CN215677388U - 一种高灵敏柔性触觉传感器及智能设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高灵敏柔性触觉传感器及智能设备，其中高灵敏柔性触觉传感器包括柔性壳体，其具有至少一个独立腔室、以及与所述独立腔室连通的开口；PCB板，其用于盖合在所述开口处，且在所述PCB板朝着所述独立腔室的一面上设有若干数量的高灵敏度气压传感器组件，每一所述独立腔室内对应有至少一组所述高灵敏度气压传感器组件，其中，所述高灵敏度气压传感器组件包括MEMS压力传感器、温度传感器、仪表放大器和模数转换器。本实用新型实施例提供的高灵敏柔性触觉传感器及智能设备，通过构建用于反馈外界应力变化的柔性壳体结构，提高了应力检测的灵敏度，保证传感器与被测物体表面之间接触的稳定性和充分性。使得传感器的适用范围大大提升。

Description

一种高灵敏柔性触觉传感器及智能设备

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种高灵敏柔性触觉传感器。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，智能设备的应用场景有了更多的突破，例如智能机器人在家居服务、户外探索、医疗检测等领域都逐渐大显身手，依靠着各种各样的传感器设备，成为取代人工劳动力的不二之选。

随着计算机算力的提升和数据分析算法的优化，对于智能设备的设备感知能力的需求也不断提升。现如今主要通过触觉传感器来检测某些场景的应力需求，常用的触觉传感器是基于电阻应变片，将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。但是，这种触觉传感器的体积和重量较大，使用场景有限，更重要的是，电阻应变片大多为金属材质，形状无法改变，难以保证与目标物体之间的有效接触，虽然市面上还有呈柔性可以弯曲的薄膜压力传感器，但其缺点是灵敏度与精度较低，一般在1g以上，导致无法满足某些特殊场景的应力检测需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种高灵敏柔性触觉传感器及智能设备，以解决现有的触觉传感器的灵敏度较低，使用场景受限的技术问题，通过构建用于反馈外界应力变化的柔性壳体结构，提高了应力检测的灵敏度，保证传感器与被测物体表面之间接触的稳定性和充分性。使得传感器的使用范围大大提升。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种高灵敏柔性触觉传感器，包括：

柔性壳体，其具有至少一个独立腔室、以及与所述独立腔室连通的开口；

PCB板，其用于盖合在所述开口处，且在所述PCB板朝着所述独立腔室的一面上设有若干数量的高灵敏度气压传感器组件，每一所述独立腔室内对应有至少一组所述高灵敏度气压传感器组件，其中，所述高灵敏度气压传感器组件包括MEMS压力传感器、温度传感器、仪表放大器和模数转换器。

作为其中一种优选方案，所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为圆形结构；或，

所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为方形结构；或，

所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为三角形结构。

作为其中一种优选方案，所述柔性壳体的开口处设有第一连接部，所述PCB板上设有用于与所述第一连接部匹配连接的第二连接部。

作为其中一种优选方案，所述第一连接部为卡接槽，所述第二连接部为卡接件。

作为其中一种优选方案，所述柔性壳体上还设有一开口，所述开口用于引出所述PCB板的电气接口。

作为其中一种优选方案，所述PCB板通过密封件盖合在所述开口处。

作为其中一种优选方案，所述密封件为环氧树脂。

本实用新型另一实施例提供了一种智能设备，所述智能设备上设有至少一个如上所述的高灵敏柔性触觉传感器。

相比于现有技术，本实用新型实施例的有益效果在于以下所述中的至少一点：构建由柔性壳体和PCB板共同组成的触觉传感器，柔性壳体具有至少一个独立腔室、以及与所述独立腔室连通的开口；PCB板用于盖合在所述开口处，且在所述PCB板朝着所述独立腔室的一面上设有若干数量的高灵敏度气压传感器组件，每一所述独立腔室内对应有至少一组所述高灵敏度气压传感器组件。在这其中，具有良好柔顺性的柔性壳体，将传感器受力时的机械形变转换为柔性壳体的物理形变，以壳体的腔室内的空气作为反馈媒介，能够准确地测量出各个方向受到的应力变化；以柔性壳体作为包装的触觉传感器能够适用于更多的使用场景，对于传感器的尺寸和规格的要求较小；在面对易碎易变形的特殊物品时，不同于现有技术采用的电阻应变片的刚性接触面，高灵敏柔性触觉传感器能够具有更好地贴合能力，在保证应力测量精度的同时防止特殊物品的损坏；MEMS微型压力传感器无需金属载体，重量轻，体积小，成本低廉；不同于现有技术的电阻应变片只能检测垂直于受力接触面的应力，柔性壳体的外形具有较大的选择空间，可以根据不同的场景需求设为包括但不限于球形、柱形等，从而可以检测某个特定方向的力或者360度任意方向的力；通过调整柔性壳体的硬度，可调整传感器的分辨率，最小可达到50mg以内；柔性壳体的轻小的特性能够有效减少振动带来的噪声影响。例如，将触觉传感器放置在振动的桌面上时，现有技术以金属弹性载体作为测量介质的触觉传感器会受到很大影响，而本实用新型的触觉传感器只需令感受面与振动的桌面不相互接触，便几乎不受振动的影响；每一腔室内都设有高灵敏度气压传感器组件，从而可以对不同腔室中压力大小及其变化程度进行相互比较，进而判断出触觉传感器与相接触物体的相对运动趋势；腔室内的温度传感器能够对腔室内的气压进行温度补偿作用。

附图说明

图1是本实用新型其中一种实施例中的高灵敏柔性触觉传感器的结构示意图；

图2是本实用新型其中一种实施例中的高灵敏柔性触觉传感器的结构剖视图；

图3是本实用新型其中一种实施例中的圆形结构的高灵敏柔性触觉传感器；

图4是本实用新型其中一种实施例中的三角形结构的高灵敏柔性触觉传感器；

图5是本实用新型其中一种实施例中的长方形结构的高灵敏柔性触觉传感器；

图6是本实用新型其中一种实施例中的正方形结构的高灵敏柔性触觉传感器；

附图标记：

其中，1、柔性壳体；2、PCB板；3、高灵敏度气压传感器组件。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有定义，本实用新型所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实用新型中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型，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申请中的具体含义。

本实用新型一实施例提供了一种高灵敏柔性触觉传感器，具体的，请参见图1，图1示出为本实用新型其中一种实施例中的高灵敏柔性触觉传感器的结构示意图，其包括：

柔性壳体1，其具有至少一个独立腔室、以及与所述独立腔室连通的开口，在图1中，独立腔室的数量为五个，柔性壳体1围成的密闭空间被分割为四个环绕式的独立腔室和一个位于中央位置的独立腔室；

PCB板2，其用于盖合在所述开口处，且在所述PCB板2朝着所述独立腔室的一面上设有若干数量的高灵敏度气压传感器组件3，每一所述独立腔室内对应有至少一组所述高灵敏度气压传感器组件3，也即，在图1中设有五组高灵敏度气压传感器组件3，其中，所述高灵敏度气压传感器组件3包括MEMS压力传感器、温度传感器、仪表放大器和模数转换器。

具体的，请参见图2，图2示出为本实用新型其中一种实施例中的高灵敏柔性触觉传感器的结构剖视图，在图2中，为便于显示，独立腔室的数量设置为1个，即，柔性壳体1围成的密闭空间没有被分割，构成1个独立腔室，当然，独立腔室的数量、大小和形状均需要由实际的产品设计来决定，在此不再赘述。

应当说明的是，本实用新型实施例中的高灵敏柔性触觉传感器应用于多种智能设备中，能够实现特殊场景的应力检测需求，举例来说，高灵敏柔性触觉传感器可以应用于机械手上，在机械手抓取物体时，机械手指至手掌的部位均有可能与物体相互接触，本实施例中的高灵敏柔性触觉传感器可安装覆盖于机械手指腹到手掌的位置，为机械手抓取物体或人机交互时提供实时的触觉信息，以相应调节机械手的夹合力、选择合适的抓取角度和位置。

在上述实施例中，柔性壳体1和PCB板2能够形成一个可变容积的密封空腔(从外侧观察是一个整体的密封空腔，内部是至少一个独立腔室)，通过高灵敏度气压传感器组件3采集每一独立腔室内部的气压值，并将气压信息转化为外力信息以达到测量的目的。在外部的力作用下，由于壳体的柔性性质，腔体结构的容积将会压缩，根据气体状态方程，腔体内部的密封空腔容积减小，使得内部气压值相应增大。相对于传统方法通过将应变片粘附于金属弹性载体，然后将金属弹性载体受力时的机械形变转化为模拟电压量输出来测量压力，以流动性极好的空气作为媒介，并以柔性壳体包装，可以使得传感器表面具有良好的柔顺性，更加贴合受力表面，从而可以测得各个方向的力，并且MEMS气压传感器无需金属载体，体积微小，成本低廉。

在应力检测的过程中，整个触觉传感器从柔性壳体1的外壳形变，得到独立腔室内的气压变化，再得到电压变化，最终能够得到检测到的应力值，在这其中，对于“气压变化→电压变化”的部分，是由气压传感器芯片直接测量得到，只需与传感器进行固定协议的通讯，即可读取到当前的气压值，然后将气压值与应力值进行标定，得到其对应关系后，即可根据气压传感器芯片的测量值得到实际应力值。

此外，本实施例中的柔性壳体1可以由橡胶等柔性材料构成，具有良好的柔性，当然，柔性壳体1的材质需要结合实际的产品设计需求与成本因素进行选取，在此不再赘述。

具体的，请参见图3～图6，其中图3示出为本实用新型其中一种实施例中的圆形结构的高灵敏柔性触觉传感器，图4示出为本实用新型其中一种实施例中的三角形结构的高灵敏柔性触觉传感器，图5示出为本实用新型其中一种实施例中的长方形结构的高灵敏柔性触觉传感器，图6示出为本实用新型其中一种实施例中的正方形结构的高灵敏柔性触觉传感器，当然，在本实施例中，所述柔性壳体1可以构造为任意形状，由实际的设计需求所决定，其轮廓包括但不限于椭圆形、方形或三角形等，中间呈上凸结构。例如，所述柔性壳体1的中部向外凸起，且所述柔性壳体1为圆形结构(包括圆形和椭圆形)；或，所述柔性壳体1的中部向外凸起，且所述柔性壳体1为方形结构(包括正方形和长方形)；或，所述柔性壳体1的中部向外凸起，且所述柔性壳体1为三角形结构。中部向外凸起的设计结构能够保证触觉传感器在接触到被测对象时能够具有稳定的接触面，从而保证应力检测的灵敏度，为后续的物理形变提供良好的支持。

当然，本实施例中的高灵敏度气压传感器组件3：MEMS压力传感器、温度传感器、仪表放大器和模数转换器均设置于所述PCB板2上，位于独立腔室内，用于感测空腔内气压，器件的选取具有体积小、功耗低、成本低的优点。

进一步地，在上述实施例中，所述柔性壳体1的开口处设有第一连接部，所述PCB板2上设有用于与所述第一连接部匹配连接的第二连接部。由于柔性壳体1和PCB板2需要连接在一起构成一个密闭空间，因此，二者之间的连接结构就需要根据彼此的形状进行适配性的设计，优选地，所述第一连接部为卡接槽，所述第二连接部为卡接件，例如，和PCB板通过嵌入所述柔性壳体底部的凹槽内实现二者之间的连接(即卡接件和卡槽的连接方式)，除此之外，还可以在柔性壳体和PCB板设置磁吸组件或螺纹组件实现二者之间的紧密连接，在此不再赘述。

进一步地，在上述实施例中，所述柔性壳体1上还设有一开口，所述开口用于引出所述PCB板2的电气接口。电气接口与外部设备相连接，为所述MEMS气压传感器的芯片提供控制信号，并向外传输相应的传感信号。

进一步地，为实现整个触觉传感器的密封性能，所述PCB板2通过密封件盖合在所述开口处。当然，高灵敏度气压传感器组件3与PCB板2之间为焊接方式，没有进行密封处理，密封只需保证高灵敏度气压传感器组件3所测量的腔室与外界或其他腔室的气压相互独立即可，在此不再赘述。

优选地，可以采用环氧树脂作为密封件提升触觉传感器的密封性能，其他密封胶等密封件亦可实现相同的技术效果，在此不再赘述。

本实用新型另一实施例提供了一种智能设备，所述智能设备上设有至少一个如上所述的高灵敏柔性触觉传感器。

本实用新型实施例提供的高灵敏柔性触觉传感器及智能设备，有益效果在于：

(1)通过构建具有良好柔顺性的柔性壳体，将传感器受力时的机械形变转换为柔性壳体的物理形变，以壳体的腔室内的空气作为反馈媒介，能够准确地测量出各个方向受到的应力变化；

(2)以柔性壳体作为包装的触觉传感器能够适用于更多的使用场景，对于传感器的尺寸和规格的要求较小；

(3)在面对易碎易变形的特殊物品时，不同于现有技术采用的电阻应变片的刚性接触面，高灵敏柔性触觉传感器能够具有更好地贴合能力，在保证应力测量精度的同时防止特殊物品的损坏；

(4)MEMS微型压力传感器无需金属载体，重量轻，体积小，成本低廉；

(5)不同于现有技术的电阻应变片只能检测垂直于受力接触面的应力，柔性壳体的外形具有较大的选择空间，可以根据不同的场景需求设为包括但不限于球形、柱形等，从而可以检测某个特定方向的力或者360度任意方向的力；

(6)通过调整柔性壳体的硬度，可调整传感器的分辨率，最小可达到50mg以内；

(7)柔性壳体的轻小的特性能够有效减少振动带来的噪声影响。例如，将触觉传感器放置在振动的桌面上时，现有技术以金属弹性载体作为测量介质的触觉传感器会受到很大影响，而本实用新型的触觉传感器只需令感受面与振动的桌面不相互接触，便几乎不受振动的影响；

(8)每一腔室内都设有高灵敏度气压传感器组件，从而可以对不同腔室中压力大小及其变化程度进行相互比较，进而判断出触觉传感器与相接触物体的相对运动趋势，对于提高智能设备的触觉感知具有非常重要的意义，在完成机械臂抓取、人机交互中的传递等任务时，受力位置和物体与机械爪之间的相对运动趋势可大大提高系统的稳定性和鲁棒性。

(9)腔室内的温度传感器能够对腔室内的气压进行温度补偿作用，可使得智能设备进行一定范围内的温度感知能力。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，包括：

柔性壳体，其具有至少一个独立腔室、以及与所述独立腔室连通的开口；

PCB板，其用于盖合在所述开口处，且在所述PCB板朝着所述独立腔室的一面上设有若干数量的高灵敏度气压传感器组件，每一所述独立腔室内对应有至少一组所述高灵敏度气压传感器组件，其中，所述高灵敏度气压传感器组件包括MEMS压力传感器、温度传感器、仪表放大器和模数转换器。

2.如权利要求1所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为圆形结构；或，

所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为方形结构；或，

所述柔性壳体的中部向外凸起，且所述柔性壳体为三角形结构。

3.如权利要求1所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性壳体的开口处设有第一连接部，所述PCB板上设有用于与所述第一连接部匹配连接的第二连接部。

4.如权利要求3所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一连接部为卡接槽，所述第二连接部为卡接件。

5.如权利要求1所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性壳体上还设有一开口，所述开口用于引出所述PCB板的电气接口。

6.如权利要求1所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述PCB板通过密封件盖合在所述开口处。

7.如权利要求6所述的高灵敏柔性触觉传感器，其特征在于，所述密封件为环氧树脂。

8.一种智能设备，其特征在于，所述智能设备上设有至少一个如权利要求1～7任一项所述的高灵敏柔性触觉传感器。

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