CN114674216B - 一种多维度机械感知系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维度机械感受器及其装置，其装置包括感受器和测量元件和柔性电阻；所述柔性电阻设置在所述感受器中，所述测量元件与所述柔性电阻形成闭环通路，测量所述感受器在不同方向上发生多角度形变时的阻值。上述方案中，感受器发生多角度形变导致柔性电阻发生变化，测量元件与柔性电阻双向电性连接，用于测量感受器发生形变时的阻值，即可通过观察确定形变的方向，通过阻值的大小判断机械力的大小，从而判断形变的程度。
Description
技术领域
本发明涉及仿生领域，更具体地，涉及一种多维度机械感知系统和装置。
背景技术
近几年出现众多节肢动物仿生传感器，这些传感器可大致分为压阻式、压电式、电容式、磁性传感器。压阻式传感器主要通过将刚性杆连接到薄膜上，当外力作用在杆上时，杆围绕驱动膜的接合点旋转，膜发生形变后带动液态金属产生变形，液态金属发生形变后阻值发生变化，将电阻变量通过电压信号输出，以感测所受外力的变化。压电式传感器是一种基于压电效应的传感器。他的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电路放大和变换阻抗后成为正比于受力的电信号输出。电容式传感器由金属电极和绝缘电解质构成。两金属电极加上电压时，电极上就会存储电荷，当电极板的距离或面积发生变化时，电容器电容发生变化，因此可将感受器感知情况转化为电信号。磁性传感器的探测器为磁性探头，外界环境变化使磁力计指针偏转及摆动，并将环境变化输出为电信号。
现有实现方案为压阻式传感器，但现有压阻式传感器多数使用应变片作为电阻，灵敏度较差，且主要聚焦于单自由度运动，只能检测单个方向的受力以及运动情况，对于不同方向上力的感知有较强的局限性。
现有的技术中，中国发明专利公开了一种具有压滑觉感知的柔性指尖、装置及方法，柔性指尖包括力致发光薄膜和图像采集装置；其中，所述力致发光薄膜在柔性指尖与物体接触时因受力而产生形变并发光，其发光强度与所受应力成正比；所述图像采集装置实时采集力致发光薄膜的光强信息，通过检测力致发光薄膜发光所形成的光圈圆心位置实现柔性指尖滑动方向与滑动摩擦力。本申请结构简单、构思新颖，能同时检测接触力与滑移信号，并在一定程度上反映被测物体的纹理特征，但是其只能检测滑动摩擦力，且根据放光强度来判断受力大小只能粗略估计，并不能得到具体数据。
发明内容
本发明为解决现有的压阻式传感器只适用于单自由度运动，只能检测单个方向的受力以及运动情况的技术缺陷，提供了一种多维度机械感受器及其装置。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种多维度机械感受器，包括基底、感知元件和柔性电阻，所述感知元件插接在所述基底上，感知元件接受在不同方向上发生多角度形变时的力，且在基底上产生形变，柔性电阻设置在所述基底中。
上述方案中，感知元件插接在基底上，在测量时，感知元件会受到任意方向任意大小的力，并在基底上产生形变，方便检测元件来进行检测。
优选的，所述基底为柔性基底，所述柔性电阻为液态金属。
优选的，述柔性基底上部分与所述感知元件连接处为薄膜。
优选的，所述薄膜上设置有沟槽,所述柔性电阻设置在所述沟槽中。
优选的，所述沟槽的数量设置为4，任意相邻的两个所述沟槽均呈90°。
一种多维度机械感知装置，包括感受器、测量元件和柔性电阻；所述柔性电阻设置在所述感受器中，所述测量元件与所述柔性电阻形成闭环通路，测量所述感受器在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
上述方案中，感受器发生多角度形变导致柔性电阻发生变化，测量元件与柔性电阻双向电性连接，用于测量感受器发生形变时的阻值，即可通过观察确定形变的方向，通过阻值的大小判断机械力的大小，从而判断形变的程度。
优选的，所述感知元件插接在所述柔性基底上；所述柔性电阻设置在所述基底中；所述测量元件与所述柔性电阻形成闭环通路，测量所述感知元件在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
优选的，所述柔性电阻设置在所述沟槽中，所述测量元件与所述沟槽中的所述柔性电阻形成闭环通路。
优选的，所述测量元件包括电表和测量导线，所述测量导线数量设置为2，2个所述测量导线与所述柔性电阻电性连接，形成闭环通路。
优选的，所述沟槽的两侧均设置有导向孔，用于分别放置2个所述测量导线。
上述方案中，本发明主要以蜜蜂中唇舌刚毛机械感受器的结构和感知机制作为技术背景，不同颜色代表物体材料的相对硬度，感受器球形基部中间呈蓝色，代表相对较软的材料特性；球形基部外鞘及刚毛呈黄色，代表相对较硬的材料特性。基于此，采用性质稳定、杨氏模量较小易变形的软胶材质作为感受器元件基部薄膜结构；使用杨氏模量较大的树脂材料作为感受元件及外壳整体材料。同时由于液态金属较传统金属电阻相比，具有液态变形大、滞后小、导电率高等优势，因此将使用液态金属作为电阻来输出信号；将中唇舌刚毛简化为一双臂杠杆，刚毛在外力作用下发生偏转，刚毛基部挤压关节膜产生电信号传导至神经系统。
上述方案中，机械感知过程如下：
(1)力的方向由A1号液态金属到A3号液态金属或A2号液态金属到A4号液态金属；
①感知元件受到向左方向机械力时，因受力而产生偏角，偏角大小与机械力大小呈正相关，偏角方向与机械力方向相同。
②感知元件产生偏角后，感知元件底部连接的薄膜产生相应变形。薄膜的变形使A1号液态金属、A3号液态金属发生形变，A3号液态金属因薄膜13变形被压缩，阻值减小；A1号液态金属被拉伸，阻值增加，A2号液态金属、A4号液态金属形变量较小，阻值几乎不变。
③通过将液态金属两端电导线接入电表，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
(2)力的方向由A3号液态金属到A1号液态金属；
与上述A1到A3方向感知过程类似，不同之处在于，薄膜13发生变形时，A1号液态金属被压缩，阻值减小，而A3号液态金属被拉伸，阻值增加。
(3)力的方向由A1A2号液态金属中间到A3A4号液态金属中间；
当力的方向为F1方向时，此时感知过程与前面两种情况所不同的是，此时薄膜13的变形会使A1号液态金属，A2号液态金属，A3号液态金属，A4号液态金属均发生形变，A1,A2号金属因薄膜变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属,A4号液态金属被压缩，阻值减小。且此时由于作用力方向与A1号液态金属，A3号液态金属的方向和A2号液态金属，A4号液态金属的方向夹角相等，因此A1号液态金属，A2号液态金属受到拉伸的变形量相等，变形后的阻值相同，同理，A3号液态金属，A4号液态金属受到压缩的变形量相等，变形后的阻值相同，通过将液态金属两端电导线接入电表，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
(4)力的方向从A1A2号液态金属之间偏A1号液态金属到A3A4号液态金属偏A3号液态金属的方向
当力的方向为F2方向时，此时感知过程与(3)类似，A1号液态金属、A2号液态金属、A3号液态金属、A4号液态金属均发生形变，A1号液态金属,A2号液态金属因薄膜变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属、A4号液态金属被压缩，阻值减小。不同的是，由于力的作用方向更偏向于A1号液态金属，因此此时A1号液态金属、A3号液态金属的变形量大于A2号液态金属、A4号液态金属的变形量，因此A1号液态金属的阻值大于A2号液态金属，且力的作用方向越贴近于A1号液态金属，则A1号液态金属与A2号液态金属的阻值差越大，通过将液态金属两端电导线接入阻值测量装置，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种多维度机械感受器及其装置，感受器发生多角度形变导致柔性电阻发生变化，测量元件与柔性电阻双向电性连接，用于测量感受器发生形变时的阻值，即可通过观察确定形变的方向，通过阻值的大小判断机械力的大小，从而判断形变的程度。
附图说明
图1为本发明的装置结构图
图2为本发明的感受器结构图；
图3为本发明的柔性基底机构示意图；
图4为本发明的柔性基底剖视图；
图5为本发明的感知过程示意图；
图6为本发明的柔感知元件受力方向示意图；
附图标记说明：1、感受器；11、基底；12、感知元件；13、薄膜；14、沟槽；15、导向孔；2、测量元件；3、柔性电阻；21、电表；22、测量导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1和图2所示，一种多维度机械感受器，包括基底11、感知元件12和柔性电阻3，所述感知元件12插接在所述基底11上，感知元件12接受在不同方向上发生多角度形变时的力，且在基底11上产生形变，柔性电阻3设置在所述基底11中。
上述方案中，感知元件12插接在基底11上，在测量时，感知元件12会受到任意方向任意大小的力，并在基底11上产生形变，方便检测元件来进行检测。
优选的，所述基底11为柔性基底，所述柔性电阻3为液态金属。
优选的，所述柔性基底上部分与所述感知元件12连接处为薄膜13。
优选的，所述薄膜13上设置有沟槽14，所述柔性电阻3设置在所述沟槽14中。
优选的，所述沟槽14的数量设置为4，任意相邻的两个所述沟槽14均呈90°。
一种多维度机械感知装置，包括感受器1、测量元件2和柔性电阻3；所述柔性电阻3设置在所述感受器1中，所述测量元件2与所述柔性电阻3形成闭环通路，测量所述感受器1在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
上述方案中，感受器1发生多角度形变导致柔性电阻3发生变化，测量元件2与柔性电阻3双向电性连接，用于测量感受器1发生形变时的阻值，即可通过观察确定形变的方向，通过阻值的大小判断机械力的大小，从而判断形变的程度。
优选的，所述感知元件12插接在所述柔性基底11上；所述柔性电阻3设置在所述基底11中；所述测量元件2与所述柔性电阻3形成闭环通路，测量所述感知元件12在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
优选的，所述柔性电阻3设置在所述沟槽14中，所述测量元件3与所述沟槽14中的所述柔性电阻3形成闭环通路。
优选的，所述测量元件2包括电表21和测量导线22，所述测量导线22数量设置为2，2个所述测量导线22与所述柔性电阻3电性连接，形成闭环通路。
优选的，所述沟槽14的两侧均设置有导向孔15，用于分别放置2个所述测量导线32。
实施例2
本发明主要以蜜蜂中唇舌刚毛机械感受器的结构和感知机制作为技术背景，不同颜色代表物体材料的相对硬度，感受器球形基部中间呈蓝色，代表相对较软的材料特性；球形基部外鞘及刚毛呈黄色，代表相对较硬的材料特性。基于此，采用性质稳定、杨氏模量较小易变形的软胶材质作为感受器元件基部薄膜结构；使用杨氏模量较大的树脂材料作为感受元件及外壳整体材料。同时由于液态金属较传统金属电阻相比，具有液态变形大、滞后小、导电率高等优势，因此将使用液态金属作为电阻来输出信号；将中唇舌刚毛简化为一双臂杠杆，刚毛在外力作用下发生偏转，刚毛基部挤压关节膜产生电信号传导至神经系统。
实施例3
如图3、图4、图5和图6所示，机械感知过程如下：
(1)力的方向由A1号液态金属到A3号液态金属或A2号液态金属到A4号液态金属；
①感知元件12受到如图5所示的方向机械力时，因受力而产生偏角，偏角大小与机械力大小呈正相关，偏角方向与机械力方向相同。
②感知元件12产生偏角后，感知元件12底部连接的薄膜13产生相应变形。薄膜13的变形使A1号液态金属、A3号液态金属发生形变，A3号液态金属因薄膜13变形被压缩，阻值减小；A1号液态金属被拉伸，阻值增加，A2号液态金属、A4号液态金属形变量较小，阻值几乎不变。
③通过将液态金属两端电导线接入电表，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
(2)力的方向由A3号液态金属到A1号液态金属；
与上述A1到A3方向感知过程类似，不同之处在于，薄膜13发生变形时，A1号液态金属被压缩，阻值减小，而A3号液态金属被拉伸，阻值增加。
(3)力的方向由A1A2号液态金属中间到A3A4号液态金属中间；
当力的方向如图5所示的F1方向时，此时感知过程与前面两种情况所不同的是，此时薄膜13的变形会使A1号液态金属，A2号液态金属，A3号液态金属，A4号液态金属均发生形变，A1,A2号金属因薄膜13变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属,A4号液态金属被压缩，阻值减小。且此时由于作用力方向与A1号液态金属，A3号液态金属的方向和A2号液态金属，A4号液态金属的方向夹角相等，因此A1号液态金属，A2号液态金属受到拉伸的变形量相等，变形后的阻值相同，同理，A3号液态金属，A4号液态金属受到压缩的变形量相等，变形后的阻值相同，通过将液态金属两端电导线接入电表，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
(4)力的方向从A1A2号液态金属之间偏A1号液态金属到A3A4号液态金属偏A3号液态金属的方向
当力的方向如图6所示的F2方向时，此时感知过程与(3)类似，A1号液态金属、A2号液态金属、A3号液态金属、A4号液态金属均发生形变，A1号液态金属,A2号液态金属因薄膜变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属、A4号液态金属被压缩，阻值减小。不同的是，由于力的作用方向更偏向于A1号液态金属，因此此时A1号液态金属、A3号液态金属的变形量大于A2号液态金属、A4号液态金属的变形量，因此A1号液态金属的阻值大于A2号液态金属，且力的作用方向越贴近于A1号液态金属，则A1号液态金属与A2号液态金属的阻值差越大，通过将液态金属两端电导线接入阻值测量装置，可以得到具体阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
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。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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 (8)
1.一种多维度机械感受器，其特征在于，包括基底（11）、感知元件（12）和柔性电阻（3），所述感知元件（12）插接在所述基底（11）上，感知元件（12）接受在不同方向上发生多角度形变时的力，且在基底（11）上产生形变，柔性电阻（3）设置在所述基底（11）中；所述基底（11）为柔性基底，所述柔性电阻（3）为液态金属，液态金属的数量为4，分别为A1号液态金属、A2号液态金属、A3号液态金属和A4号液态金属，任意相邻的两个液态金属呈90°，所述柔性基底上部分与所述感知元件（12）连接处为薄膜（13）；所述多维度机械感受器的机械感知过程如下：
力的方向由A1号液态金属到A3号液态金属；
感知元件（12）受到A1号液态金属到A3号液态金属的方向机械力时，受力而产生偏角，偏角大小与机械力大小呈正相关，偏角方向与机械力方向相同；
感知元件（12）产生偏角后，感知元件（12）底部连接的薄膜（13）产生相应变形，薄膜（13）的变形使A1号液态金属、A3号液态金属发生形变，A3号液态金属因薄膜（13）变形被压缩，阻值减小；A1号液态金属被拉伸，阻值增加，A2号液态金属、A4号液态金属形变量小，阻值不变；
通过将液态金属两端电导线接入电表，得到阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向；
力的方向由A3号液态金属到A1号液态金属；
感知元件（12）受到A3号液态金属到A1号液态金属的方向机械力时，受力而产生偏角，偏角大小与机械力大小呈正相关，偏角方向与机械力方向相同；
感知元件（12）产生偏角后，感知元件（12）底部连接的薄膜（13）产生相应变形，薄膜（13）发生变形时，A1号液态金属被压缩，阻值减小，而A3号液态金属被拉伸，阻值增加；A2号液态金属、A4号液态金属形变量小，阻值不变；
力的方向由A1A2号液态金属中间到A3A4号液态金属中间；
当力的方向如由A1A2号液态金属中间到A3A4号液态金属中间方向时，此时薄膜（13）的变形会使A1号液态金属，A2号液态金属，A3号液态金属，A4号液态金属均发生形变， A1,A2号金属因薄膜（13）变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属,A4号液态金属被压缩，阻值减小；通过此时作用力方向与A1号液态金属，A3号液态金属的方向和A2号液态金属，A4号液态金属的方向夹角相等，得到A1号液态金属，A2号液态金属受到拉伸的变形量相等，变形后的阻值相同，A3号液态金属，A4号液态金属受到压缩的变形量相等，变形后的阻值相同；
通过将液态金属两端电导线接入电表，得到阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向；
力的方向从A1A2号液态金属之间偏A1号液态金属到A3A4号液态金属偏A3号液态金属的方向；
当力的方向从A1A2号液态金属之间偏A1号液态金属到A3A4号液态金属偏A3号液态金属的方向时，此时A1号液态金属、A2号液态金属、A3号液态金属、A4号液态金属均发生形变，A1号液态金属，A2号液态金属因薄膜变形而被拉伸，阻值增大，A3号液态金属、A4号液态金属被压缩，阻值减小；
通过力的作用方向更偏向于A1号液态金属，得到此时A1号液态金属的变形量大于A2号液态金属的变形量，A1号液态金属的阻值大于A2号液态金属，且力的作用方向越贴近于A1号液态金属；
通过将液态金属两端电导线接入电表，得到阻值变化，从而推算出机械力的大小以及方向。
2.根据权利要求1所述的一种多维度机械感受器，其特征在于，所述薄膜（13）上设置有沟槽（14），所述柔性电阻（3）设置在所述沟槽中。
3.根据权利要求2所述的一种多维度机械感受器，其特征在于，所述沟槽（14）的数量设置为4，任意相邻的两个所述沟槽（14）均呈90°。
4.一种多维度机械感知装置，其特征在于，包括权利要求2所述的感受器（1）、测量元件（2）和柔性电阻（3）；所述柔性电阻（3）设置在所述感受器（1）中，所述测量元件（2）与所述柔性电阻（3）形成闭环通路，测量所述感受器（1）在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
5.根据权利要求4所述的一种多维度机械感知装置，其特征在于，所述感知元件（12）插接在所述基底（11）上；所述柔性电阻（3）设置在所述基底（11）中；所述测量元件（2）与所述柔性电阻（3）形成闭环通路，测量所述感知元件（12）在不同方向上发生多角度形变时的阻值。
6.根据权利要求5所述的一种多维度机械感知装置，其特征在于，所述柔性电阻（3）设置在所述沟槽（14）中，所述测量元件（2）与所述沟槽（14）中的所述柔性电阻（3）形成闭环通路。
7.根据权利要求6所述的一种多维度机械感知装置，其特征在于，所述测量元件（2）包括电表（21）和测量导线（22），所述测量导线（22）数量设置为2，2个所述测量导线（22）与所述柔性电阻（3）电性连接，形成闭环通路。
8.根据权利要求7所述的一种多维度机械感知装置，其特征在于，所述沟槽（14）的两侧均设置有导向孔（15），用于分别放置2个所述测量导线（22）。
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