CN115014623B - 光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。光波导触觉传感器包括：光波导包层和包覆在光波导包层中的至少两条光波导内芯、至少两个光源和至少两个光敏元件；各光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层的第一方向；各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各光源射出的光线通过对应的光波导内芯传导至对应的光敏元件中；各光波导内芯用于在光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变光敏元件接收到的光线的强度。本发明的结构和制作过程均较为简单，也易于与机器人以及可穿戴设备集成，同时不影响机器人以及人的灵活操作能力。

Description

光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，特别是涉及一种光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。

背景技术

触觉传感器通常用于采集力、形状、压强等触觉信息，在机器人、可穿戴设备、虚拟现实、智能假肢、人机交互等领域具有广泛应用。而丰富的触觉感知能力能够辅助机器人实现各种灵活操作。在触觉交互中，最常见的感知对象为法向力与切向力，而这两种形式的力对于触觉操作也分别具有不同的意义。例如，法向力有助于评估接触力或夹持力的大小，或用于评估碰撞发生的剧烈程度；切向力在纹理检测以及操作中的滑移评估具有重要作用。

然而，相关技术中能够同时实现法向力与切向力的感知的触觉传感器往往结构较为复杂。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中能够同时进行法向力和切向力感知的触觉传感器结构较为复杂的问题，提供一种结构简单的光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。

本申请实施例第一方面提供一种光波导触觉传感器，包括：光波导包层和包覆在光波导包层中的至少两条光波导内芯、至少两个光源和至少两个光敏元件；

其中，各光波导内芯均包覆在光波导包层中，且在光波导包层的第一方向上间隔布置；

各光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层的第一方向；

各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各光源射出的光线通过对应的光波导内芯传导至对应的光敏元件中；

各光波导内芯用于在光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变光敏元件接收到的光线的强度。

在其中一个实施例中，光波导内芯的数量为两条，两条光波导内芯在第一平面上的投影垂直；或者

光波导内芯的数量为三条，每两条光波导内芯在第一平面上的投影的夹角均为120°。

在其中一个实施例中，各光波导内芯在光波导包层内呈直线状排布。

在其中一个实施例中，光波导包层的材质为硅橡胶；和/或

光波导内芯的折射率大于光波导包层的折射率；和/或

光波导内芯的材质为聚氨酯。

在其中一个实施例中，每一光波导内芯被构造为呈柱状，光波导包层被构造为呈长方体状，且光波导内芯的轴线垂直于光波导包层的第一方向，其中，光波导包层的高度方向形成第一方向。

本申请实施例第二方面提供一种光波导触觉传感系统，包括：

上述的光波导触觉传感器；

信号采集电路，与至少两个光敏元件电连接，并用于采集至少两个光敏元件的输出信号；

光源供电电路，与至少两个光源电连接，并用于对至少两个光源供电；以及

控制器，与信号采集电路电连接，用于根据信号采集电路测得的至少两个光敏元件的输出信号获取光波导触觉传感器受到的外力。

在其中一个实施例中，信号采集电路包括第一电阻器和第一电源，第一电阻器和第一电源依次串联在光敏元件的两端。

在其中一个实施例中，光源供电电路包括第二电阻器和第二电源，第二电阻器和第二电源依次串联在光源的两端。

本申请实施例第三方面提供一种机器人，包括手指以及上述的光波导触觉传感器，光波导触觉传感器设置在手指的外表面上。

本申请实施例第四方面提供一种光波导触觉传感器的标定方法，光波导触觉传感器采用上述的光波导触觉传感器，标定方法包括：

向光波导包层施加若干组第一合成力，并获取各光敏元件的若干组第一输出，其中，第一合成力是m维力，m为大于等于1且小于等于3的正整数；

根据若干组第一合成力和对应的光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和各光敏元件的输出的映射关系；

利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验。

在其中一个实施例中，根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的映射关系的步骤具体包括：

根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出，利用多元线性拟合的方式建立映射关系。

在其中一个实施例中，第一合成力为法向力和切向力合成的二维力，光波导触觉传感器包括两条光波导内芯，将两条光波导内芯分别定义为第一光波导内芯和第二光波导内芯；

根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出，并利用多元线性拟合的方式建立映射关系的步骤具体包括：

使用6维基底通过多元线性拟合方法构建光波导传感器的映射模型，映射模型为：

将若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出值分别输入至对应的所述映射模型(1)、所述映射模型(2)，计算出参数A和参数B；

其中，PLU为第一光波导内芯的第一输出，PLL为第二光波导内芯的第一输出；

A为第一光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数a0、a1、a2、a3、a4、a5组成，B为第二光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数b0、b1、b2、b3、b4、b5组成；

6维基底分别为：1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf；

nf为法向力大小，sf为切向力大小，nf²为法向力大小的平方，sf²为切向力大小的平方，nfsf为法向力大小与切向力大小的乘积；

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅分别为第一光波导内芯中6维基底1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf的拟合系数，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，均为与光波导触觉传感器有关的常数；根据所述的拟合过程的相关系数判断所述6维基底对于所述第一输出的相关程度；

b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅分别为第二光波导内芯中6维基底1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf的拟合系数，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅，均为与光波导触觉传感器有关的常数；根据所述的拟合过程的相关系数判断所述6维基底对于所述第一输出的相关程度；

并且，与一组所述第一合成力对应的一组所述第一输出包括：与所述第一光波导内芯对应的第一输出、以及与所述第二光波导内芯对应的第一输出。

在其中一个实施例中，根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的映射关系；

利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验的步骤具体包括：

将光敏元件的若干组第一输出输入映射关系，获得若干组第三合成力，根据若干组第一合成力和若干组第三合成力的差值判断映射关系的准确性。

在其中一个实施例中，

在所有的第一合成力和对应的第一输出中，将部分第一合成力和对应的第一输出划分至测试集合；

将剩余的第一合成力和对应的第一输出划分至校验集合；

根据若干组第一合成力和对应的光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的映射关系，具体包括：

利用测试集合中的第一合成力和对应的光敏元件的第一输出建立映射关系；

利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验，具体包括：

利用校验集合中的第一合成力和对应的各光敏元件的第一输出对映射关系进行校验。

上述的光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人的有益效果：

通过在光波导包层中包覆至少两条光波导内芯，两条光波导内芯在光波导包层的第一方向上间隔布置，即在第一方向上分层布置了至少两个力的感知单元；再加上在各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，因此在光波导包层的外表面受到外力作用时，位于各层上的各光波导内芯相应地发生形变，此时光敏元件由于各层的光波导内芯的光线的强度改变，而捕捉到了与光波导内芯相对应的输出改变，即可以通过获取这些光敏元件的输出，就能够通过在光波导触觉传感器的第一方向不同层上进行的形变同时实现法向力与切向力等多维力的感知。光波导触觉传感器仅在光波导包层中设置光波导内芯、光源以及光敏元件，结构和制作过程均较为简单，也易于与机器人以及可穿戴设备集成，同时不影响机器人以及人的灵活操作能力。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光波导触觉传感器中光波导内芯的结构示意图；

图3为图2的沿A-A线的剖视图；

图4为本申请实施例提供的光波导触觉传感器中光波导内芯的另一种结构的示意图；

图5为图4的沿B-B线的剖视图；

图6为本申请一实施例提供的光波导触觉传感系统的结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的光波导触觉传感系统中信号采集电路和光源供电电路的结构示意图；

图8为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法的流程示意图；

图9为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中对光波导触觉传感器上施加的力的示意图；

图10为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中第一光波导内芯对输入力的响应图；

图11为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中第二光波导内芯对输入力的响应图；

图12为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中划分出的测试集合和校验集合的示意图；

图13为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第一光波导内芯的映射关系的准确性的示意图；

图14为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第二光波导内芯的映射关系的准确性的示意图；

图15为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第一光波导内芯的映射关系的准确性的示意图；

图16为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第二光波导内芯的映射关系的准确性的示意图；

图17为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断映射关系的准确性的示意图；

图18为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断映射关系的准确性的示意图。

附图标号说明：

100、光波导触觉传感器；10、光波导包层；20、光波导内芯；21、第一光波导内芯；22、第二光波导内芯；23、第三光波导内芯；24、第四光波导内芯；25、第五光波导内芯；30、光源；40、光敏元件；

200、光波导触觉传感系统；210、信号采集电路；220、光源供电电路；230、控制器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

丰富的触觉感知能力是双手实现各种灵活操作的重要前提。指尖是触觉感知发生最频繁的地方，人们常常依靠指尖触摸物体来获取形态、纹理、硬度、温度等信息。与人类相比，机器人触觉感知的结构基础略差，往往采用在关节处放置刚体力/力矩传感器的方式，来间接地收集和计算机器人的触觉交互信息。随着软体机器人的发展，柔性触觉传感器为触觉感知带来了新的解决方案。

而丰富的触觉感知能力能够辅助机器人实现各种灵活操作。在触觉交互中，最常见的感知对象为法向力与切向力，而这两种形式的力对于触觉操作也分别具有不同的意义。例如，法向力有助于评估接触力或夹持力的大小，或用于评估碰撞发生的剧烈程度；切向力在纹理检测以及操作中的滑移评估具有重要作用。许多柔性触觉传感器具有感知法向力的功能，也有部分柔性触觉传感器能够对切向力敏感，但能够同时实现法向力与切向力感知的柔性触觉方案目前仍然较少，且往往有着结构复杂、体积大、与机器人或可穿戴设备集成困难等不足。

而本申请中，通过在光波导包层中同时设置至少两个光波导内芯，光源以及光敏元件，光波导包层受到外力时，利用光波导内芯发生变形所导致的光敏元件的输出同时实现法向力与切向力等多维力的感知，因此结构较为简单。

图1为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的结构示意图。

参照图1，本申请第一方面提供一种光波导触觉传感器100，包括：光波导包层10和包覆在光波导包层10中的至少两条光波导内芯20、至少两个光源30和至少两个光敏元件40；

其中，各光波导内芯20均包覆在光波导包层10中，且在光波导包层10的第一方向上间隔布置；各光波导内芯20在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层10的第一方向；

各光波导内芯20的输入端均布置有至少一个光源30，各光波导内芯20的输出端布置有至少一个光敏元件40，各光源30射出的光线通过对应的光波导内芯20传导至对应的光敏元件40中；各光波导内芯20用于在光波导包层10受到外力作用时，发生形变以改变光敏元件40接收到的光线的强度。

在上述方案中，通过在光波导包层10中包覆至少两条光波导内芯20，两条光波导内芯20在光波导包层10的第一方向上间隔布置，即在第一方向上分层布置了至少两个力的感知单元；再加上在各光波导内芯20的输入端均布置有至少一个光源30，各光波导内芯20的输出端布置有至少一个光敏元件40，因此在光波导包层10的外表面受到外力作用时，位于各层上的各光波导内芯20相应地发生形变，此时光敏元件40由于各层的光波导内芯20的光线的强度改变，而捕捉到了与光波导内芯20相对应的输出改变，即可以通过获取这些光敏元件40的输出，就能够通过在光波导触觉传感器100的第一方向不同层上进行的形变同时实现法向力与切向力等多维力的感知。光波导触觉传感器100仅在光波导包层10中设置光波导内芯20、光源30以及光敏元件40，结构和制作过程均较为简单，也易于与机器人以及可穿戴设备集成，同时不影响机器人以及人的灵活操作能力。

其中，光波导包层10可以采用柔性材料、例如硅橡胶制成。由于硅橡胶等柔性材料与人体皮肤具有相近的杨氏模量，在力触感知方面具有一定优势。首先，硅橡胶等柔性材料在微小力的刺激下可以表现出相当大的变形，这相当于对微小的力具有放大效应。因此，用简单的检测方法可以获得相当高的灵敏度。第二，力的作用可以传递到柔性材料的内部。如果在深度方向上分层布置变形传感单元(光波导内芯)，可以检测到更丰富的触觉信息。第三，柔性材料具有良好的曲面共形能力，使得在人手指尖等复杂的表面上收集触觉信息成为可能。

光波导是一种结构简洁的敏感单元，将多根光波导内芯20集成在同一光波导包层中，依然能使传感器整体结构轻薄紧凑，易于与机器人以及可穿戴设备集成，同时不会影响操作顺应性。并且，光波导传感器是一种高重复精度、高信噪比的优质敏感单元，简洁的同步标定算法就可以实现切向力以及法向力的解耦。

柔性材料制成的光波导传感器具有很好的抗过载能力，这一点对于增强传感器的实用性具有重要作用。在一定限度内，即使是超量程的载荷长时间作用在传感器上，也不会造成不可逆的机械损伤，当传感器恢复原形状后，依然能够恢复到过载前的响应水平。

本申请实施例中，光波导包层10的形状可以大致形成为板层状，即厚度方向远小于长度方向和宽度方向尺寸的板状结构。这里第一方向F可以是光波导包层10的厚度方向(高度方向)。

本申请实施例中，在光波导包层10受到外力作用时，外力的作用通过光波导包层10而传递至光波导内芯20上，光波导内芯20会形变以改变其对应的光敏元件40接收到的光线的强度。

需要注意的是，光波导内芯20、光源30、光敏元件40的数量可以根据实际需要选择。对于一个光波导内芯20而言，可以是输入端设有一个或多个光源30，输出端设有一个或多个光敏元件40，但必须保证，各光波导内芯20的输入端均布置有至少一个光源30，各光波导内芯20的输出端布置有至少一个光敏元件40，各光源30射出的光线通过对应的光波导内芯20传导至对应的光敏元件40中。

图2为本申请实施例提供的光波导触觉传感器100中光波导内芯20的结构示意图，图3为图2的沿A-A线的剖视图。

参照图2、图3，作为一种可能的实施方式，在光波导内芯20为两条时，可以将两条光波导内芯20分别定义为第一光波导内芯21和第二光波导内芯22。各光波导内芯20在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层10的第一方向F。具体到图2所示的俯视图时，可以看到第一光波导内芯21和第二光波导内芯22的在俯视角度下相互交叉。进一步的，两条光波导内芯20，即第一光波导内芯21和第二光波导内芯22在第一平面上的投影可以垂直。

图4为本申请实施例提供的光波导触觉传感器100中光波导内芯的另一种结构的示意图，图5为图4的沿B-B线的剖视图。

参照图4、图5，作为另一种可能的实施方式，光波导内芯20的数量为三条，每两条光波导内芯20在第一平面上的投影的夹角均为120°。可以将三条光波导内芯20分别定义为第三光波导内芯23、第四光波导内芯24、第五光波导内芯25。由图4、图5可以看出，第三光波导内芯23、第四光波导内芯24、第五光波导内芯25在第一方向F上相互间隔开，并且相互平行，三者彼此均有120°的夹角。

本申请实施例中，每一光波导内芯20被构造为呈柱状，光波导包层10被构造为呈长方体状，且光波导内芯20的轴线垂直于光波导包层10的第一方向，其中，光波导包层10的高度方向形成第一方向。具体的，光波导内芯20可以是柱状的，当将光波导内芯20埋在一个方形的光波导包层10中，使得这个光波导内芯20具有了一个方向性取向，各个方向上的力作用在光波导上会和这个取向有不同的夹角，从而使得各个方向上的力造成的响应不同，这个就是结构上的各向异性。

本申请实施例中，可以是各光波导内芯20在光波导包层10内呈直线状排布，并将其埋附在光波导包层10中，结构上的各向异性为传感器带来各向异性的感知特性，能够对法向力和切向力展现出不同的灵敏度。这将增强传感器在辅助交互操作或是采集触觉信息中的作用，有助于增强机器人的交互性与安全性，增强可穿戴设备所触觉采集信息的丰富性。

本申请实施例中，光波导包层10与光波导内芯20按照光的全反射原理工作，需要满足使光波导内芯20的折射率大于光波导包层10的折射率，光波导内芯20的材质可以为聚氨酯。

图6为本申请一实施例提供的光波导触觉传感系统200的结构示意图；图7为本申请一实施例提供的光波导触觉传感系统200中信号采集电路210和光源供电电路220的结构示意图。

参照图6，本申请第二方面提供一种光波导触觉传感系统200，包括如上述的光波导触觉传感器100、信号采集电路210和光源供电电路220。

其中，光波导触觉传感器100的结构、功能、工作原理等已经在前面进行过详细说明，此处不再赘述。

信号采集电路210与至少两个光敏元件40电连接，并用于采集至少两个光敏元件40的输出信号；

光源供电电路220，与至少两个光源30电连接，并用于对至少两个光源30供电；以及

控制器230，与信号采集电路210电连接，用于根据信号采集电路210测得的至少两个光敏元件40的输出信号获取光波导触觉传感器100受到的外力。

进一步的，参照图7，信号采集电路210包括第一电阻器R1和第一电源V1，第一电阻器R1和第一电源V1依次串联在光敏元件40的两端。

光源供电电路220包括第二电阻器R2和第二电源V2，第二电阻器R2和第二电源V2依次串联在光源30的两端。

本申请第三方面提供一种机器人，包括手指以及上述的光波导触觉传感器100，光波导触觉传感器100设置在手指的外表面上。

其中，光波导触觉传感器100的结构、功能、工作原理等已经在前面进行过详细说明，此处不再赘述。

本申请第四方面提供一种光波导触觉传感器的标定方法，其中，光波导触觉传感器采用上述的光波导触觉传感器，需要注意的是，光波导触觉传感器的结构、功能、工作原理等已经在前面进行过详细说明，此处不再赘述。

本实施例的光波导触觉传感器的标定方法包括：

S10、向光波导包层施加若干组第一合成力，并获取各光敏元件的若干组第一输出，其中，第一合成力是m维力，m为大于等于1且小于等于3的正整数；

S20、根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的输出的映射关系；

S30、利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验。

在上述方案中，通过在光波导包层中包覆至少两条光波导内芯，两条光波导内芯在光波导包层的第一方向上间隔布置，即在第一方向上分层布置了至少两个力的感知单元；再加上在各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，因此在光波导包层的外表面受到外力作用时，位于各层上的各光波导内芯相应地发生形变，此时光敏元件由于各层的光波导内芯的光线的强度改变，而捕捉到了与光波导内芯相对应的输出改变，即可以通过获取这些光敏元件的输出，就能够通过在光波导触觉传感器的第一方向不同层上进行的形变同时实现法向力与切向力等多维力的感知。

另外，在光波导触觉传感器的标定方法中，通过利用光敏元件的若干组第一输出和第一合成力建立了光波导触觉传感器的输入力和各光敏元件的输出的映射关系，这样在实际应用中只需要测得光敏元件的输出，就可以通过映射关系获得光波导触觉传感器上实际施加的力。进一步的，还利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验，验证得到的映射关系是否准确，或者比较不同的拟合系数，看哪个得到的映射关系更为准确。

本申请实施例中，以一个光波导内芯对应一个光源和一个光敏元件为例进行说明。

可选的，根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的映射关系的步骤具体包括：

根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出，利用多元线性拟合的方式建立映射关系。

本申请实施例中，上述的步骤S20、S30具体包括：

将光敏元件的若干组第一输出输入至建出的映射关系，获得若干组第三合成力，根据若干组第一合成力和若干组第三合成力的差值判断映射关系的准确性。

另外，本申请实施例中，在所有的第一合成力和对应的第一输出中，将部分第一合成力和对应的第一输出划分至测试集合；

将剩余的第一合成力和对应的第一输出划分至校验集合；

步骤S20具体包括：

利用测试集合中的第一合成力和对应的各光敏元件的第一输出建立映射关系；

步骤S30，具体包括：

利用校验集合中的第一合成力和对应的各光敏元件的第一输出对映射关系进行校验。

下面举出一个具体的示例对本实施例的光波导触觉传感器的标定方法进行说明。

图9为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中对光波导触觉传感器上施加的力的示意图。

以下以图1、图2中例示出的光波导触觉传感器中包括第一光波导内芯21和第二光波导内芯22为例进行标定方法的说明。

首先，参照图9，定义垂直于光波导包层表面，也即平行于光波导包层厚度方向力为法向力N，定义垂直于第一光波导内芯21的切向力为光波导触觉传感器的切向力S。将法向力N和合力H(法向力N和切向力S的合成力)之间的夹角定义为θ，研究了θ处于0°和90°之间时，第一光波导内芯21和第二光波导内芯22中，针对于不同输入力的响应情况。

图10为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中第一光波导内芯对输入力的响应图，图11为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中第二光波导内芯对输入力的响应图。

参照图10，横轴表示在光波导触觉传感器上施加的合力(空间矢量力)，纵轴表示第一光波导内芯中的光损信号。图10表明，在第一光波导内芯中，在合力不变的情况下，合力的角度θ不同时，第一光波导内芯具有不同的光损信号；并且，在第一光波导内芯中，在合力的角度θ不变的情况下，合力的大小不同时，第一光波导内芯具有不同的光损信号。并且各曲线均能够保持良好的线性。其表明，第一光波导内芯对于光波导触觉传感器上施加的空间矢量力表现出良好的线性和各向异性。

参照图11，横轴表示在光波导触觉传感器上施加的合力(空间矢量力)，纵轴表示第二光波导内芯中的光损信号。图11表明，在第二光波导内芯中，在合力不变的情况下，合力的角度θ不同时，第二光波导内芯具有不同的光损信号；并且，在第二光波导内芯中，在合力的角度θ不变的情况下，合力的大小不同时，第二光波导内芯具有不同的光损信号。并且各曲线均能够保持良好的线性。其表明，第二光波导内芯对于光波导触觉传感器上施加的空间矢量力表现出良好的线性和各向异性。

下面具体说明上述光波导触觉传感器的标定方法，其包括：

步骤一：选取41组第一合成力输入到光波导触觉传感器的光波导包层上，并获取41组对应的各光敏元件的第一输出。

步骤二：本申请实施例中，在所有的第一合成力和对应的第一输出中，将部分第一合成力(例如28组)和对应的第一输出划分至测试集合；将剩余的第一合成力(例如13组)和对应的第一输出划分至校验集合。

即进行分区数据操作，可以理解的是，这里所有分区操作是随机的。校验集合中的校验点用于对光波导传感器中建立的映射关系进行验证；测试集合中的测试点用于建立前述的映射关系。

步骤三：使用6维基底通过多元线性拟合方法构建光波导传感器的映射模型，映射模型为：

其中，PLU为第一光波导内芯的第一输出，PLL为第二光波导内芯的第一输出；

A为第一光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数a0、a1、a2、a3、a4、a5组成，B为第二光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数b0、b1、b2、b3、b4、b5组成；

6维基底分别为：1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf；

nf为法向力大小，sf为切向力大小，nf²为法向力大小的平方，sf²为切向力大小的平方，nfsf为法向力大小与切向力大小的乘积；

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅分别为第一光波导内芯中6维基底1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf的拟合系数，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，均为与光波导触觉传感器有关的常数；根据的拟合过程的相关系数判断6维基底对于第一输出的相关程度；

b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅分别为第二光波导内芯中6维基底1、nf、nf²、sf、sf²、nfsf的拟合系数，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅，均为与光波导触觉传感器有关的常数，根据的拟合过程的相关系数判断6维基底对于第一输出的相关程度；

并且，与一组第一合成力对应的一组第一输出包括：与所一光波导内芯对应的第一输出、以及与第二光波导内芯对应的第一输出。

而将测试集合中的第一合成力和第一输出输入到该映射模型中即可求得A和B。换言之，将若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出值分别输入至对应的映射模型(1)、映射模型(2)，计算出参数A和参数B。

图13为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第一光波导内芯的映射关系的准确性的示意图，图14为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第二光波导内芯的映射关系的准确性的示意图。

图15为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第一光波导内芯的映射关系的准确性的示意图，图16为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断第二光波导内芯的映射关系的准确性的示意图，图17为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断映射关系的准确性的示意图，图18为本申请一实施例提供的光波导触觉传感器的标定方法中判断映射关系的准确性的示意图。

步骤四：对第一光波导内芯，将具有预设间隔(步距)的若干组第二合成力(例如第二合成力中，切向力的取值范围为0～1N，法向力的取值范围为0～1N)，输入上述建立出的映射关系(1)中，获得各光敏元件的若干组第二输出，将上述的第二合成力和第二输出输入到图13所述的拟合空间中，形成网格。而图13中的28个点是第一合成力和第一输出在拟合空间中的表示。

对第二光波导内芯，将具有预设间隔(步距)的若干组第二合成力(例如第二合成力中，切向力的取值范围为0～1N，法向力的取值范围为0～1N)，输入上述建立出的映射关系(2)中，获得各光敏元件的若干组第二输出，将上述的第二合成力和第二输出输入到图14所述的拟合空间中，形成网格。而图14中的点是第一合成力和第一输出在拟合空间中的表示。由此可知，上述映射关系(1)和映射关系(2)的准确性均较高。

步骤五：将光敏元件的若干组第一输出输入至建出的映射关系(1)和映射关系(2)，获得若干组第三合成力，根据若干组第一合成力和若干组第三合成力的差值判断映射关系的准确性。

这里以校验集合中的中的一个信号对(PLU₉、PLL₉)为例进行说明。

参照图15，其中的网格是图13对应的步骤中建立的网格，选取平行于坐标底部，且距离坐标底部的高度为PLU₉的平面J1，找到平面J1和网格的交线J2(第一光波导内芯光损信号等高线)，交线J2的物理意义为所有可能使第一光波导对应的光敏元件的输出响应为PLU₉的所有法向力与切向力的组合。

参照图16，其中的网格是图14对应的步骤中建立的网格，选取平行于坐标底部，且距离坐标底部的高度为PLL₉的平面J3，找到平面J3和网格的交线J4(第二光波导内芯光损信号等高线)，交线J4的物理意义为所有可能使第二光波导对应的光敏元件的输出响应为PLL₉的所有法向力与切向力的组合。

将两条交线J2和J4相交，即可得到如图17所示的交点(估计点)，坐标为(NFEV₉，SFEV₉)，NFEV₉由光敏元件的输出响应(PLU₉、PLL₉)通过映射关系得到的法向力的估计值，SFEV₉由光敏元件的输出响应(PLU₉、PLL₉)通过映射关系得到的法向力的估计值。

使用如上所述的校验方法，我们对校验集合中的其余12个信号都重复了上述标定过程，得到了13个力点的估计值，将他们与校验集合中由实验测得的13个实际切向力和法向力进行比较，如图18所示，并计算误差。

由图18可知，合力的估计值与测量值之间的平均误差为50.9mN。法向力的估计值与测量值之间的最小误差为1.92mN，最大误差为113.8mN，平均误差为28.0mN。切向力的估计值与测量值之间的最小误差为10.5mN，最大误差为275.8mN，平均误差为81.1mN。其中，法向力的标定精度要优于切向力，这应该是由于光波导触觉传感器自身对于法向力的灵敏度就高于切向力。同时，我们发现估计误差较大的点往往位于拟合空间的边缘。这可能是因为边缘上的点很少被外围上的点交叉验证。这启发我们，如果要提高标定精度，或许应该扩大标定范围，然后选择局部的高精度标定区域。

由步骤四和步骤五可以得知，上述的映射关系(1)和映射关系(2)的精确性较高，可以应用于本申请实施例中的光波导触觉传感器中。

下面举出一个向光波导触觉传感器施加第一合成力的具体实施例。

首先在传感器上施加0.4N的法向力预载荷，这个预载荷可以有效抑制施力压头的倾翻问题，并且更贴近触觉传感器在实际使用中的真实情况。

在对光波导触觉传感器上施加了法向预载荷的基础上，施加一个法向位移，使得传感器受到0.4N的法向力，然后为传感器施加0N，0.2N，0.4N，0.6N，0.8N，1N的切向力，同步记录稳定状态下法向力与切向力以及两光波导内芯的信号响应。然后将法向力增大至0.2N，再次施加0N，0.2N，0.4N，0.6N，0.8N，1N的切向力，同步记录稳定状态下法向力与切向力以及两光波导内芯的信号响应。以相同的方案，测试并记录0.4N，0.6N，0.8N，1N法向力下，0N，0.2N，0.4N，0.6N，0.8N，1N的切向力下，法向力与切向力以及两光波导内芯的信号响应。当然，本申请实施例不限于此，施加的步距和方向可以根据实际需要选择。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光波导触觉传感器，其特征在于，包括：光波导包层和包覆在所述光波导包层中的光波导内芯、光源和光敏元件；

其中，各所述光波导内芯均包覆在所述光波导包层中，且在所述光波导包层的第一方向上间隔布置；

各所述光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，所述第一平面垂直于所述光波导包层的第一方向；

各所述光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各所述光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各所述光源射出的光线通过对应的所述光波导内芯传导至对应的光敏元件中；

各所述光波导内芯用于在所述光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变所述光敏元件接收到的光线的强度；

所述光波导内芯的数量为三条，每两条所述光波导内芯在所述第一平面上的投影的夹角均为120°，三条所述光波导内芯在所述第一平面上的投影相交于一点，且三条所述光波导内芯均与所述第一方向垂直；

各所述光波导内芯的输入端均布置有至少一个所述光源，各所述光波导内芯的输出端布置有至少一个所述光敏元件。

2.根据权利要求1所述的光波导触觉传感器，其特征在于，各所述光波导内芯在所述光波导包层内呈直线状排布。

3.根据权利要求1或2所述的光波导触觉传感器，其特征在于，所述光波导包层的材质为硅橡胶；和/或

所述光波导内芯的折射率大于所述光波导包层的折射率；和/或

所述光波导内芯的材质为聚氨酯。

4.根据权利要求1或2所述的光波导触觉传感器，其特征在于，每一所述光波导内芯被构造为呈柱状，所述光波导包层被构造为呈长方体状，且所述光波导内芯的轴线垂直于所述光波导包层的所述第一方向，其中，所述光波导包层的高度方向形成所述第一方向。

5.一种光波导触觉传感系统，其特征在于，包括：

如权利要求1～4中任一项所述的光波导触觉传感器；

信号采集电路，与所述至少两个光敏元件电连接，并用于采集所述至少两个光敏元件的输出信号；

光源供电电路，与所述至少两个光源电连接，并用于对所述至少两个光源供电；以及

控制器，与所述信号采集电路电连接，用于根据所述信号采集电路测得的所述至少两个光敏元件的输出信号获取所述光波导触觉传感器受到的外力。

6.一种机器人，其特征在于，包括手指以及如权利要求1～4中任一项所述的光波导触觉传感器，所述光波导触觉传感器设置在所述手指的外表面上。

7.一种光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，所述光波导触觉传感器采用如权利要求1～4中任一项所述的光波导触觉传感器，所述标定方法包括：

向所述光波导包层施加若干组第一合成力，并获取各光敏元件的若干组第一输出，其中，所述第一合成力是m维力，m为大于等于1且小于等于3的正整数；

根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的输出的映射关系；

利用至少一组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的至少一组所述第一输出对所述映射关系进行校验。

8.根据权利要求7所述的光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的映射关系的步骤具体包括：

根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出，利用多元线性拟合的方式建立映射关系。

9.根据权利要求7或8所述的光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，所述根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的映射关系；

利用至少一组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的至少一组所述第一输出对所述映射关系进行校验的步骤具体包括：

将所述光敏元件的若干组所述第一输出输入所述映射关系，获得若干组第三合成力，根据若干组所述第一合成力和若干组所述第三合成力的差值判断所述映射关系的准确性。

10.根据权利要求7或8所述的光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，

在所有的所述第一合成力和对应的所述第一输出中，将部分所述第一合成力和对应的所述第一输出划分至测试集合；

将剩余的所述第一合成力和对应的所述第一输出划分至校验集合；

根据若干组所述第一合成力和对应的所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的映射关系，具体包括：

利用测试集合中的所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的所述第一输出建立映射关系；

利用至少一组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的至少一组所述第一输出对所述映射关系进行校验，具体包括：

利用校验集合中的所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的所述第一输出对所述映射关系进行校验。