(diǎn)在機(jī)器人表面的位置。
[0031]一維線形傳感元件(THS)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的物理原理包括:壓力波傳感、光纖傳感檢測(cè)(如OTDR光學(xué)時(shí)域反射技術(shù))等，可以檢測(cè)力、溫度等。構(gòu)成機(jī)器觸覺(jué)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(jī)器人表面；可以是單層THS，也可以是兩層或多層，以便復(fù)合檢測(cè)壓力、剪切力、溫度等。機(jī)器觸覺(jué)傳感裝置裝配好后，可以通過(guò)計(jì)算、或者輔以主動(dòng)觸摸等方式，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將壓觸點(diǎn)位置及壓觸力與信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系信息進(jìn)行建?；虼鎯?chǔ)記憶以便建立初始化的數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)外部環(huán)境變化，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等方式將該對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)調(diào)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(jī)器人肢體三者一體化制成。
[0033]以下結(jié)合幾個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0034]第一實(shí)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(shè)置于柔性套體11內(nèi)的壓力波傳導(dǎo)件12，以及分別連接在柔性套體11的兩端的第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14。柔性套體11為柔性波導(dǎo)管，壓力波傳導(dǎo)件12為充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)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(shè)置更多的檢測(cè)傳感器，以便提高計(jì)算精度和縮短響應(yīng)時(shí)間。
[0036]THS以纏繞方式覆蓋在機(jī)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(jī)器觸覺(jué)傳感裝置。內(nèi)部的液體為防凍液(由40%乙二醇+60%軟水)構(gòu)成。當(dāng)機(jī)器觸覺(jué)傳感器表面受到F壓觸力作用時(shí)，壓力波沿波導(dǎo)管向兩端傳播，分別由第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14檢測(cè)得到，電信號(hào)送給測(cè)控電路20及計(jì)算模塊30(計(jì)算模塊30可為一計(jì)算機(jī))處理。根據(jù)壓力波到達(dá)第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的時(shí)間差，可以分別計(jì)算出壓觸點(diǎn)到兩端的路程(當(dāng)然，若一維線形傳感元件為在柔性套體11的特定位置設(shè)置更多的檢測(cè)傳感器的情況下，是根據(jù)壓力波到達(dá)各個(gè)檢測(cè)傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出壓觸點(diǎn)到兩端或特定點(diǎn)的路程)，進(jìn)而可以確定壓觸點(diǎn)在機(jī)器人身體表面的位置;根據(jù)壓力波信號(hào)的幅度可以計(jì)算出壓觸力F的大小。
[0037]本實(shí)施例中的柔性波導(dǎo)管為娃膠管，其外徑Φ3mm/內(nèi)徑Φ 2mm，長(zhǎng)度5900mm，機(jī)器人肢體外徑Φ 55mm，硅膠管纏繞27圈，覆蓋肢體長(zhǎng)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(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14為MEMS壓力傳感器。檢測(cè)原理如圖1c所示，當(dāng)THS受到壓觸力作用時(shí)，波導(dǎo)管內(nèi)部的壓力波分別向兩端傳播，并由第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的檢測(cè)電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)施例中，當(dāng)壓觸點(diǎn)距離第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的距離分別為L(zhǎng)A = 5500mm、LB = 400mm、壓觸力F = 2牛頓時(shí)，信號(hào)波形如圖1d所示，壓力波先行到達(dá)第二檢測(cè)傳感器14(圖1d中的傳感器B)、其后到達(dá)第一檢測(cè)傳感器13(圖1d中的傳感器A)，壓力波傳播的時(shí)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(cè)傳感器14的輸出信號(hào)強(qiáng)度為20mV。
[0038]第二實(shí)施例
[0039]如圖2所示，本實(shí)施例與第一實(shí)施例具有大致相同的結(jié)構(gòu)。不同之處在于，壓力波傳導(dǎo)件12為充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)部的純凈水，且THS以往復(fù)方式覆蓋在機(jī)器人肢體200的表面，其余與第一實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)在此就不多做贅述。當(dāng)機(jī)器觸覺(jué)傳感器表面受到壓觸力作用時(shí)，壓力波沿波導(dǎo)管向兩端傳播，分別由第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14檢測(cè)得到，電信號(hào)送給測(cè)控電路20及計(jì)算機(jī)30處理。根據(jù)壓力波到達(dá)第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的時(shí)間差，可以分別計(jì)算出壓觸點(diǎn)到兩端的路程，進(jìn)而可以確定壓觸點(diǎn)在機(jī)器人身體表面的位置;根據(jù)壓力波信號(hào)的幅度可以計(jì)算出壓觸力F的大小。
[°04°] 本實(shí)施例中的柔性波導(dǎo)管為娃膠管，其外徑Φ 3mm/內(nèi)徑Φ 2mm，長(zhǎng)度5900mm。第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14為MEMS壓力傳感器。當(dāng)THS受到壓觸力作用時(shí)，波導(dǎo)管內(nèi)部的壓力波分別向兩端傳播，并由第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的檢測(cè)電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算機(jī)30進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)施例中，當(dāng)觸壓點(diǎn)距離第一檢測(cè)傳感器13和第二檢測(cè)傳感器14的距離分別為L(zhǎng)A = 5500mm、LB = 400mm，壓力波傳播的時(shí)間差為127ms，壓力波傳播速度為40.14m/s。
[0041 ]上述第一實(shí)施例中，充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)部的液體為防凍液;第二實(shí)施例中，充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)部的液體為純凈水;但是，在實(shí)際應(yīng)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(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)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(shè)在三維物體表面以感觸壓觸力并將感測(cè)到的壓觸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 測(cè)控電路，與所述一維線形傳感元件相連以放大及A/D轉(zhuǎn)換所述電信號(hào)；以及 計(jì)算模塊，與所述測(cè)控電路相連，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)計(jì)算壓觸力大小及壓觸位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)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(shè)置于所述柔性套體內(nèi)的壓力波傳導(dǎo)件。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，其特征在于，所述柔性套體為柔性波導(dǎo)管，所述壓力波傳導(dǎo)件為充滿于柔性波導(dǎo)管內(nèi)部的液體。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)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(quán)利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)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(cè)傳感器和第二檢測(cè)傳感器。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于三維物體表面的柔性觸覺(jué)傳感裝置，其特征在于，所述一維線形傳感元件還包括多個(gè)設(shè)置在所述柔性套體上的檢測(cè)傳感器。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK205538042SQ201620320193
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】林宏韜
【申請(qǐng)人】林宏韜