CN105716757A - 柔性触觉传感装置及感测三维物体表面压触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性触觉传感装置及感测三维物体表面压触的方法，柔性触觉传感装置用于三维物体表面，包括一维线形传感元件、测控电路以及计算模块。一维线形传感元件敷设在三维物体表面以感触压触力并将感测到的压触力转换为电信号。测控电路与所述一维线形传感元件相连以放大及A/D转换所述电信号。计算模块与所述测控电路相连，根据A/D转换后的电信号计算压触力大小及压触位置。本发明能以类似手套、袜子、紧身衣、皮囊等形式套装在诸如机器人之类的三维物体的外表面或内表面，从而能够以较低成本覆盖三维物体较大面积的复杂形状肢体。
Description
技术领域
本发明涉及一种触觉传感装置，具体地说，是涉及一种用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，本发明还涉及感测三维物体表面压触的方法。
背景技术
触觉传感器是仿人形机器人、智能假肢、智能穿戴设备、智能舒适设施(如智能沙发座椅/床)等获取接触信息不可缺少的手段。
以智能假肢手为例，根据触觉传感器提供的信息，智能假肢手可对目标物体进行可靠抓取，并可进一步感知它的大小、形状、轻重、软硬等物理特性，应用于智能假肢手的触觉传感器要求触觉传感器具有高度柔性和小型化，可以牢固贴服手指表面，这就意味着，有效的安装方式对触觉传感器的可靠性同样有着至关重要的作用。
以仿人形机器人来说，目前的机器人触觉传感通常是在身体关键部位设置有少量力传感器，尚未有便于较大面积连续覆盖机器人肢体表面的机器触觉传感器出现，且，目前该领域的主要研究方向集中在解决单点或局部压力/温度传感检测等解决方案上，例如申请号为“201210193314.9”的中国发明专利申请、申请该为“201310756674”的中国发明专利申请等。而针对触觉、温觉作用位置的传感检测尚未有合适的解决方案。目前，虽有多种利用柔性电路传感的解决方案，但通常都是采用可以弯曲的弹性薄膜电路方式，这些薄膜电路仍然不容易拉伸，因此只能断续覆盖机器人局部表面，覆盖面积也仍然不大。其难点在于：1、机器人肢体表面通常是复杂的曲面，传统方法制作的电路难以适应连续弯曲的表面，且传感层需要高弹性，对各种电路材料及芯片工艺要求高；2、在传感层覆盖面积较大、检测点密集分布的场景下，传统的矩阵式扫描等方法将导致巨量且分散的薄膜引出导线，实施难度大，尚未有用较经济的方法制造出的可以检测出触压作用位置的传感装置出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，该种柔性触觉传感装置能以类似手套、袜子、紧身衣、皮囊等形式套装在诸如机器人之类的三维物体的外表面或内表面，从而能够以较低成本覆盖三维物体较大面积的复杂形状肢体。
为了解决上述技术问题，本发明的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，包括一维线形传感元件、测控电路以及计算模块。一维线形传感元件敷设在三维物体表面以感触压触力并将感测到的压触力转换为电信号。测控电路与所述一维线形传感元件相连以放大及A/D转换所述电信号。计算模块与所述测控电路相连，根据A/D转换后的电信号计算压触力大小及压触位置。
上述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其中，所述一维线形传感元件包括柔性套体以及设置于所述柔性套体内的压力波传导件。
上述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其中，所述柔性套体为柔性波导管，所述压力波传导件为充满于柔性波导管内部的液体。
上述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其中，所述液体为植物油、矿物油、水或防冻液。
上述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其中，所述一维线形传感元件还包括分别连接在所述柔性套体的两端的第一检测传感器和第二检测传感器。
上述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其中，所述一维线形传感元件还包括多个设置在所述柔性套体上的检测传感器。
本发明进一步提供一种感测三维物体表面压触的方法，通过上述的柔性触觉传感装置进行感测，包括如下步骤：
S101，将一维线形传感元件以缠绕、编织、往复或制成穿戴物方式敷设在三维物体表面；
S102，压力波传导及检测；
S103，电信号放大及A/D转换；
S104，压触力大小计算及压触位置确定。
上述的感测三维物体表面压触的方法，其中，在所述步骤S104中，根据压力波信号的幅度计算压触力的大小；根据压力波到达各个检测传感器的时间差，计算出压触点到两端的路程以确定压触点在三维物体表面的位置。
本发明的有益功效在于，基于一维线形传感元件的设置，能以类似手套、袜子、紧身衣、皮囊等形式套装在诸如机器人的三维物体的外表面或内表面，能够以较低成本覆盖较大面积的复杂形状肢体。不仅适用于机器人、机器宠物等领域，还可广泛应用于智能假肢、智能穿戴设备、智能舒适设施(如智能沙发座椅/床)等多种相关领域。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1a为本发明第一实施例的柔性触觉传感装置的结构图；
图1b为图1a中的一维线形传感元件的剖视图；
图1c为本发明第一实施例的柔性触觉传感装置的电路原理图；
图1d为本发明第一实施例的压力波检测原理图；
图2为本发明第二实施例的柔性触觉传感装置的结构图。
其中，附图标记
10—一维线形传感元件
11—柔性套体
12—压力波传导件
13—第一检测传感器
14—第二检测传感器
15—柔性封装材料
20—测控电路
30—计算模块
200—机器人肢体
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明的柔性触觉传感装置，主要用于三维物体表面，包括一维线形传感元件(ThreadSensor，简称THS)、测控电路以及计算模块。一维线形传感元件敷设在三维物体表面以感触压触力并将感测到的压触力转换为电信号。测控电路与一维线形传感元件相连以放大及A/D转换所述电信号。计算模块与测控电路相连，根据A/D转换后的电信号计算压触力大小及压触位置。应用时，可通过将THS缠绕、编织、往复或穿戴等方式敷设在机器人三维表面，形成机器触觉传感装置，当有外力压触THS时，依据其输出信号特征，在检测压触力大小的同时，可以计算出压触点与THS端点(或特定点)的距离，并据此确定压触点在机器人表面的位置。
一维线形传感元件(THS)实现检测的物理原理包括：压力波传感、光纤传感检测(如OTDR光学时域反射技术)等，可以检测力、温度等。构成机器触觉传感器的THS可以是一根，也可以是多根相同或不同的THS，以平行或交织等方式覆盖机器人表面；可以是单层THS，也可以是两层或多层，以便复合检测压力、剪切力、温度等。机器触觉传感装置装配好后，可以通过计算、或者辅以主动触摸等方式，使计算机系统将压触点位置及压触力与信号的对应关系信息进行建模或存储记忆以便建立初始化的数据，也可以根据外部环境变化，通过机器学习等方式将该对应关系进行自动调整。
THS外部可以用弹性封装材料包覆制成膜皮状整体使用，也可以将THS的柔性套体与封装材料一体化成型制成，还可以将THS的柔性套体与封装材料、机器人肢体三者一体化制成。
以下结合几个具体实施例对本发明进行详细介绍。
第一实施例
如图1a和图1b所示，一维线形传感元件(THS)10包括柔性套体11、设置于柔性套体11内的压力波传导件12，以及分别连接在柔性套体11的两端的第一检测传感器13和第二检测传感器14。柔性套体11为柔性波导管，压力波传导件12为充满于柔性波导管内部的液体。根据具体情况，还可在柔性套体11上的特定位置设置更多的检测传感器，以便提高计算精度和缩短响应时间。
THS以缠绕方式覆盖在机器人肢体200的表面，并以乳胶作为柔性封装材料15封装成膜状，形成机器触觉传感装置。内部的液体为防冻液(由40％乙二醇+60％软水)构成。当机器触觉传感器表面受到F压触力作用时，压力波沿波导管向两端传播，分别由第一检测传感器13和第二检测传感器14检测得到，电信号送给测控电路20及计算模块30(计算模块30可为一计算机)处理。根据压力波到达第一检测传感器13和第二检测传感器14的时间差，可以分别计算出压触点到两端的路程(当然，若一维线形传感元件为在柔性套体11的特定位置设置更多的检测传感器的情况下，是根据压力波到达各个检测传感器的时间差，计算出压触点到两端或特定点的路程)，进而可以确定压触点在机器人身体表面的位置；根据压力波信号的幅度可以计算出压触力F的大小。
本实施例中的柔性波导管为硅胶管，其外径φ3mm/内径φ2mm，长度5900mm，机器人肢体外径φ55mm，硅胶管缠绕27圈，覆盖肢体长度90mm，覆盖肢体表面积90*55*3.14＝15543平方毫米，剩余部分在两端作为引出部分不缠绕；第一检测传感器13和第二检测传感器14为MEMS压力传感器。检测原理如图1c所示，当THS受到压触力作用时，波导管内部的压力波分别向两端传播，并由第一检测传感器13和第二检测传感器14的检测电桥转换为电压信号，经放大和A/D转换后，送入计算机进行计算。本实施例中，当压触点距离第一检测传感器13和第二检测传感器14的距离分别为LA＝5500mm、LB＝400mm、压触力F＝2牛顿时，信号波形如图1d所示，压力波先行到达第二检测传感器14(图1d中的传感器B)、其后到达第一检测传感器13(图1d中的传感器A)，压力波传播的时间差为144ms，压力波传播速度为(5.5m-0.4m)/0.144s＝35.4m/s；第二检测传感器14的输出信号强度为20mV。
第二实施例
如图2所示，本实施例与第一实施例具有大致相同的结构。不同之处在于，压力波传导件12为充满于柔性波导管内部的纯净水，且THS以往复方式覆盖在机器人肢体200的表面，其余与第一实施例相同的结构在此就不多做赘述。当机器触觉传感器表面受到压触力作用时，压力波沿波导管向两端传播，分别由第一检测传感器13和第二检测传感器14检测得到，电信号送给测控电路20及计算机30处理。根据压力波到达第一检测传感器13和第二检测传感器14的时间差，可以分别计算出压触点到两端的路程，进而可以确定压触点在机器人身体表面的位置；根据压力波信号的幅度可以计算出压触力F的大小。
本实施例中的柔性波导管为硅胶管，其外径φ3mm/内径φ2mm，长度5900mm。第一检测传感器13和第二检测传感器14为MEMS压力传感器。当THS受到压触力作用时，波导管内部的压力波分别向两端传播，并由第一检测传感器13和第二检测传感器14的检测电桥转换为电压信号，经放大和A/D转换后，送入计算机30进行计算。本实施例中，当触压点距离第一检测传感器13和第二检测传感器14的距离分别为LA＝5500mm、LB＝400mm，压力波传播的时间差为127ms，压力波传播速度为40.14m/s。
上述第一实施例中，充满于柔性波导管内部的液体为防冻液；第二实施例中，充满于柔性波导管内部的液体为纯净水；但是，在实际应用中，液体并不局限于此，还可以为植物油、矿物油等，或者其他各种合成或有添加剂混合的液体。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，包括：
一维线形传感元件，所述一维线形传感元件敷设在三维物体表面以感触压触力并将感测到的压触力转换为电信号；
测控电路，与所述一维线形传感元件相连以放大及A/D转换所述电信号；以及
计算模块，与所述测控电路相连，根据A/D转换后的电信号计算压触力大小及压触位置。
2.根据权利要求1所述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，所述一维线形传感元件包括柔性套体以及设置于所述柔性套体内的压力波传导件。
3.根据权利要求2所述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，所述柔性套体为柔性波导管，所述压力波传导件为充满于柔性波导管内部的液体。
4.根据权利要求3所述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，所述液体为植物油、矿物油、水或防冻液。
5.根据权利要求2所述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，所述一维线形传感元件还包括分别连接在所述柔性套体的两端的第一检测传感器和第二检测传感器。
6.根据权利要求2所述的用于三维物体表面的柔性触觉传感装置，其特征在于，所述一维线形传感元件还包括多个设置在所述柔性套体上的检测传感器。
7.一种感测三维物体表面压触的方法，其特征在于，通过权利要求1-6中任意一项的柔性触觉传感装置进行感测，包括如下步骤：
S101，将一维线形传感元件以缠绕、编织、往复或制成穿戴物方式敷设在三维物体表面；
S102，压力波传导及检测；
S103，电信号放大及A/D转换；
S104，压触力大小计算及压触位置确定。
8.根据权利要求7所述的感测三维物体表面压触的方法，其特征在于，在所述步骤S104中，根据压力波信号的幅度计算压触力的大小；根据压力波到达各个检测传感器的时间差，计算出压触点到两端的路程以确定压触点在三维物体表面的位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180720 |