CN110553671B - 触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种触觉传感器，包括：电源；以及至少一个传感器件单元，每个传感器件单元包括非线性发光电子器件和外接引线端口，电源与非线性发光电子器件连接成闭合电路，外接引线端口自闭合电路向外引出；其中，外接引线端口用于连接电磁波感应源，电磁波感应源能够引入电磁波，使得非线性发光电子器件的亮度发生可视的变化。

Description

触觉传感器

技术领域

本发明涉及传感与检测领域，尤其涉及一种触觉传感器。

背景技术

触觉可以获得物体表面的一些几何特征和物理特性，包括硬度、形貌、粗糙度、弹性、材质等。随着仿生学的发展，触觉传感器在机器人仿生、医疗器械、体育训练、人体工程学等领域获得了广泛的应用。为了从机理层面提高器件的性能，包括压阻，可变电容，压电光电子学，甚至摩擦效应都已经被大量用于传感装置的设计上。现有的触觉传感器主要有电容式、电阻式、压电式、光纤式等多种形式，但是由于它们的设计和制造过于复杂，或者灵敏度与分辨率不能满足要求，难以在工业化生产中实现良好的经济效益。因此，如何利用现有的传感设计机理设计出更高性能的传感器件，或者开发出一种全新的传感设计机理，是当前众多设计与开发人员所关注的重点。

发明内容

本发明旨在设计一种以电磁波作为传感激发源的触觉传感器件单元，以实现对触觉传感的有效监测。

本发明实施例提供一种触觉传感器，包括：

电源；以及

至少一个传感器件单元，每个传感器件单元包括非线性发光电子器件和外接引线端口，电源与非线性发光电子器件连接成闭合电路，外接引线端口自闭合电路向外引出；

其中，外接引线端口用于连接电磁波感应源，电磁波感应源能够引入电磁波，使得非线性发光电子器件的亮度发生可视的变化。

根据一些实施例，非线性发光电子器件包括相互串联的两个发光二极管，外接引线端口自两个发光二极管之间引出。

根据一些实施例，至少一个传感器件单元包括多个传感器件单元，多个传感器件单元并联。

根据一些实施例，多个传感器件单元对应的非线性发光电子器件排成第一图案阵列，多个传感器件单元对应的多个外接引线端口排成第二图案阵列，多个传感器件单元对应的多个外接引线端口在第二图案阵列中的空间分布位置分别与多个传感器件单元对应的非线性发光电子器件在第一图案阵列中的分别位置相对应。

根据一些实施例，第一图案阵列和第二图案阵列对应为相同形状图案阵列。

根据一些实施例，外接引线端口上设置压强可变电阻。

根据一些实施例，至少一个传感器件单元包括并联的两个传感器件单元，两个传感器件单元的外接引线端口之间连接可变电阻，电磁波感应源适于作为所述可变电阻的可动触点在所述可变电阻上运动。

根据一些实施例，所述至少一个传感器件单元包括并联的四个传感器件单元，所述四个传感器件单元的外接引线端口与一平面可变电阻连接，电磁波感应源适于作为所述可变电阻的可动触点在所述平面可变电阻上二维运动。

根据一些实施例，所述可变电阻由电阻可变的导体材料制备。

根据一些实施例，外接引线端口上由可导电材料制备。

根据一些实施例，所述电源的电压设定为每个传感器件单元中的相互串联的非线性发光电子器件开启电压的80％-99％，优选设定为非线性发光电子器件开启的85％-95％，更优选设定为非线性发光电子器件的总的开启电压的90％-98％。

根据一些实施例，电源的负极接地。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：与以往传感器所依据的电学传感物理基础不同，本发明以电磁波作为传感激发源实现对触觉传感的有效监测，基于简单而有效的电路，触觉传感器件单元具有高灵敏度的同时，有效实现了对触觉传感监测的可视化，通过人眼辨别非线性发光电子器件的亮度变化即可实现对触感信息的直接捕捉和判别。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明的一个实施例的触觉传感器的电路结构的示意图；

图2是发光二极管的伏安特性曲线图；

图3是电磁波感应源触碰外接引线端口前后电流的变化图；

图4是根据本发明的一个实施例的触觉传感器的电路结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的触觉传感器的电路结构示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的触觉传感器的电路结构示意图；以及

图7是根据本发明的一个实施例的触觉传感器的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明的各个实施例提供一种触觉传感器，包括电源和至少一个传感器件单元。每个传感器件单元包括非线性发光电子器件和外接引线端口，电源与非线性发光电子器件连接成闭合电路，外接引线端口自闭合电路向外引出。外接引线端口用于连接电磁波感应源，电磁波感应源能够引入电磁波，使得所述非线性发光电子器件的亮度发生可视的变化。电磁波感应源可以是人体或其他能够吸收和携带电磁波信号的物体。

图1是根据本发明的一个实施例的触觉传感器100的电路结构的示意图。如图1所示，触觉传感器100包括电源10和一个传感器件单元20。传感器件单元20包括非线性发光电子器件21和外接引线端口22。本实施例中非线性发光电子器件21包括相互串联的两个发光二极管。电源10与非线性发光电子器件21连接成闭合电路，外接引线端口22自两个发光二极管之间由闭合电路向外引出。外接引线端口22用于连接电磁波感应源。

电磁波感应源例如为人体手指，当手指触摸外接引线端口22时，非线性发光电子器件21被点亮，直观地显示所述触碰。电磁波感应源也可以为一导体，该导体本身为被检测对象或与被检测对象连接。这样，当被检测对象直接或间接连接外接引线端口22时，非线性发光电子器件21被点亮，直观地显示被检测对象的接入状态。

本实施例中非线性发光电子器件为相互串联的两个发光二极管，外接引线端口设置在两个发光二极管之间，以保证电磁波能够被引入电路而作用于发光二极管。当然，在其他的实施例中也可以选用其他的非线性发光器件，如发光三极管；在其他的实施例中也可以改变发光二极管的数量，例如，可以是1个、3个、4个或者更多个。当非线性发光电子器件的数量大于1时，可以将所有的非线性发光电子器件进行串联。当非线性发光电子器件的数量为1时，外接引线端口可以从非线性发光电子器件的正极引出，将电磁波引入电路；当非线性发光电子器件的数量大于或者等于3时，外接引线端口可以从任意两个相邻非线性发光电子器件中间引出，此时引入电路的电磁波可同时作用于这些串联的非线性发光电子器件。本实施例中的两个发光二极管完全相同，这样更便于人眼观察亮度的变化，当然在其他的实施例中两个发光二极管也可以不同，这种不同既可以是型号的不同，也可以是发光颜色的不同。

本实施例中所采用的发光二极管型号为口径3mm，白色发光类型，是市场上最常见的一款类型，在其他的实施例中，发光二极管可以选择其他口径和发光颜色的型号。本实施例中的电源选用的是三节普通的5号干电池，在其他的实施例中电源可以选择其他型号的干电池或直流供电电源，只需要满足电源所提供的电压略小于两个串联发光二极管总的开启电压即可。

根据一些实施例，图1所示的触觉传感器100的电源10的电压可设定为每个传感器件单元中的相互串联的非线性发光电子器件21开启电压的80％-99％，优选设定为非线性发光电子器件21开启电压的85％-95％，更优选设定为非线性发光电子器件21的开启电压的90％-98％。当有多个相互串联的非线性发光电子器件时，开启电压是指非线性发光电子器件的总的开启电压。

图2是发光二极管的伏安特性曲线图。发光二极管是非线性电子器件，非线性电子器件的一个特点就是电压与电流不是线性相关，在电压未接近开启导通电压的阶段，电流随电压的增长变化较为缓慢，当电压接近开启电压时，电流随着电压的增长急剧增大。同时因为非线性发光电子器件的亮度与电流有关，当电流突然增大时，非线性发光电子器件会在短时间内突然变亮。

具体来说，在图1的实施例中，两串联的发光二极管的开启电压在5V左右，在所施加的电压小于5V的阶段中，电流随电压的增长而缓慢增长，此时发光二极管的亮度比较微弱，当两个串联的发光二极管两端的电压接近5V时，流经两个发光二极管的电流急剧增大，发光二极管的亮度迅速增强。急剧增长的电流使得发光二极管的亮度变化明显，能很容易地被人眼捕捉和分辨。在电压接近开启电压的阶段，将电磁波通过外接引线端口引入电路后，电路中的电流会由于电磁波的作用激发瞬间增大，对应发光二极管的亮度迅速增强。

本实施例中，电池组加在两个串联的发光二极管两端的电压稳定在4.8V左右，在这个电压值，发光二极管的内部电流通道处于未被完全打开的状态，发光二极管中电流较小，亮度较弱。此时，若电路中引入电磁波，电磁信号可以有效地激发并打开发光二极管的内部电流通道，从而使得电流急剧增加，电流增强后二极管的亮度的变化随之增强。

图3为电磁波感应源(例如人体)触碰外接引线端口前后发光二极管中的电流的变化图。从图中可以看出，在电磁波感应源未触碰到外接引线端口时原有电路中的电流较小，当电磁波感应源与外接引线端口触碰的一瞬间电流急剧变大，当电磁波感应源与外接引线端口断开的一瞬间电流又急剧变小，回到电磁波与外接引线端口触碰之前的数值。本发明实施例的传感器电路正是基于非线性电子器件的上述特性而设计。

图4是根据本发明的一个实施例的触觉传感器200的电路结构示意图。如图4所示，触觉传感器200包括电源10和多个传感器件单元20，多个传感器件单元20并联连接。每个传感器件单元20包括两个串联的非线性发光电子器件21和外接引线端口22。电源10可分别与每个传感器件单元20的两个非线性发光电子器件21连接成闭合电路，外接引线端口22自两个非线性发光电子器件21之间由闭合电路向外引出。本实施例中每个传感器件单元20的非线性发光电子器件21包括相互串联的两个发光二极管。每个传感器件单元20的外接引线端口22分别用于连接电磁波感应源，例如电导性功能材料。

优选地，多个传感器件单元20对应的非线性发光电子器件21排成第一图案阵列201，多个传感器件单元20对应的多个外接引线端口22排成第二图案阵列202，多个传感器件单元20对应的多个外接引线端口22在第二图案阵列202中的空间分布位置分别与多个传感器件单元20的对应的非线性发光电子器件21在第一图案阵列201中的分布位置相对应。

通过将传感器件单元20与电导性材料相结合，可以构成一个微型传感阵列，这个微型传感阵列可以用于轻微触觉的感测。电导性材料指的是一切可以导电的材料，包括金属和非金属。本实施例中的电导性材料为弹性可拉伸半透明电极。为了下文描述的方便，将两个串联的发光二极管称为一个LED单元，LED单元的正负极与单个发光二极管的正负极相同。多个传感器件单元并联，即，多个LED单元并联，由统一的外接电源驱动，即，每一个LED单元的正极和负极分别连接到电源的正负极，然后将外接引线端口22分别导出。可选地，通过在电路中设置适当的开关，可以使全部传感器件单元20工作或仅部分传感器件单元20工作。

根据图4的实施例，通过触碰不同位置的外接引线端口22可以使得不同位置的发光二极管的亮度发生改变，由于发光二极管的数目很多，可以可视化地检测电磁波感应源对多个点的触碰，因而本实施例可用于多点检测。另外，由于多个传感器件单元20对应的多个外接引线端口22在第二图案阵列202中的空间分布位置分别与多个传感器件单元20的对应的非线性发光电子器件21在第一图案阵列201中的位置相对应，通过被点亮的非线性发光电子器件21的位置，可以直观地判断出电磁波感应源触碰的具体位置。

当传感器件单元20的数目较多并形成阵列排布时，相应的外接引线端口22可形成阵列排布。此时，阵列排布的外接引线端口22可作为一个操作面板，通过对其上的触点进行触摸操作，其操作路线可以可视化地通过点亮的传感器件单元20的图案来直观地显示。

在本实施例中，多个传感器件单元对应的多个外接引线端口在第二图案阵列中的空间分布位置分别与所述多个传感器件单元的对应非线性发光电子器件在第一图案阵列中的位置相同，即，外接引线端口在第二图案阵列中的位置与对应的传感器件单元在第一图案阵列中的位置形成空间上的一一对应，当然，在另外的实施例中外接引线端口在第二图案阵列中的位置与对应的传感器件单元在第一图案阵列中的位置也可以不是一一对应的。外接引线端口在第二图案阵列中的位置与对应的传感器件单元在第一图案阵列中的位置一一对应具有如下好处：当电磁波感应源触碰到第二图案阵列中的某个或某些外接引线端口，这些外接引线端口对应的非线性发光电子器件的亮度便会发生改变，可以通过观察这些亮度改变了的非线性发光电子器件的位置来快速确定电磁波感应源的触碰位置。

在其他的实施例中，可以将第二图案阵列设置在地上或者其他地方，当某些电磁波源物体掉落到第二图案阵列上，便可以根据第一图案阵列中非线性发光电子器件亮度的变化找出导体掉落的位置，可以据此来对微小电磁波源物体落点的位置进行可视化的监测。

阵列排布的各个外接引线端口22之间的距离并没有具体的要求，可以相同，也可以不相同。为了美观和制作工艺的简便，可以将第一图案阵列和所述第二图案阵列均设计成矩形图案阵列，间距统一。图4为2*2的微型传感阵列，当然，在其他的实施例中，还可以是其他排列的微型传感阵列，例如2*3或者4*5或者n*n(n为大于或者等于2的正整数)等，阵列的具体大小和形状可根据实际需求进行调整。本实施例中外接引线端口为圆形电极，当然，对于外接引线端口的形状没有具体的要求，可以是矩形，也可以是菱形，还可以是其他任何可能的形状。

在某些实施例中，可以将发光二极管设置成不同的发光颜色，这样，在感应源触碰第二图案阵列时，第一图案阵列中对应的发光二极管会发出不同的光，将其运用到节日的装饰中，可以增加节日的氛围。另外，当电磁波感应源在第二图案阵列中按照某种路径滑过，这个路径上的外接引线端口对应的发光二极管也会按照相应的路径闪亮，当电磁波感应源的速度足够快的时候，由于人眼的视觉暂留效应，会使得整个路径同时展现在人的眼前，给人一种视觉的享受。当然，人也可以在第二图案阵列上画简笔画或者写自己想写的字，但是由于人手的速度可能不够快，难以将整个同时画面展现出来。即使这样，人手滑过的路径上的发光二极管依次变暗也能给人一种愉悦的享受。

图5是根据本发明的一个实施例的触觉传感器300的电路结构示意图。如图5所示，触觉传感器300包括电源10、一个传感器件单元20、电流表302和压强可变电阻301。传感器件单元20中的外接引线端口22上设置压强可变电阻301。这样可以对压强进行可视化的检测。

压强可变电阻的特性是随着压力的增大或减小，电阻阻值发生相应正相关或负相关的变化。本实施例中的压强可变电阻，随着加在电阻上的正压力的增加，电阻阻值发生负相关的变化，即在一定范围内阻值随压强的增大而相应减小。因此，当加在该电阻上的压强越大时，电阻就越小，在电源一定的情况下，电流就越大，也即是发光二极管的亮度越大，当发现发光二极管亮度变强时，可以推断压强增大了，可以据此快速判断压强的变化。同时根据二极管亮度变化的强度推断所施加压强的大小程度，压强越大，可变电阻阻值越小，电路中电流越大，相应地二极管亮度增强会越明显。另外，可以提前计算出某个电流对应的压强的大小，然后在电流表对应的位置写下对应压强的数值，将电流表改装成压强表，然后通过直接读取电流表中的数值来获取压强的具体数值。在某些实施例中，为了保护电流表的安全，可以加一个保护器件或者保护电路，例如可以是保护电阻。在本实施例中，由于电源的电压较小，即使压强可变电阻的阻值为零也不会对电流表产生伤害，因而可以不加保护器件。基于相同的原理，将类似压强可变电阻设置在地面或其他位置，将电磁波感应源物体放置在压强可变电阻上，可以检测电磁波感应源的重量。

图6是根据本发明的一个实施例的触觉传感器400的电路结构示意图。如图6所示，触觉传感器400包括电源10、两个传感器件单元20、条形可变电阻401、电流表411和电流表412。两个传感器件单元20并联连接，两个传感器件单元20的外接引线端口22之间连接条形可变电阻401，电磁波感应源能够作为所述条形可变电阻的可动触点在电阻401上运动。这样可以对导体的一维运动信息进行可视化的检测，包括运动的方向、速度和加速度等相关信息。

电阻401两端分别连接到两个外接引线端口22，电磁波感应源例如手指能够在所述电阻401上滑动，电磁波感应源与电阻401接触的区域为触点402，触点402在电阻401上的不同位置会给两个传感器件单元20分配不同的电阻值分量，电阻阻值的变化导致了传感器件单元20中电流的变化，从而可以导致发光二极管亮度产生变化。此时，条形可变电阻401相当于一个可变电阻器。

在图6中，当触点402由下向上移动的过程中，图中下边的传感器件单元20所分配的电阻分量越来越大，电流也就越来越小，所以，发光二极管也就越来越暗；对应的，图中上边的传感器件单元20所分配的电阻分量越来越小，电流越来越大，发光二极管也就越来越亮。因此，发光二极管变亮的那边就是电磁波感应源运动的正方向，可以据此判断电磁波感应源的运动方向。如果电磁波感应源是匀速运动，测出电阻器的长度和运动的时间，就可以得到电磁波感应源的运动速度。相应的，如果电磁波感应源是匀加速运动，测出电阻器的长度和运动的时间，也可以得到电磁波感应源的加速度。

上述条形可变电阻401可以由电阻可变的功能导体材料制备，例如细长可拉伸导体，实质上可看做是一个可变电阻器，触点位置的移动会改变电阻的分量。当然，上述可变电阻的作用是改变电阻分量，从而最终改变发光二极管的作用，因此，上述电阻可由能够实现上述功能的一切物体制作。除了直线状的条形可变电阻，，这里的可变电阻也可以是其他规则形状(例如折线、曲线)，尺寸可任意调整。

图7是根据本发明的一个实施例的触觉传感器500的电路结构示意图。如图7所示，触觉传感器500包括电源10、四个传感器件单元20、平面可变电阻501。四个传感器件单元20并联连接，四个传感器件单元20的外接引线端口22连接到平面可变电阻501上，例如方形平面可变电阻，其四个角连接到四个传感器件单元20的外接引线端口22上。电磁波感应源能够作为所述平面可变电阻的可动触点在平面可变电阻501上运动，这样可以对可作为电磁波感应源的物体的二维运动信息进行可视化的检测，包括物体平面运动的位置、速度、方向、加速度等相关信息，其基本原理与触觉传感器400的实施例相同。同样地，此时的平面可变电阻可以根据实际需要进行形状和大小的设计。

根据一个实施例，外接引线端口可以设置直径约1cm的圆形铝箔，作为触摸节点，最小尺寸是直径0.05mm左右，最大不做要求。外接引线端口的材料不局限于铝箔，可以选择其他包括金属、非金属等各种导电材料，外接引线端口可以选择其他的形状和尺寸，只需要外接引线端口通过导体直接或间接连接到非线性发光元件与电池组成的闭合电路中即可。

在一个实施例中，发光二极管及外接引线端口可用一个电路插线板进行组合和连接，当然，在其他的实施例中也可以选用其他的组装和连接方式，例如PCB集成电路等，只要能保证发光二极管与外接节点端口之间能够导电即可。电源负极进行接地处理，作为进入电路的电磁波激发信号的释放端口，接地线由电源负极引出接入大地，或可采用其他等同于接地效果的装置代替。图1、4、5、6和7分别示出了接地线30。

本发明利用例如发光二极管的非线性发光器件，利用环境中的电磁波作为激发源，设计出一种可视化的触觉传感检测器件。当人体或其他媒介等电磁波吸收源接触传感器的外接引线端口时，电磁波通过媒介进入到闭合电路中，从而对电路中的发光二极管的电流和亮度起到放大增强作用。利用电路电流及发光二极管亮度的变化，可有效实现高灵敏度和可视化的检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括：

电源；以及

至少一个传感器件单元，每个传感器件单元包括非线性发光电子器件和外接引线端口，所述电源与所述非线性发光电子器件连接成闭合电路，所述外接引线端口自所述闭合电路向外引出；

其中，所述外接引线端口用于连接电磁波感应源，所述电磁波感应源能够引入电磁波，使得所述非线性发光电子器件的亮度发生可视的变化；

其中，所述外接引线端口上设置压强可变电阻；

所述电源的电压设定为每个传感器件单元中的所述非线性发光电子器件开启电压的80％-99％。

2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述非线性发光电子器件包括相互串联的两个发光二极管，所述外接引线端口自所述两个发光二极管之间引出。

3.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述至少一个传感器件单元包括多个传感器件单元，所述多个传感器件单元并联。

4.根据权利要求3所述的触觉传感器，其特征在于，所述多个传感器件单元对应的非线性发光电子器件排成第一图案阵列，所述多个传感器件单元对应的多个外接引线端口排成第二图案阵列；

所述多个传感器件单元对应的多个外接引线端口在第二图案阵列中的空间分布位置分别与所述多个传感器件单元对应的非线性发光电子器件在第一图案阵列中的分布位置相对应。

5.根据权利要求4所述的触觉传感器，其特征在于，所述第一图案阵列和所述第二图案阵列为相同形状图案阵列。

6.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述至少一个传感器件单元包括并联的两个传感器件单元，所述两个传感器件单元的外接引线端口之间连接可变电阻，电磁波感应源作为所述可变电阻的可动触点在所述可变电阻上一维运动。

7.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述至少一个传感器件单元包括并联的四个传感器件单元，所述四个传感器件单元的外接引线端口与一平面可变电阻连接，电磁波感应源作为所述可变电阻的可动触点在所述平面可变电阻上二维运动。

8.根据权利要求6或7所述的触觉传感器，其特征在于，所述可变电阻由电阻可变的导体材料制备。

9.根据权利要求2-7中任一项所述的触觉传感器，其特征在于，所述外接引线端口由可导电材料制备。

10.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述电源的电压设定为所述非线性发光电子器件开启电压的85％-95％。

11.根据权利要求10所述的触觉传感器，其特征在于，所述电源的电压设定为所述非线性发光电子器件开启电压的90％-95％。

12.根据权利要求1-7中任一项所述的触觉传感器，其特征在于，所述电源的负极接地。

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