CN114486008B - 柔性微带线、反向散射触觉感知系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性微带线、反向散射触觉感知系统及其测量方法，其中，所述的柔性微带线，在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动。本发明通过将触觉压力的大小和位置转换为反向散射的信号相位变化，相位变化被接收后经过信号处理得到绝对相位变化，进而可通过推断反射射频信号的相位来测量触觉压力的大小和接触位置。

Description

柔性微带线、反向散射触觉感知系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及触觉感知技术领域，更具体的，涉及一种柔性微带线、反向散射触觉感知系统及其测量方法。

背景技术

作为除视觉、听觉外的另一维度感知信号，触觉对于人类理解并实现与周围世界的互动至关重要。触觉感知不仅要获取接触力的大小，还要连续准确的完成力的定位，进而能够提供外部刺激的位置、大小等关键信息。

类似皮肤的连续触觉传感器可以实现许多涉及机械工具执行的灵巧任务。此外，触觉传感还能扩展人类与数字世界的交互维度。目前人类与数字世界的大多数触觉交互应用都是借助触摸屏进行的，触摸屏将人与人的接触二元化为简单的触摸/非触摸，这会导致接触力感知信息的丢失。需要增强触觉感知人机数字接口，扩展其感知接触力的维度，可更自然、直观和真实的交互，为不断进化的AR/VR创造新应用。

现有测量方法一般是通过创建一个由离散力敏电阻器或电极阵列组成的传感表面，对其测量值进行插值以重建连续力剖面。然而，这种方法的布线成本和复杂度过高，因为它需要有线链路从每个传感器获取数据，以及满足电源要求的导线。

发明内容

本发明为了解决以上现有技术无法兼顾传感器数量、表面布线、连续感知、定位精度、环境适应性、供电、无线回传的问题，提供了一种柔性微带线、反向散射触觉感知系统及其测量方法，其具有连续、精确感知接触力的幅值和位置的能力。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种柔性微带线，在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；

当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动。

一种反向散射触觉感知系统，包括1个或2个第一天线、数量与第一天线相同的收发射频开关、传感器、带有第二天线的收发端；

所述的传感器包括所述的柔性微带线；

所述的传感器的至少一端依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；

所述的第一天线用于发射反向散射信号，并接收传感器的另一端发射的反向散射信号；

所述的收发端用于接收并发射传感器的第一天线发射的反向散射信号。

优选地，所述的第一天线数量为2，所述的传感器的两端均依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；所述的收发端接收传感器一端的第一天线发射的反向散射信号，并反射回另一端的第一天线。

进一步地，根据经柔性微带线接收的反向散射信号在到达短路点反射之前，在柔性微带线上传播距离小，压力作用位置的移动产生不同的相位变化，由此实现压力-相位间的转换，实现根据相位变化判断压力幅值大小。

再进一步地，为了将传感器的反射反向散射信号与环境杂波隔离开来，将收发射频开关以不同的频率切换作为识别单元；通过将入射反向散射信号与收发射频开关的频率调制相乘；

设传感器接收激励信号s(t)，并反射s(t)m(t)，其中m(t)是一个方波，时间周期为t；展开m(t)的傅里叶级数，得到奇次谐波如下：

其中，f_s＝1/T；

忽略高次谐波，得到的反射的反向散射信号如下：

因此，反射信号将被收发射频开关频率±f_s移位，实现反射信号r(t)在频域中与激励信号s(t)隔离。

再进一步地，为避免两端反向散射信号的互调效应，当收发射频开关接通时，传感器必须反射来自传感器另一端的反向散射信号。

再进一步地，设计一个耦合的两端开关方案，在两个收发射频开关不同时“开启”的约束下，在频域中实现分离，利用方波傅里叶级数的占空比特性，在频率为f_s，占空比为25％的方波将在f_s，2f_s，3f_s，4f_s，5f_s处进行调制；在频率为2f_s，占空比为25％的方波将以2f_s，4f_s，6f_s，8f_s，10f_s进行调制；

通过控制两个收发射频开关信号的初始相位，实现抑制互调问题。

优选地，所述的第一天线的数量为1，通过1分2天线分配器向传感器两端加载反向散射信号；所述的收发射频开关信号的f_s，4f_s处读取来识别传感器两端的相位变化。

一种反向散射触觉感知系统的测量方法，基于所述的反向散射触觉感知系统，所述的收发端用于提取嵌入宽带信道估计中的反向散射相位，具体如下：

S1：获取连续时频信道的反向散射信号；

S2：根据历史信号进行信道估计；

S3：将信道估计结果映射到时频分组网络；

S4：采用FFT在多普勒域中分离传感器信号与多径信号；

S5：获取传感器反向散射信号相位。

优选地，完成信道估计后，所述的收发端还需利用差分相位获取绝对相位变化值来感知和定位接触力；

当测量“非接触”和“接触”事件之间的差分相位时，通过测量差分相位，然后减去传感器静态无压力时电磁波积累的相位来获得绝对相位；

所述的差分相位测量通过校准获得的固定量θ₁进行补偿，以获得感兴趣的量θ₂，该量随触觉压力的大小和位置而变化；

当无触觉压力时，假设发射信号为s(t)，θ₁为传感器无接触压力时的反向散射电磁波的相位变化，反向散射信号则为：

当施加触觉压力后，θ₂为传感器有触觉压力时的反向散射电磁波的相位变化，此时反向散射信号为：

由此得到触觉压力下反向散射信号绝对相位变化值为：

θ_abs＝θ₁-θ₂

由于“非接触”事件的相位是一个固定值，只取决于轨迹的长度，通过VNA设置和补偿预先对其进行测量；

因此，用VNA校准的非接触相位补偿差分相位，从传感器两端恢复相位，然后压力-相位间的转换机制，估计触觉压力大小和位置。

本发明的有益效果如下：

本发明通过将触觉压力的大小和位置转换为反向散射的信号相位变化，相位变化被接收后经过信号处理得到绝对相位变化，进而可通过推断反射射频信号的相位来测量触觉压力的大小和接触位置。该系统可以提供触觉压力的大小和接触位置的信息。此外，无线传感不受信号转换、信息处理等问题的限制，可以实现近实时感知，可用于直接和低延迟的触觉反馈。触觉感知将增加触摸感应解决方案的深度，会产生更多的新型应用。

附图说明

图1是实施例1所述的反向散射触觉感知系统的结构示意图。

图2是实施例3所述的收发端用于提取嵌入宽带信道估计中的反向散射相位的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1所示，一种柔性微带线，在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；

当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动。

实施例2

基于实施例1所述的一种柔性微带线，如图1所示，一种反向散射触觉感知系统，包括2个第一天线、数量与第一天线相同的收发射频开关、传感器、带有第二天线的收发端；

所述的传感器包括信号迹线、接地迹线、在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；

所述的传感器的至少一端依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；

所述的第一天线用于发射反向散射信号，并接收传感器的另一端发射的反向散射信号；

所述的收发端用于接收并发射传感器的第一天线发射的反向散射信号。

在一个具体的实施例中，所述的第一天线数量为2，所述的传感器的两端均依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；所述的收发端接收传感器一端的第一天线发射的反向散射信号，并反射回另一端的第一天线。

在一个具体的实施例中，当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动；

根据经柔性微带线接收的反向散射信号在到达短路点反射之前，在柔性微带线上传播距离小，压力作用位置的移动产生不同的相位变化，随着施加的力幅值增加，信号迹线弯曲变平与接地迹线接触范围增大，引起短路点向两端移动，无线信号反射积累的相位较小。由此实现压力-相位间的转换，实现根据相位变化判断压力幅值大小。

在一个具体的实施例中，压力作用会导致柔性微带线的上方信号迹线弯曲，表现为不同的反射无线信号相位变化。施加在柔性微带线中心的力对称地压缩，这样来自两端的反射信号表现出类似的相位变化。相反，不对称作用的力会不成比例地压缩较小长度的柔性微带线。靠近较小长度的一侧将显示出比靠近较长长度的一侧更高的相移。因此，相位变化取决于接触力的位置，这样也为定位压力作用位置提供了解决方法。当压力作用点位于柔性微带线中心时，可通过测量一端的相位来估计沿传感器长度施加的力的大小及其应用位置。然而，当压力作用点偏离柔性微带线中心时，这种相位变化与力接触位置的不对称施力，需要从传感器两端测量相位变化，这就需要从传感器两端同时发射无线信号。

为了将传感器的反射反向散射信号与环境杂波隔离开来，将收发射频开关以不同的频率切换作为识别单元；通过将入射反向散射信号与收发射频开关的频率调制相乘；在频域中，该操作导致与开关频率对应的频率偏移。

设传感器接收激励信号s(t)，并反射s(t)m(t)，其中m(t)是一个方波，时间周期为t；展开m(t)的傅里叶级数，得到奇次谐波如下：

其中，f_s＝1/T；

忽略高次谐波，得到的反射的反向散射信号如下：

因此，反射信号将被收发射频开关频率±f_s移位，实现反射信号r(t)在频域中与激励信号s(t)隔离。

在传感器的两端安装收发射频开关，以不同的频率切换(f_s1/f_s2)。理论上，该解决方案应为两端发出的反射提供单独的标识。当两个收发射频开关都接通时，信号将通过传感器传播并从另一端漏出。这会导致互调反射，其中反射信号将部分由两个切换频率调制，从而导致身份混淆。

因此，为避免两端反向散射信号的互调效应，当收发射频开关接通时，传感器必须反射来自传感器另一端的反向散射信号。

在一个具体的实施例中，设计一个耦合的两端开关方案，在两个收发射频开关不同时“开启”的约束下，在频域中实现分离，利用方波傅里叶级数的占空比特性，在占空比为50％的标准方波中，所有偶数谐波(即每二次谐波)均不存在。类似地，在占空比为25％的波形中，任何四次谐波都不会出现。在频率为f_s，占空比为25％的方波将在f_s，2f_s，3f_s，4f_s，5f_s处进行调制；在频率为2f_s，占空比为25％的方波将以2f_s，4f_s，6f_s，8f_s，10f_s进行调制。

注意这两个收发射频开关信号的组合将在2f_s时产生干扰，但对于前一个收发射频开关信号，可以在f_s处单独读取，对于后一个收发射频开关信号，可以在4f_s处读取。因此，这两个收发射频开关信号的组合可以在频域中提供分离。此外，通过控制这两个收发射频开关信号的初始相位，还可抑制互调问题。当一个时钟为高时，另一个收发射频开关信号将保证为低，反之亦然。这样，在任何给定时间，只有一个收发射频端口将打开，而另一个收发射频端口将打开。

实施例3

为了减少空口资源占用，可以使用单天线发射无线信号，而不是传感器的每一端一个天线(共两个天线)，因此本实施例一种反向散射触觉感知系统，包括1个第一天线、数量与第一天线相同的收发射频开关、传感器；

所述的传感器包括信号迹线、接地迹线、在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；

所述的传感器的一端依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；

由于收发射频开关信号受设计策略在频域中提供分离，通过1分2天线分配器向传感器两端加载反向散射信号；所述的收发射频开关信号的f_s，4f_s处读取来识别传感器两端的相位变化。

在一个具体的实施例中，还包括带有第二天线的收发端；

所述的收发端用于接收并发射传感器的第一天线发射的反向散射信号。

在一个具体的实施例中，当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动；

根据经柔性微带线接收的反向散射信号在到达短路点反射之前，在柔性微带线上传播距离小，压力作用位置的移动产生不同的相位变化，随着施加的力幅值增加，信号迹线弯曲变平与接地迹线接触范围增大，引起短路点向两端移动，无线信号反射积累的相位较小。由此实现压力-相位间的转换，实现根据相位变化判断压力幅值大小。

在一个具体的实施例中，压力作用会导致柔性微带线的上方信号迹线弯曲，表现为不同的反射无线信号相位变化。施加在柔性微带线中心的力对称地压缩，这样来自两端的反射信号表现出类似的相位变化。相反，不对称作用的力会不成比例地压缩较小长度的柔性微带线。靠近较小长度的一侧将显示出比靠近较长长度的一侧更高的相移。因此，相位变化取决于接触力的位置，这样也为定位压力作用位置提供了解决方法。当压力作用点位于柔性微带线中心时，可通过测量一端的相位来估计沿传感器长度施加的力的大小及其应用位置。然而，当压力作用点偏离柔性微带线中心时，这种相位变化与力接触位置的不对称施力，需要从传感器两端测量相位变化，这就需要从传感器两端同时发射无线信号。

实施例4

在收发端将传感器反向散射信号的相位偏差视为“人工多普勒”，并使用宽带信道估计来估计多普勒，从而隔离来自传感器的信号。这种将后向散射标签的频移视为人工多普勒的方法也被用于最近的一些工作。与MHz的射频带宽相比，力(一个机械量)变化缓慢(约为1kHz速率)，这为获得感知和定位力所需的模拟相位估计值奠定了基础。使我们能够将信道估计值和执行“短时相位变换”，跟踪与传感器两端相对应的两个人工多普勒仓的相移。所述的收发端用于提取嵌入宽带信道估计中的反向散射相位，如图2所示，具体如下：

S1：获取连续时频信道的反向散射信号；

S2：根据历史信号进行信道估计；

S3：将信道估计结果映射到时频分组网络；

S4：采用FFT在多普勒域中分离传感器信号与多径信号；

S5：获取传感器反向散射信号相位。

再进一步地，完成信道估计后，所述的收发端还需利用差分相位获取绝对相位变化值来感知和定位接触力；

当测量“非接触”和“接触”事件之间的差分相位时，通过测量差分相位，然后减去传感器静态无压力时电磁波积累的相位来获得绝对相位；

所述的差分相位测量通过校准获得的固定量θ₁进行补偿，以获得感兴趣的量θ₂，该量随触觉压力的大小和位置而变化；

当无触觉压力时，假设发射信号为s(t)，θ₁为传感器无接触压力时的反向散射电磁波的相位变化，反向散射信号则为：

当施加触觉压力后，θ₂为传感器有触觉压力时的反向散射电磁波的相位变化，此时反向散射信号为：

由此得到触觉压力下反向散射信号绝对相位变化值为：

θ_abs＝θ₁-θ₂

由于“非接触”事件的相位是一个固定值，只取决于轨迹的长度，通过VNA设置和补偿预先对其进行测量；

因此，用VNA校准的非接触相位补偿差分相位，从传感器两端恢复相位，然后压力-相位间的转换机制，估计触觉压力大小和位置。

估计触觉压力大小和位置具体如下：

根据相位差可以得到反向散射传播时延Δt＝θ_abs/ω，其中，ω为电磁波频率。这样，可以得到从压力作用点到一侧接收器信号传播的距离偏移d′为：

d′＝cΔt

反向散射信号由两端接收，那么假定接收到的两个距离差为d₁′、d₂′。定义中心点到两端的距离为d，那么可以推导压力作用点的位置为：d_loc＝d-d₁′。

压力幅值F与相位之间的关系涉及到柔性聚合物弹性形变，可建立如下的映射关系为：

F＝f(x)*(2d-|d′₁|-|d′₂|)

其中，f(x)为柔性聚合物弹性形变函数，2d-|d′₁|-|d′₂|表示压力作用导致信号迹线与下方接地迹线产生接触，进而引起反向散射信号传输距离变化。

该系统包含了反向散射触觉感知传感器、无线触觉感知的收发器；其中收发器发射包含收发射频开关信息的激励信号，反向散射触觉感知传感器接收激励信号，并通过收发射频开关发射至传感器内的柔性微带线，当触觉压力作用于柔性微带线的某个作用点引起信号迹线形变，与接地迹线产生两个短路点，无线信号产生反向散射的同时将产生相移，反向散射信号通过传感器的天线发送至无线触觉感知收发器，收发器通过信号处理获得绝对相位变化值，进而推断触觉压力的大小和接触位置。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性微带线，其特征在于：在信号迹线与接地迹线之间增加的一条柔性聚合物，所述的信号迹线与柔性聚合物共同发生形变，形成柔性微带线；

当有压力作用时，所述的信号迹线和所述的柔性聚合物发生形变，位于上方的信号迹线与位于下方的接地迹线产生接触，形成短路点，随着作用力幅值的增加，短路点将逐渐向两端移动。

2.一种反向散射触觉感知系统，其特征在于：包括1个或2个第一天线、数量与第一天线相同的收发射频开关、传感器、带有第二天线的收发端；

所述的传感器包括如权利要求1所述的柔性微带线；

所述的传感器的至少一端依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；

所述的第一天线用于发射反向散射信号，并接收传感器的另一端发射的反向散射信号；

所述的收发端用于接收并发射传感器的第一天线发射的反向散射信号。

3.根据权利要求2所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：所述的第一天线数量为2，所述的传感器的两端均依次连接一个收发射频开关、一个第一天线；所述的收发端接收传感器一端的第一天线发射的反向散射信号，并反射回另一端的第一天线。

4.根据权利要求3所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：根据经柔性微带线接收的反向散射信号在到达短路点反射之前，在柔性微带线上传播距离小，压力作用位置的移动产生不同的相位变化，由此实现压力-相位间的转换，实现根据相位变化判断压力幅值大小。

5.根据权利要求4所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：为了将传感器的反射反向散射信号与环境杂波隔离开来，将收发射频开关以不同的频率切换作为识别单元；通过将入射反向散射信号与收发射频开关的频率调制相乘；

设传感器接收激励信号s(t)，并反射s(t)m(t)，其中m(t)是一个方波，时间周期为t；展开m(t)的傅里叶级数，得到奇次谐波如下：

其中，f_s＝1/T；

忽略高次谐波，得到的反射的反向散射信号如下：

因此，反射信号将被收发射频开关频率±f_s移位，实现反射信号r(t)在频域中与激励信号s(t)隔离。

6.根据权利要求5所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：为避免两端反向散射信号的互调效应，当收发射频开关接通时，传感器必须反射来自传感器另一端的反向散射信号。

7.根据权利要求6所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：设计一个耦合的两端开关方案，在两个收发射频开关不同时“开启”的约束下，在频域中实现分离，利用方波傅里叶级数的占空比特性，在频率为f_s，占空比为25％的方波将在f_s，2f_s，3f_s，4f_s，5f_s处进行调制；在频率为2f_s，占空比为25％的方波将以2f_s，4f_s，6f_s，8f_s，10f_s进行调制；

通过控制两个收发射频开关信号的初始相位，实现抑制互调问题。

8.根据权利要求2所述的反向散射触觉感知系统，其特征在于：所述的第一天线的数量为1，通过1分2天线分配器向传感器两端加载反向散射信号；所述的收发射频开关信号的f_s，4f_s处读取来识别传感器两端的相位变化。

9.一种反向散射触觉感知系统的测量方法，其特征在于：基于如权利要求7或8任一项所述的反向散射触觉感知系统，所述的收发端用于提取嵌入宽带信道估计中的反向散射相位，具体如下：

S1：获取连续时频信道的反向散射信号；

S2：根据历史信号进行信道估计；

S3：将信道估计结果映射到时频分组网络；

S4：采用FFT在多普勒域中分离传感器信号与多径信号；

S5：获取传感器反向散射信号相位。

10.根据权利要求9所述的反向散射触觉感知系统的测量方法，其特征在于：完成信道估计后，所述的收发端还需利用差分相位获取绝对相位变化值来感知和定位接触力；

当测量“非接触”和“接触”事件之间的差分相位时，通过测量差分相位，然后减去传感器静态无压力时电磁波积累的相位来获得绝对相位；

所述的差分相位测量通过校准获得的固定量θ₁进行补偿，以获得感兴趣的量θ₂，该量随触觉压力的大小和位置而变化；

当无触觉压力时，假设发射信号为s(t)，θ₁为传感器无接触压力时的反向散射电磁波的相位变化，反向散射信号则为：

当施加触觉压力后，θ₂为传感器有触觉压力时的反向散射电磁波的相位变化，此时反向散射信号为：

由此得到触觉压力下反向散射信号绝对相位变化值为：

θ_abs＝θ₁-θ₂

由于“非接触”事件的相位是一个固定值，只取决于轨迹的长度，通过VNA设置和补偿预先对其进行测量；

因此，用VNA校准的非接触相位补偿差分相位，从传感器两端恢复相位，然后压力-相位间的转换机制，估计触觉压力大小和位置。