CN103968980B - 新型的光纤触觉阵列传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的光纤触觉阵列传感器及制作方法,包括一个薄膜，在薄膜上设置由若干行传感器组成的阵列，行传感器包括n个排列成一行的弹性装置和一根穿过弹性装置的光纤光栅传感器。光纤触觉阵列传感器的制作过程，包括如下步骤：步骤1：制作横向串联式模型模具；步骤2：制作行光纤触觉传感器；步骤3：将获得的行光纤触觉传感器粘到薄膜上构成阵列。当外界物体碰触光纤触觉传感器阵列时，就会有压力施加到光纤触觉传感器阵列的某个传感器上，受力的传感器由于基体材料的良好伸展性，会在收到施加力时伸展，嵌在基体里的光纤光栅会随着基体的伸展而伸展，光纤光栅的光栅周期就会变化，从而布拉格光栅的中心波长就会相应的发生变化。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种新型的光纤触觉阵列传感器及制作方法。
背景技术
目前，机器人系统已经应用到很多领域，像工业、军事、航天等。其中，对象处理和控制是机器人系统所应用的各个领域的主要任务。能够对一个对象进行有效的处理和操作，不仅需要机器人在动作上的技巧性和能力，还取决于来自被控制和处理对象的反馈信息和对对象的属性识别。特别的，当视频设备不能使用、预先设定的环境条件不能为智能机器人行动提供足够信息时，也需要触觉传感器为智能机器人系统提供需要的信息反馈。因此触觉传感信息对于机器人系统能否灵活自主的处理和操作对象显得至关重要。与发展迅速的视觉传感技术相比，触觉传感器进展缓慢。目前的研究中，传统的触觉传感器有压阻式、电容式、压电式等。
加拿大SimonFraser大学的Dargahi对PVDF薄膜的压电和热电特性进行了分析，测试了动态响应，提出了由三片PVDF薄膜构成的触觉传感器。重庆大学的刘俊、秦岚、刘京诚等人基于压电效应，先后在2005年和2010年提出了三向力传感器和平板式压电四维力/力矩传感器，不但可以用于机械空间力的测量,且还可用于机器人表皮的传感,为实现新型的智能机器人触觉力传感器系统提供了新的思路。多数压电式触觉传感器均具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、可靠性强以及质轻等优点，但是因为需要从每个传感器单元获取信号数据，因此该类型传感器的信号处理电路一般较为复杂。此外，因为压电材料产生的电荷需要单独积累，需要为每个传感器单元配备一个电荷放大器，电路实现起来较为困难，同时也提高了传感器的造价。另外，某些压电敏感材料还需要做好防潮措施，限制了传感器的应用领域。
日本东京大学于2002年利用导电橡胶的压阻效应研制出的机器人柔性触觉手指套。2005年开发出了一种由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的，几乎跟真人皮肤一样敏感的电子“皮肤”，使机器人的触觉传感技术变得越来越成熟。2006年美国伊利诺伊大学香槟分校研制出聚合物微机械多模式触觉传感器，可以测量硬度、热导率、温度和物体表面轮廓。中科院智能机械研究所以机器人皮肤用多维力触觉传感器为应用背景，利用MEMS技术成功研制了一种类似于人的皮肤、能感知多维力信息的新型柔性多维阵列触觉传感器。目前，相关研究成果已成功应用于863重点项目“可穿戴型助残助老智能机器人示范平台”下肢助力机器人的足底压力和膝关节的测量中，在各种柔性接触压力分布测量、体育运动和人体生物力学、以及医疗、制造业和娱乐等诸多领域具有广泛的应用前景。基于压阻效应的触觉传感器具有如下优点：频率响应高；体积小，有利于触觉传感器的微型化发展；测量精度高；灵敏度高。但是，该类型的传感器同时也存在受温度影响较大、制作工艺较复杂以及造价高等缺点。
加拿大科学家2006年设计了一种可检测三维力的电容式触觉传感器，2008年研制了一种基于电容式传感器单元的柔性触觉阵列传感器，依靠柔性的硅橡胶衬底保证传感器的柔性，可以应用在光滑的物体曲面上完成测力功能。2013年上海中国计量学院科学家基于非硅MEMS工艺开发了一种可用于微纳米尺度三维尺寸测量的电容式微触觉测头。电容式触觉传感器具有结构简单、造价较低、灵敏度高以及动态响应好等优点，尤其是对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性比较强。但是，该类型的传感器输出一般会表现为非线性，并且固有的寄生电容和分布电容均会对传感器的灵敏度和测量精度产生影响。
而基于光纤的传感器具有径细、质软、重量轻的机械性能；电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；而且能够实现多路复用，并行化读出，解决布线复杂问题。此外,光纤传感器还易于与其它微型技术结合；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性，容易实现对被测信号的远距离监控。
在光纤应用中，英国伦敦大学机械工程系研发出一种新型的基于光强度解调原理的滚轮光纤传感器，可以应用在微创手术中研究软组织性能及监测病变。韩国国家技术科学院Jin-SeokHeo等人利用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术研究了一种3×3阵列的柔性触觉传感器，采用柔性的硅橡胶材料将所有敏感单元组合起。2002年，哈尔滨工程大学的崔金辉，林晓艳，梁艺军，苑立波，利用了光纤的微弯损耗机理设计智能皮肤传感器。2002年，哈尔滨工程大学的贾铭新利用光纤外调制机理设计了一种机器人触觉传感器，这种传感器能够有效地获取触觉信号，可用在机械手上实现无损伤抓取作业。大连理工大学的郝华丽、荆振国等人研究了具有较高测量范围的光纤F-P触觉传感器和具有较高灵敏度的光纤F-P触觉传感器。但是由于脆性的传感元件和刚性基体之间不能可靠的接触，光纤光栅形成敏感单元后遗留的非敏感区域较大，造成敏感度下降等原因，目前国内还没有比较成熟的使用光纤光栅技术的触觉传感器。
发明内容
为解决现有技术存在的缺点，本发明提出了新型的光纤触觉传感器阵列结构及制作方法。
本发明采用的技术方案如下：
新型的光纤触觉阵列传感器,包括一个薄膜，在薄膜上设置由若干行传感器组成的阵列，所述的行传感器包括n个排列成一行的弹性装置和一根穿过弹性装置的光纤光栅传感器；一个弹性装置和其内部的一段光纤光栅组成单个光纤触觉传感单元。
所述的弹性装置的底面为正方形，其余的面为曲面；当排成阵列时，正方形可以减小传感器相互之间的间隙；其余面作为曲面，可以更灵敏的感应各个方向的力。
所述的弹性装置是由液态聚二甲硅氧烷和配套的固化剂混合物组成。
所述的液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤约一个小时(温度与时间参数的不同将会制作出不同硬度的PDMS)。
所述的液态聚二甲硅氧烷(含配套固化剂)型号为Sylgard184(道康宁公司，购买时提供主剂/固化剂双组份液态包装)。
所述的阵列是由n行行传感器组成的矩形阵列。
所述的行传感器之间留有缝隙，为传感器受到力时伸展留有空间。
光纤触觉阵列传感器的制作过程，包括如下步骤：
步骤1：制作横向串联式模型模具；
步骤2：制作行光纤触觉传感器；
步骤3：将获得的行光纤触觉传感器粘到薄膜上构成阵列。
步骤1所述的制作横向串联式模型模，具步骤如下：
(1-1)准备聚甲基丙烯酸甲酯材料板；
(1-2)在聚甲基丙烯酸甲酯材料板上设计一行相互间隔分布的中心槽；
(1-3)准备CO2激光系统；
(1-4)用所述的激光系统在中心槽的两侧进行蚀刻，获得光纤蚀刻槽；所述的蚀刻槽、中心槽在同一行分布。
步骤2制作行光纤触觉传感器具体步骤如下：
(2-1)将准备好的光纤放横向串联式模型模具光纤蚀刻槽内，固定好；
(2-2)将液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1混合，并且倒入到模具的每个中心槽中；
(2-3)利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，消除封装过程中出现的气泡；
(2-4)再放入120度的烤箱中烤约一个小时(温度与时间参数的不同将会制作出不同硬度的PDMS)。
(2-5)取出模型；
步骤3所述的具体过程如下：
制作出多行光纤触觉传感器后，将多行光纤触觉传感器排列，用黏结剂黏在很薄的薄膜上，所述的薄膜材料与传感器制作材料相同。所述的黏结剂为快速环氧胶粘剂，型号JH99；
布拉格光栅的中心波长λB与光栅周期，折射率关系表示如下：
λB＝2nΛ
其中，Λ是光栅周期，n是光纤芯区内的有效折射率。
本发明的工作过程如下：
本发明是通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测。当外界物体碰触所述的光纤触觉传感器阵列时，就会有压力施加到所述的光纤触觉传感器阵列的某个传感器上，受力的传感器由于液态聚二甲硅氧烷基体材料的良好伸展性，会在收到施加力时伸展，嵌在基体里的光纤光栅会随着基体的伸展而伸展，光纤光栅的光栅周期就会变化，从而布拉格光栅的中心波长就会相应的发生变化，由光电检测模块可获得光纤布拉格光栅的中心波长变化，将光电检测模块连接到电脑的伪彩图软件，就会在所述的软件上相应的显示出施力点，从而可以实现高灵敏度的定位。
本发明产生的有益效果是:
新型的光纤触觉传感器基于光纤的波长解调原理，基体材料为伸展性良好的弹性灵活的PDMS，能够在受到施加力时灵活的伸展，从而带动布拉格光栅的拉伸；所述的光纤触觉传感器阵列是先用模具制作出一列单个的触觉传感器集合，然后排成阵列，传感器不是嵌入到一体的集体中，而是单个凸出来，这种特殊的阵列排列结构，在检测受力位置时定位更加准确，提高了传感器的灵敏度；所述的传感器底面是正方形，当排成阵列时可以减小传感器相互之间的间隙；所述的传感器其余面是曲面，在不增加接触台高度的同时还能感应各个方向的接触力，提高了传感器的灵敏度；用光纤制作触觉传感器不受电磁干扰，还能够实现多路复用，解决布线复杂问题；
为实现紧密排列，本设计采用的底面是正方形，也可使用正六边形(阵列呈现蜂窝状)。如果是圆形，将达不到紧密排列的效果。
附图说明
图1本发明的横向串联式模型模具图；
图2光纤光栅图；
图3光纤触觉传感器阵列俯视图；
图4光纤触觉传感器阵列前视图；
图5光纤触觉传感器阵列侧视图；
图6光纤光栅阵列示意图；
图中:1为横向串联式模型模具板、2为横向串联式模型模具中心槽、3为光纤光栅蚀刻槽、4为光纤光栅、5为包层和涂敷层、6为刻有光栅的纤芯、7为薄膜、8为单个光纤触觉传感单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
图1为横向串联式模型模具1，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板，在材料板上有横向串联式模型模具中心槽2和光纤光栅蚀刻槽3。
图2光纤光栅图，包括刻有光栅的纤芯6，其外面为包层和涂敷层，里面为光纤光栅4，
整体的结构图如图3-6所示，包括一个薄膜7，在薄膜7上设置由若干行传感器组成的阵列，所述的行传感器包括n个排列成一行的弹性装置和一根穿过弹性装置的光纤光栅4传感器；且一个弹性装置和一段光纤光栅组成单个光纤触觉传感单元8；行传感器之间留有缝隙，为传感器受到力时伸展留有空间。
弹性装置的底面为正方形，其余的面为曲面；当排成阵列时，正方形可以减小传感器相互之间的间隙；其余面作为曲面，可以更灵敏的感应各个方向的力。
弹性装置液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤约一个小时(温度与时间参数的不同将会制作出不同硬度的PDMS)。
光纤光栅是在弹性装置的正中央。
所述的传感器制作过程包括如下步骤：
步骤一：制作所述的横向串联式模型模具；
步骤二：制作行光纤触觉传感器；
步骤三：将获得的行光纤触觉传感器按照“列”的排列方式粘到薄膜上构成阵列。
所述的制作横向串联式模型模具步骤如下：
(1)准备长5cm、宽3㎝、高10mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板；
(2)准备激光束为μm等级的CO2激光系统；
(3)用所述的激光系统对所述的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板进行蚀刻，获得光纤蚀刻槽，蚀刻位置为距上表面2mm处，蚀刻直径为250μm；
(4)用铸造工艺获得最终的模具样式，其中，模具中所述的中心槽，槽最大深度为2.5mm。制作行光纤触觉传感器具体步骤如下：
(1)将准备好的光纤放入所述的横向串联式模型模具光纤蚀刻槽内，固定好；
(2)将所述的液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1混合，倒入所述的总模型模具的中心槽；
(3)利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，消除封装过程中出现的气泡；
(4)再放入120度的烤箱中烤约一个小时(温度与时间参数的不同将会制作出不同硬度的PDMS)。
(5)取出模型；
制作出多行光纤触觉传感器后，将所述的多行光纤触觉传感器按照“列”排列方式，用黏结剂黏在很薄的薄膜上，所述的薄膜材料与传感器制作材料相同。所述的黏结剂为快速环氧胶粘剂，型号JH99；
布拉格光栅的中心波长λB与光栅周期，折射率关系表示如下：
λB＝2nΛ
其中，Λ是光栅周期，n是光纤芯区内的有效折射率。传感器是通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测。当外界物体碰触所述的光纤触觉传感器阵列时，就会有压力施加到所述的光纤触觉传感器阵列的某个传感器上，受力的传感器由于基体材料的良好伸展性，会在收到施加力时伸展，嵌在基体里的光纤光栅会随着基体的伸展而伸展，光纤光栅的光栅周期就会变化，从而布拉格光栅的中心波长就会相应的发生变化，由光电检测模块可获得光纤布拉格光栅的中心波长变化，将光电检测模块连接到电脑的伪彩图软件，就会在所述的软件上相应的显示出施力点，从而可以实现高灵敏度的定位。
本发明基于波长解调原理设计了一种新的光纤触觉传感器阵列结构；所述光纤触觉传感器阵列结构将基体和接触台合二为一，直接采用将单个的触觉传感器粘到有弹性的薄膜(很薄，只起固定作用)上构成阵列，中间留有微小缝隙，为传感器受到力时伸展留有空间，这样外界物体碰触到传感器阵列时，相当于碰触到某个(外界物体面积大时，可能碰触多个)单一的传感器，获得的定位效果更好、更准确。
而且该传感器的顶面采用曲面结构，在不增加额外的接触台厚度的同时，还能更好的感应来自所有方向的力。当传感器光纤光栅的长度变小时，传感器的灵敏度也会随之增加。
Claims (8)
1.光纤触觉阵列传感器，包括一个薄膜，其特征在于：在薄膜上设置由若干行传感器组成的阵列，所述的行传感器包括n个排列成一行的弹性装置和一根穿过弹性装置的光纤光栅；一个弹性装置和其内部的一段光纤光栅组成单个光纤触觉传感单元；
先用模具制作出一列单个的触觉传感器集合，构成行光纤触觉传感器，将获得的行光纤触觉传感器粘到薄膜上构成阵列，传感器不是嵌入到一体的集体中，而是单个凸出来；
所述的弹性装置是由液态聚二甲硅氧烷和配套的固化剂混合物组成；所述的液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤一个小时。
2.如权利要求1所述的光纤触觉阵列传感器，其特征在于：所述的弹性装置的底面为正方形，其余的面为曲面；当排成阵列时，正方形减小传感器相互之间的间隙；其余面作为曲面，更灵敏的感应各个方向的力。
3.如权利要求1所述的光纤触觉阵列传感器，其特征在于：所述的行传感器之间留有缝隙，为传感器受到力时伸展留有空间。
4.如权利要求1所述的光纤触觉阵列传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：制作横向串联式模型模具；
步骤2：制作行光纤触觉传感器；
步骤3：将获得的行光纤触觉传感器粘到薄膜上构成阵列。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：步骤1所述的制作横向串联式模型模具步骤如下：
(1-1)准备聚甲基丙烯酸甲酯材料板；
(1-2)在聚甲基丙烯酸甲酯材料板上设置一行相互间隔分布的中心槽；
(1-3)准备CO2激光系统；
(1-4)用所述的激光系统在中心槽的两侧进行蚀刻，获得光纤蚀刻槽；所述的蚀刻槽、中心槽在同一行分布。
6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：步骤2制作行光纤触觉传感器具体步骤如下：
(2-1)将准备好的光纤放横向串联式模型模具光纤蚀刻槽内，固定好；
(2-2)将液态聚二甲硅氧烷和配套固化剂按质量比10：1混合，并且倒入到模具的每个中心槽中；
(2-3)利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，消除封装过程中出现的气泡；
(2-4)再放入120度的烤箱中烤一个小时；
(2-5)取出模型。
7.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：步骤3所述的具体过程如下：
制作出多行光纤触觉传感器后，将多行光纤触觉传感器排列，用黏结剂黏在薄膜上，所述的薄膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述的光纤蚀刻槽和中心槽在同一条直线上，且光纤光栅依次穿过光纤蚀刻槽和中心槽。
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