CN115371874A - 一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性反光面的光电式传感器，其包括壳体组件，其为中空腔体，所述壳体组件不透光；固定设置在所述壳体组件中的电路板；固定设置在所述电路板正面中心的发光二极管；等距环绕在所述发光二极管周围的多个光电二极管；平行设置在所述电路板的上方且贯穿所述壳体组件的弹性反光体，其内设置有反光层，所述发光二极管发出的光线通过所述反光层的反射能够被多个所述光电二极管接收。本发明还公开一种多维力检测方法。本发明通过外力作用在弹性反光体上，使得电路板输出电压值发生变化；电压值经映射模型转化为力值输出，从而有效地实现多维力的检测功能。

Description

一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法。

背景技术

用于测量力的传感器在制造业、医疗器械、消费者电子、航空航天、土木工程、军事工程等领域应用广泛，为最常用的传感器之一。力传感器一般测量压力或拉力，即一维或单轴力传感器；机器人、航空航天等领域还会用到同时测量压力、摩擦力、力矩等的多维力传感器。多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。现有技术中很少有基于光电式传感器且具有柔软接触面作为多维力传感器进行多维力的检测产品。因此，鉴于上述方案于实际制作及实施使用上的缺失之处，而加以修正、改良，同时本着求好的精神及理念，并由专业的知识、经验的辅助，以及在多方巧思、试验后，方创设出本设计，故提供一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法，用于解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法，以便于解决上述的问题。

本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法可以通过下列技术方案来实现：

本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器包括壳体组件，其为中空腔体，所述壳体组件不透光；固定设置在所述壳体组件中的电路板；固定设置在所述电路板正面中心的发光二极管；等距环绕在所述发光二极管周围的多个光电二极管；平行设置在所述电路板的上方且贯穿所述壳体组件的弹性反光体，其内设置有反光层，所述发光二极管发出的光线通过所述反光层的反射能够被多个所述光电二极管接收。

在其中一种实施方式中，所述弹性反光体包括依次从下到上设置平面弹性层、反光层和弧形弹性层；所述平面弹性层为透明弹性材质，所述弧形弹性层为不透光弹性材质且贯穿所述壳体组件，所述反光层覆盖在所述弧形弹性层的反面。

在其中一种实施方式中，所述平面弹性层和所述弧形弹性层采用的材质为硅胶。

在其中一种实施方式中，所述硅胶硬度范围为邵氏00型10-50或者邵氏A型10-60。

在其中一种实施方式中，所述反光层的材质为银漆或者液态金属。

在其中一种实施方式中，所述壳体组件包括主壳体和盖板，所述主壳体为中空腔体；所述盖板为中空环形，其通过卡扣结构或者螺丝结构设置在所述主壳体的上方。

在其中一种实施方式中，所述主壳体内设置有多个固定柱；所述主壳体的侧壁及底部设置有多个通孔。

在其中一种实施方式中，所述电路板上设置有数据接口、开关和多个引脚；所述数据接口、所述开关、所述多个引脚分别通过相对应的所述通孔贯穿所述壳体组件。

在其中一种实施方式中，四个所述光电二极管等距围绕在所述发光二极管的周围；所述发光二极管和所述光电二极管通过贴片方式贴合在所述电路板的正面。

一种多维力检测方法，包括以下步骤：

第一步，标定权利要求1-9任一项所述的光电式传感器；首先，将所述光电式传感器与标准多维力传感器接触；然后，调节所述标准多维力传感器与所述光电式传感器的接触程度产生力，记录此时所述光电式传感器的原始信号值X和所述标准多维力传感器的读数Y；再后，重复上一步，获得新的一组X与Y，记为Gi＝[Xi,Yi]，i为自然数；当获得N组Gi后，进入下一步；最后，将Gi随机分为组数为M的计算组Gj和组数为N–M的测试组Gk；将Gj导入解耦软件，获得函数关系Y＝f(X)；将Gk中的X带入f(X)，与Gk中的Y进行对比，计算准确率；若准确率欠佳，回到上一步并增加N；若准确率达标，则标定结束：所述光电式传感器的输出值Y与原始信号X的转换关系为Y＝f(X)，即为映射模型；

第二步，使用已标定好的所述光电式传感器；将第一步中已标定的所述光电式传感器与待测物体接触；弹性反光层受外力发生形变，光线反射发生改变，导致电路板输出电压值变化；电压值经计算机中的映射模型转化为力值输出，包括XYZ三方向的力和力矩。

与现有技术相比，本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法的有益效果为：

本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器及多维力检测方法通过外力作用在弧形弹性层上，使得发光二极管发出的光线经过形变的反光层进行反射，使得多个光电二极管接收到的光线也发生变化，从而导致电路板输出电压值也跟随发生变化；电压值经计算机中的映射模型转化为力值输出，从而有效地实现多维力的检测功能，实现同时测量XYZ三方向的力和力矩；

采用弹性反光体，使得受力面柔软，可紧密贴附物体表面，当弹性反光体受损后可更换，不影响传感器性能；

基于光反射的原理使传感器具有较高的测量精度与灵敏度；可以根据实际需求使用不同硬度的材料制作弹性反光体，可满足不同的量程需求；

本发明同时具有柔软、轻质、小巧、制作简易、灵敏度高、鲁棒性好、可同时测量压力、摩擦力、力矩的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器的结构示意图；

图2是图1所示本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器另一侧面的结构示意图；

图3是图1所示本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器的爆炸结构示意图，包括电路板；

图4是图1所示本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器的纵向截面结构示意图；

图5是图3所示本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器中电路板的结构示意图；

图6是图5所示电路板另一侧面的结构示意图；

图7是本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器中电压与多维力的映射关系示意图；

图8是本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器中标定传感器的步骤示意图。

图中标示：1，光电式传感器；11，壳体组件；111，主壳体；1111，固定柱；1112，通孔；112，盖板；12，电路板；121，数据接口；122，开关；123，引脚；124，固定孔；13，发光二极管；14，光电二极管；15，弹性反光体；151，平面弹性层；152，反光层；153，弧形弹性层；18，映射模型；19，标准多维力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，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之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

请参阅图1-图4，本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器1主要包括壳体组件11、电路板12、发光二极管13、多个光电二极管14和弹性反光体15；所述壳体组件11为中空腔体，其不透光；所述电路板12固定设置在所述壳体组件11中；所述发光二极管13固定设置在所述电路板12正面的中心；多个所述光电二极管14等距环绕在所述发光二极管13的周围；所述弹性反光体15具有弹性，其平行设置在所述电路板12的上方且贯穿所述壳体组件11，所述弹性反光体15内设置有反光层152，所述发光二极管13发出的光线通过所述反光层152的反射能够被多个所述光电二极管14接收。

请参阅图1-图4，在本实施例中，所述壳体组件11包括主壳体111和盖板112，所述主壳体111为中空腔体，所述电路板12固定设置在所述主壳体11中，所述盖板112为中空环形，其通过卡扣结构或者螺丝结构设置在所述主壳体111的上方；所述主壳体111内设置有多个固定柱1111，通过多个所述固定柱1111把所述电路板12固定在所述主壳体111内；所述主壳体111的侧壁及底部设置有多个通孔1112。

请参阅图3-图6，在本实施例中，所述电路板12上设置有数据接口121、开关122和多个引脚123；所述数据接口121、所述开关122、所述多个引脚123分别通过相对应的所述通孔1112贯穿所述壳体组件11；所述数据接口121通过数据线与计算机连接，通过数据线传输数据以及为所述电路板12提供电源，所述开关122控制所述光电式传感器1的开关，多个所述引脚123为调试所述电路板12预留的接口。在本实施例中，所述电路板12上贯穿设置有多个固定孔124，多个所述固定孔124通过螺丝分别与相对应的所述固定柱1111连接，从而把所述电路板12固定在所述壳体组件11上。

请参阅图3-图5，在本实施例中，四个所述光电二极管14等距围绕在所述发光二极管13的周围，在其他实施例中，所述光电二极管14的个数也可以是三个、五个、六个或者其他多数个，所述光电二极管14的数量可以根据实际需要进行设置。在本实施例中，所述发光二极管13和所述光电二极管14通过贴片方式贴合在所述电路板12的正面。

请参阅图3和图4，在本实施例中，所述弹性反光体15包括平面弹性层151、反光层152和弧形弹性层153，所述平面弹性层151、所述反光层152、所述弧形弹性层153依次从下到上设置，所述弧形弹性层153贯穿所述壳体组件11；所述平面弹性层151为透明弹性材质，所述弧形弹性层153为不透光弹性材质，所述反光层152覆盖在所述弧形弹性层153的反面，优选地，所述平面弹性层151和所述弧形弹性层153采用的材质为硅胶，所述硅胶硬度范围为邵氏00型10-50或者邵氏A型10-60；更软或更硬的硅胶、不同硬度的橡胶或其他弹性体材料也适用；弹性层硬度越大则对力的量程越大，灵敏度越低，反之亦然。在本实施例中，所述弹性反光体15的制作过程为：第一步为将液态硅胶倒入模具一中，待其固化后取出，得到所述弧形弹性层153；第二步为在所述弧形弹性层153的反面平面上喷涂反光材料形成所述反光层152，所述反光层152的材质为银漆或者液态金属；第三步为将带有所述反光层152的所述弧形弹性层153放置于模具二中，并倒入液态硅胶待其固化，形成所述平面弹性层151；待所述平面弹性层151、所述反光层152和所述弧形弹性层153粘合紧密，从模具二中取出即可得所述弹性反光体15。通过上述方法制成的所述弹性反光体15直径、厚度、弧度都可通过修改模具一和模具二的尺寸来实现。

请参阅图4和图7，在本实施例中，所述发光二极管13发光，由于所述壳体组件11不透光，光线透过所述平面弹性层151后经反光层152反射，反射光被多个所述光电二极管14接收；所述电路板12给所述发光二极管13供电，并分别接收多个所述光电二极管14产生的电流，并经过电路转化为电压值输出；当所述弧形弹性层153受外力发生形变，经过所述反光层152反射光线的角度发生改变，导致所述电路板12输出电压值也跟随发生变化；电压值经计算机中的映射模型18转化为力值输出，包括XYZ三方向的力Fx，Fy，Fz和力矩Tx，Ty，Tz。电压与力的映射模型18为机器学习方法生成的回归拟合模型；此模型需通过事先对传感器进行标定，获知外力与电压值的映射关系。机器学习方法包括但不限于支持向量机SVM、多层感知机MLP、极限学习机ELM。

请参阅图8，本发明一种多维力检测方法，包括以下步骤：

第一步，标定所述光电式传感器1；首先，将所述光电式传感器1与标准多维力传感器19接触；所述标准多维力传感器19一般是已校准的工业级产品或科研级仪器；然后，调节所述标准多维力传感器19与所述光电式传感器1的接触程度产生力，记录此时所述光电式传感器1的原始信号值X和所述标准多维力传感器19的读数Y；再后，重复上一步，获得新的一组X与Y，记为Gi＝[Xi,Yi]，i为自然数；当获得N组(N一般为百或千量级)Gi后，进入下一步；最后，将Gi随机分为组数为M的计算组Gj和组数为N–M的测试组Gk，M/N可取0.8；将Gj导入解耦软件，获得函数关系Y＝f(X)；解耦软件多为基于机器学习的计算机程序，也可以是基于查找表的计算机程序；将Gk中的X带入f(X)，与Gk中的Y进行对比，计算准确率；若准确率欠佳，回到上一步并增加N；若准确率达标，则标定结束：所述光电式传感器1的输出值Y与原始信号X的转换关系为Y＝f(X)，即映射模型18；

第二步，使用已标定好的所述光电式传感器1；将已标定的所述光电式传感器1与待测物体接触；所述弹性反光层153受外力发生形变，光线反射发生改变，导致所述电路板12输出电压值变化；电压值经计算机中的映射模型转化为力值输出，包括XYZ三方向的力和力矩。

需要说明的是，本发明一种基于弹性反光面的光电式传感器通过外力作用在所述弧形弹性层153上，使得所述发光二极管13发出的光线经过形变后的所述反光层152进行反射，使得多个所述光电二极管14接收到的光线也发生变化，从而导致所述电路板12输出电压值也跟随发生变化；电压值经计算机中的所述映射模型18转化为力值输出，包括XYZ三方向的力Fx，Fy，Fz和力矩Tx，Ty，Tz。电压与力的所述映射模型18为机器学习方法生成的回归拟合模型；此模型需通过事先对传感器进行标定，获知外力与电压值的映射关系。

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)

1.一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，包括壳体组件，其为中空腔体，所述壳体组件不透光；固定设置在所述壳体组件中的电路板；固定设置在所述电路板正面中心的发光二极管；等距环绕在所述发光二极管周围的多个光电二极管；平行设置在所述电路板的上方且贯穿所述壳体组件的弹性反光体，其内设置有反光层，所述发光二极管发出的光线通过所述反光层的反射能够被多个所述光电二极管接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述弹性反光体包括依次从下到上设置平面弹性层、反光层和弧形弹性层；所述平面弹性层为透明弹性材质，所述弧形弹性层为不透光弹性材质且贯穿所述壳体组件，所述反光层覆盖在所述弧形弹性层的反面。

3.根据权利要求2所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述平面弹性层和所述弧形弹性层采用的材质为硅胶。

4.根据权利要求3所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述硅胶硬度范围为邵氏00型10-50或者邵氏A型10-60。

5.根据权利要求2所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述反光层的材质为银漆或者液态金属。

6.根据权利要求1所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述壳体组件包括主壳体和盖板，所述主壳体为中空腔体；所述盖板为中空环形，其通过卡扣结构或者螺丝结构设置在所述主壳体的上方。

7.根据权利要求6所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述主壳体内设置有多个固定柱；所述主壳体的侧壁及底部设置有多个通孔。

8.根据权利要求7所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，所述电路板上设置有数据接口、开关和多个引脚；所述数据接口、所述开关、所述多个引脚分别通过相对应的所述通孔贯穿所述壳体组件。

9.根据权利要求1所述的一种基于弹性反光面的光电式传感器，其特征在于，四个所述光电二极管等距围绕在所述发光二极管的周围；所述发光二极管和所述光电二极管通过贴片方式贴合在所述电路板的正面。

10.一种多维力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，标定权利要求1-9任一项所述的光电式传感器；首先，将所述光电式传感器与标准多维力传感器接触；然后，调节所述标准多维力传感器与所述光电式传感器的接触程度产生力，记录此时所述光电式传感器的原始信号值X和所述标准多维力传感器的读数Y；再后，重复上一步，获得新的一组X与Y，记为Gi＝[Xi,Yi]，i为自然数；当获得N组Gi后，进入下一步；最后，将Gi随机分为组数为M的计算组Gj和组数为N–M的测试组Gk；将Gj导入解耦软件，获得函数关系Y＝f(X)；将Gk中的X带入f(X)，与Gk中的Y进行对比，计算准确率；若准确率欠佳，回到上一步并增加N；若准确率达标，则标定结束：所述光电式传感器的输出值Y与原始信号X的转换关系为Y＝f(X)，即为映射模型；

第二步，使用已标定好的所述光电式传感器；将第一步中已标定的所述光电式传感器与待测物体接触；弹性反光层受外力发生形变，光线反射发生改变，导致电路板输出电压值变化；电压值经计算机中的映射模型转化为力值输出，包括XYZ三方向的力和力矩。

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