CN114080538B - 一种触觉传感设备、电子设备、耳机以及手表 - Google Patents

一种触觉传感设备、电子设备、耳机以及手表 Download PDF

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Abstract

本申请实施公开了一种触觉传感设备，包括：光源，光波导、光电传感器件以及壳体，光波导包括波导层和包层，包层包裹波导层，波导层的折射率大于包层的折射率。波导层包括多条路径，每条路径的输入端处设置有光源，每条路径的输出端处设置有光电传感器件。光源、光波导以及光电传感器件收容于壳体内。壳体上分布有多个触点，一个触点被按压时，会与一条路径接触，该路径随之产生形变，任意两个触点被按压时，接触的路径不相同。光电传感器件获取路径传输的光信号，光电传感器件获取的光信号用于确定接触力的压力程度。本申请提供的方案可以实现多点压力感知，为精准操控的完成提供可靠的数据基础。

Description

一种触觉传感设备、电子设备、耳机以及手表
技术领域
本申请涉及传感器设计领域，尤其涉及一种触觉传感设备、电子设备、耳机以及手表。
背景技术
随着科技的发展，智能机械已经在多个领域逐步代替人工进行精准操控。精准的触觉信息，对于智能机械的整体功能的实现有着至关重要的作用。触觉传感器能在很大程度上还原触觉信息，提高整个系统的决策效率，确保交互过程有序、安全进行。
目前，触觉传感器一般可以包括电容式触觉阵列传感器，电感式触觉传感器，压阻式触觉传感器以及压电式触觉传感器等等。但是这些触觉传感器布线复杂，工作场景受限，适应能力不足，难以高密度集成。因此，如何实现多点压力感知，为精准操控的完成提供可靠的数据基础，亟待解决。
发明内容
本申请实施例提供一种触觉传感设备，实现多点压力感知，为精准操控的完成提供可靠的数据基础。
为达到上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
本申请第一方面提供一种触觉传感设备，可以包括：光源，光波导、光电传感器件以及壳体。光波导可以包括波导层和包层，包层包裹波导层，波导层的折射率大于包层的折射率。这是为了保证光源发出的光信号在波导层的传输满足全反射的条件。波导层可以包括多条路径，每条路径的输入端处设置有光源，每条路径的输出端处设置有光电传感器件。光源发射的光信号通过多条路径传输至光电传感器件。光源、光波导以及光电传感器件收容于壳体内。壳体上分布有多个触点，每一个触点可以包括至少两种形态，触点处于第一种形态时，触点与路径不接触，触点处于第二种形态时，触点与一条路径接触，且任意两个触点同时处于第二种形态时接触的路径不相同。触点的形态与接触力的压力程度相关。触点上没有接触力时，触点处于第一种形态，触点上有接触力时，触点处于第二种形态。多条路径中的每一条路径分别对应一个触点，当一个触点被按压时，只会与一条路径接触，其他路径不会受到影响。当一个触点被按压时，会与一条路径接触，该条路径会产生形变，当该条路径产生形变时，该条路径将不再满足全反射的条件，即该路径传输的光信号会有损耗。当触点上承受的接触力的压力程度越大，在触点的作用下，路径的形变也会越大，路径传输的光信号的损耗也会越大。光电传感器件实时获取路径传输的光信号，光电传感器件获取的光信号用于确定接触力的压力程度。由第一方面可知，路径弯曲时，路径的全反射条件会被破坏，路径产生的光信号会有损耗，该条路径的输出端设置的光电传感器件获取的光信号会产生变化，具体的，该条路径的输出端设置的光电传感器件获取到的光信号的强度会减弱。由第一方面提供的方案可知，路径与触点一一对应，比如触点A对应A 路径，触点B对应B路径，触点C对应C路径。路径A输出端的光电传感器件检测到光信号的损耗，可以确定是触点A被按压。路径A和路径B的输出端的光电传感器件都检测到光信号的损耗，可以确定是触点A和触点B被按压。再比如，路径A和路径B以及路径C 的输出端的光电传感器件依次检测到光信号的损耗，可以确定有滑动的力，方向为从触点A到触点C,或者方向为从触点C到触点A。通过本申请提供的方案，由于触点的位置预先设置，触点与路径一一对应，通过路径的输出端设置的光电传感器件可以获取每条路径的光信号的强度变换，进而可以实现多点压力感知，为精准操控的完成提供可靠的数据基础。
可选地，结合上述第一方面，在第一种可能的实现方式中，多条路径中的至少两条路径的输入端相同，至少两条路径的输入端处设置有一个光源。由第一方面第一种可能的实现方式可知，提供了一种具体的波导层的结构，本申请提供的触觉传感设备中波导层结构中的多条路径可以是多输入多输出的结构。
可选地，结合上述第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，多条路径为单输入多输出SIMO结构，多条路径中的至少两条路径的输入端处设置有一个光源。由第一方面第二种可能的实现方式可知，提供了一种具体的波导层的结构，本申请提供的触觉传感设备中波导层结构中的多条路径可以是SIMO结构。这种单输入多输出的结构，仅需要设置一个光源，节省器件。并且结构更为紧凑，节省空间。
可选地，结合上述第一方面，在一种可能的实施方式中，多条路径为单输入多输出SIMO 结构，多条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第一方面，在一种可能的实施方式中，多条路径为多输入多输出结构，多条路径中的至少两条路径的输入端相同，至少两条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第一方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，多条路径为树状结构，多条路径的输入端为树状结构的根节点，每条路径的输出端为树状结构的叶节点，第一路径可以包括主干部分和分支部分，第一路径为多条路径中的任意一条路径，主干部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径重合的部分，分支部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径非重合的部分，触点处于第二种形态时，触点与一条路径的分支部分接触。由第一方面第三种可能的实现方式可知，波导层结构中的多条路径可以是树状结构，树状结构的多条路径，结构相比于其他SIMO结构，结构更为紧凑，也可以更好的节省空间。比外，本申请提供的树状结构中，每条路径的粗细是可调的，每条路径的曲率也是可以调节的。每条路径的曲率可以调节，可以使本申请提供的触觉传感器可以设置在任意的三维小曲面上。同时，本申请提供的方案中，每条路径的粗细，即每条路径的直径也可调节。曲率决定了路径的宏弯曲损耗，宏弯曲损耗越大，路径传输的光信号的损失越大，不利于路径输出端设置的光电传感器件检测光信号，所以对于宏弯曲损耗过大的位置，可以调节路径的直径，直径越大，路径的透光性也越好，有利于路径输出端设置的光电传感器件检测光信号。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，壳体的折射率为1.35至1.38。
可选地，结合上述第一方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，壳体的材料为聚四氟乙烯PTFE。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，壳体为包层，触点处于第二种形态时，触点与一条路径直接接触。由第一方面第六种可能的实现方式可知，本申请提供的方案，通过壳体替代光波导包层的结构，可以制作更薄的触觉传感器。
可选地，结合上述第一方面第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，波导层可以包括多条路径和第一介质，多条路径的每一条路径填充有第一介质，第一介质的折射率大于壳体的折射率，壳体的第一面上分布有多个触点，壳体的第二面上分布有多条路径，第一面和第二面为壳体相对的两个面。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第五种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，壳体和包层为不同结构时，触点处于第二种形态时，触点通过包层与一条路径间接接触。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第八种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，触点的轮廓固定。
可选地，结合上述第一方面第九种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，触点是镂空或者非镂空的，镂空的触点在镂空处填充有不透明的柔性材料。
可选地，结合上述第一方面第九种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，触点的形状可以包括悬臂形、螺旋形以及十字形中的一种或者几种。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，触点的厚度不大于0.5mm。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十二种可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，光电传感器件是光电二极管。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十三种可能的实现方式，在第十四种可能的实现方式中，光源为发光二极管或者红外光。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十四种可能的实现方式，在第十五种可能的实现方式中，光信号的入射角为0°。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十五种可能的实现方式，在第十六种可能的实现方式中，触点处于第一种形态时，任意两条路径的宏弯曲损耗的偏差在预设范围内。
可选地，结合上述第一方面第一种至第一方面第十六种可能的实现方式，在第十七种可能的实现方式中，路径的曲率与路径的直径正相关。由第一方面第十七种可能的实现方式可知，路径的曲率越大，路径的直径越大，路径的曲率越小，路径的直径越小。路径的曲率可以变化，使得本申请提供的方案可以设置在任意的三维小曲面上，即路径的曲率可以根据小曲面的曲率进行设计。同时，本申请提供的方案路径的曲率与路径的直径正相关，路径的曲率越大的位置，该位置的宏弯曲损耗越大，为了减小宏弯曲损耗的影响，可以增大该位置对应的路径的直径，保证宏弯曲损耗大的位置也能有足够光强度的光信号通过，有利于路径输出端设置的光电传感器件检测光信号。
本申请第二方面提供一种触觉传感设备，可以包括：光源，第一介质、光电传感器件以及壳体，壳体的一侧分布有多条路径，多条路径的每一条路径填充有第一介质，路径的曲率与路径的直径负相关，壳体的另一侧分布有多个触点，每一个触点包括至少两种形态，触点处于第一种形态时，触点与路径不接触，触点处于第二种形态时，触点与一条路径接触，且任意两个触点同时处于第二种形态时接触的路径不相同，触点的形态与接触力的压力程度相关，第一介质的折射率小于壳体的折射率，每条路径的输入端处设置有光源，每条路径的输出端处设置有光电传感器件，光源发射的光信号通过多条路径传输至光电传感器件，光电传感器件实时获取路径传输的光信号，光电传感器件获取的光信号用于确定接触力的压力程度。
可选地，结合上述第二方面，在第一种可能的实现方式中，多条路径中的至少两条路径的输入端相同，至少两条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第二方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，多条路径为单输入多输出SIMO结构，多条路径中的至少两条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第二方面，在一种可能的实施方式中，多条路径为单输入多输出SIMO 结构，多条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第二方面，在一种可能的实施方式中，多条路径为多输入多输出结构，多条路径中的至少两条路径的输入端相同，至少两条路径的输入端处设置有一个光源。
可选地，结合上述第二方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，多条路径为树状结构，多条路径的输入端为树状结构的根节点，每条路径的输出端为树状结构的叶节点，第一路径可以包括主干部分和分支部分，第一路径为多条路径中的任意一条路径，主干部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径重合的部分，分支部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径非重合的部分，触点处于第二种形态时，触点与一条路径的分支部分接触。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，壳体的折射率为1.35至1.38。
可选地，结合上述第二方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，壳体的材料为聚四氟乙烯PTFE。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，触点的轮廓固定。
可选地，结合上述第二方面第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，触点是镂空或者非镂空的，镂空的触点在镂空处填充有不透明的柔性材料。
可选地，结合上述第二方面第六种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，触点的形状可以包括悬臂形、螺旋形以及十字形中的一种或者几种。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第六种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，触点的厚度不大于0.5mm。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第九种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，光电传感器件是光电二极管。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第十种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，光源为发光二极管或者红外光。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第十一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，光信号的入射角为0°。
可选地，结合上述第二方面第一种至第二方面第十二种可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，触点处于第一种形态时，任意两条路径的宏弯曲损耗的偏差在预设范围内。
本申请第三方面提供一种电子设备，该电子设备可以包括外壳和触觉传感器，触觉传感器为第一方面或第一方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器，外壳可以包括壳体。或者触觉传感器还可以是第二方面或第二方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器。
可选地，结合上述第三方面，在第一种可能的实现方式中，该电子设备还可以包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。
本申请第四方面提供一种耳机，该耳机可以包括外壳和触觉传感器，触觉传感器为第一方面或第一方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器，外壳可以包括壳体。或者触觉传感器还可以是第二方面或第二方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器。
可选地，结合上述第四方面，在第一种可能的实现方式中，该耳机还可以包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器和处理器设置在外壳内部，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。
本申请第五方面提供一种手表，该手表可以包括表盘和触觉传感器，触觉传感器为第一方面或第一方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器，表盘可以包括壳体。或者触觉传感器还可以是第二方面或第二方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器。
可选地，结合上述第五方面，在第一种可能的实现方式中，该手表还可以包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。
本申请第六方面提供一种检测方法，该检测方法应用于如第一方面或第一方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器中，或者应用于如第二方面或第二方面任意一种可能实现方式所描述的触觉传感器中，可以包括：通过每条路径的输出端处设置的光电传感器件实时获取每一条路径传输的光信号，光电传感器件获取到的光信号的强度与接触力的压力程度相关。第一路径的输出端设置的第一光电传感器件检测到第一路径传输的光信号的强度发生变化时，确定第一路径对应的触点处于第二种形态，第一路径包括至少一条路径。
可选地，结合上述第六方面，在第一种可能的实现方式中，该方法还包括：根据预先规定的光信号的强度与接触力的对应关系确定接触力的压力程度。
可选地，结合上述第六方面或第六方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，第一路径的输出端设置的第一光电传感器件检测到第一路径传输的光信号的强度发生变化时，确定第一路径对应的触点处于第二种形态，包括：第一光电传感器件中至少两个相邻的光电传感器依次检测到光信号的强度发生变化时，确定所述第一路径中的至少两个触点依次处于第二种形态。由第六方面第二种可能的实现方式可知，本申请提供的方案，当路径中的至少两条相邻路径传输的光信号依次发生变化时，两条相邻路径包括第一路径和第二路径，确定接触力由第一路径向第二路径的方向滑动，或者接触力由第二路径向第一路径的方向滑动。换句话说，本申请提供的方案可以检测滑动的接触力。
通过本申请提供的技术方案，触觉传感设备的壳体上分布的触点与触觉传感设备的波导层包括的多条路径一一对应，通过路径的输出端设置的光电传感器件检测到光信号的强度变换，确定路径对应的触点是否被按压，以及触点上的接触力的压力程度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种触觉传感设备的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的波导层的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图4a为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图4b为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图4c为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图4d为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图4e为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图；
图5为本申请提供的一种触觉传感器中的触点的两种形态的结构示意图；
图6为本申请提供的一种触觉传感器中的触点的两种形态的结构示意图；
图7a为本申请提供的一种触点的结构示意图；
图7b为本申请提供的另一种触点的结构示意图；
图7c为本申请提供的另一种触点的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种路径的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种耳机的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种手表的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种检测方法的流程示意图；
图12为本申请实施例提供的检测方法的一种应用场景的示意图；
图13为本申请实施例提供的一种触觉传感器的原理的示意图；
图14为本申请实施例提供的检测方法的一种应用场景的示意图；
图15为本申请实施例提供的通信设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它 们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在说明书及权利要求当中所提及的包含或者包括是为一开放式的用语，故应解释成包含但不限定于或者包括但不限于。
为了便于更好的理解本申请，下面具体阐述本申请所描述的技术方案的研究思路：
触觉传感器又可以称为触觉传感阵列或者触觉传感设备，可以由单个或者多个触觉传感单元构成。其中，触觉传感单元能测量单点的接触力。按照触感单元的数量，触觉传感器可分为单点式触觉传感器和点阵式触觉传感器两大类。点阵式触觉传感器由于集成了多个传感单元，可以在更多场景中检测接触力，具体的，可以包括单次接触即可确定接触区域轮廓、提高抓取稳定性、可判断滑动速度，以及更高的空间分辨率等。目前，触觉传感的实现方法有多种，按其原理可分为压阻式、压电式、电容式、光学式等。以下分别对几种典型的触觉传感原理进行介绍。
压阻式触觉传感是根据半导体材料的压阻效应而制成的器件，其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。换句话说，压阻材料在受到外界压力时其自身电阻会发生变化，通过检测电阻的变化可对外界压力进行测量，因此将压阻材料作为触觉传感器的圧力敏感材料可实现触觉力的检测。常见压阻材料的制备可通过在绝缘的高分子聚合物中混合导电物质，形成具有压力敏感特性的复合材料。导电颗粒、导电纳米线等导电材料分布在绝缘的聚合物基体中，受压时导电材料间的距离变小，导电通路增多，从而使整体电阻变小。除了导电聚合物外，具有压阻效应的金属薄膜也被用在触觉传感阵列的设计制造中。具体的，利用具有压阻效应的金属薄膜作为触觉传感阵列的压力敏感材料。
压电式触觉传感器在压力作用下压电材料两端面间出现电位差，反之，施加电压则产生机械应力。压电材料在受到外界压为时会产生电荷，通过测量产生电荷量的多少，即可对施加的外力进行检测。比如，聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)经过极化处理后具有压电特性，可用作触觉传感器的压力敏感材料。
电容式触觉传感的原理是外力使极板间的相对位移发生变化，从而使电容发生变化，通过检测电容变化量来测量触觉力。电容的结构通常包含了两个电容极板和介电层。在外为作用下，介电层受到压缩，使两个电容极扳间的距离发生变化，从而产生电容值的变化。
以上提到的压阻式触觉传感、压电式触觉传感器以及电容式触觉传感存在抗电磁、抗湿度能力不足，信号零漂，且布线复杂，难以高密度集成等缺陷。比如利用压电、压阻原理的触感技术，一般需要利用硅的微加工或通过薄膜工艺制造，但该类传感器工艺流程复杂，成本相对较高，且集成度和柔韧性受线路布局影响，能够反馈触感信息的传感器表面利用率不高。此外，上述提到的几种传感技术只能将触点镶嵌在平面或者圆柱面上，工作空间受限，适应能力不足。在实际应用中，对可集成在任意三维微小型表面的点阵式触感技术的需求日益增加。此外，电阻、电容等传统压力传感器基于元件应变时产生的材料电学特性变化，可测量引起元件微米级形变的正压力，虽然已有成熟的商业产品，但重复使用容易导致应力疲劳，从而造成传输信号畸变。
此外，还有一种利用光学原理的触感技术，常见的做法包括：使用摄像头采集柔性材料的形变图像，或借助柔性材料引起的光强变化，得到压力信息，这种方案的缺点是一般难以缩减传感器厚度。另一类较为新颖的方法是使用光纤布拉格光栅(fiber bragggrating，FBG)，这种方案通过反射光中心波长的变化，实时反馈触力的变化，但光纤布拉格光栅易受温度影响，需要额外设计触力与温度的解耦算法，增加计算负担。此外，这种方式，对光源有特殊的要求，一般的光源无法使用光纤布拉格光栅，并且这种方案要尽量避免产生宏弯曲损耗，事实上，大多数的光学原理的触感技术，都尽量避免产生宏弯曲损耗。而本申请提供的方案可以利用宏弯曲损耗，使得本申请提供的方案可以设置在任意的三维小曲面上。
有一种光学式触觉传感器，包含光源的发射端、接收端和光的传播介质三部分。在外力作用下传播介质发生变形，使光的传播方向和强度发生变化，从而影响接收端接收到光信号的强度，可以利用光在受力弯曲的光纤中传播时产生光泄露的原理来检测外力。但是这种方案并没有具体的结构方案，只是给出了一种理论上可以通过光损确定压力的可能。在实际应用过程中，如何实现针对任意复杂曲面的多点压力感知并没有得到解决。难点包括但不限于，当布置触觉传感器的场景是任意三维小曲面上时，应当如何设置触觉传感器的结构，能够既不增加产品的厚度，还可以实现三维曲面多触点压力感知的功能；当三维小曲面上有多点触控的需求时，如何定位每一个压力点的位置以及压力的程度，多点同时触控时，接收端应该如何根据接收到的光信号的强弱分别确定每一个力的位置以及压力程度，上述这些问题都有待考虑和解决。需要说明的是，本申请所提到的触觉传感器也可以称为触觉传感设备。
针对上述问题，本申请提供一种触觉传感设备，包括光源，光波导、光电传感器件以及壳体。
对于如何设置触觉传感器的结构能够不增加产品的厚度，还可以实现三维曲面多触点压力感知的功能。本申请可以通过产品的外壳替代光波导的包层。选择何种合适的材料作为某一光波导的包层以减少光损失并非显而易见的公知常识，本申请实施例经过大量实验，确定了聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)这种材料。可以通过这种材料制作产品的外壳，同时产品的外壳又可以作为触觉传感器的壳体。换句话说，通过本申请选定的材料，可以节省光波导的包层所占的空间，结构简单轻薄，适合多种产品的外形结构。
对于三维小曲面上有多点触控的需求时，如何定位每一个压力点的位置以及压力的程度，多点同时触控时，接收端应该如何根据接收到的光信号的强弱分别确定每一个力的位置以及压力程度这个问题。本方案的波导层包括多条路径，每条路径的输入端处设置有光源，每条路径的输出端处设置有光电传感器件，光源发射的光信号通过多条路径传输至光电传感器件，壳体上分布有多个触点。每一个触点包括至少两种形态，触点处于第一种形态时，触点与路径不接触，触点处于第二种形态时，触点与一条路径接触，且任意两个触点同时处于第二种形态时接触的路径不相同，触点的形态与接触力的压力程度相关。光电传感器件实时获取路径传输的光信号，并将采集到的光信号转换为电信号，电信号用于确定接触力的压力程度。通过这样的设计，波导层包括多条路径，每一条路径的输入端设置有光源，对应的输出端设置有光电传感器件。在每一条路径的上方的壳体上设置触点，每一条路径分别对应一个触点。该触点可以被按压，当某条路径上方对应的触点被按压时，该条路径的全反射条件被破坏，该条路径的输出端设置的光电传感器件可以根据光信号的强弱变化计算得到传感器收到的外力。通过这样的设计，以满足多点触控的需求，精准定位每一个力的位置以及压力程度。路径的直径和路径的曲率正相关，路径的曲率越大，光损耗越大，则可以对应将路径的直径增大，增加路径的透光度，弥补宏弯曲损耗。通过这样的设计可以使触觉传感器布置在任意三维小曲面上。
基于上面的研究思路，下面对本申请提供的技术方案进行具体的介绍。
如图1所示，为本申请实施例提供的一种触觉传感设备的结构示意图。如图1所示，本申请提供的一种触觉传感设备可以包括光源、光波导，光电传感器件以及壳体。
光波导包括波导层和包层，包层包裹波导层，波导层的折射率大于包层的折射率。需要说明的是，本申请所指的包层包裹波导层，是为了表示壳体和波导层的方位关系，光波导由内到外包括波导层和包层，包层可以直接包裹波导层，包层也可以间接包裹波导层，即包层和波导层之间还可以包括其他材料或者介质。此外，需要说明的是，本申请限制包层包裹波导层是为了使光波导满足全反射条件。
本申请提供的光波导满足全反射条件。发生全反射条件为光从光密介质进入光疏介质以及入射角等于或大于临界角，两种介质相比，把光速(在该介质中光的速度)大的介质叫做光疏介质，光速小的介质叫光密介质。光疏介质与光密介质相比，它的光速大，绝对折射率小。临界角的计算方法C＝arcsin(m/n)，m是壳体的折射率，n是波导层的折射率。当折射角增至90°时，折射光线沿界面方向传播，再稍微增大入射角，入射光线将全部按反射定律反抄射回光密介质，这种现象称为全反射，在本申请中，即理论上光源发出的光信号将全部按反射定律射回波导层。
波导层包括多条路径，每条路径的输入端处设置有光源，每条路径的输出端处设置有光电传感器件(图中未示出)，光源发射的光信号通过多条路径传输至光电传感器件，需要说明的是，图1中示出的光源的数量并非限制，在一些具体的实施方式中，光源的数量可以设置多个，比如当波导层包括的多条路径的每一条路径的输入端均不相同，则在每一条路径的输入端处均设置一个光源。每条路径的曲率半径应当在一个临界值之前，该临界值根据宏弯曲损耗确定。宏弯曲损耗是波导层弯曲时，曲率半径在一个临界值之前，因弯曲引起的附加光损耗很小，以致可以忽略不计。在临界值以后，附加光损耗按指数规律迅速增加。本申请在设计每条路径的曲率时考虑宏弯曲损耗，保证每个路径的曲率半径应当在一个临界值之前。在一个具体的实施方式中，每条路径的曲率相同，即每条路径的宏弯曲损耗相同，关于如何使每条路径的宏弯曲损耗相同，以及每条路径的宏弯曲损耗相同的有益效果将在下文介绍。
在满足宏弯曲损耗的限定条件下，本申请实施例提供的波导层可以具有多种结构，示例性的，下面给出几种优选的结构。如图2所示，为本申请实施例提供的波导层的结构示意图。如图2所示，多条路径中的至少两条路径的输入端相同，至少两条路径的输入端处设置有一个光源。如图2所示的波导层的结构中，路径A和路径B的输入端相同，路径C、路径D以及路径E的输入端相同，则路径A和路径B的共同输入端处设置有一个光源，路径C、路径D以及路径E的共同输入端处设置有一个光源，图2中共示出了两个光源。需要说明的是，在一些应用场景中，多条路径的输入端也可以完全不相同。需要说明的是，在不同的应用场景中，多条路径中的每一条路径的粗细均是可调的，比如，在一些实施方式中，要求一条或者几条路径的输出端的光信号的强度强一些，要求一条或者几条路径的输出端的光信号的强度弱一些，可以通过调整路径的粗细程度满足不同的需求。此外，需要说明的是，在一个优选的实施方式中，多条路径可以是单输入多输出(single-input multi-output，SIMO)结构。如图3所示，为本申请实施例提供的另一种波导层的结构示意图。如图3所示，多条路径为SIMO结构，即多条路径的输入端均相同，通过这种SIMO 结构，触觉传感设备可以只设置一个光源，结构简单，节省空间。
作为一个更优选的方案，本申请提供的波导层的多条路径可以是树状结构，多条路径的输入端为树状结构的根节点，每条路径的输出端为树状结构的叶节点。第一路径包括主干部分和分支部分，第一路径为多条路径中的任意一条路径，主干部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径重合的部分，分支部分为第一路径与多条路径中除第一路径之外的其他路径非重合的部分。如图4a所示，为本申请实施例提供的波导层的结构示意图，该波导层包括8条路径，需要说明的是，这里的8条路径并非数量限制，只是为了举例说明，本申请实施例对多条路径的具体数目并不进行限定。假设路径的输入端为A，路径的输出端分别是B,C,D,E,F,G,H以及I，则8条路径分别是AB,AC,AD,AE,AF,AG,AH,AI。以路径AB为例,AB包括主干部分和分支部分，其中主干部分是与这8条路径中除AB之外其他路径重合的部分，如图4a所示，AB包括AB’，以及B’B两段，其中AB’与其他路径重合，具体的，比如可以认为AB’与路径AC、AD,AE,AF,AG,AH,AI中的任意一条都有重合部分，因此AB’是路径AB的主干部分，BB’是路径AB的分支部分。需要说明的是，本申请规定路径的主干部分和路径的分支部分是为了明确壳体上触点的分布位置，为了尽可能的保证每一条路径的输入端的光强之间相关无干扰，比如路径AB对应的触点应当设置在 BB’的上方的壳体上，而不是设置在AB’的上方的壳体上，当按压AB对应的触点时，保证只有路径AB的输出端接收到的光信号的光强产生变化，其他路径的输出端接收的光信号不会因为路径AB对应的触点被按压而产生变化。再以路径AD为例对路径的主干部分以及分支部分进行说明，可以将路径AD看做两个部分，分别是AD’以及DD’，其中AD’与其他路径重合，具体的，比如可以认为AD’与路径AE,AF,AG中的任意一条都有最多的重合部分，DD’与任意一条路径都没有重合部分，因此AD’是路径AD的主干部分，DD’是路径AD的分支部分。通过如图4a这种树状设计，触点的布局也会更紧凑。除了图4a 给出的该种树状结构外，还可以有其他类型的树状结构，示例性的，如图4b所示，给出了另一种波导层的结构示意图，或者说另一种传输通道的结构示意图。如图4b所示，假设路径的输入端为A，路径的输出端分别是B,C,D,E,F,G,H以及I，则8条路径分别是 AB,AC,AD,AE,AF,AG,AH,AI。以路径AB为例,AB包括主干部分和分支部分，其中主干部分是与这8条路径中除AB之外其他路径重合的部分，如图4b所示，AB包括AB’，以及B’B 两段，其中AB’与其他路径重合，具体的，比如可以认为AB’与路径AC、AD,AE中的任意一条都有重合部分，因此AB’是路径AB的主干部分，BB’是路径AB的分支部分。或者还可以是如图4c所示的结构，AB包括AB’，以及B’B两段，AB’是路径AB的主干部分， BB’是路径AB的分支部分。多条路径中的每一条路径的粗细以及弯曲程度均可以根据实际应用场景进行调整。如图4d以及图4e展示了相对于图4c给出的路径结构、路径的弯曲程度以及粗细程度均不同的结构的示意图。其中，路径的弯曲程度与宏弯曲损耗相关，路径的粗细程度和路径的透光能力相关，在实际应用场景中，可以结合不同的需求进行设计。
壳体上分布有多个触点，每一个触点包括至少两种形态，触点处于第一种形态时，触点与路径不接触，触点处于第二种形态时，触点与一条路径接触，且任意两个触点同时处于第二种形态时接触的路径不相同，触点的形态与接触力的压力程度相关。本申请提供的触点可以按压，第一种形态可以是指触点未被按压的状态，即触点上没有接触力时触点的形态。第二种形态可以是指触点被按压时的状态，触点被按压时，触点下面的路径在触点的作用下随之产生形变，这里的下面是指触点产生形变的方向，或者说是接触力作用的方向。接触力越大，触点下面的路径的形变程度也越大。
在一个具体的实施方式中，壳体为包层时，即在这种实施方式中，进一步简化制造工艺，减小触觉传感器壳体厚度，将光波导的包层功能融入到触觉传感器的外壳中，简化结构，节省空间。如图5所示，为本申请提供的一种触觉传感器中的触点的两种形态的结构示意图。如图5所示，在这种结构中，光波导的包层结构由壳体代替，即这种结构中由壳体包裹光波导的波导层，如图5中的a所示，为触点处于第一种形态的示意图，触点处于第一种形态时，触点上没有接触力，触点与波导层的路径不接触。如图5中的b所示，为触点处于第二种形态的示意图，触点处于第二种形态时，触点上有接触力，在接触力的作用下，触点向路径的方向移动，与路径直接接触，路径在触点的作用下产生形变，该条路径的全反射条件被破坏。本申请有时也将接触力称为压力或者正压力，在不强调它 们的区别之时，三者表示相同的意思，以下对此不再重复赘述。需要说明的是，随着触点上接受到的压力程度越大，路径在触点的作用下产生的形变也更大。在一个具体的实施方式中，该壳体的折射率可以是1.35至1.38，在一个具体的实施方式中，该壳体的材料可以是PTFE 材料。
在一个具体的实施方式中，壳体和包层为不同结构时，触点处于第二种形态时，触点通过包层与一条路径间接接触。壳体和包层为不同结构时，即通过包层包裹波导层，包层包裹波导层的结构收容于壳体内，对于触觉传感器而言，可以认为触觉传感器由外到内分别为壳体、包层以及波导层。如图6所示，为本申请提供的一种触觉传感器中的触点的两种形态的结构示意图。如图6中的a所示，为触点处于第一种形态的示意图，触点处于第一种形态时，触点上没有接触力，触点与波导层的路径不接触。如图6中的b所示，为触点处于第二种形态的示意图，触点处于第二种形态时，触点上有接触力，在接触力的作用下，触点向路径的方向移动，与路径间接接触，即触点通过包层与路径间接接触，使路径在触点的作用下产生形变，该条路径的全反射条件被破坏。需要说明的是，随着触点上接受到的压力程度越大，路径在触点的作用下产生的形变也更大。
本申请提供的触点有多种形式，包括非镂空式和镂空式。非镂空式弹性触点能够形成很好的密封环境，不仅防水防尘，而且不易受外界光源影响；与此同时，镂空式弹性触点便于采用激光切割加工，对加工精度的要求低、生产成本低、生产效率高，特别适合工业化批量生产。并且通过对镂空处填充其他不透明柔性材料，也可使产品具有一定程度的防水防尘、防外界光污染能力。需要说明的，镂空处填充不透明柔性材料是因为本申请提供的触觉传感器利用光强信号的变化传递接触力的变化，必须隔绝外界光源影响。此外，需要说明的是，本申请的触点有时也被称为弹性触点，本申请实施例并不对器件的名称进行限定，本文对此不再重复赘述。本申请的触点的设计准则是比周边材料具有更高的弹性形变能力，对沿触觉传感器外壳轮廓面法线方向的压力敏感。在一个具体的实施方式中，触点中与波导层的接触部位设计成特定轮廓，满足压力与光强损耗的线性关系。
本申请提供的触点可以具有多种形状，示例性的，下面给出几种不同形状的触点。如图7a所示，为本申请提供的触点的结构示意图,触点为悬臂形，具体的，如图7a展示的触点为镂空式的，在一些实施例中，该悬臂形的触点还可以是非镂空的。如图b所示，该触点为螺旋形，具体的，如图7b展示的触点为镂空式的，在一些实施例中，该螺旋形的触点还可以是非镂空的。需要说明的是，悬臂形的触点以及螺旋形的触点为本申请提供的触点形状的优选方案，在一些具体的应用场景中，还可以将触点设计为其他形状，比如还可以将触点设计为水滴形，长方形，十字形等等。此外，需要说明的，本申请提供的触点的厚度可以与产品的壳体的厚度相同，对于产品的壳体是薄壳的情况下，本申请提供的方案也能够有很好的应用。示例性的，比如如图7a和如图7b所示，触点的厚度为0.5mm，如图7c所示，触点的厚度为0.2mm。本申请通过仿真结果，得出结论，触点的形状，以及触点的厚度会影响触觉传感器的性能，具体的可能会影响触觉传感器饿分辨率，使用寿命等等，下面分别进行说明。
在三维建模软件Solidworks中对如图7所示的不同尺寸、不同形状的触点进行受力分析。设定条件为图7中的三种触点所受到的压强均为0.4Mpa。选用不同的材料分别制作壳体，需要说明的是，壳体的材料和触点的材料相同。仿真得到的结果如下面表1至表3 所示。表1为如图7a所展示的镂空式悬臂形触点的受力分析结果。表2为如图7b所展示的厚度为0.5mm的镂空式螺旋形触点的受力分析结果。表3为如图7c所展示的厚度为0.2mm 的镂空式螺旋形触点的受力分析结果。
表1：
Figure GDA0003912331200000121
如表1中所示，分别采用不锈钢、铝合金、尼龙以及PTFE四种材料制作壳体，即制作0.5mm镂空式悬臂形触点，不锈钢材料制作的触点的弹性模量为200000N/mm^2，材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。铝合金制作的触点的弹性模量为69000N/mm^2，尼龙制作的触点的弹性模量为1000 N/mm^2，PTFE制作的触点的弹性模量为896N/mm^2。不锈钢材料制作的触点的泊松比为 0.27，泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。铝合金制作的触点的泊松比是 0.33，尼龙制作的触点的泊松比是0.30，PTFE制作的触点的泊松比是0.41。不锈钢材料制作的触点的最大位移是2.9e-4mm，铝合金制作的触点的最大位移是8.1e-4mm，尼龙制作的触点的最大位移是5.5e-2mm，PTFE制作的触点的最大位移是6.2e-2mm。不锈钢材料制作的触点的最大应力是1.519e7N/m，铝合金制作的触点的最大应力是1.551e7N/m，尼龙制作的触点的最大应力是1.535e7N/m，PTFE制作的触点的最大应力是1.592e7N/m。
表2：
Figure GDA0003912331200000131
如表2中所示，分别采用不锈钢、铝合金、尼龙以及PTFE四种材料制作壳体，即制作0.5mm镂空式螺旋形触点，不锈钢材料制作的触点的弹性模量为200000N/mm^2，铝合金制作的触点的弹性模量为69000N/mm^2，尼龙制作的触点的弹性模量为1000N/mm^2，PTFE 制作的触点的弹性模量为896N/mm^2。不锈钢材料制作的触点的泊松比为0.27。铝合金制作的触点的泊松比是0.33，尼龙制作的触点的泊松比是0.30，PTFE制作的触点的泊松比是0.41。不锈钢材料制作的触点的最大位移是3.3e-4mm，铝合金制作的触点的最大位移是9.2e-4mm，尼龙制作的触点的最大位移是6.3e-2mm，PTFE制作的触点的最大位移是 7.2e-2mm。不锈钢材料制作的触点的最大应力是2.005e7N/m，铝合金制作的触点的最大应力是2.046e7N/m，尼龙制作的触点的最大应力是2.025e7N/m，PTFE制作的触点的最大应力是2.099e7N/m。
表3：
Figure GDA0003912331200000132
Figure GDA0003912331200000141
如表3中所示，分别采用不锈钢、铝合金、尼龙以及PTFE四种材料制作壳体，即制作0.2mm镂空式螺旋形触点，不锈钢材料制作的触点的弹性模量为200000N/mm^2，铝合金制作的触点的弹性模量为69000N/mm^2，尼龙制作的触点的弹性模量为1000N/mm^2，PTFE 制作的触点的弹性模量为896N/mm^2。不锈钢材料制作的触点的泊松比为0.27。铝合金制作的触点的泊松比是0.33，尼龙制作的触点的泊松比是0.30，PTFE制作的触点的泊松比是0.41。不锈钢材料制作的触点的最大位移是5.3e-4mm，铝合金制作的触点的最大位移是1.4e-4mm，尼龙制作的触点的最大位移是7.5e-2mm，PTFE制作的触点的最大位移是 8.7e-2mm。不锈钢材料制作的触点的最大应力是1.16e7N/m，铝合金制作的触点的最大应力是1.169e7N/m，尼龙制作的触点的最大应力是7.593e7N/m，PTFE制作的触点的最大应力是 7.481e7N/m。
通过以上表1至表3，通过对比不同材质、不同形状、相同受力情况下，触点的最大位移和最大应力，可得到如下结论：
1、相同的几何参数、受力，螺旋形触点具有更大的法向位移，该优势可提高触觉传感器的分辨率和量程。利用结论1，本申请提供的螺旋形触点，即在壳体上布置螺旋形触点的方案可以应用在需要精细触感操作的情景。比如可以用在医学机器人上，通过本申请提供的触觉传感器可以使医学机器人在触觉感知上有更好的效果，可以完成一些需要精细触感操作的手术。需要说明的，本申请描述的本申请提供的方案可能适用的场景并不代表对本申请提供的方案可以适用的场景的一种限制，仅仅是为了举例说明，便于更好的理解本申请提供的方案，以下对此不再重复赘述。
2、相同的几何参数、受力，悬臂形触点具有更小的应力集中现象，该优势可提高触觉传感器的使用寿命。利用结论2，本申请提供的悬臂形触点，即在壳体上布置悬臂形的触点的方案可以应用在电子产品上，比如可以用在手表，耳机的外壳上，通过悬臂形的触点作为该电子产品的虚拟触控按键。
3、相同的触点的形状、受力，厚度越薄，应力集中问题越严重，但法向位移越大。
4、法向位移和应力集中受到触点的形状、几何参数、受力、材料属性等多种因素影响，呈非线性关系。通过结论3和结论4可以根据实际应用过程的需求，对如何设计出满足需求的触觉传感器提供参考。
5、选定PTFE为触觉传感器外壳材料，不仅是因为该材料具有合适的折射率，而且在 0.2mm厚度时，具有较大的法向位移和较小的应力集中现象。本申请通过多次试验，在-个优选的方案中，选用PTFE制作触觉传感器外壳的材料，可以更好的提升触觉传感器的精度。
本申请中的触觉传感器的外壳可以是一体化设计的薄壳，这里的薄壳比如可以是指厚度小于0.5mm的壳体，该触觉传感器的壳体可以按照电子设备的外壳的结构特征进行设计，电子设备的外壳的一部分即为本申请提供的触觉传感器的外壳。触点在壳体上成点阵式分布，本申请可以通过方式在外壳上布置触点，比如可以通过3D打印技术，数控机床或者激光切割加工的方式。
以触觉传感器的外壳即为包层的这种结构来说，在具体的加工过程中，可以将触觉传感器的外壳分为上、下两部分来分别加工，上下两部分分别加工出分布式通道。比如，比如按照图2至图4e中描述的路径，可以分别加工出路径的上半部分以及路径的下半部分。如图8所示，为本申请实施例提供的一种路径的示意图，假设壳体包括上部分和下部分，在上下两部分分别加工出分布式通道，如图8所示，以一条路径为例，分别在壳体的上部分加工出路径的上部分,即图8中所示的通道A，在壳体的下部分加工出路径的下部分，即图8中所示的通道B，在通道内填充光波导材料，经自然凝固或紫外线照射凝固。这种设计的优势在于，其一，尽管几何造型受限于宏弯曲损耗，即每条路径的曲率有一定的限制，但是可用于传感器外壳中通道的设计类型，包括形状，尺寸等，仍然不计其数的设计方式，内部的分布式通道具有多种形式，也可以尽量减少宏弯曲造成的光强损失。需要说明的是，这里的受限于宏弯曲损耗是因为每条路径的曲率半径应当在一个临界值之前，该临界值根据宏弯曲损耗确定。宏弯曲损耗是波导层弯曲时，曲率半径在一个临界值之前，因弯曲引起的附加光损耗很小，以致可以忽略不计，这里的每条路径的曲率有一定的限制，是指曲率半径在该临界值之前。在满足这一条件下，本申请提供的方案中的路径的曲率仍然可以有多种选择，路径的形状，路径的粗细以及路径的直径都有多种设计方式。
本申请提供的方案可以应用在多种产品上，示例性的，下面结合两种具体的产品，对本申请实施例提供的技术方案进行介绍。
如图9所示，为本申请实施例提供的一种耳机的结构示意图。如图9所示，该耳机包括外壳，该外壳的一部分可以是上面图1至图8中描述的触觉传感器的壳体。根据波导层的路径的位置确定外壳上触点的分布位置，具体的，可以参照图1至图8中描述的触点，以及触点与每一条路径的位置关系进行理解，这里不再重复赘述。在一种具体的实施方式中，该耳机的外壳可以采用PTFE材料，该波导层的材料可以采用透明硅胶，该壳体的厚度可以设置为1.5mm。需要说明的是，这里壳体的厚度为优选方案，在实际的应用场景中，可以按照需要设计壳体的厚度，本申请提供的方案可以适用于薄壳的场景。用户可通过对不同区域施加接触力，通过施加力的先后顺序、速度、大小等，控制音频的播放音量、暂停/开启、快进/快退、不同音频文件的切换、音频的播放模式(列表随机播放、单曲循环、顺序循环)等功能。需要说明的是，图9中的路径仅示出了2条，路径的结构也仅示出了一种，这仅仅是为了方便举例说明，不代表对路径的数量以及结构的限定。当本申请提供的触觉传感器布置在耳机或者其他电子产品的外壳上时，可以有更多的设计方案。其中，路径的数量可以根据实际应用场景进行设定，路径的结构可以参照上文图2至图4e关于路径的结构的描述进行设计，以下对此不再重复赘述。
在一个具体的实施方式中，该耳机还包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器和处理器设置在外壳内部，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。示例性的，下面结合表4和表5举例说明。假设耳机的外壳上，设置有触点A。触点A与路径A对应，即触点A被按压时，路径A随之产生形变，路径A的输出端设置有A光电传感器件。假设预先规定，A光电传感器件确定接触力的压力程度小于第一预设压力，则处理器可以根据A光电传感器器件确定的压力程度确定指令为暂停，如果A光电传感器件确定接触力的压力程度不小于第一预设压力，则处理器可以根据A光电传感器器件确定的压力程度确定指令为关机或者开机。则当触点A上有接触力时，A光电传感器件可以确定该接触力是否小于第一预设压力，处理器可以根据A光电传感器件确定的结果确定指令为暂停或者关机/开机。关于如何根据光强的损耗确定压力程度将在下文进行具体的介绍。
表4：
Figure GDA0003912331200000161
需要说明的是，除了根据压力程度确定指令，在一些可能的实施按时中，还可以根据检测到光强变换的时长来确定指令。下面结合表5进行说明。假设耳机的外壳上，设置有触点A和触点B。触点A与路径A对应，即触点A被按压时，路径A随之产生形变，路径 A的输出端设置有A光电传感器件。触点B与路径B对应，即触点B被按压时，路径B随之产生形变，路径B的输出端设置有B光电传感器件。假设预先规定，A光电传感器件确定光强损耗持续时长小于第一时长，则处理器可以根据A光电传感器器件确定的结果确定指令为暂停，如果A光电传感器件确定光强损耗持续时长不小于第一时长，则处理器可以根据A光电传感器器件确定的压力程度确定指令为关机或者开机。当A光电传感器件和B 光电传感器件在第二时长内依次检测到光强变换，则处理器根据A光电传感器件和B光电传感器件确定的结果确定指令为增大音量。当B光电传感器件和A光电传感器件在第二时长内依次检测到光强变换，则处理器根据B光电传感器件和B光电传感器件确定的结果确定指令为减小音量。
表5：
Figure GDA0003912331200000162
如图10所示，为本申请实施例提供的一种手表的结构示意图，如图10所示，该手表包括表盘和触觉传感器，该手表的表盘的一部分可以是上面图1至图8中描述的触觉传感器的壳体。根据波导层的路径的位置确定外壳上触点的分布位置，具体的，可以参照图1 至图8中描述的触点，以及触点与每一条路径的位置关系进行理解，这里不再重复赘述。通过本申请提供的方案，可以使手表边沿的轮廓面上具备点阵式触觉感知能力。
在一个具体的实施方式中，手表还包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。用户可通过对不同区域施加接触力，以及施加接触力的先后顺序、速度、大小等，切换12/24时制、切换时区、校准时钟、设置闹铃、计时等。
通过本申请提供的方案，可以将实体键替换为虚拟按键，极大的提高产品美观性，和精准操控效率。
以上对本申请提供的一种触觉传感器的结构进行了介绍，具体的介绍了触觉传感器可以包括光源，光波导，光电传感器件以及壳体，并介绍了这些器件之间的方位关系以及连接关系，并对光波导包括的多条路径的可能的结构，触点的结构进行了介绍。下面对本申请实施例提供的触觉传感器的工作原理进行具体的介绍。
本申请提供的光电传感器件实时获取路径传输的光信号，并将采集到的光信号转换为电信号，电信号用于确定接触力的压力程度。在一个具体的实施方式中，该光电传感器件可以是光电二极管。
下面对本申请提供的触觉传感器的原理进行说明。上文介绍到，当光波导的弯曲半径变得足够小时，光线的传播角不在适用于全反射条件，就会产生宏弯曲损耗，本申请可以利用宏弯曲损耗和路径的直径，使本申请提供的触觉传感器可以设置在任意的三维小曲面上。至于微弯曲损耗，可作为本发明中触觉传感器的工作原理，即施加在触点的压力会导致光波导的微弯曲，同样破坏了光线的全反射条件，因此，在该光波导的输出端会观测到由于微弯曲而产成的光强度损耗，具体的，在本方案中，施加在路径对应的触点的压力会导致该路径的微弯曲，在该路径的输出端通过光电传感器件可以观测到由于微弯曲而产生的光强度损耗。微弯曲损耗的特性决定了该触觉传感器的量程、灵敏度，以及动态响应能力等。微弯曲处是与外界发生弹性接触的地方，也即触点所在位置。微弯曲程度的大小将决定传感器量程，微弯曲引起光损耗的程度将决定传感器的灵敏度，微弯曲在撤去压力后的恢复速度将决定传感器的动态响应能力。
如图11所示，为本申请实施例提供的一种检测方法的流程示意图。
如图11所示，本申请实施例提供的一种检测方法，可以包括如下步骤：
1101、通过每条路径的输出端处设置的光电传感器件实时获取每一条路径传输的光信号。
本申请提供的一种检测方法应用于如图1至图10所描述的触觉传感器，关于触觉传感器的结构，这里不再重复赘述。
1102、任意一条路径传输的光信号的强度发生变化时，根据检测到强度发生变化的光电传感器的位置确定接触力的分布。
换句话说，第一路径的输出端设置的第一光电传感器件检测到第一路径传输的光信号的强度发生变化时，确定第一路径对应的触点处于第二种形态，所述第一路径包括至少一条路径。
如图12所示，为本申请实施例提供的检测方法的一种应用场景的示意图。如图12所示，以图9所示的触觉传感器布置在耳机的外壳上为例进行说明。每一条路径的输出端分别设置有一个光电传感器件。比如，图12中所示的，A路径的输出端处设置有A光电二极管B路径的输出端处设置有B光电二极管。如图12中所示，当B路径对应的触点被按压时，B路径的全反射条件被破坏，B路径的光信号有损耗。换句话说，B路径对应的触点产生形变，导致B路径在触点的位置的反射率发生变化，进一步改变了B光电二极管采集到的光信号的强度。所以当B光电二极管采集到的光信号的强度发生改变时，可以确定接触力作用在B路径对应的触点上。同样的道理，当A光电二极管采集到的光信号的强度发生改变时，可以确定接触力作用在A路径对应的触点上。当A光电二极管和B光电二极管采集到的光信号的强度都发生改变时，可以确定接触力作用在A路径对应的触点上以及B 路径对应的触点上。
由图11对应的实施例可知，在一些应用场景中，当不需要确切的知道接触力的压力程度或者接触力的大小时，可以通过每一条路径的输出端设置的光电传感器件测量每一条路径上方对应的触点未被按压时，该条路径的输出端的光信号的强度。而后确定有接触力按压触点时，该路径的输出端的光信号的强度，当二者之间的差值在一定范围内时，可以确定该条路径对应的触点被按压，即确定该触点上有接触力。
在一个具体的实施方式中，还可以包括1103、根据预先规定的光信号的强度与接触力的对应关系确定接触力的压力程度。
本申请提供的触觉传感器可以利用光波导微弯曲会产生光强度损耗这一原理确定接触力的压力程度，下面进行具体的介绍。微弯曲损耗可以通过以下公式表示：
Figure GDA0003912331200000181
其中，Ad为微弯曲幅值，L为微弯曲长度，k′为微弯曲空间频率，
Figure GDA0003912331200000182
为光波导的相对折射率差。
通过这一公式可以看出，微弯曲损耗正比于微弯曲幅值与微弯曲长度的乘积。因此，为获得压力(接触力)与微弯曲光损耗的线性关系，在设计本申请提供的触觉传感器时，弹性触点与光波导材料的接触部分轮廓固定，满足或近似满足：随着Ad的增加， F∝am∝AdL。
当获知了压力(接触力)与微弯曲光损耗是呈线性关系后，在设计触觉传感器时，可以有多种设计方式，以实现通过微弯曲损耗来确定压力的程度。示例性的，下面给出一种方式：可以预先确定每一条路径没有压力时的光强分布。具体的，可以通过每一条路径的输出端设置的光电传感器件测量每一条路径上方对应的触点未被按压时，该条路径的输出端的光信号的强度。而后确定有接触力按压触点时，该路径的输出端的光信号的强度。通过光电传感器接收的光强信号的强度变化确定光损耗，根据光损耗确定接触力的大小，以一条路径为例进行说明，假设该条路径上方对应的触点未被按压时，该条路径的输出端的光电传感器件确定的光信号的强度为第一强度，当该条路径上方对应的触点被按压时，该条路径的输出端的光电传感器件确定的光信号的强度为第二强度，则根据第一强度和第二强度的差值可以确定光信号的损耗，再根据预先确定的压力与微弯曲光损耗的线性关系可以确定压力的大小。
利用微弯曲损耗和压力的线性关系确定压力的大小，需要提前获知每一条路径对应的触点未被按压式，输出端设置的光电传感器接收到的光信号的强度。需要说明的是，可以预先设置各条路径对应的触点均未被按压时，每一条路径的输出端设置的光电传感器件检测到的光强信号分布一致，也可以根据实际需求，预先设置各条路径对应的触点均未被按压时，每一条路径的输出端的设置的光电传感器件检测到的光强信号分布不一致。下面以预先设置各条路径对应的触点均未被按压时，每一条路径的输出端设置的光电传感器件检测到的光强信号分布一致为例进行说明。
宏弯曲损耗可以通过以下公式表示：
Figure GDA0003912331200000191
其中，
Figure GDA0003912331200000192
其中，n1代表波导层的折射率，n2为包层的折射率(需要说明的是，当壳体替代包层的结构是，n2为壳体的折射率)，
Figure GDA0003912331200000193
为宏弯曲空间频率，R为路径弯曲的曲率半径，a 是路径半径，β是传输常数，ev＝2对应基模，ev＝1对应高阶模，kv为修正贝塞尔函数，λ代表光的波长。
如图13所示，为本申请实施例提供的一种触觉传感器的原理的示意图。如图13所示，根据能量守恒原理，理想情况下，从光源发出的能量I0是注入损耗能量Iin、各支路宏弯曲损耗能量Iloss(i)、各弹性触点微弯曲损耗能量am(i)与各光电二极管接受能量Ir(i)之和，其中，注入损耗能量Iin是“吸收损耗”和“散射损耗”的总称。“吸收损耗”是指由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂志造成的光纤损耗，散射损耗”是指某些远小于波长的不均匀性引起的光的散射构成的损耗。因此，光源发出的能量可以通过以下公式表示：
Figure GDA0003912331200000194
其中，
Iloss(1)＝ac(R1)+ac(R3)
Iloss(2)＝ac(R2)+ac(R4)
ac(R1)代表R1处的宏弯曲损耗，ac(R3)代表R3处的宏弯曲损耗，ac(R2)代表R2 处的宏弯曲损耗，ac(R4)代表R4处的宏弯曲损耗。
若实现各分支在无接触力时光强等分，需使：
Iloss(i)＝Iloss(j)，i≠j
如图13所示，以两条路径为例对如何使各条路径对应的触点均未被按压时，每一条路径的输出端设置的光电传感器件检测到的光强信号分布一致，需要说明的是，该原理可拓展至触感设备中存在更多支路的情况。
在一个具体的实施方式中，还可以通过正压力的压力程度(及所对应的弹性形变量) 可量化分级，达到纵向多层虚拟按键的功能。
在一个具体的实施方式中，任意一条路径传输的光信号的强度发生变化时，根据检测到强度发生变化的光电传感器的位置确定接触力的分布，包括：路径中的至少两条相邻路径传输的光信号依次发生变化时，两条相邻路径包括第一路径和第二路径，确定接触力由第一路径向第二路径的方向滑动，或者接触力由第二路径向第一路径的方向滑动。换句话说，本申请提供的方案可以连续获知压力的变化规律，检测手指滑动轨迹。如图14所示，为本申请实施例提供的检测方法的一种应用场景的示意图。如图14所示，以图10所示的触觉传感器设置在手表的表盘上为例进行说明。假设手指从触点A、经过触点B和触点C 滑动到触点D，则该4条路径对应的4个触点，即触点A、触点B、触点C以及触点D将会依次产生形变。假设触点A对应的路径为路径A，路径A的输出端设置的光电二极管为光电二极管A，触点B对应的路径为路径B，路径B的输出端设置的光电二极管为光电二极管B,触点C对应的路径为路径C,路径C的输出端设置的光电二极管为光电二极管C,触点 D对应的路径为路径D,路径D的输出端设置的光电二极管为光电二极管D。则光电二极管 A、光电二极管B、光电二极管C以及光电二极管D会依次检测到光强的变化。本申请提供的方案可以连续获知压力的变化规律，检测手指滑动轨迹。
本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括外壳和触觉传感器，触觉传感器为图2 至图11中所描述的触觉传感器，外壳包括壳体。本申请提供的电子设备可以是手机，手表，耳机，电脑，智能家居等任何需要配置触觉传感器的设备。
例如，本申请提供的电子设备可以通过图15中的通信设备来实现。图15所示为本申请实施例提供的通信设备的硬件结构示意图。包括：通信接口1501和处理器1502，还可以包括存储器1503。
通信接口1501可以使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信。
处理器1502包括但不限于中央处理器(central processing unit，CPU)，网络处理器(network processor，NP)，专用集成电路(application-specific integratedcircuit， ASIC)或者可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)中的一个或多个。上述PLD 可以是复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)，通用阵列逻辑(genericarray logic,GAL)或其任意组合。处理器1502负责通信线路1504和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节，电源管理以及其他控制功能。存储器1503可以用于存储处理器1502在执行操作时所使用的数据。
存储器1503可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(electrically er服务器able programmable read-only memory，EEPROM)、只读光盘(compact disc read-only memory，CD-ROM)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过通信线路1504与处理器 1502相连接。存储器1503也可以和处理器1502集成在一起。如果存储器1503和处理器 1502是相互独立的器件，存储器1503和处理器1502相连，例如存储器1503和处理器1502 可以通过通信线路通信。通信接口1501和处理器1502可以通过通信线路通信，通信接口1501也可以与处理器1502直连。
通信线路1504可以包括任意数量的互联的总线和桥，通信线路1504将包括由处理器 1502代表的一个或多个处理器1502和存储器1503代表的存储器的各种电路链接在一起。通信线路1504还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本申请不再对其进行进一步描述。
在一个具体的实施方式中，该电子设备还包括存储器和处理器，存储器和处理器耦合，存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，处理器根据光电传感器件确定的接触力的压力程度以及对应关系确定指令。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种触觉传感设备，其特征在于，包括：光源，光波导、光电传感器件以及壳体，
所述光波导包括波导层和包层，所述包层包裹所述波导层，所述波导层的折射率大于所述包层的折射率，所述波导层包括多条路径，每条所述路径的输入端处设置有一个所述光源，每条所述路径的输出端处设置有一个所述光电传感器件，所述光源发射的光信号通过所述多条路径传输至所述光电传感器件，所述光源、所述光波导以及所述光电传感器件收容于所述壳体内，所述壳体上分布有多个触点，每一个所述触点包括至少两种形态，所述触点处于第一种形态时，所述触点与所述路径不接触，所述触点处于第二种形态时，所述触点与一条所述路径接触，且任意两个所述触点同时处于第二种形态时接触的所述路径不相同，所述触点上没有接触力时，所述触点处于所述第一种形态，所述触点上有接触力时，所述触点处于所述第二种形态，所述光电传感器件获取所述路径传输的光信号，所述光电传感器件获取的所述光信号用于确定所述接触力的压力程度。
2.根据权利要求1所述的触觉传感设备，其特征在于，所述多条路径中的至少两条路径的输入端相同，所述至少两条路径的输入端处设置有一个所述光源。
3.根据权利要求2所述的触觉传感设备，其特征在于，所述多条路径为单输入多输出SIMO结构，所述多条路径中的至少两条路径的输入端处设置有一个所述光源。
4.根据权利要求1所述的触觉传感设备，其特征在于，所述多条路径为多输入多输出结构，所述多条路径中的至少两条路径的输入端相同，所述至少两条路径的输入端处设置有一个所述光源。
5.根据权利要求1所述的触觉传感设备，其特征在于，所述多条路径为单输入多输出SIMO结构，所述多条路径的输入端处设置有一个所述光源。
6.根据权利要求5所述的触觉传感设备，其特征在于，所述多条路径为树状结构，所述多条路径的输入端为所述树状结构的根节点，每条路径的输出端为所述树状结构的叶节点，第一路径包括主干部分和分支部分，所述第一路径为所述多条路径中的任意一条路径，所述主干部分为所述第一路径与所述多条路径中除所述第一路径之外的其他路径重合的部分，所述分支部分为所述第一路径与所述多条路径中除所述第一路径之外的其他路径非重合的部分，所述触点处于所述第二种形态时，所述触点与一条所述路径的分支部分接触。
7.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述壳体的折射率为1.35至1.38。
8.根据权利要求7所述的触觉传感设备，其特征在于，所述壳体的材料为聚四氟乙烯PTFE。
9.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述壳体为所述包层，所述触点处于第二种形态时，所述触点与一条所述路径直接接触。
10.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述壳体和包层为不同结构时，所述触点处于第二种形态时，所述触点通过所述包层与一条所述路径间接接触。
11.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述触点的轮廓固定。
12.根据权利要求11所述的触觉传感设备，其特征在于，所述触点是镂空或者非镂空的，镂空的所述触点在镂空处填充有不透明的柔性材料。
13.根据权利要求11所述的触觉传感设备，其特征在于，所述触点的形状包括悬臂形、螺旋形以及十字形中的一种或者几种。
14.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述触点的厚度不大于0.5mm。
15.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述光电传感器件是光电二极管。
16.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述光源为发光二极管或者红外光。
17.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述光信号的入射角为0°。
18.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，所述触点处于第一种形态时，任意两条所述路径的宏弯曲损耗的偏差在预设范围内。
19.根据权利要求1至6任一项所述的触觉传感设备，其特征在于，每条所述路径的曲率与每条所述路径的直径正相关。
20.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括外壳和触觉传感设备，所述触觉传感设备为权利要求1至19任一项所描述的触觉传感设备，所述外壳包括所述壳体。
21.根据权利要求20所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器耦合，所述存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，所述处理器根据所述光电传感器件确定的所述接触力的压力程度以及所述对应关系确定所述指令。
22.一种耳机，其特征在于，所述耳机包括外壳和触觉传感设备，所述触觉传感设备为权利要求1至19任一项所描述的触觉传感设备，所述外壳包括所述壳体。
23.根据权利要求22所述的耳机，其特征在于，所述耳机还包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器耦合，所述存储器和所述处理器设置在所述外壳内部，所述存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，所述处理器根据所述光电传感器件确定的所述接触力的压力程度以及所述对应关系确定所述指令。
24.一种手表，其特征在于，所述手表包括表盘和触觉传感设备，所述触觉传感设备为权利要求1至19任一项所描述的触觉传感设备，所述表盘包括所述壳体。
25.根据权利要求24所述的手表，其特征在于，所述手表还包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器耦合，所述存储器中预先存储有压力程度和指令的对应关系，所述处理器根据所述光电传感器件确定的所述接触力的压力程度以及所述对应关系确定所述指令。
26.一种检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求1至权利要求19任一项所描述的触觉传感设备，包括：
通过每条路径的输出端处设置的光电传感器件获取每一条路径传输的光信号，光电传感器件获取到的光信号的强度与接触力的压力程度相关；
第一路径的输出端设置的第一光电传感器件检测到第一路径传输的光信号的强度发生变化时，确定第一路径对应的触点处于第二种形态，所述第一路径包括至少一条路径。
27.根据权利要求26所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据预先规定的光信号的强度与接触力的对应关系确定所述接触力的压力程度。
28.根据权利要求26或27所述的检测方法，其特征在于，所述第一路径的输出端设置的第一光电传感器件检测到第一路径传输的光信号的强度发生变化时，确定第一路径对应的触点处于第二种形态，包括：
所述第一光电传感器件中至少两个相邻的光电传感器依次检测到光信号的强度发生变化时，确定所述第一路径中的至少两个触点依次处于第二种形态。
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