CN112229549A - 一种智能光纤触觉发声系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能光纤触觉发声系统及方法，属于智能光纤传感领域。系统包括光纤柔性触觉传感阵列、光电检测系统、智能压力分析软件和声发射系统；采用一根纤芯失配型光纤干涉传感器埋入柔性基底材料的方式，以光纤结构为分界线，对非对称结构划分传感区域，构建一种小范围分布式触觉传感阵列；触觉传感器将触觉信号以光信号形式传递给光电检测系统，光电检测系统把这些压力信号输入到智能压力分析软件中，判断触觉来源的区域和大小，从而发出指令给声发射系统，让其发出不同的声音。本发明具有结构紧凑、灵敏度高、可自动识别压力大小和接触位置并将触觉转化为声音信号且易于实现等优点，可以用于智能机器人，辅助医疗、安全防护等。
Description
技术领域
本发明属于智能光纤传感领域，更具体地，涉及一种适用于机器人等将压力大小和位置信息转化为声音信号来实现语言交流或语音提示及报警等功能的智能光纤触觉发声系统及其发声方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，人类社会已经步入了智能化与自动化时代。为了满足社会生产的需要，紧跟时代发展的潮流，大量传感器被广泛应用于工业制造、海域监测、环境保护、医学手术、生物工程、智能化家居等各个领域。在一定程度上，传感器已经成为决定一个系统特性与性能指标的关键部件。柔性传感器是由柔性材料制成的，具有透明、柔软、抗弯折、可穿戴等优点，可以灵活的完成复杂区域物理量的测量任务，在医疗健康、智能运动、机器人“皮肤”、物联网及人工智能等领域拥有广泛的应用前景。
现有技术中智能光纤触觉传感系统的光纤安装方法，结合图1，在实际操作中，如果按照常规方法光纤沿基底中心线安装，当分别均匀的在受力位置处施加压力时，光纤上下两侧的受力情况相同，则无法区分其施加力的位置。本发明提出一种智能光纤触觉发声系统，使用柔性材料为基底，采用一根纤芯失配型光纤干涉传感器非对称结构埋入的方式，实现一传感器多点多压力检测的功能。
智能光纤触觉发声系统特别适用于机器人等的触觉传感，不仅能识别压力大小和接触位置，还能将压力大小等信息转化为声音信号，用以实现语言交流或语音提示及报警等功能，其中声音信号可以采用不同编码方式实现单字及组合语句发声等功能。本发明具有结构紧凑、灵敏度高、自动识别压力大小和接触位置并将触觉转化为声音信号及易于实现等优点，可以用于智能机器人，辅助医疗、安全防护、生活看护等
发明内容
本发明致力于解决智能光纤触觉传感并将触觉转化为声音信号的问题，识别压力大小和接触位置等信息，并将压力大小转化为声音信号，提供了一种智能光纤触觉发声系统及一种智能光纤触觉发声方法。
为了实现上述目的1，本发明采用如下技术方案：
一种智能光纤触觉发声系统，包括光纤柔性触觉传感阵列、光电检测系统、智能压力分析软件和声发射系统；其特征为，将一根纤芯失配型光纤干涉传感器采用非对称结构埋入柔性基底材料，通过围绕光纤传感器在柔性材料上划分区域的方法，构建触觉光纤传感阵列，光电检测系统将传感器输出的光谱信息进行记录，通过智能压力分析软件对其进行识别和判断，再发出指令驱动硬件发声。
进一步的，光纤柔性触觉传感阵列是采用以下步骤制成的：
a：柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅胶，选用纤芯失配型光纤干涉传感器；
b：对上述柔性基底材料进行预处理；
c：以避开与模具中心线重合放置纤芯失配型光纤干涉传感器，纤芯失配型光纤干涉传感器两端与中心线的距离各为d，然后将柔性基底材料置于模具中；其中，不需要考虑d的具体数值，把纤芯失配型光纤干涉传感器倾斜放置于柔性材料中即可，该倾斜要保证以传感光纤为分界线的两边不能是对称的结构；
d：将步骤c中的模具放入恒温箱中固化，使纤芯失配型光纤干涉传感器封装在柔性基底内，光纤出线口加塑料护套保护；
e：以纤芯失配型光纤干涉传感器为传感基元，通过划分区域的方法，在柔性基底上构建一种分布式触觉传感器。
进一步的，光纤为纤芯失配型Mach-Zehnder干涉结构光纤。
为了实现上述目的2，本发明采用如下技术方案：
一种智能光纤触觉发声方法，该方法采用如上所示的一种智能光纤触觉发声系统，包括如下步骤：
步骤1：在分布式触觉传感器的每个多触觉敏感区域加载压力，压力致使内部传感结构干涉谱发生变化，纤芯失配型光纤干涉传感器以干涉式的光信号形式传递给光电检测系统；
步骤2：光电检测系统以数字信号的形式存储这些压力信号，并把这些压力信号输入到智能压力分析软件中；
步骤3：由智能压力分析软件判断触觉来源的区域和大小，从而发出指令给声发射系统，让其发出不同的声音；
进一步的，一种智能光纤触觉发声方法，在步骤1中，纤芯失配型光纤干涉传感器的输出光强为：
其中，Ico和Icl分别为纤芯和包层中的传输光强，
为相位差；
光纤MZI的应变灵敏度为：
其中，
分别为光纤纤芯和包层的有效弹光系数(取正值)，λ为光波在光纤中的传播波长，Δλ为波长漂移量，ε为轴向应变，
和
分别为纤芯模和包层模的有效折射率，Δneff为有效折射率变化。
进一步的，一种智能光纤触觉发声方法，其声音信号采用不同编码方式实现单字及组合语句发声等功能，用以实现语言交流或语音提示及报警等功能。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明特别适用于机器人等的触觉传感，不仅能识别压力大小和接触位置，还能将压力大小等信息转化为声音信号，用以实现语言交流或语音提示及报警等功能，其中声音信号可以采用不同编码方式实现单字及组合语句发声等功能。本发明具有结构紧凑、灵敏度高、自动识别压力大小和接触位置并将触觉转化为声音信号及易于实现等优点，可以用于智能机器人，辅助医疗、安全防护、生活看护等。
附图说明
图1是现有技术中光纤传感器与柔性基底材料之间的安装位置关系简图；
图2是本发明中纤芯失配型光纤干涉传感器与柔性基底材料之间安装位置关系简图；
图3是本发明中纤芯失配型光纤干涉传感器实现压力大小转为声音信号的流程示意图；
图4是本发明中实际测量受力的透射光谱图；
其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为柔性皮肤中心以顺时针方向命名的四个区域的透射光谱图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种智能光纤触觉发声系统包括光纤柔性触觉传感阵列、光电检测系统、智能压力分析软件和声发射系统，其中光纤柔性触觉传感阵列如图2所示，包括柔性基底材料1、纤芯失配型光纤干涉传感器2、塑料护套3和触觉敏感区域4，是采用以下步骤制成的：
a：柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅胶等，选用纤芯失配型光纤干涉传感器2；
b：对上述柔性基底材料进行预处理；
c：以避开与模具中心线重合放置纤芯失配型光纤干涉传感器2，纤芯失配型光纤干涉传感器2两端与中心线的距离各为d，然后将柔性基底材料1置于模具中；其中，不需要考虑d的具体数值，把纤芯失配型光纤干涉传感器2倾斜放置于柔性基底材料1中即可，该倾斜要保证以传感光纤为分界线的两边不能是对称的结构；
d：将步骤c中的模具放入恒温箱中固化，使纤芯失配型光纤干涉传感器2封装在柔性基底1内，光纤出线口加塑料护套3保护；
e：以纤芯失配型光纤干涉传感器2为传感基元，通过划分区域的方法，在柔性基底1上构建一种分布式触觉传感器。
具体地，光纤为纤芯失配型Mach-Zehnder干涉结构光纤。
进一步的，一种智能光纤触觉发声方法，采用如上所示的一种智能光纤触觉发声系统，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：在分布式触觉传感器的每个多触觉敏感区域4加载压力，压力致使内部传感结构干涉谱发生变化，纤芯失配型光纤干涉传感器2以干涉式的光信号形式传递给光电检测系统；
步骤2：光电检测系统以数字信号的形式存储这些压力信号，并把这些压力信号输入到智能压力分析软件中；
步骤3：由智能压力分析软件判断触觉来源的区域和大小，从而发出指令给声发射系统，让其发出不同的声音；
具体地，在智能压力分析软件中，选用神经网络工具箱中的模式识别工具来进行识别训练，其中隐藏层激活函数为sigmoid函数，输出层的激活函数为softmax函数。
具体地，在步骤1中，光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为：
其中k0为光在真空中的传播系数，n为传播路径的折射率，L为传播路径的长度，β＝2π/λ为光波在光纤中的传播常数，λ＝λ0/n是光波在光纤中的传播波长，λ0是光波在真空中的传播波长。
在外界因素的作用下，光波的相位变化可写成如下形式：
D为光纤纤芯的直径。
从上式中可以看出，压力可引起光纤长度变化(ΔL),光纤直径变化(ΔD)以及折射率变化(Δn)这三方面的相位调制因素。
当纵向应变为伸长时，横向应变则为缩短；纵向应变缩短时，横向应变则为伸长，两者符号相反，符合胡克定律|ε1/ε3|＝ν，且ε1＝ε2，其中ν为常数，称为泊松比，ε1和ε2为光纤的横向应变，ε3为光线的纵向应变，P11、P12为光纤的光弹系数。则有：
在单模光纤中，由光纤直径变化引起的相位改变一般可忽略不计，因此单模光纤常用的应变公式为：
其中，
称为光纤应变系数。
对于基于模式激发与耦合的全光纤Inline MZI的相位差
可表示为：
干涉条纹之间的间隔可表示为：
联立以上两个方程，可得到波长漂移量为(推导过程忽略了条纹间距随应变的变化)：
考虑到所用波长范围非常小，同时忽略光纤材料本身色散效应，且仅考虑轴向应变引入的相位差变化量，则
可表示为：
最终，可推得光纤MZI的应变灵敏度为：
由上式可知，干涉条纹随应变线性变化，且耦合单元所激发包层模阶次越高，应变灵敏度越大。
应用本发明的智能光纤触觉发声系统经初步验证，通过其受力的ANSYS仿真云图，能够说明实际测量的可行性；参看图4，其实际测量受力的透射光谱图，验证了实际测量的可行性。
以上为本实施例的完整实现过程。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种智能光纤触觉发声系统，包括光纤柔性触觉传感阵列、光电检测系统、智能压力分析软件和声发射系统；其特征为，将一根纤芯失配型光纤干涉传感器采用非对称结构埋入柔性基底材料，通过围绕光纤传感器在柔性材料上划分区域的方法，构建触觉光纤传感阵列，光电检测系统将传感器输出的光谱信息进行记录，通过智能压力分析软件对其进行识别和判断，再发出指令驱动硬件发声。
2.根据权利要求1所述的一种智能光纤触觉发声系统，其特征在于：光纤柔性触觉传感阵列是采用以下步骤制成的：
a：柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅胶，选用纤芯失配型光纤干涉传感器；
b：对上述柔性基底材料进行预处理；
c：以避开与模具中心线重合放置纤芯失配型光纤干涉传感器，纤芯失配型光纤干涉传感器两端与中心线的距离各为d，然后将柔性基底材料置于模具中；
d：将步骤c中的模具放入恒温箱中固化，使纤芯失配型光纤干涉传感器封装在柔性基底内，光纤出线口加塑料护套保护；
e：以纤芯失配型光纤干涉传感器为传感基元，通过划分区域的方法，在柔性基底上构建一种分布式触觉传感器。
3.根据权利要求1所述的一种智能光纤触觉发声系统，其特征在于：光纤为纤芯失配型Mach-Zehnder干涉结构光纤。
4.一种智能光纤触觉发声方法，其特征在于：采用如权利要求2所述的一种智能光纤触觉发声系统，包括如下步骤：
步骤1：在分布式触觉传感器的每个多触觉敏感区域加载压力，压力致使内部传感结构干涉谱发生变化，纤芯失配型光纤干涉传感器以光信号形式传递给光电检测系统；
步骤2：光电检测系统以数字信号的形式存储这些压力信号，并把这些压力信号输入到智能压力分析软件中；
步骤3：由智能压力分析软件判断触觉来源的区域和大小，从而发出指令给声发射系统，让其发出不同的声音。
5.如权利要求4所述的一种智能光纤触觉发声方法，其特征在于，在步骤1中，纤芯失配型光纤干涉传感器的输出光强为：
其中，Ico和Icl分别为纤芯和包层中的传输光强，
为相位差；
光纤MZI的应变灵敏度为：
其中，Pe core、
分别为光纤纤芯和包层的有效弹光系数(取正值)，λ为光波在光纤中的传播波长，Δλ为波长漂移量，ε为轴向应变，
和
分别为纤芯模和包层模的有效折射率，Δneff为有效折射率变化。
6.根据权利要求4所述的一种智能光纤触觉发声方法，其特征在于，声音信号采用不同编码方式实现单字及组合语句发声功能。
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