CN106032980A - 触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法 - Google Patents
触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及传感器领域，公开了一种触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法，其中该触觉传感器包括：仿生触须，设置在摩擦发电机表面，用于在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至所述摩擦发电机；摩擦发电机，用于基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；检测装置，与所述摩擦发电机电连接，用于检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及处理装置，与所述检测装置电连接，用于接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。通过本发明上述的触觉传感器及感测方法，无需外部电源就可以实现对待测目标的感测，且具有低成本、高性能和高灵敏度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法。
背景技术
触觉传感器已经在航天、军事、医疗、工业检测、抢险和水下监测等领域具有广泛的应用和迫切的需求。此类触觉传感器可以不受工作环境的限制而工作在黑暗、灰尘、泥泞、浓雾、水下等恶劣环境中，因此具有宽广的应用前景。现有技术中已有的触觉传感器按传感原理基本上可以分为：压阻式、压电式、光电式、和电容式。但这些传感器的共同点是工作时必须需要外界电源对其提供传感所需电能，这成为制约他们广泛应用的一个重要条件。因此，需要开发一种能够实现自供电的触觉传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种触觉传感器及使用触觉传感器的感测方法，以解决现有技术中的传感器必须附加外部电源的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种触觉传感器，其中，该触觉传感器包括：仿生触须，设置在摩擦发电机表面，用于在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至所述摩擦发电机；摩擦发电机，用于基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；检测装置，与所述摩擦发电机电连接，用于检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及处理装置，与所述检测装置电连接，用于接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
本发明还提供一种使用触觉传感器的感测方法，其中，该方法包括：所述触觉传感器的仿生触须在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至摩擦发电机；所述触觉传感器的所述摩擦发电机基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；所述触觉传感器的检测装置检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及所述触觉传感器的处理装置接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
通过上述技术方案，所述触觉传感器的仿生触须将其在感测到待测目标的情况下产生形变传递至摩擦发电机，所述触觉传感器的所述摩擦发电机基于所述形变输出电信号，所述触觉传感器的检测装置检测所述摩擦发电机输出的电信号，而所述触觉传感器的处理装置接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。由此，无需外部电源就可以实现对待测目标的感测，且具有低成本、高性能和高灵敏度的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的摩擦发电机的结构示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的工作原理图；
图4A和4B是根据本发明一种实施方式的触觉传感器对平板和小孔的识别结果示意图；
图5A至5D是根据本发明一种实施方式的触觉传感器对字母的识别结果示意图；以及
图6是根据本发明一种实施方式的使用触觉传感器的感测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的结构示意图。
如图1所示，本发明实施方式提供的一种触觉传感器包括：仿生触须10，设置在摩擦发电机20表面，用于在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至所述摩擦发电机20；摩擦发电机20，用于基于所述仿生触须10传递的形变输出电信号；检测装置30，与所述摩擦发电机20电连接，用于检测所述摩擦发电机20输出的电信号；以及处理装置40，与所述检测装置30电连接，用于接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
通过上述实施方式，所述触觉传感器的仿生触须将其在感测到待测目标的情况下产生形变传递至摩擦发电机，所述触觉传感器的所述摩擦发电机基于所述形变输出电信号，所述触觉传感器的检测装置检测所述摩擦发电机输出的电信号，而所述触觉传感器的处理装置接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。由此，无需外部电源就可以实现对待测目标的感测，即便是处于恶劣环境下工作且具有低成本、高性能和高灵敏度的优点。
其中，检测装置30可以为能够检测电压信号的装置。所述待测目标的相关信息包括所述待测目标的表面结构、尺寸和三维形貌。
图2是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的摩擦发电机的结构示意图。
如图2所示，所述摩擦发电机20包括基底201、第一摩擦层202、第一导电元件203、第二摩擦层204和第二导电元件205，其中，所述基底201用于支撑所述第一摩擦层202；所述第一导电元件203设置在所述第一摩擦层202和所述基底201之间并与所述第一摩擦层202和所述基底201接触；所述第二导电元件205(例如，可以固定在所述第二摩擦层204上方)设置在所述第二摩擦层204上方并与所述第二摩擦层204接触；在所述仿生触须10没有感测到待测目标时所述第一摩擦层202与所述第二摩擦层204之间存在预定间隙；在所述仿生触须10感测到待测目标时所述第一摩擦层与202所述第二摩擦层204相互接触和分离，并通过所述第一导电元件203和所述第二导电元件205输出所述电信号。
其中，所述仿生触须10垂直固定于所述摩擦发电机表面(即，任何可以带动摩擦发电机产生形变的位置)。优选地，所述仿生触须10垂直固定于所述摩擦发电机表面的中央位置。所述摩擦发电机20是基于摩擦起电和静电效应耦合的摩擦发电机，且该摩擦发电机20的所述第一摩擦层202和所述第二摩擦层204相对的表面的材料之间具有摩擦电极序差异，从而使得二者在发生接触摩擦的过程中能够产生接触电荷。
根据本发明的一种实施方式，所述第一导电元件203和所述第二导电元件205通过导线206连接至检测装置30。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层202保持静止状态，而所述第二摩擦层204在所述仿生触须10感测到待测目标时产生形变。
根据本发明一种实施方式，所述仿生触须10的材料为弹性材料，即，能够在一定形变下产生弯曲的材料。例如，可以为块体的金属、非金属和纳米线等等，优选为塑料(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)。更具体地，仿生触须10可以优选采用玻璃丝。
根据本发明一种实施方式，所述仿生触须10的长度与直径比的范围为20至140，优选为70。仿生触须10的直径量级范围为纳米到毫米，优选为微米量级。仿生触须10的长度量级为微米到毫米，优选为毫米量级。
根据本发明一种实施方式，所述仿生触须10的长度可以为10毫米，而所述仿生触须10的直径可以为200微米。可替换地，所述仿生触须10的长度还可以为12毫米，而所述仿生触须10的直径还可以为250微米。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层202和所述第二摩擦层204的材料为可形变的金属或塑料，优选为塑料薄膜；所述基底201的材料为金属或非金属，优选为亚克力板(例如，厚度可以为3毫米)；所述第一摩擦层202与所述第二摩擦层204之间的预定间隙的范围为20微米到1毫米，优选为500微米。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层202、所述第一导电元件203和所述第二导电元件205为磁控溅射的铜膜，所述第二摩擦层204为聚四氟乙烯(PTFE)膜。
根据本发明一种实施方式，所述摩擦发电机20的有效发电面积处于零到正无穷的范围内。
根据本发明一种实施方式，所述摩擦发电机20的有效发电面积为100mm2。
根据本发明一种实施方式，所述摩擦发电机20的有效发电面积与所述仿生触须10的直径的比的范围为10至500。
根据本发明一种实施方式，所述检测装置30为电压测量表。例如吉时利6514电压测量表。
图3是根据本发明一种实施方式的触觉传感器的工作原理图。
如图3所示，整个摩擦发电机20可以视为两个并联的电容，仿生触须10左侧的部分和右侧对称的部分各为一个电容(即C1和C2)。
在初始状态，仿生触须10没有接触到待测目标，其不发生形变。但如果在此之前仿生触须10与待测目标有过接触，则摩擦发电机20的表面会有残留电荷(如图3中的(a)所示)。在仿生触须10接触到待测目标的情况下，其发生弯曲，进而带动与其下层的膜产生形变(如图3中的(b)所示)。若仿生触须10向左弯曲，则摩擦发电机20的第二摩擦层204和第二导电元件205左侧下降，右侧向上突起。此时C1变大，而C2变小，但整体的电容C1+C2变化不大。具体地，根据公式输出电压Voc变化不大，其中Q为电荷量(在本实施方式中，通常为常量)。如果如图3中的(c)所示，仿生触须10继续弯曲，第二摩擦层204和第二导电元件205的形变量越来越大，第二摩擦层204和第一摩擦层202左侧发生接触，电荷中和，此时电压输出为：其中ε0为真空介电常数，σ为面电荷密度，d'2为第二摩擦层204和第一摩擦层202右侧部分之间的距离。当该距离增加到最大，输出电压也达到最大。当仿生触须10与待测目标分离时，仿生触须10的形变逐渐恢复，C1开始变小，而C2变大，输出电压开始降低(参见图3中的(d))，最终恢复到初始状态(即，仿生触须10不与待测目标接触，且不产生形变)。
图4A和4B是根据本发明一种实施方式的触觉传感器对平板和小孔的识别结果示意图。
在图4A所示的示例中，采用侧向滑动扫描方式对待测目标进行扫描，扫描速度为1mm/s。在图4A的示例中，是对平板进行识别，而在图4B的示例中，是对小孔进行识别。
如图4A所示，当仿生触须10没有触碰到平板时，仿生触须10没有发生形变，此时摩擦发电机20的第二摩擦层204和第一摩擦层202之间没有电容的变化，开路电压输出为零。当仿生触须10触碰到平板外侧发生弯曲，此时电容缓慢降低，电压缓慢增加。当触须完全在平板上滑动时，电容降到最低，电压增到最大值，并且由于平板的表面光滑，仿生触须10的形变保持不变，所以输出的电压也保持不变。如图4A所示，在电压图中示出为一平台。当仿生触须10在平板上的运动将结束而离开时，形变快速恢复，电容快速回到初始状态，由此在图4A中观察到输出电压迅速降低的过程。
如图4B所示，其涉及的是触觉传感器扫过平板上五个均匀分布的等直径的小孔的示例。当仿生触须10没有触碰到平板时，仿生触须10没有发生形变，此时摩擦发电机20的第二摩擦层204和第一摩擦层202之间没有电容的变化，开路电压输出为零。当仿生触须10触碰到平板外侧发生弯曲，此时电容缓慢降低，电压缓慢增加。当仿生触须10完全在平板上滑动时，电容降到最低，电压增到最大值，并且由于平板的表面光滑，仿生触须10的形变保持不变，所以输出的电压保持不变。此时在电压图中仍然与图4A一样示出为一平台。而当仿生触须10滑动到小孔时，仿生触须10的形变被释放一部分，对应的电容有少许增加，电压相应降低。当仿生触须10从小孔移出时，形变再次增加到之前的状态(即，仿生触须10触碰到平板的光滑表面的情况)，此时电压再次增加。重复上述过程，在电压图中电压平台的基础上观察到五个小峰(如图4B所示)。当仿生触须10在平板上的运动将结束离开时，形变快速恢复，电容快速回到初始状态，由此在图4B中观察到输出电压迅速降低的过程。
图5A至5D是根据本发明一种实施方式的触觉传感器对字母的识别结果示意图。
在图5A至5D中，示出了触觉传感器对字母“T”、“E”、“N”、“G”的三维扫描结果。
图5A至5D给出了字母的扫描结果。字母以一定速度从仿生触须10上走过(换言之，以一定速度扫描字母，本领域技术人员可以根据实际需要选取扫描速度)。其中，每个字母可以被扫描多次(例如，在本实施方式中，可以扫描26次)，以便获取分辨率更高的图像。类似对平板和小孔的扫描过程，可以得到每个字母的不同位置的电压。由此，通过定标的电压和高度的关系(即电压与高度映射关系表，可以预先存储在处理装置中)可以确定当前位置的电压对应的高度，从而可以得到字母的三维形貌，如图5A至5D所示。
图6是根据本发明一种实施方式的使用触觉传感器的感测方法的流程图。
如图6所示，本发明实施方式提供的一种使用触觉传感器的感测方法包括：
S600，所述触觉传感器的仿生触须在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至摩擦发电机；
S602，所述触觉传感器的所述摩擦发电机基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；
S604，所述触觉传感器的检测装置检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及
S606，所述触觉传感器的处理装置接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
根据本发明一种实施方式，所述摩擦发电机包括基底、第一摩擦层、第一导电元件、第二摩擦层和第二导电元件，其中，所述基底用于支撑所述第一摩擦层；所述第一导电元件设置在所述第一摩擦层和所述基底之间并与所述第一摩擦层和所述基底接触；所述第二导电元件设置在所述第二摩擦层上方并与所述第二摩擦层接触；在所述仿生触须没有感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间存在预定间隙；在所述仿生触须感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互接触和分离，并通过所述第一导电元件和所述第二导电元件输出所述电信号。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层保持静止状态，而所述第二摩擦层在所述仿生触须感测到待测目标时产生形变。
根据本发明一种实施方式，所述触觉传感器采用侧向滑动扫描方式、接触模式或轻敲模式来扫描所述待测目标，例如原子力显微镜的接触模式或轻敲模式。当采用侧向滑动扫描方式时，扫描速度的范围为0.001mm/s到300mm/s，优选为1mm/s。
本领域技术人员应当理解，上述实施方式中涉及的数值及材料仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
本发明上述实施方式中公开的触觉传感器可以广泛用于航天、军事、医疗、工业检测、抢险和水下监测等领域。通过使用本发明提供的触觉传感器，当仿生触须接触到被探测的物体时，触须产生形变并将该形变传递至摩擦发电机，进而摩擦发电机产生对应的电信号。通过对该电信号进行分析处理，可以实现对探测的物体的表面结构、尺寸和三维形貌的识别。本发明提供的触觉传感器具有高的灵敏度、良好的重复性、高的纵向分辨率和横向分辨率，且制备简单，成本低。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (17)
1.一种触觉传感器，其中，该触觉传感器包括：
仿生触须，设置在摩擦发电机表面，用于在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至所述摩擦发电机；
摩擦发电机，用于基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；
检测装置，与所述摩擦发电机电连接，用于检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及
处理装置，与所述检测装置电连接，用于接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述摩擦发电机包括基底、第一摩擦层、第一导电元件、第二摩擦层和第二导电元件，其中，
所述基底用于支撑所述第一摩擦层；
所述第一导电元件设置在所述第一摩擦层和所述基底之间并与所述第一摩擦层和所述基底接触；
所述第二导电元件设置在所述第二摩擦层上方并与所述第二摩擦层接触；
所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对的表面的材料具有摩擦电极序差异；
在所述仿生触须没有感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间存在预定间隙；在所述仿生触须感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互接触和分离，并通过所述第一导电元件和所述第二导电元件输出所述电信号。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述第一摩擦层保持静止状态，而所述第二摩擦层在所述仿生触须感测到待测目标时产生形变。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述仿生触须的材料为弹性材料。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述仿生触须的长度与直径比的范围为20至140。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述仿生触须的长度为10毫米，而所述仿生触须的直径为200微米。
7.根据权利要求2-6中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间的预定间隙的范围为20微米到1毫米。
8.根据权利要求2-7中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料为可形变的金属或塑料，所述基底的材料为金属或非金属。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述第一摩擦层、所述第一导电元件和所述第二导电元件为磁控溅射的铜膜，所述第二摩擦层为聚四氟乙烯膜。
10.根据权利要求1-9中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述摩擦发电机的有效发电面积处于零到正无穷的范围内。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述摩擦发电机的有效发电面积为100mm2。
12.根据权利要求1-11中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述摩擦发电机的有效发电面积与所述仿生触须的直径的比的范围为10至500。
13.根据权利要求1-12中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述检测装置为电压测量表。
14.一种使用触觉传感器的感测方法，其中，该方法包括：
所述触觉传感器的仿生触须在感测到待测目标的情况下产生形变，并将该形变传递至摩擦发电机；
所述触觉传感器的所述摩擦发电机基于所述仿生触须传递的形变输出电信号；
所述触觉传感器的检测装置检测所述摩擦发电机输出的电信号；以及
所述触觉传感器的处理装置接收所检测到的电信号并根据该电信号获得待测目标的相关信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述摩擦发电机包括基底、第一摩擦层、第一导电元件、第二摩擦层和第二导电元件，其中，
所述基底用于支撑所述第一摩擦层；
所述第一导电元件设置在所述第一摩擦层和所述基底之间并与所述第一摩擦层和所述基底接触；
所述第二导电元件设置在所述第二摩擦层上方并与所述第二摩擦层接触；
所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对的表面的材料具有摩擦电极序差异；
在所述仿生触须没有感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间存在预定间隙；在所述仿生触须感测到待测目标时所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互接触和分离，并通过所述第一导电元件和所述第二导电元件输出所述电信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一摩擦层保持静止状态，而所述第二摩擦层在所述仿生触须感测到待测目标时产生形变。
17.根据权利要求14-16中任一项权利要求所述的方法，其中，所述触觉传感器采用侧向滑动扫描方式、接触模式或轻敲模式来扫描所述待测目标。
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