CN110907073A - 触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，具体涉及一种触觉传感器，旨在解决现有触觉传感器容易受到外界环境干扰，鲁棒性不强的问题，其包括刚性连接的底壳和顶盖，底壳与顶盖之间形成有腔室，顶盖开设有第一通孔；腔室中设置有光源、弹性且透光的弹性部件以及光敏传感器；光源和光敏传感器分别位于弹性部件的相背离两侧；光敏传感器的光敏区域接收透过弹性部件的光；弹性部件远离底壳的一侧设置有刚性且不透光的触感部件，触感部件抵触底壳和顶盖，触感部件从第一通孔中伸出；触感部件挤压弹性部件时，触感部件将光敏传感器的光敏区域局部遮挡。

Description

触觉传感器

技术领域

本发明涉及传感器的领域，具体涉及一种触觉传感器。

背景技术

触觉传感器是一种生物传感器技术，可以获取关于接触特性的各种信息，例如温度，湿度，纹理，滑动及它感知信息，在医疗、健康、体育、娱乐、工业和军事等领域具有广阔的应用前景。尤其是三维触觉传感器能够同时对空间的纵向、垂向和横向的三维接触力进行检测，并且具有类似人体皮肤的柔性，从而可以更好地完成对外界环境中物体的硬度、粗糙度、材质等表面特征的感知和操作。

现有三维柔性触觉传感器主要集中在压阻式、电容式和压电式三种。压阻式触觉传感器受温度影响大；电容式触觉传感器易受噪声干扰，负载能力差；压电式触觉传感器柔性差，不适合测量静态力。另外，三种触觉传感器一经做出，不能对传感器的灵敏度作出调节，且工艺要求复杂，制作成本高。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有触觉传感器容易受到外界环境干扰，鲁棒性不强的问题，本发明提供了一种触觉传感器，其包括：刚性连接的底壳和顶盖，所述底壳与顶盖之间形成有腔室，所述顶盖开设有第一通孔；所述腔室中设置有光源、弹性且透光的弹性部件以及光敏传感器；所述光源和所述光敏传感器分别位于所述弹性部件的相背离两侧；所述光敏传感器的光敏区域接收透过所述弹性部件的光；所述弹性部件远离所述底壳的一侧设置有刚性且不透光的触感部件，所述触感部件抵触所述底壳和所述顶盖，所述触感部件从所述第一通孔中伸出；所述触感部件挤压所述弹性部件时，所述触感部件将所述光敏传感器的光敏区域局部遮挡。

在一些优选实例中，所述腔室包括联通设置的第一腔室和第二腔室；所述弹性部件和所述光源设置于所述第一腔室中，所述光敏传感器设置于所述第二腔室中。

在一些优选实例中，所述光敏传感器设置有至少三个且围绕所述光源，所述第二腔室的数量不少于所述光敏传感器的数量，每个所述第二腔室中至多设置有一个所述光敏传感器。

在一些优选实例中，各所述光敏传感器绕所述光源均匀分布且位于同一平面；所述光敏传感器的个数为四个，所述第二腔室的数量为四个。

在一些优选的实施例中，所述触感部件接触所述顶盖的表面为球面，所述触感部件位于所述第一通孔内的部分具有活动空间以使所述触感元件可以转动。

在一些优选的实施例中，所述顶盖具有与所述球面相贴合且与所述球面相适配的曲面。

在一些优选的实施例中，所述触感部件与所述弹性部件固定连接。

在一些优选的实施例中，所述触感部件从所述第一通孔伸出的一端设置有凸出部，所述凸出部在远离所述弹性部件的方向上逐渐收缩。

在一些优选的实施例中，所述触感部件为半球体结构、球冠结构或球台结构。

在一些优选的实施例中，所述弹性部件为圆筒结构。

在一些优选的实施例中，所述光源设置有用于调节亮度的调节电路。

在一些优选的实施例中，所述触觉传感器还包括处理器模块，所述处理器模块的输入端口与所述光敏传感器的输出端口连接。

本发明的有益效果为：

1)本发明所公开的触觉传感器利用光电效应实现对触觉压力和滑觉切向力的检测，对环境的抗干扰能力强。

2)本发明所公开的触觉传感器的线性度好，灵敏度高。

3)本发明所公开的触觉传感器的生产工艺简单，物料成本低。

4)本发明所公开的触觉传感器的安装环境多样，可广泛应用于多种不同的领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例的触觉传感器的等轴测视图。

图2是本发明一实施例的触觉传感器的爆炸图。

图3是本发明一实施例的触觉传感器中底壳的结构示意图。

图4是本发明一实施例的触觉传感器中顶盖的结构示意图。

图5是本发明一实施例的触觉传感器中触觉部件和弹性部件的组合示意图。

图6是本发明一实施例的触觉传感器中调节电路的电路图。

附图标记说明:

1、顶盖；11、第一通孔；12、曲面；2、底壳；21、第一空腔；22、第二空腔；23、第一安装槽；24、第二安装槽；25、光源导向孔；26、传感器导线孔；3、弹性部件；4、光源；5、光敏传感器；6、触感部件；61、凸起部。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

以下参照附图结合一实施例进一步说明本发明。

参见图1-4，本发明公开了一种触觉传感器，包括刚性连接的底壳2和顶盖1。底壳2的外轮廓呈圆柱状，顶盖1呈圆板装，在顶盖1的中央开设有贯通的第一通孔11。底壳2和顶盖1采用螺栓连接，目的是利用螺栓连接便于拆装的优点。本领域技术人员同样能够想到例如卡接，焊接，粘接等使底壳2和顶盖1之间不具备柔性的连接手段。

在底壳2与顶盖1之间形成有腔室，腔室中设置有光源4、弹性且透光的弹性部件3以及光敏传感器5。光源4和光敏传感器5分别位于弹性部件3的相背离两侧。具体的，腔室包括相连通第一腔室以及第二腔室。光源4和弹性部件3设置于第一腔室内，光敏传感器5设置于第二腔室内。

光敏传感器5的数量设置为四个，同时第二腔室的数量也为四个。四个第二腔室围绕第一腔室均布设置，四个光敏传感器5分别位于四个第二腔室内并且绕光源4均匀分布且位于同一平面内。

在第一腔室的底部中央开设有圆柱凹槽，弹性部件3呈圆筒结构。弹性部件3的外径与圆柱凹槽的直径一致，弹性部件3塞装到圆柱凹槽内。可选用的弹性部件3的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、橡胶或其他具有弹性且透光的材料。

在圆柱凹槽的底部中央还开设有安装槽。光源4位于弹性部件3的内孔中且位于安装槽内。光源4采用LED灯，光源4粘贴在第一安装槽23内。

光敏传感器5粘贴光敏传感器5可以是硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光电二极管，但其他未列举且基于光电效应的传感器在实质上均属于光敏传感器5。本实施例中所使用的光敏传感器5具体为硅光电池，光敏传感器5粘贴在第二空腔22内。

光敏传感器5具有光敏区域，光源4发出的光线透过弹性部件3照射到上述光敏区域。

在圆柱凹槽和第二空腔22内部分别开设有光源4导线通孔和传感器导线通孔，光源4和光敏传感器5的导线分别通过光源4导线通孔和传感器导线通孔引出。对于本领域技术人员来说，对于光源4以及光敏传感器5的安装与固定属于常规技术手段，并对此所做出的更改在实质上没有变化。

在弹性部件3远离底壳2的一侧设置有刚性且不透光的触感部件6，触感部件6抵触底壳2和顶盖1，触感部件6从第一通孔11中伸出。当触感部件6受外力向底壳2一侧移动而挤压弹性部件3时，触感部件6将上述光敏区域的局部遮挡。

触感部件6接触顶盖1的表面为球面，顶盖1设置有与球面相贴合且与球面相适配的曲面12。曲面12位于第一通孔11靠近弹性部件3一端的边缘。触感部件6可以是半球体结构、球冠结构或球台结构。进一步的，触感部件6位于第一通孔11内的部分具有活动空间以使触感元件可以转动。触感部件6从第一通孔11伸出的一端一体成型有凸出部，凸出部在远离弹性部件3的方向上逐渐收缩。

下面对本实施例进行解释。

在触感部件6未受压力时，光线穿过弹性部件3的截面积取L_a×L_b，其中，L_a是光线照射到光敏区域上的宽度，L_b是触感部件6与刚性体之间的间距。在触感部件6受压力而使弹性部件3被挤压时，光线穿过弹性部件3的截面积如式(1)所示。

其中，F₁是触感部件6受到的压力，k是弹性部件3的刚度系数。

从而可知，照射到光敏区域的光通量J和F₁之间的关系为：

其中，E为光通量密度。

对于硅光电池，其短路电流I和光照强度J的关系为：

I＝k_lJ 式(3)

其中，k_l为硅光电池短路电流I和光通量J拟合直线的斜率。

由此可知，在触感部件6受到力F₁的作用时，光敏传感器5产生的电流为：

所以，光敏传感器5输出的电流I与触感部件6受到的力F₁成线性关系。

综上所述，在触感部件6受力而挤压弹性部件3时，可以使光敏传感器5的响应发生变化，在光敏传感器5外接电路的情况下，可以根据光敏传感器5的响应推测触感部件6的受力，即可以对压力进行检测。

本实施例除了能够对压力进行测量，还能够对切向力进行测量。下面首先对压力和切向力进行解释。参见图5，上述压力是指作用在触感部件6且使触感部件6挤压弹性部件3时触感部件6不发生转动的力；切向力是指垂直于压力且使触感部件6发生转动的力。压力是指使触感部件6沿Z轴方向移动并挤压弹性部件3的力；切向力是指使触感部件6绕X轴和Y轴转动的力。实际上使触感部件6挤压弹性部件3的力都可以分解为一个上述压力以及上述切向力。上述触感部件6即能够受压力移动也能够受切向力转动。

为了测量切向力，光敏传感器5需要设置有三个，并且第二腔室的数量不少于光敏传感器5的数量，但第二腔室中至多设置有一个光敏传感器5。具体实施时，因为平面内的任意向量都可以用两个正交向量合成，所以设置四个光敏传感器5是一种最好的方案。

检测切向力时，将弹性部件可以等效为四个刚度系数为k′的弹性件。为了便于说明，对这四个光敏传感器用前、后、左、右表述。当触感部件受到切向力F₂时，并且设切向力的方向为向右，根据力的平移原理将切向力F₂等效出一个作用在右侧光敏传感器且平行于压力方向的力F₂′，所受光通量J_r和向下压力F₂′的关系为：

则右侧光敏传感器所产生的电流为：

左侧光敏传感器所产生的电流为：

前后与后侧光敏传感器的电流数值相同，在解算时抵消即可。

当然，式(7)成立的条件是弹性部件在传感器受到外力之前已经处于被挤压的状态。若弹性部件在传感器受到外力之前处于自然状态时，前、后、左、右侧光敏传感器所产生的电流为：

I＝Ek_lL_aL_b 式(8)

由此可以通过四个光敏传感器5的电流大小推算出触感部件6所受切向力的大小。以此原理还可以推断出切向力的方向。

在使用时，为了调节光源4的亮度以调节触觉传感器的灵敏度，光源4电连接有调节电路。参见图6，调节电路包括滑动变阻器和定值电阻，定值电阻的两端分别于光源4和滑动变阻器电连接，滑动变阻器的另一端电连接电源VCC，光源4的另一端接地。

调节电路能够集成在电路板上，为了缩小触觉传感器的体积，较佳的将调节电路外置，但是调节电路仍然可以置于腔室中，相应的结构改变均属于机械领域的常规设计手段。

触觉传感器还包括处理器模块，处理器模块的输入端口与光敏传感器5的输出端口连接。

因为传感元件的转动幅度不同能够造成光敏传感器5的响应不同，所以本发明所公开的触觉传感器仍然可以应用于控制杆或是位移检测。同时对使用的领域和环境没有限制。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括：

刚性连接的底壳(2)和顶盖(1)，所述底壳(2)与顶盖(1)之间形成有腔室，所述顶盖(1)开设有第一通孔(11)；

所述腔室中设置有光源(4)、弹性且透光的弹性部件(3)以及光敏传感器(5)；

所述光源(4)和所述光敏传感器(5)分别位于所述弹性部件(3)的相背离两侧；所述光敏传感器(5)的光敏区域接收透过所述弹性部件(3)的光；

所述弹性部件(3)远离所述底壳(2)的一侧设置有刚性且不透光的触感部件(6)，所述触感部件(6)抵触所述底壳(2)和所述顶盖(1)，所述触感部件(6)从所述第一通孔(11)中伸出；

所述触感部件(6)挤压所述弹性部件(3)时，所述触感部件(6)将所述光敏传感器(5)的光敏区域局部遮挡。

2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述腔室包括联通设置的第一腔室和第二腔室；所述弹性部件(3)和所述光源(4)设置于所述第一腔室中，所述光敏传感器(5)设置于所述第二腔室中。

3.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于：所述光敏传感器(5)设置有至少三个且围绕所述光源(4)，所述第二腔室的数量不少于所述光敏传感器(5)的数量，每个所述第二腔室中至多设置有一个所述光敏传感器(5)。

4.根据权利要求3所述的触觉传感器，其特征在于：各所述光敏传感器(5)绕所述光源(4)均匀分布且位于同一平面；所述光敏传感器(5)的个数为四个，所述第二腔室的数量为四个。

5.根据权利要求1-4所述的触觉传感器，其特征在于：所述触感部件(6)接触所述顶盖(1)的表面为球面，所述触感部件(6)位于所述第一通孔(11)内的部分具有活动空间以使所述触感元件可以转动。

6.根据权利要求5所述的触觉传感器，其特征在于：所述顶盖(1)具有与所述球面相贴合且与所述球面相适配的曲面(12)。

7.根据权利要求5所述的触觉传感器，其特征在于：所述触感部件(6)从所述第一通孔(11)伸出的一端设置有凸出部，所述凸出部在远离所述弹性部件(3)的方向上逐渐收缩。

8.根据权利要求5所述的触觉传感器，其特征在于：所述触感部件(6)为半球体结构、球冠结构或球台结构。

9.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述光源(4)设置有用于调节亮度的调节电路，以调整传感器灵敏度。

10.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述触觉传感器还包括处理器模块，所述处理器模块的输入端口与所述光敏传感器(5)的输出端口连接。

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