CN1067505A - 组合式触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
组合式触觉传感器属于光学和机电传感器技术
领域(G01L，H01)。该发明主要由压电敏感层、压光
敏感层和图象光纤传输系统三大部分组成。压电敏
感层主要完成接触觉和滑觉信号的获取工作，压光敏
感层主要完成触觉图象的获取工作，图象传输系统主
要完成触觉图象的缩小并传输到一定距离以外的光
电转换装置，如CCD摄象装置。因此，装备有该传
感器的机器人手爪在抓握物体时，可以获取接触觉、
滑觉和触觉图象等信号。
Description
本发明属于光学和机电传感器技术领域，国际分类号为GO1L或GO6K（IPC第四版）。
该传感器主要由压电敏感层、压光敏感层和触觉图象光纤传输系统三大部分组成，装备有该传感器的机器人手爪在抓握物体时，可以通过该传感器获取接触觉、滑觉和接触图象等信息。
和本发明相关的技术有：触觉传感器、光学传感器、机电传感器，国际分类号分别是GO1D5，GO1L，B25J，GO6K和HO1.（IPC第四版）
在中国专利局文献馆检索到的与本发明技术相近的专利是
（1）U.S.Pat.4306148，1981年12月1日批准，专利名称为：“触觉传感器”，国际分类号为GO1D5/34。
（2）DE3428980A1，1985年3月28日批准，专利名称为“光学触觉传感器”，国际分类号为GO1L13/02。
在中国检索到的文献和本发明技术相近的文献是：
（1）K.Tanie，K.Komoriya，M.Kaneko，S.Tachi，and A.Fujikanwa，Ahigh resolution tactile sensor，in 4th lnt.Conf.on Robot Vision and Sensory Controls，E.Pugh，Ed.（London，UK，Oct.1984）
（2）D.H.Mott，M.H.Lee，and H.R.Nicholls，An experimental very high resolution tactile sensor array，in 4th lnt.Conf.Robot Vision and Sensory Controls，E.Pugh，Ed.（London，UK，Oct.1984）.
（3）R.M.White and A.A.King，Tactile array for robotics employing a rubbery skin and a solid state optical sensor，lnt.Conf.of Solid State Sensors and Actuators（Philadelphia，PA，June，1985）
（4） S.Begej，Planar and finger-shaped optial tactile sensors，1EEE Journal of Robotics an Aautomation，Vol.4，No.5 Oct.1988.）
现有相近技术的各种光学触觉传感器和本发明相比，还有以下明显不足：
1.采用光电三极管分立元件组成的阵列，使提高光学触觉传感器阵列密度受到限制。
2.摄象装置置于传感器本体中，使传感器体积增大，成本增高，易损性增大。
3.图象光缆入端以离散点阵列形式直接贴近触觉敏感面，不通过光学成象系统成象，因此提高触觉阵列密度也受到限制。
4.一幅触觉图象通过一根传象光缆给一个摄象装置，使得成本增高。
5.现有光学触觉传感器的接触觉、滑觉功能不完善，反应不灵敏，不迅速。
6.结构尺寸不够小巧。
本发明的目的是采用新型材料和元器件，利用新方法提高触觉传感器的性能指标，降低成本，缩小传感器的结构尺寸。
本发明采用以下方案来实现其发明目的。
组合式触觉传感器主要由压电敏感层、压光敏感层、触觉图象光纤传输系统三大部分组成。压电敏感层主要完成接触觉和滑觉信号的获取工作;压光敏感层主要完成触觉图象的获取工作;触觉图象光纤传输系统主要完成触觉图象的缩小并传输到一定距离以外的光电转换装置，如CCD摄象装置。
1.压电敏感层由表面为微粒结构的硅橡胶保护层和PVDF压电薄膜构成。信号取自压电薄膜的下表面，压电薄膜的外表面接地，以便起到屏蔽作用。
当压电敏感层接触物体时，通过PVDF压电薄膜进行力电转换得到接触觉信号，压电薄膜的工作方式为利用横向压电效应，以便得到很高的灵敏度和较好的力灵敏度阈值。
当被接触物体在压电敏感层上滑动时，橡胶粗糙表面的微粒将引起颤振，因此带动压电薄膜振动，此时压电薄膜的输出信号为滑动觉信号。处理和识别这时一信号并及时反馈给机器人手爪控制系统可以适时地改变机器人手抓的握力。
2.压光敏感层是由反射性能好的白色橡胶制的弹性膜片与透明的压光板构成。此外还有传光光缆把光源光导向压光板的侧面，以很小的入射角射进压光板。弹性膜片在未抓握物体时与压光板接触得不紧密，这时在它们之间存在着空气气隙，由于玻璃压光板的折射率高于空气的折射率，且小角度入射又创造了大于临界角的条件，因此光线在玻璃压光板上、下表面上大部分发生了全反射，所以理想情况下，看到的压光板底面应是均匀黑暗，当物体接触弹性膜片时，弹性膜片压向压光板，破坏了光线在压光板内传播的全内反射条件，即射向高折射率的白色弹性膜片的光线发生了散射，光线在对应的接触位置上射出压光板的底面，形成了接触物体与压光敏感层的接触图象，接触部位的压力越大，压光板和弹性膜片接触的面积就越大，光强也就越大，光强的增大反映了接触力的增加，这样就完成了压光转换。
3.触觉图象传输系统由反光组件、三梭镜、自聚焦透镜、传象光缆、显微物镜、摄象器件等构成。反射镜、三梭镜的作用是在带触觉传感器的手爪给定较小结构尺寸（特别是厚度尺寸）的前提下，通过两次改变光路的方向，满足光学系统光程的要求。自聚焦透镜是直径仅2mm的廉价透镜，并和光纤传象光缆共同组成了微型摄象头，它把经两次反射的触觉图象，成象在传象光缆入端的端面上，而后传送到传象光缆出端的端面上，再经显微物镜传送给摄象器件，对于摄象敏感面为6×4.5mm，阵列数为604×588的摄象器件，可以通过显微物镜同时并行接收6路传象光缆传来的触觉图象。
本发明研制的组合式触觉传感器有以下特点：
（1）由于我们采用组合式方案，使几种有希望的触敏材料相互取长补短，便于研制出高性能接触觉传感器，由于采用压电层，改善了接触和滑觉功能，使灵敏度提高，力敏阈值降低，响应时间更快，弥补了压光方法的不足;而传感器成像技术采用光学方法，可以得到很高的图象分辨力，又弥补了压电方法的不足，这样一来我们的研究方案比现有单独采用一种转换方法的触觉传感器性能要更好些。
（2）我们的方案由于采用传象束和摄象器件，使研制的触觉传感器阵列密度极高，是其它各种类型触觉敏感器技术包括半导体压阻、压容原理目前都很难达到这样高的阵列密度，而且采用销量甚多的摄象器件比制造半导体集成硅压力成象触觉传感器成本低廉而且便于早日实用化。由于传象束从手爪中传送的是光学信号，也简化了其它高密度阵列通常布置大量导线以及解决抗电磁干扰的麻烦问题。
（3）触觉图象处理上和视觉技术兼容，因而可考虑在智能机器人上共用一套图象处理系统的问题。
（4）和国外同类技术采用全内反射原理的光学触觉传感器比较，我们采用了微型摄象头摄象、廉价传象束传送触觉图象的方法，这样既保证了极高的阵列密度，又不必把贵重的摄象器件置于容易受到碰撞的手爪传感器中，同时采用了多路光纤传象束并行传送技术，将现有的左右两只手爪中的触觉图象传送给一个摄象器件进行光电转换和处理，这样可减少使用摄象器件的数量，降低触觉系统的成本。
（5）组合式光学触觉传感器原理样机中，由于采用两次反射改变光路、微型自聚焦透镜成象的方法，因而同现有同类研究相比，传感器结构尺寸较小，制作精巧。
本发明实施例通过附图说明如下：
图1是组合式触觉传感器的结构示意图，该传感器由传感器基体（1），硅橡胶表皮（2），PVDF压电膜（3），硅橡胶弹性膜片（4），玻璃压光板（5），传光光缆（6），反光组件（7），三梭镜（8），自聚焦透镜（9），传象光缆（10），显微物镜（11）和摄象器件（12）等主要零件组成，其中硅橡胶表皮（2）和二片机械串联、电路并联连接的PVF2压电膜（3）组成了组合式触觉传感器的压电敏感层，信号取自两片薄膜的接触面电极，输出信号极性为负，这样可使电荷灵敏度提高一倍，压电膜的另两个表面相连并接地以便起到电磁屏蔽作用。当有物体以大于5g的接触力正向作用在硅橡胶表皮（2）或在硅橡胶表皮（2）上滑动时，通过二片PVDF压电薄膜把信号转换成电信号，对此电信号进行处理和识别得到接触觉信号和滑觉信号。
在压电敏感层的下面是压光敏感层，压光敏感层主要由硅橡胶弹性膜片（4）、玻璃压光板（5）及传光光缆（6）组成。传光光缆把光源发出的光导向玻璃压光板（5）的侧面，以便使光线垂直入射进玻璃压光板（5）。由于硅橡胶弹性膜片（4）在未受到正压力时与玻璃压光板（5）接触的不紧密，因此进入玻璃压光板的光线在压光板两个表面之间发生全反射，在理想的情况下，看到的压光板底面是均匀黑暗。当硅橡胶弹性膜片（4）受到一定压力时，就与玻璃压光板（5）局部紧密接触，光线将在对应的接触位置上射出形成接触形状的图象即触觉图象，接触部位压力越大，光强也就越大。因此光强的增大也就反映了接触压力的增大。这就完成了压光转换。
通过压光敏感层形成的触觉图象经图象传输系统送给摄象器件，图象传输系统由反光组件（7）、三梭镜（8）、自聚焦透镜（9）、传象光缆（10）、显微物镜（11）和摄象器件（12）组成。反光组件（7）和三梭镜（8）的作用是在装备触觉传感器的手爪给定较小结构尺寸（特别是厚度尺寸）的前提下，通过两次改变光路的方向，满足光学系统的要求，自聚焦透镜（9）是直径仅2mm的廉价透镜，并和传象光缆（10）共同组成了微型摄象头。它把经两次反射的触觉图象，成象在传象光纤入端的端面上，而后传送到传象光缆出端的端面上，再经显微物镜（11）传送给摄象器件（12）。对于摄象敏感面积为6×4.5mm阵列数为604×588的摄象器件，可以通过显微物镜（11）同时并行接收6路传象光缆传来的触觉图象。
Claims (5)
1、发明的组合式触觉传感器由传感器基体(1)、硅橡胶表皮(2)、PVDF压电膜(3)、硅橡胶弹性膜片(4)、玻璃压光板(5)、传光光缆(6)、反光组件(7)、三梭镜(8)、自聚焦透镜(9)、传象光缆(10)、显微物镜(11)、摄象器件(12)等主要零部件组成，本发明的特征在于：传象采用自聚焦透镜(9)将触觉图象成象在光纤传象光缆(10)入端端面上，由传象光缆(10)传送的方法，两路以上的触觉图象通过两根以上的传象光缆(10)传送给一个摄象器件，传感器中组合有压电膜(3)以改进接触觉、滑觉功能，对触觉图象通过反光组件(7)、三梭镜(8)采取两次反射的方法，减小了结构尺寸。
2、根据权利要求1所述的组合式触觉传感器，其特征在于：传感器与被抓握物体接触后形成的接触图象，由新型自聚焦透镜成象在窥镜用廉价光纤传象光缆入端端面上，然后由传象光缆传送给摄象器件进行光电转换。
3、根据权利要求1所述的组合式触觉传感器，其特征在于：两路以上的多指触觉图象，通过两根以上的光纤传象光缆传送给一个摄象器件，减少摄象器件的用量。
4、根据权利要求1所述的组合式触觉传感器，其特征在于：对触觉图象通过传感器反射镜、三梭镜两次反射传送的方法以减小传感器的结构尺寸。
5、根据权利要求1所述的组合式触觉传感器，其特征在于：传感器表皮下面组合压电膜，利用其横向压电效应可使接触觉、滑觉十分灵敏，补充单纯光学敏感技术的不足。
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1991
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