CN108760095A - 柔性触觉传感器单元、传感器及其触觉分布监测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性触觉传感器单元、串接式条带状柔性触觉传感器及其触觉分布监测的方法；其中，传感器单元包括信号处理单元和多个传感元；所述传感元呈串接式条带结构，并通过共用的信号基线连接于信号处理单元；其中，串接式条带状柔性触觉传感器，包括总信号处理器和所述的柔性触觉传感器单元；所述柔性触觉传感器单元呈串接式条带结构；其中，触觉分布监测的方法包括以下步骤：s1.根据监测对象的表面几何形状构建出监测对象表面位置坐标系；s2.将所述串接式条带状柔性触觉传感器紧密连续地缠绕粘结在被测物表面，并建立起监测对象表面位置坐标系与串接式条带状柔性触觉传感器的传感元分布的映射以实现曲面表面触觉监测。

Description

柔性触觉传感器单元、传感器及其触觉分布监测的方法
技术领域
本发明涉及串接式条带状柔性触觉传感器领域，具体是一种柔性触觉传感器单元、串接式条带状柔性触觉传感器及其触觉分布监测的方法。
背景技术
为使智能机器人获得直观的人机互动仿生功能，或为获得某一特殊器件表面的压力分布，甚至为从人体表实时监测某些生理信号，柔性触觉传感器(或称之为电子皮肤)已经成为一项现实的技术需求。附着在人体表的高灵敏度的可穿戴电子皮肤已经能够通过监测微小压力/应变等“触觉信号”来获取血压、心率等生理健康信息。由于当今电子皮肤技术尚主要处于实验室研究阶段，目前在制造较大面积电子皮肤的工艺存在困难，一般是针对局部区域进行小面积的电子皮肤实验研究或应用。如何低成本、便捷地将电子皮肤大面积甚至完整地覆盖在被测物表面，以获取曲面表面的全局触觉分布，成为实现电子皮肤大规模应用的技术挑战。
本发明针对这一问题，提供一种实现曲面表面触觉监测的柔性触觉传感器单元、串接式条带状柔性触觉传感器及其触觉分布监测的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种实现曲面表面触觉监测的柔性触觉传感器单元、串接式条带状柔性触觉传感器及其触觉分布监测的方法。
本发明的柔性触觉传感器单元，包括信号处理单元和多个传感元；所述传感元以首尾连接的方式形成串接式条带结构，并通过共用的信号基线连接于信号处理单元；每一传感元通过一一对应的信号线与信号处理单元连接，并通过该信号线确定定位编码；
进一步，所述传感元通过共用的电源线与所述信号处理单元连接；
本发明的一种串接式条带状柔性触觉传感器，包括总信号处理器和多个柔性触觉传感器单元；所述柔性触觉传感器单元以单元重复的方式首尾连接形成条带式串接结构；每段所述柔性触觉传感器单元通过设置于其信号处理单元的接口与上一段柔性触觉传感器单元的信号处理单元或总信号处理器信号连接；
进一步，每段所述柔性触觉传感器单元内设有信号总线，每段所述柔性触觉传感器单元的信号处理单元将该段上传感元产生的触觉信号通过该信号总线传递至上一段柔性触觉传感器单元的信号处理单元，直至发送至总信号处理器；
进一步，每段所述柔性触觉传感器单元内设有电源总线；所述总信号处理器通过该电源总线为所有柔性触觉传感器单元供电；
进一步，所述总信号处理器通过扫描各信号处理单元以获取所述触觉信号；
进一步，所述信号处理单元主动将触觉信号发送至所述总信号处理器；
本发明的一种利用串接式条带状柔性触觉传感器进行的触觉分布监测的方法，包括以下步骤：
s1.根据监测对象的表面几何形状构建出监测对象表面位置坐标系；
s2.将所述串接式条带状柔性触觉传感器紧密连续地缠绕粘结在被测物表面，并建立起监测对象表面位置坐标系与串接式条带状柔性触觉传感器的传感元分布的映射，从而将所监测到触觉信号与被测物表面坐标对应；
进一步，所述步骤s1中，在缠绕粘结所述串接式条带状柔性触觉传感器时，在监测对象表面位置坐标系中设置特征位置点用于定位校正。
本发明的有益效果是：
一、本发明的串接式条带状柔性触觉传感器中，每段柔性触觉传感器单元完全一样，唯一的区别是各信号处理单元的编码不同，有利于大规模生产，最大化降低成本；
二、各段柔性触觉传感器单元通过接口顺序串接，可无限扩展长度，任意适配不同表面积大小的应用对象；
三、通过控制柔性触觉传感器单元的宽度，可以紧密覆盖任意的曲面表面；
四、由于各段柔性触觉传感器单元之间为串联关系，若某段基本单元存在信号处理单元故障、总线功能故障等，其后续基本单元的信息发送或供电将全部受到影响，因而可以快速定位故障单元，且只需更换该段基本单元即可，便于维护。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明第一实施例中的一维柔性触觉传感器单元的连接示意图；
图2为本发明第二实施例中的二维柔性触觉传感器单元的连接示意图；
图3为本发明第三实施例中的串接式条带状柔性触觉传感器的连接示意图；
图4为本发明第三实施例中的串接式条带状柔性触觉传感器的物理布局示意图。
具体实施方式
第一实施例
图1为本发明第一实施例中的一维柔性触觉传感器单元的连接示意图，本实施例中的柔性触觉传感器单元，包括信号处理单元和多个传感元；所述传感元以首尾连接的方式形成串接式单条带结构，并通过共用的信号基线8连接于信号处理单元；每一传感元通过一一对应的信号线5与信号处理单元连接，并通过该信号线5确定定位编码；所述传感元通过共用的电源线7与所述信号处理单元连接；其中，每个信号处理单元分配一个唯一的编码，该信号处理单元负责该传感器单元中所有的传感元的信号处理，所有传感元共用两条电源线7，并共用一条共用信号基线8，每个传感元另有一条单独的信号线(5-1、5-2、5-3...5-N)连接至信号处理单元，以此实现对各传感元的定位编码；对于有些类型的压容、压阻型以及自供能传感元，信号线即电源线，此时可不需要共用的电源线7。
第二实施例
图2为本发明第二实施例中的二维柔性触觉传感器单元的连接示意图，本实施例中的柔性触觉传感器单元，包括信号处理单元和多个传感元；所述传感元以首尾连接的方式形成串接式双条带结构，当然也可以根据需要将传感元设置为串接式多条带结构(即存在三个或三个以上串接式传感元条带)，每个传感元条带中的传感元之间，以及传感元与信号处理单元之间的连接结构与第一实施例中的单链结构相同，不再赘述；需要强调的是：本发明第一实施例和第二实施例均能实现长度上的自由扩展，从而实现对曲面表面的紧密附着缠绕，避免了大面积二维传感面的制造难度和更高成本、并且比起大面积二维传感面更容易紧密附着在各种曲面表面上(本实施例中的传感器虽然也为二维结构，但是其长度方向的尺寸远远大于宽度方向的尺寸，因此本实施例不同于现有“大面积”的二维传感面结构，其也能够实现上文中阐述的有益效果)。
第三实施例
图3为本发明第三实施例中的串接式条带状柔性触觉传感器的连接示意图，本实施例中的串接式条带状柔性触觉传感器，包括总信号处理器和多个柔性触觉传感器单元；所述柔性触觉传感器单元以单元重复的方式首尾连接形成条带式串接结构；第1段柔性触觉传感器单元直接连接至总信号处理器，第2段柔性触觉传感器单元通过接口4与第1段基本单元连接，第3段柔性触觉传感器亦通过相同接口与2段柔性触觉传感器单元连接，依此类推，每段所述柔性触觉传感器单元内设有信号总线6，并通过该信号总线6将传感元所产生的触觉信号(包括信号处理单元编码、传感元编码、触觉信号强度等)传递至上一段柔性触觉传感器单元的信号处理单元，直至发送至总信号处理器；每段所述柔性触觉传感器单元内设有电源总线7；所述总信号处理器通过该电源总线7为所有柔性触觉传感器单元供电；所述总信号处理器可以通过扫描各信号处理单元以获取所述触觉信号；当然，也可以由所述信号处理单元主动将触觉信号发送至所述总信号处理器。
图4为本发明第三实施例中的串接式条带状柔性触觉传感器的物理布局示意图，串接式条带状柔性触觉传感器由5层物理层构成，分别是柔性绝缘保护层1、传感元层2、线路层3、柔性绝缘层4、粘结层5。表层的柔性绝缘保护层1含有柔性材料(如PDMS等)，以实现绝缘和仿生柔性触觉，并对下层材料起到保护作用。传感元层2接受通过柔性绝缘保护层1传递的环境刺激，传感原理包括但不限于压阻、压容效应，将压力或应变刺激转换为电信号。中间的线路层3实现对传感元的电源供能、信号传输，尤其还包括了总线6。柔性绝缘层4含有柔性材料(如PDMS等)，起到绝缘和柔性变形的作用。下层的粘结层5含有胶水等粘结材料，用于将传感器缠绕粘结在被监测物体表面。上述5个物理层可依实际需求改变布局顺序，亦可合并某些层。
第四实施例
本实施例为一种利用串接式条带状柔性触觉传感器进行的触觉分布监测的方法，包括以下步骤：
s1.根据监测对象的表面几何形状构建出监测对象表面位置坐标系；需要进行触觉分布监测的对象的表面几何信息一般是已知的，其曲面表面在设计时即可建立位置坐标系，对于位置坐标系未知的，可以通过三维激光扫描等技术途径获得。
s2.将所述串接式条带状柔性触觉传感器紧密连续地缠绕粘结在被测物表面，并建立起监测对象表面位置坐标系与串接式条带状柔性触觉传感器的传感元分布的映射，从而将所监测到触觉信号与被测物表面坐标对应；对于表面曲面复杂度较低(即表面较规则)的应用对象，为提高缠绕粘结效率，可利用本发明第二实施例中的二维柔性触觉传感器单元进行缠绕粘接，二维柔性触觉传感器单元的宽度更大(则面积更大)，有利于一次缠绕覆盖更大的区域。
本实施例中，所述步骤s1中，在缠绕粘结所述串接式条带状柔性触觉传感器时，在监测对象表面位置坐标系中设置若干标记位置点用于定位校正，以获得表面位置坐标系与所述串接式条带状柔性触觉传感器的准确坐标映射，避免在缠绕粘结过程中产生位置映射上的累积误差，并可以通过重新缠绕粘结等方式及时消除某两个标记位置点之间的位置映射误差。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种柔性触觉传感器单元，其特征在于：包括信号处理单元和多个传感元；所述传感元以首尾连接的方式形成串接式条带结构，并通过共用的信号基线连接于信号处理单元；每一传感元通过一一对应的信号线与信号处理单元连接，并通过该信号线确定定位编码。
2.根据权利要求1所述的串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：所述传感元通过共用的电源线与所述信号处理单元连接。
3.一种串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：包括总信号处理器和多个权利要求1所述的柔性触觉传感器单元；所述柔性触觉传感器单元以单元重复的方式首尾连接形成条带式串接结构；每段所述柔性触觉传感器单元通过设置于其信号处理单元的接口与上一段柔性触觉传感器单元的信号处理单元或总信号处理器连接。
4.根据权利要求3所述串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：每段所述柔性触觉传感器单元内设有信号总线，每段所述柔性触觉传感器单元的信号处理单元将该段上传感元产生的触觉信号通过该信号总线传递至上一段柔性触觉传感器单元的信号处理单元，直至发送至总信号处理器。
5.根据权利要求3所述串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：每段所述柔性触觉传感器单元内设有电源总线；所述总信号处理器通过该电源总线为所有柔性触觉传感器单元供电。
6.根据权利要求3所述串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：所述总信号处理器通过扫描各信号处理单元以获取所述触觉信号。
7.根据权利要求3所述串接式条带状柔性触觉传感器，其特征在于：所述信号处理单元主动将触觉信号发送至所述总信号处理器。
8.一种利用权利要求3-7所述串接式条带状柔性触觉传感器进行的触觉分布监测的方法：包括以下步骤：
s1.根据监测对象的表面几何形状构建出监测对象表面位置坐标系；
s2.将所述串接式条带状柔性触觉传感器紧密连续地缠绕粘结在被测物表面，并建立起监测对象表面位置坐标系与串接式条带状柔性触觉传感器的传感元分布的映射，从而将所监测到触觉信号与被测物表面坐标对应。
9.根据权利要求8所述触觉分布监测的方法，其特征在于：所述步骤s1中，在缠绕粘结所述串接式条带状柔性触觉传感器时，在监测对象表面位置坐标系中设置特征位置点用于定位校正。
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