CN212567428U - 一种触觉传感器和机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种触觉传感器和机器人，涉及传感器技术领域，包括基板、深度信息模组和弹性壳体；弹性壳体设置于基板的一侧，且与基板围合形成形变腔室；深度信息模组设置于基板且位于形变腔室内，用于获取弹性壳体的形变信息，完成对触摸物体的压力、纹理、三维形貌等的间接获取。实现机器触觉感知，对触摸物体的几何、纹理信息不做要求，适应性强。同时可以实现高精度、低功耗和集成化的推广应用。避免了现有触觉传感器由于材质、工艺和良率等的限制仅能停留在实验室阶段，无法真正批量化的制造和应用。同时，弹性壳体还可以对内部的各种模组进行有效的保护。

Description

一种触觉传感器和机器人

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种触觉传感器和机器人。

背景技术

随着机器人的普及，传感器作为机器人行动时的眼睛，其也得到了较为广泛的应用，而触觉传感器作为一种通过接触从而获取信息的传感器，其不仅可以感知触摸物体的材质、纹理、形貌(即物体的三维信息)，还能感知触摸过程中触摸物体施加的压力、温度和湿度等信息，可以作为除视觉传感器外的补充，进一步的辅助机器视觉实现物体、周围环境的感知。

现有触觉三维立体传感器主要是基于压阻、压容、压电、离电子、摩擦电原理且结合三维结构实现三维立体传感。这种传感器主要是利用新颖材料、新颖微结构通过微纳工艺实现，是通过三轴结构以此实现三维空间力的传感感知。该方案目前还广泛停留在实验室阶段，且并未有大规模的应用，主要源于新颖材料合成工艺、微结构制作工艺以及器件制作工艺要求高，阵列化制作难度更大，很难同时保证在同等量程条件下，阵列各单元的一致性，其成本非常高昂，稳定性较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种触觉传感器和机器人，以解决现有触觉三维立体传感器由于工艺、材料以及良率的限制导致稳定性较差的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

本实用新型实施例的一方面，提供一种触觉传感器，包括基板、深度信息模组和弹性壳体；弹性壳体设置于基板的一侧，且与基板围合形成形变腔室；深度信息模组设置于基板且位于形变腔室内，用于获取弹性壳体的形变信息。

可选的，深度信息模组包括设置于基板上的发射器以及接收器，发射器用于向弹性壳体出射检测信号；接收器用于接收经弹性壳体反射的检测信号。

可选的，发射器为电磁波发射器，接收器为电磁波接收器。

可选的，发射器为声波发射器，接收器为声波接收器。

可选的，在基板上还设置有与深度信息模组电连接的无线通讯模块；和/或，在基板上还设置有与深度信息模组电连接的信号接口。

可选的，在基板上还设置有与深度信息模组电连接的图像处理模组，图像处理模组用于根据形变信息成像。

可选的，弹性壳体的材质为硅胶和橡胶中的一种。

可选的，弹性壳体为半球形壳体、立方体形壳体和锥体形壳体中的一种。

可选的，弹性壳体的厚度大于等于2mm且小于等于5mm。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种机器人，包括机器载体、控制模组以及上述任一种的触觉传感器，控制模组和触觉传感器分别设置于机器载体上，且控制模组和触觉传感器电连接。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供了一种触觉传感器包括基板、深度信息模组和弹性壳体，其中，深度信息模组和弹性壳体均设置在基板上，且弹性壳体至少部分与基板围合形成形变腔室。将深度信息模组设置在基板上的同时，使其位于弹性壳体和基板围合形成的形变腔室内部，从而在其通电时，通过出射信号并接收经弹性壳体反射回的信号从而获取到弹性壳体在发生形变时的形变信息，完成对触摸物体的压力、纹理、三维形貌等的间接获取。实现机器触觉感知，对触摸物体的几何、纹理信息不做要求，适应性强。同时可以实现高精度、低功耗和集成化的推广应用。避免了现有触觉传感器由于材质、工艺和良率等的限制仅能停留在实验室阶段，无法真正批量化的制造和应用。同时，弹性壳体还可以对内部的各种模组进行有效的保护。

本实用新型还提供了一种机器人，将触觉传感器应用于机器人领域，可以是将其设置在机器载体上，同时，将机器载体上的控制模组和触觉传感器电连接，以便于在机器人前进或动作时，触觉传感器能够将其获取到的待触摸物体的三维信息向控制模组传递，以便于其能够综合触觉传感器和其它传感器获取的信息控制机器人的后续动作，通过触觉传感器的三维信息的获取，有效的提高机器人的判断准确性，提高其动作的精度，为机器人应用于更广的环境奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本实用新型实施例提供的一种触觉传感器的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的一种触觉传感器的结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的一种触觉传感器的结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的一种触觉传感器的结构示意图之四；

图5为本实用新型实施例提供的一种触觉传感器的结构示意图之五。

图标：100-基板；110-信号接口；200-弹性壳体；300-深度信息模组；310-发射器；320-接收器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本实用新型的保护范围内。

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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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实用新型中的具体含义。

从仿生原理出发，人体皮肤触觉不仅能感知触摸物体的材质、纹理、形貌，还能感知触摸过程中触摸物体施加给皮肤的压力、温度和湿度等信息，同时还能作为视觉盲区的补充，如在黑夜摸索前行，因此在机器人应用中对机器触觉传感应用需求非常大。且在现实应用中特别需要知道触摸物体的三维立体信息和表面纹理信息，如在视觉盲区(黑夜)或在浑浊水下进行机器触摸识别，从而感知物体形状、质地和纹理信息，可辅助机器视觉实现物体、周围环境的感知。

目前三维立体传感器主要是基于压阻、压容、压电、离电子、摩擦电原理且结合三维结构实现三维立体传感。这种传感器主要是利用新颖材料、新颖微结构通过微纳工艺实现，在进行三维立体传感中，是通过三轴结构以此实现三维空间力的传感感知。该方案目前还广泛停留在实验室阶段，且并未有大规模的应用，主要源于新颖材料合成工艺、微结构制作工艺以及器件制作工艺要求高，阵列化制作难度更大，很难同时保证在同等量程条件下，阵列各单元的一致性，其成本非常高昂，稳定性很差。再者，尽管现有基于立体成像原理的深度成像技术，如双目、单目、结构光、时间飞行技术等，但这些技术主要应用于基于纯视觉的三维深度成像识别，如人脸识别、距离感知、自动驾驶等。而在三维立体机器触觉应用方面并未被广泛关注，其主要原因在于非接触传感元件的视场角可以做得很大，且在智能手机、人脸识别、自动驾驶市场驱动。另一方是机器触觉需要对其进行再次封装从而实现超短距离的三维接触成像识别，需要考虑传感视场角是否满足该超短距离封装尺度上的要求和功耗的影响。

本申请基于此基础，提出一种触觉传感器和机器人，从而解决上述缺陷，同时将三维触觉传感器应用于机器人领域，实现其对于压力、纹理、三维形貌、多角度多方向的机器触觉感知，辅助机器视觉实现物体、周围环境的高精度感知。

本实用新型实施例的一方面，提供一种触觉传感器，包括基板100、深度信息模组300和弹性壳体200；弹性壳体200设置于基板100的一侧，且与基板100围合形成形变腔室；深度信息模组300设置于基板100且位于形变腔室内，用于获取弹性壳体200的形变信息。

示例的，如图1和图2所示，触觉传感器包括基板100、深度信息模组300和弹性壳体200，其中，深度信息模组300和弹性壳体200均设置在基板100上，且弹性壳体200至少部分与基板100围合形成形变腔室。将深度信息模组300设置在基板100上的同时，使其位于弹性壳体200和基板100围合形成的形变腔室内部，从而在其通电时，通过出射信号并接收经弹性壳体200反射回的信号从而获取到弹性壳体200在发生形变时的形变信息，完成对触摸物体的压力、纹理、三维形貌等的间接获取。

实际使用时，如图3所示，可以是将触觉传感器的基板100固定设置在机器人或其它所需要安装触觉传感器的载体之上，使得触觉传感器的弹性壳体200的一侧朝向待触摸物体。当载体整体向前摸索前进时，触觉传感器首先与待触摸物体接触，即此时，触觉传感器的弹性壳体200与待触摸物体接触，从而使得弹性壳体200在原本的形变腔室内发生形变，即内凹。当深度信息模组300向弹性壳体200出射检测信号后，该检测信号到达弹性壳体200后，至少部分会经反射后返回至深度信息模组300，此时，深度信息模组300处理分析获取到的弹性壳体200发生的形变信息，需要说明的是，形变信息可以包括但不限于弹性壳体200内凹的深度、内凹表面的纹理和内凹所处的位置，以便于充分反应出待触摸物体的触摸压力(可以结合内凹处的深度和弹性壳体200材料的弹性模量的得出)、三维形貌(可以结合所有内凹处和无内凹处的所共同呈现的三维信息得出)、表面纹理(可以结合每一处内凹处表面的细小凹凸所共同呈现的三维信息得出)以及接触方向(可以结合内凹处整体在弹性壳体200上所处的方位信息得出)等信息。还需要说明的是，深度信息模组300向弹性壳体200发出检测信号的工作方式可以是持续的，也可以是间断的，工作机制可以是无休眠的不间断工作，也可以是仅当弹性壳体200发生形变时才启动工作，本申请对其不做限定。同时，深度信息模组300向弹性壳体200出射检测信号，应当能够保证覆盖弹性壳体200的全部内部表面。基板100、深度信息模组300和弹性壳体200可以结合三维立体成像技术和封装工艺技术制作三维立体机器触觉传感器。

通过上述触觉传感器可以同时实现触摸压力、纹理、三维形貌、多角度多方向的机器触觉感知，对触摸物体的几何、纹理信息不做要求，适应性强。同时可以实现高精度、低功耗和集成化的推广应用。避免了现有触觉传感器由于材质、工艺和良率等的限制仅能停留在实验室阶段，无法真正批量化的制造和应用。同时，弹性壳体200还可以对内部的各种模组进行有效的保护。

可选的，深度信息模组300包括设置于基板100上的发射器310以及接收器320，发射器310用于向弹性壳体200出射检测信号；接收器320用于接收经弹性壳体200反射的检测信号。

示例的，如图3所示，深度信息模组300即指能够获取目标物的深度信息的模组，可以包括发射器310和接收器320。其中，发射器310指能够出射检测信号的设备，接收器320则可以接收出射的检测信号经弹性壳体200反射回的部分，得出深度信息，进而根据深度信息得出弹性壳体200的形变信息。其按照出射波的分类可以分为下列两种实施例中的电磁波类或声波类。需要说明的是，发射器310可以是一个、两个或多个，对应的，接收器320也可以是一个、两个或多个，其排列方式以及数量，本实施例对其不做限定，本领域技术人员应当知晓如何根据实际布设需要，例如视场角和所要求的精度进行合理布设。

可选的，发射器310为电磁波发射器310，接收器320为电磁波接收器320。

示例的，当发射器310为电磁波发射器310时，对应的接收器320为电磁波接收器320。电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，电磁波包括但不限于无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等，以下将以无线电波、光的形式示意性的给出两种实施例。

其中一种实施例，当深度信息模组300为雷达时，对应的，发射器310以特定的方式(脉冲、连续波和频率捷变等)通过天线向弹性壳体200出射无线电波，经过弹性壳体200的反射，无线电波由雷达接收器320的天线接收，经过分析处理，提取有关形变处的信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)，进而获取弹性壳体200的形变信息，便于分析得出待触摸物体的相关信息。

其中又一种实施例，当深度信息模组300发出的检测信号为光时，可以分为以下几种：

当其中的一种为红外时，对应的，发射器310向弹性壳体200发出一束或多束红外光，在照射到弹性壳体200的内表面后形成一个反射的过程，反射到接收器320后由其接收信号，可以利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据，经信号处理器处理后计算出物体的距离，即深度信息，进而通过图形处理器汇总深度信息，生成弹性壳体200的三维形变图像，得到弹性壳体200的形变信息。红外线不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板(例如将弹性壳体200的内表面设置为具有反射性质的材质)。测量距离远，很高的频率响应，适合于恶劣的工业环境中。

当其中的一种为单目时，对弹性壳体200的内表面成像，在单目相机的成像平面上留下一个投影，以二维的形式反映三维的世界。其中，获取深度信息方式，可以是通过目标在图像中的大小估算距离，得到弹性壳体200的形变信息。

当其中的一种为双目时，其是基于视差原理并利用两个成像设备从不同的位置获取弹性壳体200的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，使我们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，得到弹性壳体200的形变信息。

当其中的一种为飞行时间测距，即TOF时，通过发射器310给弹性壳体200连续发送光脉冲，然后用接收器320接收从弹性壳体200返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，即获取深度信息，从而获取到弹性壳体200的三维信息，得到弹性壳体200的形变信息。

当其中的一种为结构光时，一组由投影仪和摄像头组成的系统结构。用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。获取到弹性壳体200的形变信息。需要说明的是，除本申请其它实施例中，还可以是其它的能够获取物体的三维信息的成像装置。

从而能够使用通用的视觉算法对其进行分类识别，降低开发和推广难度。还能与视觉传感融合，降低视触觉复合模型参数规模，进一步统一复合模型。

可选的，发射器310为声波发射器310，接收器320为声波接收器320。

示例的，当发射器310为声波发射器310时，对应的接收器320为声波接收器320，其是由声波发射器310向弹性壳体200发射声波，例如超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到弹性壳体200就立即返回来，超声波接收器320收到反射波就立即停止计时，从而获取弹性壳体200的深度信息，建立三维模型，判断得出弹性壳体200的形变信息。

可选的，在基板100上还设置有与深度信息模组300电连接的无线通讯模块；和/或，在基板100上还设置有与深度信息模组300电连接的信号接口110。

示例的，如图4和5所示，为了便于触觉传感器能够与控制模组等建立信息传输通道，该通道可以是通过无线或有线进行连接。其中，采用无线通讯模块，可以是在基板100上设置与深度信息模组300电连接的WIFI模块、蓝牙模块、红外模块、RFID模块等等，从而与载体上的控制模组或终端进行信息交互、指令传递等等，其可以将控制模组从载体上剥离，便于载体实现小型化、简单化，同时，单独外置的控制模组也有助于提高数据处理能力。此外，为了降低周围环境对触觉传感器向控制模组传输数据的干扰，还可以在基板100上设置有与深度信息模组300电连接的信号接口110，例如，基板100为PCB板或柔性PCB板，将深度信息模组300(发射器310和接收器320)以及通讯模块、供电设备(其也可以设置在载体上，通过无线充电或有线供电与需要触觉传感器内需要供电的模块连接)、下述实施例中的图像处理模组共同集成于PCB板上，并且按照需求，相互之间建立指令、数据、供电电路通道。

在实际设置时，可以根据实际需求，进行合理选择，例如，侧重于小型化，可以仅在基板100上设置无线通讯模块；侧重于抗干扰以及稳定性，可以仅在基板100上设置有信号接口110；侧重于多功能性，则可以既设置无线通讯模块，也设置有信号接口110。

可选的，在基板100上还设置有与深度信息模组300电连接的图像处理模组，图像处理模组用于根据形变信息成像。

示例的，还可以在基板100上设置有图像处理模组，使得图下定处理模组可以直接和深度信息模组300连接，从而在其获取到弹性壳体200的形变信息后，通过图像处理模组对其进行进一步的分析处理，从而得出最终的弹性壳体200的三维模型、图像信息，以便于终端或显示器直观的显示出待触摸物体的压力、纹理、三维形貌、方向等信息，从而进一步的提高触觉传感器的独立工作能力。

可选的，弹性壳体200的材质为硅胶和橡胶中的一种。

示例的，弹性壳体200的材质可以是硅胶或橡胶中的一种，在本实施例外的其它实施例中，弹性壳体200的材质还可以是任何具有可形变性且具有自动恢复能力的材质。

可选的，弹性壳体200还可以是如图1所示的半球形壳体，此外，还可以是立方体形壳体或者锥体形壳体。在本实施例外的其它实施例中，弹性壳体200的形状还可以是其它形状，例如规则形状、不规则形状等等。

可选的，弹性壳体200的厚度关乎于其自身的结构强度、形变能力等，故在实际设置时，可以依据满足弹性壳体200的使用强度，例如耐磨性、弹性形变极限等等的前提下，尽可能的使得弹性壳体200的厚度较薄，以便于弹性壳体200在接触到待触摸物体后，尽可能多的模拟出待触摸物体的三维细节。示意性的，弹性壳体200的厚度可以是大于等于2mm且小于等于5mm，例如3mm、4mm。

此外，弹性壳体200的透明度可以是根据深度信息模组300的类型进行合理设置，例如弹性壳体200为透明材质时，对应的，深度信息模组300发出的检测信号可以是无线电波、声波等类型，当弹性壳体200为不透光材质时，对应的，深度信息模组300可以是红外、结构光、双目、TOF等类型。不透光材质的弹性壳体200，不仅可以对内部的各种模组形成一定的保护，同时，也能够有效的隔绝外部的环境光的干扰，实现触觉传感器的高精度的信息获取。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种机器人，包括机器载体、控制模组以及上述任一种的触觉传感器，控制模组和触觉传感器分别设置于机器载体上，且控制模组和触觉传感器电连接。

示例的，将触觉传感器应用于机器人领域，可以是将其设置在机器载体上，同时，将机器载体上的控制模组和触觉传感器电连接，以便于在机器人前进或动作时，触觉传感器能够将其获取到的待触摸物体的三维信息向控制模组传递，以便于其能够综合触觉传感器和其它传感器获取的信息控制机器人的后续动作，通过触觉传感器的三维信息的获取，有效的提高机器人的判断准确性，提高其动作的精度，为机器人应用于更广的环境奠定了基础。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括基板、深度信息模组和弹性壳体；所述弹性壳体设置于所述基板的一侧，且与所述基板围合形成形变腔室；所述深度信息模组设置于所述基板且位于所述形变腔室内，用于获取所述弹性壳体的形变信息。

2.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述深度信息模组包括设置于所述基板上的发射器以及接收器，所述发射器用于向所述弹性壳体出射检测信号；所述接收器用于接收经所述弹性壳体反射的检测信号。

3.如权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述发射器为电磁波发射器，所述接收器为电磁波接收器。

4.如权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，所述发射器为声波发射器，所述接收器为声波接收器。

5.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，在所述基板上还设置有与所述深度信息模组电连接的无线通讯模块；和/或，在所述基板上还设置有与所述深度信息模组电连接的信号接口。

6.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，在所述基板上还设置有与所述深度信息模组电连接的图像处理模组，所述图像处理模组用于根据所述形变信息成像。

7.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述弹性壳体的材质为硅胶和橡胶中的一种。

8.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述弹性壳体为半球形壳体、立方体形壳体和锥体形壳体中的一种。

9.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述弹性壳体的厚度大于等于2mm且小于等于5mm。

10.一种机器人，其特征在于，包括机器载体、控制模组以及如权利要求1至9任一项所述的触觉传感器，所述控制模组和所述触觉传感器分别设置于所述机器载体上，且所述控制模组和所述触觉传感器电连接。

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