CN114910199B - 一种触觉传感器、制备方法及信息采集方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种触觉传感器、制备方法及信息采集方法，用以解决触觉传感器基于电信号传导所导致的判断受力类型效率低的问题。该触觉传感器的材质为仿触觉材料，包括：所述仿触觉材料包括第一力致发光材料、第二力致发光材料、聚合物基体；其中，所述第一力致发光材料具备在剪切力作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第二力致发光材料具备在应变作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第一力致发光材料和所述第二力致发光材料分散于所述聚合物基体中。
Description
技术领域
本申请涉及触觉传感器技术领域，尤其涉及一种触觉传感器、制备方法及信息采集方法。
背景技术
柔性触觉传感器是用于模仿触觉功能的传感器，由于具备优异的界面贴合性和在变形下仍能实现力学传感的特点，在与生物体或机械手结合后，可以实现对不同形状和材料物体的自适应感触。因此，在实现人机交互的过程中，柔性触觉传感器尤其收到了关注。但是，当前人机交互界面缺乏输出可读性，因而对柔性触觉传感器的设计提出了更高的挑战。
发明内容
本申请提供了一种触觉传感器、制备方法及信息采集方法，用以解决触觉传感器基于电信号传导所导致的判断受力类型效率低的问题。
第一方面，本申请提供一种触觉传感器，所述触觉传感器的材质为仿触觉材料，包括：
所述仿触觉材料包括第一力致发光材料、第二力致发光材料、聚合物基体；其中，所述第一力致发光材料具备在剪切力作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第二力致发光材料具备在应变作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第一力致发光材料和所述第二力致发光材料分散于所述聚合物基体中。
上述申请实施例中，由两种力致发光材料制成的触觉传感器，可以确保传感器在受到相应力的作用时发出对应光线，以便于直接判断力的种类，从而达到了提升触觉传感器判断受力类型效率的目的。
一种可能的实施方式，所述触觉传感器固定设置于机器人身体表面。
一种可能的实施方式，所述第一力致发光材料包括：CaZnOS:Mn、BaSi2O2N2:Eu、CaNb2O6:Pr、Ca2Nb2O7:Pr、Ca3Nb2O8:Pr、NaNbO3:Pr、(Ba,Ca)TiO3:Pr、Sr(BaMg,Mg、或CaMg)Si2O7:Eu中的至少一种。
一种可能的实施方式，所述第二力致发光材料包括：SrAl2O4:(Eu,Dy,Nd)、或ZnS:(Mn,Cu,Te,Al)中的至少一种。
一种可能的实施方式，所述聚合物基体包括：脂肪族芳香族无规共聚酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、或热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。
第二方面，本申请提供一种制备如第一方面及任一种可能的实施方式所述的触觉传感器的方法，包括：
按照设定质量比例，将第一力致发光材料和第二力致发光材料混合于聚合物基体中得到第一混合物；其中，所述第一力致发光材料中为，第一设定摩尔比的锰元素掺杂于ZnS/CaZnOS，所述第二力致发光材料为，第二设定摩尔比的铜元素掺杂于ZnS，所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷；
将所述第一混合物固化并干燥，得到材质为仿触觉材料目标形状的触觉传感器。
一种可能的实施方式，所述第一设定摩尔比为0.1％～10％中的任一值，所述第二设定摩尔比为0.1％～10％中的任一值。
第三方面，本申请提供一种基于如第一方面及任一种可能的实施方式所述的触觉传感器的信息采集方法，包括：
采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线；其中，所述机械力包括剪切力和应变；
确定所述光线的RGB分量；
基于所述RGB分量确定所述光线的颜色；
基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型。
上述申请实施例中的信息采集方法，避免了基于传统触觉传感器中在受力后通过电信号解析并传导的步骤，从而有效提升了信息采集的目的。
一种可能的实施方式，所述剪切力不小于2N，且所述应变不小于30％。
上述申请实施例中对于剪切力和应变的限定，确保了触觉传感器能够在受到机械力后发出光线的强度能够被采集设备所采集，进一步提升了基于上述触觉传感器的信息采集方法对于机械力类型判断的准确性。
一种可能的实施方式，当所述第一力致发光材料为Mn掺杂于ZnS/CaZnOS，且所述第二力致发光材料为Cu元素掺杂于ZnS时；
则所述基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型，包括：
当所述颜色为橙色时，确定所述机械力为剪切力；当所述颜色为绿色时，确定所述机械力为应变。
一种可能的实施方式，所述基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型之后，包括：
基于所述光线，确定所述机械力的轨迹；
基于所述轨迹及类型对应的操作指令；
将所述操作指令上传云端，用于下一节点接收。
第四方面，本申请提供一种基于第一方面及任一种可能的实施方式所述的触觉传感器的信息采集装置，该装置包括：
采集单元：用于采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线；其中，所述机械力包括剪切力和应变；
确定单元：用于确定所述光线的RGB分量；
颜色单元：用于基于所述RGB分量确定所述光线的颜色；
判断单元：用于基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型。
第五方面，本申请提供一种可读存储介质，包括：
存储器；
所述存储器用于存储指令，当所述指令被处理器执行时，使得包括所述可读存储介质的装置完成如第三方面及任一种可能的实施方式所述的方法。
附图说明
图1为本申请提供的一种触觉传感器的示意图；
图2为本申请提供的一种触觉传感器受到剪切力时发出光线的光谱图；
图3为本申请提供的一种触觉传感器受到应变时发出光线的光谱图；
图4为本申请提供的一种基于本申请实施例中的触觉传感器的信息采集方法流程图；
图5为本申请提供的将信息采集方法应用于物联网的流程示意图；
图6为本申请提供的一种基于本申请实施例中的触觉传感器的信息采集装置的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术中触觉传感器基于电信号接收并解析力所致的判断受力类型效率低的问题，本申请提出一种触觉传感器，该触觉传感器的材质为仿触觉材料，并且利用其中的主要成分：第一力致发光材料和第二力致发光材料，确保触觉传感器能够在接受到剪切力或者应力的时候，发出特定颜色光线的特性，使得触觉传感器在受力时发光，并可以据此直接确定力的种类，因而达到了提升触觉传感器判断受力类型效率的目的。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请的技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本申请实施例提供一种触觉传感器，使得触觉传感器避免通过电信号传导解析判断力，该触觉传感器的材质为仿触觉材料用以模仿人类的触觉。
上述仿触觉材料中可以包括至少两种力致发光材料，每种力致发光材料都对应于一种的特定的机械力，并在受到该特定机械力时发出特定颜色的光线。本申请实施例中的仿触觉材料包括第一力致发光材料、第二力致发光材料、聚合物基体。
其中，第一力致发光材料具备在剪切力作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性。第二力致发光材料具备在应变作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性。第一力致发光材料和第二力致发光材料被分散于聚合物基体中。也就是说，聚合物基体对于第一力致发光材料、第二力致发光材料来说，有益于固化成型。由此可见，本申请提供的触觉传感器不涉及电源或电极的使用，即具备了良好的自驱动性能。
图1为本申请实施例中提供的一种触觉传感器的示意图。如图1所示，该触觉传感器同时受到应变和剪切力的作用，则此时该触觉传感器发出的光线既包含第一力致发光材料发出的光线，也包含第二力致发光材料发出的光线，即此处该触觉传感器发出两种颜色的光线。图1中A′区域为A区域的微观图，其中1号物质为第一力致发光材料，2号物质为第二力致发光材料，3号物质为聚合物基体，并且观察A′可知，1号、2号物质均匀分散于3号物质中。
第一力致发光材料包括：CaZnOS:Mn、BaSi2O2N2:Eu、CaNb2O6:Pr、Ca2Nb2O7:Pr、Ca3Nb2O8:Pr、NaNbO3:Pr、(Ba,Ca)TiO3:Pr、Sr(BaMg,Mg、或CaMg)Si2O7:Eu中的至少一种。第二力致发光材料包括：SrAl2O4:(Eu,Dy,Nd)、或ZnS:(Mn,Cu,Te,Al)中的至少一种。且聚合物基体包括：脂肪族芳香族无规共聚酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、或热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。
上述触觉传感器的柔软度，可以通过控制聚合物基体的配比控制。即可以通过控制该触觉传感器的柔软度使触觉传感器能够固定设置于机器人身体表面，又不影响机器人的活动。
例如，可以将该触觉传感器设置于机器人的肘关节、膝关节、手指关节。该触觉传感器可以设置于机器人手部，该触觉传感器可以代替机器人的手部皮肤。当机器人拿(握)某物体时，例如水杯，水杯受重力和手心处的剪切力形成一对作用力和发作用力，则手心处的“皮肤”发出剪切力对应颜色的光线。而此时指关节处的“皮肤”则受到了应变，即发出应变对应的颜色的光线。
进一步地，以下针对上述触觉传感器的制备进行描述。首先，按照设定质量比例，将第一力致发光材料和第二力致发光材料混合于聚合物基体中得到第一混合物。其中，所述第一力致发光材料中为，第一设定摩尔比的锰元素掺杂于ZnS/CaZnOS，所述第二力致发光材料为，第二设定摩尔比的铜元素掺杂于ZnS，聚合物基体为聚二甲基硅氧烷。然后，将第一混合物固化并干燥，得到材质为仿触觉材料目标形状的触觉传感器。上述第一设定摩尔比可以是0.1％～10％中的任一值，而第二设定摩尔比为0.1％～10％中的任一值。
具体地，可以将第一混合物注入固定形状的亚克力磨具中，该模具的形状和深度可以确保触觉传感器的厚度、形状。一般地，该模具的深度为400微米～1000微米。优选600微米。然后将第一混合物连同模具置于烘箱中干燥。当烘箱温度为80摄氏度时，干燥时间可以是4小时。
图2为针对该触觉传感器施加剪切力时，所得到的光谱图。如图2所示，在触觉传感器受到不同大小的剪切力时，所发出光线的光谱都处于同一波长范围中，即该触觉传感器受到剪切力时，发出颜色特定且一致的光线。并且，该剪切力越大，触觉传感器发出的光线越强烈。图3为针对该触觉传感器施加应变时，所得到的光谱图。如图3所示，在触觉传感器受到不同强度的应变时，均发出颜色特定的且一致的光线；并且应变越大，光线越强烈。
进一步地，基于上述触觉传感器，以下介绍一种信息采集的方法，用以高效率的判别触觉传感器受到的机械力的种类。请参考图4。
步骤401：采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线。
其中，上述机械力包括剪切力和应变。
具体地，可以通过摄像头实时采集，也可以通过照相机每隔设定时间进行采集。
步骤402：确定所述光线的RGB分量。
具体地，该RGB分量对应于RGB色彩模式。RGB色彩模式是一种颜色标准；通过对红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色。
步骤403：基于RGB分量确定光线的颜色。
基于步骤402所述的RGB分量与色彩的对应关系，就可以在本步骤203中确定光线的颜色。
步骤404：基于所述颜色与第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定触觉传感器受到的机械力的类型。
上述剪切力不小于2N，且应变不小于30％。这样可以确保触觉传感器能够在受到机械力后发出光线的强度能够被采集设备所采集，因而可以进一步提升基于上述触觉传感器的信息采集方法对于机械力类型判断的准确性。
需要说明的是，上述申请实施例中的信息采集方法，可以是在包括上述触觉传感器的信息采集系统中完成，则上述光线的颜色RGB分量可以在信息采集系统的屏幕上显示。该屏幕上还可以标记坐标系，用以在显示光线轨迹时，根据坐标系确定受到的机械力的方向。
这样在确定机械力和轨迹和类型以后，就可以确定该机械力对应的操作指令，并将该操作指令上传云端，用于下一节点(设备)的接收。一般地，下一个接收操作指令的设备是在云端的另一端的，因而可以达到扩展物联网应用的目的。
图5为本申请提供的将上述信息采集方法应用于物联网的流程示意图。如图5所示，可以使用摄像头对触觉传感器进行实时监测、录制，这样可以确保在触觉传感器受力发光时，摄像头能够实时采集光线信息，并上传到前端屏幕上进行分析，以确定光线的颜色、轨迹。对于光线的轨迹，可以通过前端屏幕上的参考坐标系表示，并且还可以通过确定光线起点和终点的坐标，确定光线(机械力)的方向。进一步地，可以根据光线颜色、轨迹，获得操作指令，并将该操作指令上传云端，以便于物联网设备能够定时(或随时)通过云端接收操作指令，进而对该操作指令进行响应。
基于同一发明构思，本申请实施例中提供一种信息采集的装置，该装置与前述图4所示信息采集的方法对应，该装置的具体实施方式可参见前述方法实施例部分的描述，重复之处不再赘述，参见图6，该装置包括：
采集单元601：用于采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线；其中，机械力包括剪切力和应变。
确定单元602：用于确定所述光线的RGB分量。
颜色单元603：用于基于所述RGB分量确定所述光线的颜色。
判断单元604：用于基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型。上述剪切力不小于2N，且应变不小于30％。
判断单元604具体用于当所述颜色为橙色时，确定所述机械力为剪切力；当所述颜色为绿色时，确定所述机械力为应变。
所述信息采集的装置还包括指令单元，具体用于基于所述光线，确定所述机械力的轨迹；基于所述轨迹及类型对应的操作指令；将所述操作指令上传云端，用于下一节点接收。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种可读存储介质，包括：
存储器；
所述存储器用于存储指令，当所述指令被处理器执行时，使得包括所述可读存储介质的装置完成如上所述的信息采集的方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者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，在本申请各个实施例中的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物理存在，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，本申请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(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请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：通用串行总线闪存盘(Universal Serial Bus flash disk)、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种触觉传感器，所述触觉传感器的材质为仿触觉材料，其特征在于，包括：
所述仿触觉材料包括第一力致发光材料、第二力致发光材料、聚合物基体；其中，所述第一力致发光材料具备在剪切力作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第二力致发光材料具备在应变作用下发出光线，且所述光线具有特定颜色的特性；所述第一力致发光材料和所述第二力致发光材料分散于所述聚合物基体中；
所述第一力致发光材料包括：CaZnOS:Mn、BaSi2O2N2:Eu、CaNb2O6:Pr、Ca2Nb2O7:Pr、Ca3Nb2O8:Pr、NaNbO3:Pr、(Ba,Ca)TiO3:Pr、Sr(BaMg,Mg、或CaMg)Si2O7:Eu中的至少一种；
所述第二力致发光材料包括：SrAl2O4:(Eu,Dy,Nd)、或ZnS:(Mn,Cu,Te,Al)中的至少一种；
所述聚合物基体包括：脂肪族芳香族无规共聚酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。
2.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述触觉传感器固定设置于机器人身体表面。
3.一种制备如权利要求1～2任一项所述的触觉传感器的方法，其特征在于，包括：
按照设定质量比例，将第一力致发光材料和第二力致发光材料混合于聚合物基体中得到第一混合物；其中，所述第一力致发光材料中为，第一设定摩尔比的锰元素掺杂于ZnS/CaZnOS，所述第二力致发光材料为，第二设定摩尔比的铜元素掺杂于ZnS，所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷，所述第一设定摩尔比为0.1％～10％中的任一值，所述第二设定摩尔比为0.1％～10％中的任一值；
将所述第一混合物固化并干燥，得到材质为仿触觉材料目标形状的触觉传感器。
4.一种基于权利要求1～2任一项所述的触觉传感器的信息采集方法，其特征在于，包括：
采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线；其中，所述机械力包括剪切力和应变；
确定所述光线的RGB分量；
基于所述RGB分量确定所述光线的颜色；
基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述剪切力不小于2N，且所述应变不小于30％。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述第一力致发光材料为Mn掺杂于ZnS/CaZnOS，且所述第二力致发光材料为Cu元素掺杂于ZnS时；
则所述基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型，包括：
当所述颜色为橙色时，确定所述机械力为剪切力；当所述颜色为绿色时，确定所述机械力为应变。
7.如权利要求4～6任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型之后，包括：
基于所述光线，确定所述机械力的轨迹；
基于所述轨迹及类型对应的操作指令；
将所述操作指令上传云端，用于下一节点接收。
8.一种基于权利要求1～2任一项所述的触觉传感器的信息采集装置，其特征在于，所述装置包括：
采集单元：用于采集触觉传感器上仿触觉材料受到机械力后发出的光线；其中，所述机械力包括剪切力和应变；
确定单元：用于确定所述光线的RGB分量；
颜色单元：用于基于所述RGB分量确定所述光线的颜色；
判断单元：用于基于所述颜色与所述第一力致发光材料和第二力致发光材料的对应关系，确定所述触觉传感器受到的所述机械力的类型。
9.一种可读存储介质，其特征在于，包括，
存储器，
所述存储器用于存储指令，当所述指令被处理器执行时，使得包括所述可读存储介质的装置完成如权利要求4～7中任一项所述的方法。
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