CN109100070A - 一种传感器及检测触觉信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器及检测触觉信号的方法。该传感器包括压电驻极体、接地层、放大电路和控制器；所述压电驻极体设置在所述接地层的外表面，所述压电驻极体通过所述放大电路连接所述控制器，所述压电驻极体将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路将所述压电驻极体输出的电信号转换为电压信号，所述控制器根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型。上述技术方案解决了现有技术中触觉信号检测精度差的问题，实现了对触觉信号的多点并行检测，提高了触觉信号检测的精度。

Description

一种传感器及检测触觉信号的方法

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器及检测触觉信号的方法。

背景技术

人的皮肤是精确感知触觉信号的传感器。皮肤表面各类感受器获取触觉信息并编码，通过神经系统将这些信息传递至大脑。对于假肢、机器假手等，可以通过各类人工传感器检测触觉信号，经处理后，通过神经系统传递至大脑。因此，为了实现对假肢、机器假手等的精准控制，首先需要完成触觉信号的检测。

触觉信号可以通过分析假肢、机器假手等与物体之间的相互作用力获取。其中，按压和滑动是最重要的两类触觉信号。对于按压信号，可以通过检测假肢、机器假手等与物体接触面的压力获取。目前最常用的压力传感器有电容式传感器和电阻式传感器。对于滑动信号，可以通过检测假肢、机器假手等与物体接触面的摩擦力获取。目前最常用的摩擦力传感器有压电式传感器和摩擦电式传感器。

上述传感器虽然可以检测假肢、机器假手等的触觉信号，但在材料特性、检测精度、制作难度或成本等方面存在一些不足。例如，电容式传感器精度和线性度较高，但电路复杂，受电磁干扰大。电阻式传感器灵敏度和信号稳定性都有限。压电式传感器和摩擦电式传感器采用的材料容易受温度的影响。虽然也有材料如聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride，PVDF)能够同时检测按压信号和滑动信号，但在信号分离方面有一定难度，使得两种信号的检测精度都不够高。

发明内容

本发明提供一种传感器及检测触觉信号的方法，以实现对触觉信号的多点并行检测，提高触觉信号检测的精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种传感器，包括压电驻极体、接地层、放大电路和控制器；所述压电驻极体设置在所述接地层的外表面，所述压电驻极体通过所述放大电路连接所述控制器，所述压电驻极体将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路将所述压电驻极体输出的电信号转换为电压信号，所述控制器根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型。

进一步的，所述压电驻极体的数量为两个或两个以上。

进一步的，所述压电驻极体在所述接地层的外表面并行设置。

进一步的，还包括接地导线；所述接地导线的一端连接所述接地层的外表面，所述接地导线的另一端连接所述放大电路的接地端。

进一步的，还包括传感信号导线；所述传感信号导线的一端连接所述压电驻极体的外表面，所述传感信号导线的另一端连接所述放大电路的输入端。

进一步的，所述压电驻极体的材料为聚丙烯、氟化乙烯离聚物、聚四氟乙烯中的一种。

进一步的，所述压电驻极体的外表面覆有金属膜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种检测触觉信号的方法，该方法包括：

获取触觉信号；

将所述触觉信号转换为电信号；

将所述电信号转换为电压信号；

根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型。

进一步的，所述根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型，包括：

统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间；

根据所述信号峰值和所述信号时间确定所述触觉信号的类型。

进一步的，所述统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间，包括：

对所述电压信号进行均值处理，得到均值电压信号；

通过最小二乘法处理所述均值电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间。

本发明实施例提供一种传感器及检测触觉信号的方法，包括压电驻极体、接地层、放大电路和控制器；所述压电驻极体设置在所述接地层的外表面，所述压电驻极体通过所述放大电路连接所述控制器，所述压电驻极体将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路将所述压电驻极体输出的电信号转换为电压信号，所述控制器根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型，解决了现有技术中触觉信号检测精度差的问题，实现了对触觉信号的多点并行检测，提高了触觉信号检测的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种传感器的结构图；

图2为传感器在同时接受按压和滑动时产生的电压信号波形图；

图3为传感器中接地层和压电驻极体的立体结构图；

图4为本发明实施例二提供的一种检测触觉信号的方法流程图；

图5为传感器在同一作用力下产生的电压信号的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种传感器的结构图。该传感器可用于执行检测触觉信号的方法。其中，触觉信号可以通过分析传感器和物体之间的相互作用力得出。实际应用中，触觉信号以按压信号和滑动信号最为常见。按压信号体现的是压力的垂直分量，变化时间短，峰值大，产生的电压信号变化时间短，峰值大。滑动信号体现的是压力的切向分量，也可以理解为是摩擦力，变化时间长，峰值小，产生的电压信号变化时间长，峰值小。具体可以参考图2，图2为传感器在同时接受按压和滑动时产生的电压信号波形图。由图2可以看出，传感器在接受按压和滑动时，最终产生的电压信号的变化时间和峰值存在较大差别，因此，根据电压信号变化时间的长短和峰值的大小即可确定触觉信号。

具体的，参考图1，该传感器包括压电驻极体110、接地层120、放大电路130和控制器140；所述压电驻极体110设置在所述接地层120的外表面，所述压电驻极体110通过所述放大电路130连接所述控制器140，所述压电驻极体110将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路130将所述压电驻极体110输出的电信号转换为电压信号，所述控制器140根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型。

压电驻极体110是一种具有压电特性的新型机电传感材料，具有灵敏度高(比传统的压电PVDF高一个量级)、质量轻(几十到几百毫克)、柔软性好(可弯折，具有一定的伸缩性)和厚度薄(几十到几百微米)等优点，而且制备工艺简单、成本低，不易受温度变化的影响。其制备方法可以根据实际需要选择，例如可以采用膨化法、模板法或刻蚀法等制备压电驻极体110。其中，膨化法、模板法和刻蚀法的具体操作为现有技术，此处不再赘述。压电驻极体110的尺寸可以根据实际需要设置，例如可以是3mm*10mm。

进一步的，压电驻极体110的内部结构为孔洞形状，孔洞的上下表面分别沉积有正负电荷，在外力的作用下产生形变，电偶极矩发生改变，进而使补偿电荷发生变化，使得压电驻极体110对外表现出电信号。其中，孔洞的形状具体可以根据实际情况设计，例如可以是矩形，也可以是棱镜形，本实施例不作限定。可以理解的是，压电驻极体110接受的外力越大，其对外表现出的电信号越强，越容易检测。例如，按压和滑动是两种变化较大的力，当有按压和滑动作用在压电驻极体110上时，压电驻极体110可以直接根据电信号检测出按压信号和滑动信号，无需进行差分和微分等处理。

示例性的，压电驻极体110与物体表面接触时，压电驻极体110与物体表面产生相互作用力，压电驻极体110在该相互作用力的作用下产生形变，使得电偶极矩发生改变，补偿电荷发生变化，进而使压电驻极体110对外表现出电信号。为了便于检测，可以增大压电驻极体110与物体表面之间的相互作用力，使压电驻极体110对外表现出较强的电信号。

进一步的，为了实现对触觉信号的多点检测，实施例中还设定压电驻极体110的数量不只有一个，以保证当压电驻极体110与物体表面接触时可以同时采集多个触觉信号，例如可以设定压电驻极体110的数量是两个或两个以上，具体设定的数量可以根据实际需要确定。这样设置的好处是：可以同时检测多个点的触觉信号，减小测量误差，提高检测精度。

接地层120的外表面设置有压电驻极体110，为压电驻极体110提供接地，使压电驻极体110具有相同的参考电势。这样设置的好处是：保证了压电驻极体110具有相同的参考电势，以便直接根据压电驻极体110输出的电信号进行触觉信号的判断，提高触觉信号检测的精度，同时，还可以通过设置多个压电驻极体110，实现对触觉信号的多点检测。具体可以参考图3，图3为传感器中接地层120和压电驻极体110的立体结构图。其中，接地层120的外表面可以是接地层120与压电驻极体110接触的表面。接地层120的外表面通过镀膜工艺镀有一层金属层，以通过和接地导线150相连使压电驻极体110具有相同的参考电势。具体的镀膜工艺可以采用现有技术中的磁控溅射或热镀等镀膜工艺。接地层120的材料本实施例不作限定，例如可以选择绝缘性和耐热性等性能优良的材料，如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、聚丙烯(Polypropylene，PP)或氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene，FEP)，具体可以根据实际需要选择。进一步的，接地层120的尺寸可以根据实际需要和压电驻极体110的尺寸以及数量进行设置，例如可以设置接地层120的尺寸为15mm*15mm。

放大电路130是将接收的电信号转换成电压信号，使控制器140可以根据电压信号的峰值和时间检测触觉信号的类型。放大电路130具体可以是包含电荷放大器的电路，实施例中对电荷放大器每部分的具体结构不作限定，只要能实现上述功能即可。例如，电荷放大器可以包括电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器和末级功放，其中，电荷变换级、低通滤波器、高通滤波器和末级功放顺次连接。电荷变换级还与压电驻极体110连接，以接收电信号，并将电信号转换成电压信号。低通滤波器和高通滤波器分别用于消除电压信号中掺杂的高频干扰信号和低频干扰信号，提高触觉信号判断的准确性，其中，低通滤波器可以是二阶低通滤波器。实际应用中，触觉信号经压电驻极体110、电荷变换级、低通滤波器和高通滤波器处理后，得到的电压信号较小，若直接根据该电压信号进行触觉信号类型的判断，会产生较大误差，因此为了减小误差，提高判断的准确度，实施例还进一步通过末级功放将滤波后的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号发送给控制器140，由控制器140根据放大后的电压信号判断触觉信号的类型。

为了提高触觉信号检测的精度，控制器140对接收的电压信号可以进行处理，例如预处理和精度处理。其中，预处理可以理解为对电压信号的初步处理，由于压电驻极体110的数量不只一个，控制器140会接收多个电压信号，为了选择误差较小的电压信号作为触觉信号检测的依据，需要对多个电压信号进行初步处理，例如可以对多个电压信号进行均值处理，以减小触觉信号采集过程的偶然误差。精度处理可以理解为在预处理的基础上根据均值电压信号进行进一步的处理，以减小测量值和真实值之间的误差，例如最小二乘法。

具体的，压电驻极体110采集多个触觉信号y1、y2…、yn，并输出多个电信号q1、q2、…、qn，放大电路130将电信号q1、q2、…、qn转换为对应的电压信号u1、u2、…、un，控制器140对接收的电压信号u1、u2、…、un进行预处理和精度处理。其中，n为压电驻极体110的数量，例如压电驻极体110的数量为3，则n＝3。电压信号u1与电信号q1和触觉信号y1对应，电压信号u2与电信号q2和触觉信号y2对应，依次类推。控制器140对接收的多个电压信号u1、u2、…、un进行均值处理，以获取均值电压信号u。其中，均值电压信号u具体可以通过下面的表达式获取：

根据u1、u2、…、un和u，利用最小二乘法计算出方差最小对应的电压信号，即可根据该组电压信号的变化时间和峰值输出触觉信号的类型。需要说明的是，本实施例对电压信号的处理方法不作限定，只要能提高触觉信号的测量精度均可以采用。

进一步的，上述传感器的工作过程为：压电驻极体110与物体接触时，采集触觉信号，并将触觉信号转换为电信号，通过传感信号导线160传输给放大电路130，放大电路130将接收的电信号转换为电压信号并进行放大处理，传输给控制器140，控制器140对接收的电压信号进行预处理和精度处理后获取方差最小对应的电压信号，根据该电压信号的峰值和时间完成对触觉信号的检测。

本发明实施例一提供的一种传感器，包括压电驻极体、接地层、放大电路和控制器；所述压电驻极体设置在所述接地层的外表面，所述压电驻极体通过所述放大电路连接所述控制器，所述压电驻极体将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路将所述压电驻极体输出的电信号转换为电压信号，所述控制器根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型，实现了对触觉信号的多点并行检测，提高了触觉信号的检测精度。

在上述实施例的基础上，所述压电驻极体110的数量为两个或两个以上。

具体的，当压电驻极体110与物体表面接触时，为了能同时检测多个触觉信号，实施例中设定压电驻极体110的数量为两个或两个以上。图1以3个压电驻极体110为例。当压电驻极体110的数量为多个时，各个压电驻极体110是相互独立的，并以预设间隔设置在接地层120上。其中，各个压电驻极体110的结构和尺寸可以完全相同，也可以不完全相同，还可以完全不同。为了提高触觉信号的检测精度，实施例中设定各个压电驻极体110是完全相同的。同样的，预设间隔也可以根据压电驻极体110和接地层120的具体尺寸进行设计。优选的，预设间隔为3mm。进一步的，各个压电驻极体110之间的预设间隔可以相同，也可以不同，为了便于分析电压信号，实施例中设定各个压电驻极体110之间的预设间隔相同。

在上述实施例的基础上，参考图1，所述压电驻极体110在所述接地层120的外表面并行设置。具体的，压电驻极体110设置在接地层120上，其目的是使压电驻极体110具有相同的参考电势。进一步的，压电驻极体110在接地层120上的具体设置可以根据实际需要自行设置。优选的，压电驻极体110并行设置在接地层120的外表面以保证压电驻极体110产生的电信号相互独立，互不干扰。

在上述实施例的基础上，参考图1，该传感器还包括接地导线150；所述接地导线150的一端连接所述接地层120的外表面，所述接地导线150的另一端连接所述放大电路130的接地端。

具体的，接地导线150一端连接接地层120的外表面的金属层，另一端与放大电路130的接地端相连，这样压电驻极体110具有相同的参考电势，即共同接地。其中，接地导线150为金属导线。

在上述实施例的基础上，参考图1，该传感器还包括传感信号导线160；所述传感信号导线160的一端连接所述压电驻极体110的外表面，所述传感信号导线160的另一端连接所述放大电路130的输入端。

具体的，传感信号导线160将压电驻极体110产生的电信号传输给放大电路130。传感信号导线160的一端连接压电驻极体110的外表面，另一端连接放大电路130的输入端，当压电驻极体110将采集的触觉信号转换成电信号进行输出时，放大电路130即可获取该电信号。其中，压电驻极体110的外表面指的是压电驻极体110与接地层120平行的表面。传感信号导线160为金属导线。

在上述实施例的基础上，所述压电驻极体110的材料为聚丙烯、氟化乙烯离聚物、聚四氟乙烯中的一种。

具体的，聚丙烯、氟化乙烯离聚物、聚四氟乙烯具有质量轻、厚度薄和灵敏度好等特性，满足压电驻极体110在本实施例具备的特性，实现对触觉信号的检测，而且成本低，柔软性好。在上述实施例的基础上，所述压电驻极体110的外表面覆有金属膜。

具体的，压电驻极体110的外表面覆有金属膜，以将压电驻极体110产生的电信号通过传感信号导线160传输给放大电路130。其中镀膜工艺与接地层120上镀金属膜的工艺类似，此处不再赘述。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的一种检测触觉信号的方法流程图。该方法由本发明上述实施例提供的传感器执行。参考图4，该方法包括：

S410、获取触觉信号。

触觉信号是用于表征作用在传感器上作用力的信号。具体的，当物体表面与传感器接触时，物体表面与传感器之间产生相互作用力，此时，传感器采集触觉信号。

S420、将所述触觉信号转换为电信号。

可以理解的是，触觉信号反应的是力的大小，若直接检测会增大测量误差，也不易检测。实施例中为了进一步检测该触觉信号，将触觉信号转换为电信号，通过分析电信号实现对触觉信号的检测。具体的转换过程可以由传感器内的压电驻极体实现。

S430、将所述电信号转换为电压信号。

具体的，传感器在外力的作用下产生形变，该形变使传感器内部的电偶极矩发生改变，补偿电荷改变，进而产生电信号。由于同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引，使得传感器在外力的作用下产生的电信号不稳定，若直接检测电信号大大降低触觉信号的检测精度。因此，实施例中将电信号转换为电压信号以提高触觉信号的检测精度。

S440、根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型。

作用在传感器上的外力大小不同，传感器最终获取的电压信号也不同，并且不同的外力产生的电压信号的峰值和时间也不相同。根据电压信号的峰值和时间即可确定触觉信号的类型。S440可以具体化为：

统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间；

根据所述信号峰值和所述信号时间确定所述触觉信号的类型。

具体的，参考图5，图5为传感器在同一作用力下产生的电压信号的示意图。图5以作用力F＝3N为例，可以看出，即使作用在传感器的作用力完全相同，传感器最终产生的电压信号也不相同，而是在一定范围内波动变化。这种波动变化是由于传感器的系统误差和偶然误差造成的。其中，传感器的系统误差通常是由于传感器本身的内外结构在作用力下产生的形变不同以及传感器每次受力点不固定造成的。传感器的偶然误差通常是由于传感器的外部因素，如外界干扰、检测环境等偶然因素造成的。无论是系统误差还是偶然误差都会对降低检测精度，甚至会将作用在传感器上的作用力判断错误。因此，为了减小系统误差和偶然误差对检测精度的影响，所述统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间具体包括：

对所述电压信号进行均值处理，得到均值电压信号；

通过最小二乘法处理所述均值电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间。

本发明实施例二提供一种检测触觉信号的方法，通过获取触觉信号；将所述触觉信号转换为电信号；将所述电信号转换为电压信号；根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型，实现了对触觉信号的多点并行检测，提高了触觉信号的检测精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于，包括压电驻极体、接地层、放大电路和控制器；所述压电驻极体设置在所述接地层的外表面，所述压电驻极体通过所述放大电路连接所述控制器，所述压电驻极体将采集的触觉信号转换为电信号，所述放大电路将所述压电驻极体输出的电信号转换为电压信号，所述控制器根据所述电压信号的峰值和时间输出所述触觉信号的类型。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电驻极体的数量为两个或两个以上。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述压电驻极体在所述接地层的外表面并行设置。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括接地导线；所述接地导线的一端连接所述接地层的外表面，所述接地导线的另一端连接所述放大电路的接地端。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括传感信号导线；所述传感信号导线的一端连接所述压电驻极体的外表面，所述传感信号导线的另一端连接所述放大电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电驻极体的材料为聚丙烯、氟化乙烯离聚物、聚四氟乙烯中的一种。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电驻极体的外表面覆有金属膜。

8.一种检测触觉信号的方法，其特征在于，包括：

获取触觉信号；

将所述触觉信号转换为电信号；

将所述电信号转换为电压信号；

根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压信号确定所述触觉信号的类型，包括：

统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间；

根据所述信号峰值和所述信号时间确定所述触觉信号的类型。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述统计所述电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间，包括：

对所述电压信号进行均值处理，得到均值电压信号；

通过最小二乘法处理所述均值电压信号，得到对应的信号峰值和信号时间。