CN114659679A - 柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种柔性触觉传感器，包括：仿生的表皮层‑真皮层所构成的双层柔性层结构和摄像头以及光源；其中：所述摄像头，用于捕捉所述双层柔性层结构的形变；所述双层柔性层结构基于具备透光性和柔软性的材料，其中，所述表皮层包括反射层，以辅助摄像头捕捉所述光源照射向双层柔性层结构并反射回摄像头的光线，从而感测双层柔性层结构的形变。以此，本公开实现了一种具有创新结构和较好性能的柔性触觉传感器，甚至用于实现更加拟人的掌形或指肚形等柔性触觉传感器。

Description

柔性触觉传感器

技术领域

本公开属于传感器技术，特别涉及一种柔性触觉传感器，其主要应用于机器人和智能硬件领域，优先实现为掌形或指肚形柔性触觉传感器。

背景技术

与视觉相比，触觉是机器人或智能硬件获取环境信息的另一种重要知觉形式，是其实现与环境直接作用的必需媒介。与视觉不同，触觉本身决定了很强的敏感能力，可用于表征对象和环境的多种性质。

作为传感器的细分领域，触觉传感器亟需发展出一种柔性的触觉传感器以进一步改善其性能。此外，亟需一种创新的柔性触觉传感器，从而可以更好的用于机器人或智能硬件等领域的拟人化感知。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开揭示了一种柔性触觉传感器，包括：

仿生的表皮层-真皮层所构成的双层柔性层结构和摄像头以及光源；其中：

所述摄像头，用于捕捉所述双层柔性层结构的形变；

所述双层柔性层结构基于具备透光性和柔软性的材料，其中，所述表皮层包括反射层，以辅助摄像头捕捉所述光源照射向双层柔性层结构并反射回摄像头的光线，从而感测双层柔性层结构的形变。

优选的，

所述柔性触觉传感器为掌形或指肚形。

优选的，

所述表皮层和真皮层均采用基于硅橡胶材料的柔性材料。

优选的，

所述真皮层的厚度大于所述表皮层的厚度，优选的，所述真皮层的厚度大于10mm，所述表皮层的厚度小于5mm。

优选的，

所述真皮层的硬度小于表皮层，优选的，所述表皮层的硬度属于邵氏A硬度范围，其硬度值大于15；所述真皮层的硬度则小于10。

优选的，

所述真皮层利用其自身的粘性与表皮层粘合。

优选的，

所述双层柔性层结构优选设计为易更换的耗材式柔性层。

优选的，

利用涂有颜料的针，刺入所述真皮层的内部进行标记；

以便柔性触觉传感器工作时，所述摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变之后进一步感测其形变。

优选的，

当所述柔性触觉传感器因接触而受接触力作用时，

所述表皮层用于拟合较高的分辨率，使得所述双层柔性层结构的形变具备表皮层的分辨率。

优选的，

在使用所述柔性触觉传感器时，通过感测所述双层柔性层结构的形变，表达六维接触力：除了分布于表皮层作为接触层表面的三维压力向量场，还包括三维力矩向量场。

以此，本公开实现了一种具有创新结构和较好性能的柔性触觉传感器，甚至用于实现更加拟人的掌形或指肚形等柔性触觉传感器。

附图说明

图1是本公开的一个实施例中传感器及其光路示意图；

图2是本公开的一个实施例中传感器的光路示意图；

图3是本公开的一个实施例中传感器的结构示意图；

图4是本公开的一个实施例中掌形传感器的光路示意图；

图5是图4掌形传感器的RGB光区域及标记的点的示意图；

图6是本公开的一个实施例中指肚形/指套形传感器的光路示意图；

图7是图6指肚形/指套形传感器的RGB光区域及标记的点的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员理解本公开所披露的技术方案，下面将结合实施例及有关附图图1至图7，对各个实施例的技术方案进行描述，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开所采用的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，“包括”和“具有”以及它们的任何形变，意图在于覆盖且不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、或方法、或系统、或产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选的还包括没有列出的步骤或单元，或可选的还包括对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

参见图1，在一个实施例中，本公开揭示了一种柔性触觉传感器，包括：

仿生的表皮层-真皮层所构成的双层柔性层结构和摄像头以及光源；其中：

所述摄像头，用于捕捉所述双层柔性层结构的形变；

所述双层柔性层结构基于具备透光性和柔软性的材料，其中，所述表皮层包括反射层，以辅助摄像头捕捉所述光源照射向双层柔性层结构并反射回摄像头的光线，从而感测双层柔性层结构的形变。

对于上述实施例而言，其创新性的提出了一种柔性触觉传感器的新的结构，其创新性主要体现在以下几点：

其一，创新性体现在所述双层柔性层结构。能够理解，所述表皮层用于与接触面接触，表皮层不仅提供触觉手感(备注：能够理解，通过对表皮层选材或设计材料，可以提供不同级别的触觉手感)，而且表皮层上还设置有所述反射层以使得沿着真皮层、表皮层的光线被反射，从而再沿表皮层、真皮层方向进入到摄像头。例如，在靠近真皮层的一侧，表皮层的内部某处一个面上混合银色颜料作为反射层，以辅助摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变；当然，也可以在表皮层的外表面上，或表皮层外表面的内表面，混有或涂抹银色颜料作为反射层，其中，在外表面上混有或涂抹时，对反射层的耐磨、耐久要求较高；

其二，由于所述双层柔性层结构为仿生的表皮层-真皮层，因此其能够物理上模仿人的皮肤，甚至如果采用更优的材料，还可以超过人的皮肤的敏感度；

其三，由于双层柔性层结构具备透光性，当其发生形变时，透过双层柔性层结构的光就发生光路上的变化，这些光被摄像头所捕捉，以此，所述触觉传感器实现对触觉的感知。进一步的，如果触觉传感器还包括处理器，那么处理器可以直接处理摄像头所获得的图像并通过解析图像直接得到具体的触觉信息。

需要说明的是，当摄像头捕捉光时，摄像头不仅经由该传感器最外层的表皮层，而且还可以进一步经由真皮层来捕捉所述双层柔性层结构的形变：当施加于表皮层外表面的力引起表皮层的明显形变，相比初始的未形变状态，导致透过表皮层-真皮层此种双层柔性层结构的光线及其光路发生变化，这些变化被摄像头所捕捉。也就是说，关于本公开的触觉传感器，其工作原理在于：由于双层柔性层结构具备透光性，当其发生形变时，透过双层柔性层结构的光就发生光路上的变化，以此，感测此种光路的变化就使得所述触觉传感器实现对触觉的感知。能够理解，当感测双层柔性层结构的形变后，就可以根据感测的不同结果对施加到触觉传感器的力进行分类、识别，而且，如果触觉传感器所接触的对象本身有表面缺陷，例如凸起或凹陷，则也能够在感测双层柔性层结构的形变后，对接触面进行分类、识别。

正如图1所示，其通过左右两侧的最大光路范围，示意了理论上全部的光路。理论上，在该最大光路范围内，所述传感器都是具备传感能力的。

然而，考虑到边缘的效果变弱，图1还通过左右两侧的实际应用的光路范围，示意了实际中关注的光路。图2通过剖视的俯视图的方式，进一步示意了所述实际中关注的光路，如图所示，实际中关注的光路覆盖了一个矩形区域，在该区域中，所述柔性触觉传感器的效果和性能更稳定。

在另一个实施例中，

根据其柔软性，所述双层柔性层结构得以发生形变；

根据其透光性，所述摄像头得以捕捉所述双层柔性层结构的形变；

并且，

所述表皮层，其混合有或涂有银色颜料作为反射层以辅助摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变。

需要说明的是，本公开所揭示的此种触觉传感器，集成了仿生和上述工作原理，这与现有技术中的方案存在显著的差异。此外，通过调控表皮层、真皮层的材料，可以调控所述柔软性以及透光性，从而调控触觉传感器的灵敏度和分辨能力。

更优先的，

所述表皮层靠近真皮层的一侧，其混合有或涂有银色颜料作为反射层以辅助摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变。

以CN108446042A为例，其公开了一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层，各多功能层包含对应的一个区域，4个多功能层构成两个电容C1和C2；每个多功能层的内部均设置有两层电极，上层为十字形公共电极，下层为与上层十字型公共电极对应的4个独立电极，所述十字形公共电极和4个独立电极构成4个平行板电容；所述十字型公共电极接激励信号，独立电极接模数转换电路。

显而易见，上述现有技术是完全基于电子元器件利用电容触摸的原理构建的触摸传感器，其没有任何物理仿真的功能，无法实现本公开所揭示的触觉传感器的仿生的表皮层-真皮层所能够实现的仿生效果。

此外，在另一个实施例中，

所述摄像头最低仅需要单个摄像头即可。此时，光路上的光则配套为RGB三色光，即光路上的光源为RGB三色光源。

形象的理解是，由于三色光中的每种颜色的光可以当作一种变量，这就涉及三种变量，而触觉传感器目标在于至少感知空间坐标系下的三维位移信息。其中，三维上涉及x、y、z三个维度，三色光的任何变化则与三个维度上的位移变化构成三对三的映射关系，所以，本公开中的摄像头可以是单个摄像头，本公开的触觉传感器利用单目摄像头即可感知三维信息。一般的，由于LED三色光源作为一种具体的RGB三色光源，其成本比摄像头低，这意味着本实施例可以显著降低硬件成本。能够理解，如果确有需要，也可以使用双目摄像头，由于双目摄像头本身能感知深度信息从而获得三维信息，所以只需要配合单色光，也同样能够使得本公开的触觉传感器感知三维信息。

在另一个实施例中，表皮层可以通过硅胶充分混合银色颜料。更进一步的，将表皮层实现为不透明/不透光的反射层。

在另一个实施例中，

所述双层柔性层结构为掌形或指肚形或其他的形状。

能够理解，这既利用了双层柔性层结构的柔软性，也能够更好的拟人化。典型的，掌形或指肚形的外表面被设计为圆形。

在另一个实施例中，

所述表皮层和真皮层均采用基于硅橡胶材料的柔性材料。

典型的，所述硅橡胶材料为化学硅橡胶材料。需要说明的是，具备透光性和柔软性的柔性材料，也可以进一步扩大到除了硅橡胶材料之外的其他材料。示例性的，所述表皮层和真皮层均采用基于PDMS硅氧烷材料的柔性材料。

进一步的，表皮层和真皮层甚至也可以采用基于不同材料的柔性材料，以灵活的调控柔软性和透光性。

在另一个实施例中，

所述真皮层的厚度大于所述表皮层的厚度，优选的，所述真皮层的厚度大于10mm，所述表皮层的厚度小于5mm。

在另一个实施例中，

所述真皮层的硬度小于表皮层，优选的，所述表皮层的硬度属于邵氏A硬度范围，其硬度值大于15；所述真皮层的硬度则小于10。

在另一个实施例中，

所述真皮层利用其自身的粘性与表皮层粘合。

以此，可以利用其自身而非引入其他胶水来粘合二者。当然，至于二者粘合后的边缘部分，由于几乎不影响传感器的工作，其边缘部分如果需要更紧密的结合，此时可以在边缘或其边缘外围涂抹透明软胶。

在另一个实施例中，

所述双层柔性层结构优选设计为易更换的耗材式柔性层。

能够理解，本实施例使得触觉传感器成为一个方便维护的触觉传感器，就像耗材更换那样。更换双层柔性层结构后，只要摄像头的分辨率等性能不下降，该触觉传感器就可以长期、持续的使用。

在另一个实施例中，

利用涂有颜料的针，刺入所述真皮层的内部并进行标记；

以便柔性触觉传感器工作时，所述摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变之后进一步感测其形变。

例如，沿着真皮层的厚度方向，采用涂有颜料的针刷，一次性批量刺入真皮层的内部，而针脚的密度、高度是根据标记的密度设定来设置。能够理解，颜料的颜色是为了后期处理摄像头捕捉的图像数据时便于感测，本公开并不受具体颜色限制。理论上，除了厚度方向，也可以是别的方向(典型的，XYZ坐标系内的任何方向均可)，只要后期处理所述摄像头捕捉的图像数据时，便于感测其形变即可。能够理解，即使不同坐标系也可以通过坐标变换来处理相关数据。需要说明的是，厚度方向为优选方向，厚度方向指的是表皮层至真皮层的方向或者其相反方向。厚度上的标记，有利于后期处理图像数据时解析形变。

图像数据中包含了什么信息，这是理解本公开的关键钥匙。能够发现，相对本实施例而言，前面的其他实施例并不涉及任何标记的手段。以前文所述的RGB三色光为例，其能够对应XYZ三个维度的信息，三种颜色与空间三个维度之间必然构成映射关系，那么，这本身已经意味着本公开的技术方案能够得到某个时刻下，形变后的双层柔性层结构所发生的几何形变：在一个剖面上，这往往涉及曲面变化从而呈现为曲面状。相比双层柔性结构层形变前的初始状态，对于当前时刻所处的形变状态，在一个空间坐标系下，X、Y、Z方向上最终的位移分量是可以求得的，之所以能够求得就恰恰因为RGB三种颜色的光线与三个维度之间构成三对三的映射，这满足求得的条件。

需要特别说明的是，没有所述标记的话，假设0时刻触觉传感器为初始的无形变状态，那么，利用前文所述的实施例，通过对触觉传感器获得的图像数据进行处理，只能求得：t1时刻，相对于初始的无形变状态，柔性层结构的所处的形变。也就是说，没有所述标记的话，通过前文实施例的技术方案只能求得任一时刻下，触觉传感器所处的形变后的几何状态，这是一种静态的几何特征。当然，能够理解，求得任一时刻下的静态几何特征，这已经实现了触觉传感器的感知功能并能够提供对应的数据。也就是说，如果只需要感测表面几何特征，那么，不需要标记的前提下，三色RGB光源、单目摄像头即可。

然而，需要特别留意：在没有本实施例所述标记的手段时，通过前文实施例所求得的参数，只是当前时刻下的静态几何特征。这是因为，当触觉传感器发生变化时，主要表现为曲面变化，柔性层结构中的表皮层甚至某些情况下还涉及真皮层发生了明显的向外延展、向内挤压等——相比初始的无形变状态，形变后，在某个曲面上延展出了新的可接触点，或者某些旧的可接触点被挤压到了无法感测的位置。这就导致：即使是初始的无形变状态，也不能充当前后任何位移变化的基准，无法定义位移变化量。根源就在于：t1时刻至t2时刻，缺乏有意义的基准。

回到本实施例，本实施例之所以进行标记，其恰恰就是为了解决上述例子中涉及的t1时刻至t2时刻，柔性层结构的形变导致的位移变化量、甚至位移变化的平均速度等参数不可求得的问题。

问题的关键在于，图像数据中需要包含关于空间的基准信息。本实施例优选厚度方向上的标记，则此类标记显然成为一种辅助信息(备注：至少包括z方向上的信息)，每一处具有颜色的标记能够在柔性层结构中建立一个定位的空间信息。相比前文的其他实施例，这些标记就可以成为额外的空间基准信息，从而去解决t1时刻至t2时刻，柔性层结构的形变导致的位移变化量、位移变化所对应的各个维度上的平均速度等参数不可求得的问题。

进一步的，在实施标记的情形下，t1时刻与tN时刻之间，无论t1时刻是0时刻还是别的时刻，在这段时间间隔内，本公开还可以进一步求取接触力，确切的说，至少可以进一步求取三维接触力(后文还涉及六维接触力，详见后文)。原因在于：当施加力到触觉传感器时，表皮层的形变本身涉及一个过程，该过程从t1时刻至tN时刻，且在该过程中，涉及多个中间时刻ti(i等于2，3，4等)，如果说接触的初始位置是一个点的话，很快会变成多个接触点，而且该过程往往伴随表皮层的外表面发生了曲面意义上的变化，那么，求取接触力的话，必然涉及了中间多个时段的变化，例如t2时刻与t1时刻之间的变化、t3时刻与t2时刻之间的变化等。对于表皮层的外表面而言，这显然是一个连续的曲面变化过程，力的作用过程是动态的且涉及XYZ三个方向上的力的分量。由于所述标记等于引入了额外的空间信息，确切的说，是一种定位信息，这就使得本公开能求取该双层柔性层结构形变过程中的三维接触力。而本实施例标记的带颜色的点则成为了整个表皮层外表面曲面变化过程中始终可以去寻找的参考点或锚点，任一时刻下，所有标记是什么空间状态总是可以得知的，下一时刻下，所有标记是什么空间状态也仍然是可以得知的。光从真皮层进入表皮层，并经过反射层然后沿表皮层至真皮层方向，进入摄像头，在t1时刻至t2时刻，就能够反映出所有充当定位的标记的变化，而变化的多少以及变化的快慢，则与施加到触觉传感器双层柔性层结构的力具有映射关系，因此，所述触觉传感器还能够用于求取三维接触力。自然的，此时也能求取动态的几何形变过程。

此外，只要双层柔性层结构的形变能力足够的精微，摄像头的分辨能力没有上限，理论上，t1时刻与t2时刻的间隔就可以足够的小，本公开对接触力的求取就可以不断的提高精度。

在另一个实施例中，

利用激光或针，对所述真皮层的内部打上一定轮廓或图案或色块以进行标记；

以便柔性触觉传感器工作时，所述摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变之后进一步感测其形变。

相比前一个实施例，本实施例的标记不是点作为标记，而是通过一定轮廓或图案或色块作为标记。能够理解，通过后期图像处理过程中感测相应的轮廓或图案或色块，例如一个圆、或其他轮廓、或某图案所对应的形貌，本实施例同样能感测接触力。轮廓可以指狭义的外轮廓。在本公开中，进一步推而广之，无论是前一实施例中打点进行标记，还是本实施例中打上一定轮廓或图案或色块以进行标记，标记的方式并不受限，甚至色块可以是随机色块、图案可以是随机图案，因为发明人通过各种标记的实施例，认识到：摄像头始终能够看到前后任意两个时刻之间的标记以及标记的变化即可。

在另一个实施例中，

从表皮层的外表面直至真皮层的一定深度处，沿直线方向贯穿表皮层并刺入真皮层，以形成一定深度的具有颜色的直线标记。例如，从表皮层的外表面直至真皮层的一定深度处，用周身带有颜色的针直接刺入，并在拔出针后，在双层柔性层结构中形成该颜色的直线标记。

能够理解，这同样有助于求得三维接触力，而且此种方式能够更好的观察：当表皮层的外表面被施加力时，表皮层以及真皮层的内部因形变而发生的具体变化。

以上每种标记可以是阵列式的设置在双层柔性层结构，也可以是随机分布的设置在双层柔性层结构，还可以混合使用多种不同类型的标记。

就不同的标记而言，需要说明的是：

色块比点大，所以，当形变的幅度很大时，色块比点更有优势，这是因为形变幅度很大时色块的可感测性比点要好，也能满足大形变的感测，而点则在极端情况下可能由于形变幅度大而导致某一时刻或某些时刻感测不到；如果点、色块均能够感测，那么，标记为点的话，该触觉传感器的分辨力高于色块，原因恰恰在于色块在尺寸上大于点，所以色块此种触觉传感器无法足够精细，此外色块由于形貌尺寸大也导致图像处理的计算量增大；进一步的，混合使用多种标记，则能够平衡标记的可感测性和触觉传感器的分辨力。

另外，不同色彩的色块比单一颜色的色块的可感测性要好，因为此时不仅色块构成一种定位信息，而且不同色彩本身也构成了一种额外辅助信息。

在另一个实施例中，

所述光源优选多个，且优选3个以上。光源可以充当摄像头的闪光灯，不同位置均布置光源，优选3个、6个、或12个等以三为倍数的多个光源。

尤其是，光源均为某单色光源时，在不同位置布置单色光源，且布置超过3个以上，在没有前文所述的标记的情况下，即使配合单目摄像头，本公开所揭示的触觉传感器也可以感测出任一时刻下表皮层表面发生的几何特征。

进一步的，发明人阶段性总结本公开中光源、标记种类、摄像头的不同配置对触觉传感器的不同影响：

1.三色光源，无任何标记，单目摄像头——可用于感测任一时刻的静态几何特征；

2.单色光源，标记为点，双目摄像头——可用于感测接触力；

3.三色光源，标记为点，单目摄像头——不仅可感测任一时刻的静态几何特征，而且可感测动态几何特征以及感测接触力；

4.单色光源、随机彩色色块，双目摄像头——特别用于大面积、大变形的情况下，感测任一时刻的静态几何特征、动态几何特征以及接触力；但是此种情形的分辨率没有配置3的分辨率高；

5.至少分布在触觉传感器中3个不同位置的单色光源、无任何标记、单目摄像头——可用于感测任一时刻的静态几何特征，且随着单色光源的数量的增加，可以做到比配置1更高的精度。

在另一个实施例中，

表皮层的厚度和柔软度，受双层柔性层结构在任一时刻下的静态几何特征的计算精度约束。

能够理解，表皮层越薄，越软，则可以越精确的计算任一时刻下的静态几何特征，或者说静态几何形变。

在另一个实施例中，

当所述柔性触觉传感器因接触而受接触力作用时，

所述表皮层用于拟合较高的分辨率，使得所述双层柔性层结构的形变具备表皮层的分辨率。

能够理解，表皮层自身的形变能力与其分辨率相关，形变能力越精细，分辨率越高。

在另一个实施例中，

在使用所述柔性触觉传感器时，通过感测所述双层柔性层结构的形变，表达六维接触力：除了分布于表皮层作为接触层表面的三维压力向量场，还包括三维力矩向量场。例如，X、Y、Z坐标系下的相应力矩，形象的理解是：六维力是指三维坐标轴向的力以及绕三维坐标轴的旋转力(备注：本公开中，绕三维坐标轴的旋转力理解为力矩)。

需要说明的是，这进一步强化了本公开技术的创新特性，其有助于实现六维力场的感测。能够理解，为了优化该性能的话，可以进一步调整表皮层、真皮层各自的韧性、硬度、厚度和材质。

在另一个实施例中，所述硅橡胶材料的透光率为95％。

在另一个实施例中，

所述摄像头为侧面成像，这样设计的好处是在确定镜头成像角度的情况下，摄像头离双层柔性层结构更近，有利于减少传感器的总高度或总厚度。

在另一个实施例中，如图1所示，

本公开还揭示了除所述双层柔性层结构和摄像头之外的其他辅助性部件，例如，其进一步涉及类似于闪光灯或补光灯的灯的相关部件，和传输光的光路上的无机透明材料以及一些支架、壳体等等，其中：

各个壳体可以起到遮光作用；

所述双层柔性层结构的表面具有粘性，其利用自身表面的粘性与无机透明材料，例如：玻璃，石英等贴合；优选的，所述双层柔性层结构可以实现为双层软垫，且断裂伸长率100％，在制得时，使用软垫模具成型，通过抽真空后，加热烘烤而成软垫；并且，真皮层较软，而且具备一定粘性，所以我们仅在真皮层-表皮层接触面的边缘涂上透明软胶，中间部分挤除气泡后自然粘合。能够理解，本公开中提及的各种粘合或贴合，都可能需要排除气泡，包括双层柔性层结构与无机透明材料，例如：玻璃，石英等通过自适应表面，排除气泡。

无机透明材料可以为透明(甚至透明且钢化)的玻璃，起支撑和透光作用。此外，无机透明材料的边缘也尽量打磨透明。

至于软垫和支架，其可以通过强力胶水粘住支架实现连接，其中支架可以是塑胶支架。

此外，参见图3，所述触觉传感器由外向内依次涉及：

灯pcb软板、无机透明材料，例如：玻璃，石英等、支架、面壳、摄像头支架、摄像头、摄像头pcb板、上壳等；其中：

摄像头通过柔性电路板FPC连接到摄像头pcb板；

摄像头pcb板通过PA2*7螺丝2个固定到面壳上，

上壳是通过PA2*7螺丝4个固定到面壳，

灯pcb软板(优选RGB形式的LED，例如红灯：6颗，绿灯：6颗，蓝灯：6颗)背胶3M胶贴到支架圆形内侧上，

由摄像头pcb板供电(5V/1A)，

装完灯pcb软板后装圆形玻璃(直径88mm，厚度4.8mm)，通过支架卡扣固定，然后锁螺丝(PA2*7)固定到面壳上，

软垫是通过打强力胶水到支架边缘导胶槽上固定住，软垫与支架卡位须对准后，依次打胶到导胶槽中，实现粘合，

玻璃由于软垫表面有一定粘性，而自适应表面，实现充分贴合，

摄像头pcb板自带USB线或者以无线的方式，与后期处理摄像头捕捉的图像的电脑等数据处理装置进行通讯，其中，结合图1和图3，摄像头优选位于柔性层结构的几何中心处的正上方。

能够理解，传感器工作时，当软垫表面受力形变后摄像头可以看到形变，并通过图像处理算法实现触觉传感及检测等后期应用。至于手感，其可以由表皮层接触面形变得出。

在另一个实施例中，无机透明材料，例如：玻璃，石英等可以同时为透镜。更进一步的，可以选择凹透镜，以此减少摄像头和柔性层之间的距离，进而减少传感器设备的厚度。

此外，参见图4、图5，以三色LED光源为例，其中，图4是图5中所示的红光的光路，能够发现：

1、LED灯球面发光角度120°；

2、摄像头视角范围100°；

3、光路路径原理：LED灯经高透明玻璃，形成RGB三等分光源区，光进入空气形成光路1(图中区域过小，不便示出)，折射进玻璃形成光路2，再在玻璃折射进入柔性层结构形成光路4，后经反射层反射形成光路4，再次由柔性层结构折射进入玻璃形成光路5，再次在玻璃中折射后进入空气形成光路6，到达摄像头视角区域，后捕捉柔性层结构的形变，标记的点的变化，若点发生位移变化，则光路发生变化，RGB颜色随之变化，所以实现对形变的感测。

此外，在另一个实施例中，以指肚形/指套形柔性触觉传感器为例，参见图6、图7，以三色LED光源为例，其中，图6是图7中所示的红光的光路，能够发现：

1、玻璃使用球面折射聚光原理，折射示意参见图6；

2、光路原理：LED灯经正六边形其中三边所在弧面球面凸透镜聚光，形成RGB三等分光源，光进入空气形成光路1，折射进玻璃形成光路2，再在玻璃折射进入柔性层结构形成光路4后经反射层反射形成光路4，再次由柔性层结构折射进入玻璃形成光路5，再次在玻璃中折射后进入空气形成光路6，到达摄像头视角区域，后捕捉柔性层结构的形变，标记的点的变化，及时反馈给摄像头。由此，实现对形变的感测。

进一步的，在另一个实施例中，本公开还揭示了一种针对所述柔性触觉传感器所捕捉的图像数据的处理方法，包括如下步骤：

S100：对高分辨率的表皮层与真皮层成像数据进行真皮层标记检测与感测，并使用标记位移法计算三维力场；

S200：对高分辨率的表皮层与真皮层成像数据进行去燥、图像增强等处理，并对真皮层标记进行目标移除，得到高质量的表皮层高分辨率图像；

S300：基于所述高质量的表皮层高分辨率图像，计算像素梯度值，利用梯度信息对步骤100计算得到的三维力场进行拟合以得到高分辨率的三维力场；

S400：基于三维力场数据，计算三维力矩数据，从而得到高分辨率的、包含力矩的六维力场。示例性的，通过计算三维力场每个分辨率点上的旋度，得到高分辨率六维力场。

对于该方法，其可以通过分析力场的数据即可判断、感测和分析接触力。形象的理解，力矩比力多了距离信息，而柔性触觉传感器的形变则蕴含了距离发生变化的信息，涉及了距离信息和时间信息。因此，当本公开的触觉传感器采取前文所述的标记能求得三维接触力时，本公开还能进一步计算三维力矩数据以最终得到包含力矩的六维力场。当图像数据中包括了标记这类信息时，即使双层柔性层结构发生曲面变化，这些标记始终能够充当基准，图像数据的处理方法只不过是解析、计算出这些信息而已，根本的物质基础则是本公开所揭示的柔性触觉传感器。

在另一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：

S500：对步骤S200计算得到的高质量的表皮层高分辨率图像，利用卷积神经网络(CNN)进行目标检测与分割，提取得到接触面形变信息。

在另一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：

S600：对于所述接触面形变信息，根据检测的每帧图像的接触面形变信息在时间序列上进行融合，利用时序神经网络(RNN)进行：行为感测与提取，以得到动态手感信息。

接前一个实施例，能够理解，由于形变过程中涉及了时间，在XYZ三维之外，第四维时间t被涉及，这正是本公开能够取得接触面形变信息、动态手感信息的根本原因。

综上，本公开除了提出一种新的柔性触觉传感器之外，还进一步披露了：通过先进的图像识别与深度学习技术，基于表皮层的高分辨率成像数据，最终能够实现接触面六维力场计算、接触面形变感测、动态手感感测等功能。除了上述具体的图像数据的处理方法之外，其他任何能够解析XYZ三维空间信息、形变必然导致的距离信息、时间t的算法/方法，都能够适配本公开所述的柔性触觉传感器。本公开所述的柔性触觉传感器，如同任何广义的传感器一样，并不受限于传感器所得信号的处理方法。

总结如下，本公开的主要特点如下：

1、提供高分辨率、高精度的「接触力感测」。通过相应处理方法得到的接触力为「三维接触力」，其结果是分布于接触层表面的三维压力向量场，且最终可实现为六维；

2、提供高分辨率、高精度的「接触表面形变」。其结果是分布于接触层表面的三维空间位置；

3、仿生的表皮-真皮双层柔性结构，除了感测表皮层形变外，通过增加感测双层柔性层结构的形变，表达「六维接触力」；其结果除了分布于接触层表面的三维压力向量场，还包括三维力矩向量场；

4、表皮和真皮层的材料表面韧性、硬度、厚度、材质、拉伸强度等的不同配置，本公开可以测量出更大空间范围的「接触表面形变」，且保持精度；

5、通过120帧以上的高动态视觉模组实现「高动态」接触力，可以更准确的测量快速变化的接触力；

6、基于深度学习的「手感」感测，将接触力和接触表面形变结果，二者关联起来，通过深度神经网络，感测为多种不同手感的分类；

7、基于深度学习的「动态手感」感测，可以在主动触摸过程中感测动态手感并分类。

本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作、模块、单元并不一定是本公开所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可实现为对应的功能单元、处理器乃至系统，其中所述系统的各部分既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为智能手机、个人数字助理、可穿戴设备、笔记本电脑、平板电脑)执行本公开的各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-0nly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开的各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种柔性触觉传感器，包括：

仿生的表皮层-真皮层所构成的双层柔性层结构和摄像头以及光源；其中：

所述摄像头，用于捕捉所述双层柔性层结构的形变；

所述双层柔性层结构基于具备透光性和柔软性的材料，其中，所述表皮层包括反射层，以辅助摄像头捕捉所述光源照射向双层柔性层结构并反射回摄像头的光线，从而感测双层柔性层结构的形变。

2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：优选的，

所述柔性触觉传感器为掌形或指肚形。

3.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

所述表皮层和真皮层均采用基于硅橡胶材料的柔性材料。

4.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

所述真皮层的厚度大于所述表皮层的厚度，优选的，所述真皮层的厚度大于10mm，所述表皮层的厚度小于5mm。

5.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

所述真皮层的硬度小于表皮层，优选的，所述表皮层的硬度属于邵氏A硬度范围，其硬度值大于15；所述真皮层的硬度则小于10。

6.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

所述真皮层利用其自身的粘性与表皮层粘合。

7.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

所述双层柔性层结构优选设计为易更换的耗材式柔性层。

8.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

利用涂有颜料的针，刺入所述真皮层的内部进行标记；

以便柔性触觉传感器工作时，所述摄像头捕捉所述双层柔性层结构的形变之后进一步感测其形变。

9.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

当所述柔性触觉传感器因接触而受接触力作用时，

所述表皮层用于拟合较高的分辨率，使得所述双层柔性层结构的形变具备表皮层的分辨率。

10.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其中：

在使用所述柔性触觉传感器时，通过感测所述双层柔性层结构的形变，表达六维接触力：除了分布于表皮层作为接触层表面的三维压力向量场，还包括三维力矩向量场。

Images