CN112014022A - 一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，包括结合在一起的触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层，三维力传感层位于触觉刺激接收层和温度传感层之间。其中，三维力传感层主要用于感知外界压力的大小和方向，封装有微纳光纤的腰区的温度传感层用于感知温度。本发明通过压电信号和微纳光纤信号的解耦，不仅可以获得三维力的信息，还能获得温度信息，有助于机器人对可变形和易碎物体的稳定抓取和精确操控，增强机器人对环境的认知能力。本发明具有柔性好、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点，为智能机器人的触觉感知控制系统提供了一种新型的触觉传感器。

Description

一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器

技术领域

本发明涉及微纳光纤以及用于控制系统的测试装置，尤其涉及一种可用于智能机器人的触觉感知控制系统的压力和温度柔性传感器。

背景技术

随着智能机器人的快速发展，触觉感知作为机器人采集外部物体信息并操作物体的重要手段，已成为当今科学的研究热点。目前，触觉传感器研究主要集中在压力大小和温度等物理参量的感知，然而压力方向的精确分析对实现滑移感知和材质表面形貌识别等复杂的触觉功能至关重要。温度的感知不仅有助于提高机器人感知环境的能力，而且在材质识别方面发挥着重要作用。因此，研制具有三维力和温度感知功能的触觉传感器对于提升智能机器人的触觉感知控制系统的环境感知能力和工作能力具有重要意义。

目前压力传感器主要是利用压敏材料的物理形变所产生的电信号变化检测施加的正压力，正压力是指与界面垂直的压力。然而普通的压力传感器不能检测与界面平行的剪切力。因此，三维力传感器是用于测量三维力，并将其解耦成一维正压力和二维剪切力，对于实现复杂的触觉感知功能有着极大的实用价值。在医学、机器人和工业领域，三维力传感器能帮助机器人手或者智能假肢实现“抓”和“握”等功能，具有广泛的应用前景。传统的柔性温度传感器主要基于金属电阻的变化，其响应时间慢，分辨率低，并且在多功能触觉传感器中易受电磁干扰和信号串扰。

微纳光纤多由标准通信光纤加热拉伸制备得到，通常，中间被拉伸的部分为腰区，两端未被拉伸的区域仍为标准光纤，腰区与未拉伸区之间为过渡区，因此，经光纤拉锥形成的微纳光纤通常包含腰区、过渡区和未拉伸区。微纳光纤的未拉伸区为标准光纤，可易与外部光源和检测器集成；微纳光纤的腰区直径与其所传播光的波长接近或更小，当光在微纳光纤中传输时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于微纳光纤外部的介质。因此，微纳光纤作为一种新型光纤，具有尺寸小、光场约束能力强、倏逝场比例大、机械强度好、弯曲半径小、损耗低等特点，被称为“下一代光纤”。以微纳光纤为基础制备的光学传感器具有尺寸小、灵敏度和分辨率高，响应快速等特点，为制备高性能、微型化、紧凑型的传感器件提供了可能。通常，当柔性聚合物的折射率低于其封装的微纳光纤的纤芯的折射率时，可见光、红外光、紫外光等各种光源经过微纳光纤输出的光强受到压力产生的形变和温度导致的环境折射率变化两个因素的影响。虽然微纳光纤的腰区对于压力和温度的变化非常敏感，但是仅通过检测微纳光纤的腰区的输出光强，无法实现压力和温度信号的解耦。如何实现微纳光纤传感器温度、三维力信号的解耦，如何提高电学压力传感器的抗电磁干扰性能是研究人员亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，能够解耦三维力和温度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：本发明基于微纳光纤的光电融合触觉传感器包括结合在一起的触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层，其中，三维力传感层位于触觉刺激接收层和温度传感层之间；所述触觉刺激接收层包括柔性基底，柔性基底的上表面设有n个凸起，n≥1；所述三维力传感层包括结合在一起的第一导电膜、压电敏感层和第二导电膜，所述第一导电膜设有第一电极层，第一电极层包括第一导电区和第一电极；第二导电膜上设有第二电极层，第二电极层包括第二导电区和第二电极，所述第一电极的数量为第二电极的m倍，m≥3，第二电极的数量与所述凸起的数量相同；每个凸起在第二导电膜上的正投影能够覆盖一个第二电极，每个凸起在第一导电膜上的正投影能够覆盖一个三维力分解单元，每个三维力分解单元包含m个第一电极，压电敏感层位于第一电极层和第二电极层之间，压电敏感层能够覆盖第一电极和第二电极，且第一导电区和第二导电区接触；所述温度传感层包括柔性包裹层，温度传感层中封装有微纳光纤的腰区。

进一步地，本发明所述柔性包裹层内还包裹有微纳光纤的过渡区。

进一步地，本发明所述柔性包裹层内还包裹有微纳光纤的未拉伸区。

进一步地，本发明所述触觉刺激接收层还包括与柔性基底结合在一起的第一导热膜，和/或，所述温度传感层还包括与柔性包裹层结合在一起的第二导热膜。

进一步地，本发明还设有含有导热剂的热扩散通道，所述热扩散通道能够将触觉刺激接收层所受的热量刺激传递到温度传感层。

进一步地，本发明所述热扩散通道依次贯通触觉刺激接收层、三维力传感层。

进一步地，本发明所述m大于等于3且小于等于8。

进一步地，本发明所述第一导电区和各第一电极设有外接电路接口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明通过三维力传感层感知外界压力的大小和方向，利用包裹有微纳光纤的腰区的温度传感层感知温度，通过压电信号和经过微纳光纤的光信号解耦，不仅可以获得三维力的信息，还能获得温度信息，融合了三维力电学传感器和微纳光纤温度传感器的功能，有助于机器人对可变形和易碎物体的稳定抓取和精确操控，增强机器人对环境的认知能力。

（2）本发明光电融合触觉传感器具有柔性好、灵敏度高等特点，为智能机器人的触觉感知和灵活操控提供了一种新型的触觉传感器。

（3）本发明的几何尺寸微小，灵敏度高，柔性易贴敷，解耦温度和三维力，稳定性高，有助于满足智能机器人对多功能触觉传感器的迫切需求，提高机器人在灵巧抓取和材质感知等方面的工作能力。此外，本发明还可广泛用于健康医疗方面的身体信号检测。

（4）本发明相比传统触觉传感器,能够解耦温度和三维力，误差小，性能强。

（5）相比传统的电学传感器，本发明通过光电融合，使三维力传感层和温度传感层之间没有电磁干扰，稳定性高。

附图说明

图1是本发明实施例的三维结构分解示意图；

图2是本发明实施例的第一导电膜的示意图；

图3是本发明实施例的第二导电膜的示意图；

图中，1.第一导热膜，2.凸起，3.柔性基底，4.第一导电膜，5.压电敏感层，6.第二导电膜，7.第一电极层，8.第二电极层，9.柔性包裹层，10.微纳光纤，101.微纳光纤的未拉伸区，102.微纳光纤的过渡区，103.微纳光纤的腰区，11.第二导热膜，12.热扩散通道，13.第一导电区，14.第一电极，15.外接电路接口，16.第二导电区，17.第二电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对发明的技术方案作进一步阐述。

在图1至图3所示的实施例中，本发明基于微纳光纤的光电融合触觉传感器的结构由上至下依次为触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层。触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层三层结合在一起，可使触觉刺激接收层将所受的压力刺激有效地传递给三维力传感层，并将热量刺激有效地传递给温度传感层。其中，触觉刺激接收层包括柔性基底3，柔性基底3可选用具有较好导热性能的材料。柔性基底3的上表面固定有第一导热膜1，使得第一导热膜1平整贴附于柔性基底3上。第一导热膜1可选用一片石墨烯导热薄膜，用于接收所触摸物体的温度。n（n≥1）个凸起2设于柔性基底3的上表面，用于分解测试时外界所施加的压力。凸起2可与柔性基底3一体成型。作为本发明的一种优选实施方式，凸起2呈半球形状。柔性基底3和凸起2可优选使用聚二甲基硅氧烷等超弹性材料。触觉刺激接收层的下方是三维力传感层。三维力传感层包括结合在一起的第一导电膜4、压电敏感层5和第二导电膜6。压电敏感层5优选使用聚偏氟乙烯薄膜。如图2所示，第一导电膜4设有第一电极层7，第一电极层7包括第一导电区13和第一电极14，第一电极14通过第一导电区13与外部电路导通。作为本发明的优选实施方式，如图1和2所示，第一导电区13和各第一电极14设有外接电路接口15。如图3所示，第二导电膜6上设有第二电极层8，第二电极层8包括第二导电区16和第二电极17。本发明中，为了解耦压力的三维信息，第一电极14的数量为第二电极17的m倍（m≥3），且第二电极17的数量与凸起2的数量相同，每m个第一电极14构成一个三维力分解单元。作为优选实施方式，m大于等于3且小于等于8。作为本发明的一种实施方式，第一电极14的数量为第二电极17的四倍。在本实施例中，如图1所示，有四个凸起2，四个第二电极17，十六个第一电极14。每四个第一电极14构成一个三维力分解单元，本实施例共有四个三维力分解单元。每个凸起2在第二导电膜6上的正投影能够覆盖一个第二电极17，每个凸起2在第一导电膜4上的正投影能够覆盖一个三维力分解单元，由此，每个凸起2与被其正投影覆盖的第二电极17、三维力分解单元形成对应关系。压电敏感层5位于第一电极层7和第二电极层8之间，使所有第一电极14和第二电极17可被压电敏感层5覆盖，且第一导电区13和第二导电区16接触。第一导电区13和第二导电区16接触，使得第二电极17通过第二导电区16和第一导电区13与外接电路接口15导通。温度传感层包括柔性包裹层9，柔性包裹层9可选用具有较好导热性能的材料。作为本发明的优选实施方式，温度传感层还可包括与柔性包裹层9结合在一起的第二导热膜11。温度传感层中封装有微纳光纤的腰区103。作为本发明的一种实施方式，微纳光纤10的腰区103可被封装于柔性包裹层9内，或者被封装于柔性包裹层9与第二导热膜11之间。此外，需要说明的是，作为本发明的一种实施方式，温度传感层中可以仅封装微纳光纤10的腰区103；也可以考虑实际情况和需求以及制作工艺的方便等，将温度传感层对微纳光纤10的封装由腰区103向两端延伸，而将微纳光纤10的过渡区102一并封装进来，或者将微纳光纤10的过渡区102和未拉伸区101一并封装进来。常见的，出于封装工艺的方便，则往往将微纳光纤10的腰区103、过渡区102和两端未拉伸区101的局部一并封装于温度传感层中。

在图1所示的实施例中，柔性基底3的下表面与第二导电膜6固定，使得第二导电膜6平整贴附于柔性基底3的下表面上；柔性包裹层9的两个表面分别与第一导电膜4、第二导热膜11固定而结合在一起，使得第一导电膜4、第二导热膜11分别平整贴附于柔性包裹层9的两个表面，从而将触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层三层结合在一起。作为本发明的另一种实施方式，柔性基底3的下表面与第一导电膜4固定，柔性包裹层9的两个表面分别与第二导电膜6、第二导热膜11固定。

作为本发明的优选实施方式，本发明可进一步设有热扩散通道12，热扩散通道12内含有导热剂，导热剂可优选导热系数高的导热银浆。导热剂在热扩散通道12内以呈固化状态为佳。在图1所示的实施例中，热扩散通道12设于第一导热膜1的下方，依次贯通柔性基底3、三维力传感层的非导电区、柔性包裹层9，由此，触觉刺激接收层的第一导热膜1所受的热量刺激可通过热扩散通道12快速地传递到温度传感层的第二导热膜11。作为本发明的另一种实施方式，可在图1所示的实施例的基础上，在第一导热膜1上设热扩散通道12，并使热扩散通道12依次贯通第一导热膜1、柔性基底3、三维力传感层的非导电区、温度传感层中的柔性包裹层9，从而使热扩散通道12依次贯穿触觉刺激接收层、三维力传感层，将触觉刺激接收层所受的热量刺激快速传递到温度传感层中的第二导热膜11。此外，也可以直接在触觉刺激接收层和温度传感层之间设置单独的热扩散通道12，使热扩散通道12不经过三维力传感层。另外，需要说明的是，微纳光纤10应不经过热扩散通道12。

第二导热膜11优选使用涂敷纳米银线的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，因纳米银线的导热系数高，可快速地和柔性包裹层9中的微纳光纤10达到温度平衡。就本发明而言，可不设置热扩散通道12。然而，相比于柔性基底3、三维力传感层和柔性包裹层9自身的热传递速度，含有导热剂的热扩散通道12具有更大的导热系数，可加快热传输速度。

作为本发明的一种实施方式，触觉刺激接收层可以不包括第一导热膜1，温度传感层亦可以不包括第二导热膜11。但触觉刺激接收层和/或温度传感层使用导热膜，则可以加速触觉刺激接收层所受的热量刺激传递到温度传感层。

在图1所示的实施例中，触觉刺激接收层的四个凸起2在第二导电膜6上的正投影覆盖第二电极层8的4个第二电极17，4个第二电极17在第一导电膜4上的正投影覆盖第一电极层7的16个第一电极14（即四个三维力分解单元）；压电敏感层5位于第一电极层7和第二电极层8之间且第一电极14和第二电极17被压电敏感层5覆盖，当触觉刺激接收层的每个凸起2受到压力时，分解成三维力施加到下方的三维力传感层，使三维力传感层的压电敏感层发生压电效应。由于压电敏感层所受的应力分布不均匀，由压电效应产生的电荷量分布也随之不均匀，因此在三维力分解单元中的每个第一电极和对应的第二电极之间产生的瞬态电压也有差异，根据不同的瞬态电压值解耦出外界所施加的压力。

第一导电膜4和第二导电膜6可优选使用涂敷纳米银线的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。涂敷纳米银线的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜是透明柔性的，适用于激光刻蚀法制作柔性图案化电极。柔性包裹层9优选使用聚二甲基硅氧烷，其弹性模量约为0.55MPa，更优选聚二甲基硅氧烷的固化比例是10︰1。

以下以图1所示结构的触觉传感器说明其使用方法和工作原理。使用时，可将触觉传感器通过外接电路接口15与外部的信号调理电路连接，并将微纳光纤10的两端未拉伸区101分别与光源、探测器（例如光谱仪）连接。本发明的工作原理如下：本发明触觉传感器包括了结合在一起的触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层，其中，触觉刺激接收层的凸起2是三维力刺激的接收区域，当其受到外力时会发生变形，并把此应力传递到凸起2下方的三维力传感层。由于三维力传感层中的压电敏感层所受应力大小和方向不同，以致在同一平面内产生不同的应变分布，因此压电效应产生的电荷量也各不相同，故在三维力分解单元中的每个第一电极和对应的第二电极之间产生的瞬态电压也有差异。通过信号调理电路测取瞬态电压，可解析得到所施加压力的三维信息。当触觉刺激接收层触碰到外部物体时，由于温差的存在，发生热扩散。因触觉刺激接收层设有第一导热膜1，可选择将外部物体与第一导热膜1触碰，则热扩散更快。热量可通过热扩散通道12和第二导热膜11快速传递到温度传感层的微纳光纤10。由于柔性包裹层9包裹着微纳光纤10的腰区103，热量传递到柔性包裹层9后使柔性包裹层9受热膨胀而引起折射率变化，导致微纳光纤的腰区103周围的倏逝场发生变化，此变化可通过从微纳光纤10射出的光（如可见光、红外光、紫外光等各种光源）的光强进行观察和记录，从而获得所触碰的外部物体的温度。

本发明触觉传感器由触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层三个独立层结合而成，由于温度传感层和触觉刺激接收层之间隔着三维力传感层，因此，温度传感层对施加于触觉刺激接收层的力并不敏感，使温度传感层对所触碰的外部物体的温度的感知准确度高。三维力传感层是通过压电效应感知外界所施加的压力，而压电效应受温度影响较小，因此，当本发明触觉传感器的触觉刺激接收层受到外界压力和温度的双重刺激时，三维力传感层仍能准确地解耦出外界压力的三维信息。由此，本发明触觉传感器可解耦温度和压力的混合触觉刺激。

尤其当本发明设置含有导热剂的热扩散通道12时，触觉刺激接收层的第一导热膜1所受的热量刺激可通过热扩散通道12直接快速地传递到第二导热膜11，三维力传感层几乎不受触觉刺激接收层的温度变化的影响，由此，三维力传感层在解析压力信息时亦几乎不受触觉刺激接收层的温度变化的影响，并且，温度传感层可快速地与触觉刺激接收层所触碰的外部物体达到温度平衡而获得外部物体的温度，从而实现三维力和温度的并行感知和解耦。

本发明几何尺寸微小，灵敏度高，多功能化，能够实时监测物体温度、解耦三维力。此外，光电融合避免了传统多功能电学传感器中的电磁干扰。本发明特别适用于智能机器人的触觉感知控制系统。

以上所述仅为本发明的一些实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于，包括结合在一起的触觉刺激接收层、三维力传感层和温度传感层，其中，三维力传感层位于触觉刺激接收层和温度传感层之间；所述触觉刺激接收层包括柔性基底（3），柔性基底（3）的上表面设有n个凸起（2），n≥1；所述三维力传感层包括结合在一起的第一导电膜（4）、压电敏感层（5）和第二导电膜（6），所述第一导电膜（4）设有第一电极层（7），第一电极层（7）包括第一导电区（13）和第一电极（14）；第二导电膜（6）上设有第二电极层（8），第二电极层（8）包括第二导电区（16）和第二电极（17），所述第一电极（14）的数量为第二电极（17）的m倍，m≥3，第二电极（17）的数量与所述凸起（2）的数量相同；每个凸起（2）在第二导电膜（6）上的正投影能够覆盖一个第二电极（17），每个凸起（2）在第一导电膜（4）上的正投影能够覆盖一个三维力分解单元，每个三维力分解单元包含m个第一电极（14），压电敏感层（5）位于第一电极层（7）和第二电极层（8）之间，压电敏感层（5）能够覆盖第一电极（14）和第二电极（17），且第一导电区（13）和第二导电区（16）接触；所述温度传感层包括柔性包裹层（9），温度传感层中封装有微纳光纤的腰区（103）。

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述柔性包裹层（9）内还包裹有微纳光纤的过渡区（102）。

3.根据权利要求2所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述柔性包裹层（9）内还包裹有微纳光纤的未拉伸区（101）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述触觉刺激接收层还包括与柔性基底（3）结合在一起的第一导热膜（1），和/或，所述温度传感层还包括与柔性包裹层（9）结合在一起的第二导热膜（11）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：还设有含有导热剂的热扩散通道（12），所述热扩散通道（12）能够将触觉刺激接收层所受的热量刺激传递到温度传感层。

6.根据权利要求4所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：还设有含有导热剂的热扩散通道（12），所述热扩散通道（12）能够将触觉刺激接收层所受的热量刺激传递到温度传感层。

7.根据权利要求5所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述热扩散通道（12）依次贯通触觉刺激接收层、三维力传感层。

8.根据权利要求6所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述热扩散通道（12）依次贯通触觉刺激接收层、三维力传感层。

9.根据权利要求1、2、3、6、7或8所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述m大于等于3且小于等于8。

10.根据权利要求1、2、3、6、7或8所述的基于微纳光纤的光电融合触觉传感器，其特征在于：所述第一导电区（13）和各第一电极设有外接电路接口（15）。

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