TWI574031B - Multi - function tactile sensing device - Google Patents

Description

多功能觸覺感測裝置

本發明係有關於一種觸覺感測裝置，特別是一種可同時偵測影像及壓力之多功能觸覺感測裝置。

按，觸覺感測量測系統與人類手指的功能相似，當與物體接觸時，可以知道所接觸的物體表面的特徵與其他物理性質資訊，例如：作用力或壓力的強度與空間分佈、物體形狀與位置、表面紋路質地、溫度、柔軟度或濕度等特徵資訊。隨著現今科技的日漸蓬勃與發展，目前現有的觸覺感測量測系統在工業領域中，已可大幅地應用於例如控制機器人動作（如抓取物體）、結合顯示器用來作為觸控輸入裝置、實現指紋辨識或虛擬實境（Virtual Reality）等用途。

一般而言，現有技術在工業領域中，極具代表性之一種非侵入式檢查方法之一即為超音波感測器。一般而言，超音波感測器是由賦予電壓於具有電性或機械等變換效率之壓電元件者，從而使感測器所產生之超音波傳遞於檢查之對象物中，利用超音波在物質的邊界面等反射之性質，將經由其一部份之反射波的振動，再次經由壓電元件而變換成電壓，以作為收錄、圖像化、或影像化進行檢查之方法。

目前，舉凡厚度為200毫米程度的厚構造物，乃至數毫米程度的薄構造物，都可藉由現有的超音波感測器進行檢查。然而，值得注意的是，現今的科技背景，大多講求多功能，並且同時注重不同技術間的彼此整合性；當應用超音波感測器至觸覺感測領域中時，則若要同時達到感測檢查之對象物的影像及所承受之壓力時，則多半需要使用到兩種以上的感測器來完成，有鑑於此，隨著感測器所需整合的數量與功能越趨龐大，則整體感測設備的負擔，包括：系統整合性、複雜度、及製作成本，也都將隨之遽增，無疑成為現有技術中相當嚴重的一項問題。

緣是，為了解決習知技術存有的眾多缺失，本發明人有感上述缺失之可改善，且依據多年來從事此方面之相關經驗，悉心觀察且研究之，並配合學理之運用，而提出一種設計新穎且有效改善上述缺失之本發明，其係揭露一種可同時偵測影像及壓力於一體之多功能觸覺感測裝置，其具體之架構及實施方式將詳述於下。

為解決習知技術存在的問題，本發明之一目的係在於提供一種多功能觸覺感測裝置，其係針對現行的觸覺感測器作一改良，相較於習知技術，此種新穎的觸覺感測裝置係有助於提供較佳的系統整合性與檢測多功能性。

本發明之又一目的係在於提供一種多功能觸覺感測裝置，此種觸覺感測裝置主要係利用一超音波元件搭配與之連接的一中介緩衝層作為觸覺感測器，由於此種觸覺感測器同時可兼具有影像偵測與壓力偵測之功能，故係為一成功之多功能觸覺感測裝置。

本發明之再一目的係在於提供一種多功能觸覺感測裝置， 其中利用超音波元件偵測接觸物體所顯示之結果主要會因壓力的不同，而產生不同之輸出影像。故本發明係可利用此影像差異，達到同時偵測影像及壓力之目的，使其成為多功能之觸覺感測裝置，經實務證實，利用本發明所揭露之觸覺感測裝置可兼具高度偵測效益及優良之系統整合性等功效。

是以，本發明係揭露一種多功能觸覺感測裝置，其包括：一超音波元件，具有多個使用於發送及接收訊號之感測單元，以對一接觸物體進行偵測；一中介緩衝層，設置於所述之超音波元件與接觸物體之間；以及一輸出元件，連接超音波元件。其中，輸出元件係根據超音波元件之偵測結果產生至少一輸出影像，並比對該輸出影像於一參考影像，以查找出接觸物體所承受之壓力。

根據本發明之實施例，其中所述之中介緩衝層更包括一第一材料層與一第二材料層，第一材料層係鄰近設置於接觸物體，第二材料層則設置於第一材料層與超音波元件之間。在一實施例中，第一材料層與第二材料層之材質例如可為有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料。除此之外，第一材料層與第二材料層之厚度總合係應小於5毫米；第一材料層與第二材料層之聲抗值係應分別大於1.2牛頓*秒/米 ³；第二材料層之剝離力係大於1公斤*力/公分 ²。

再者，根據本發明之實施例，本發明所揭露之多功能觸覺感測裝置更可包括有一第三材料層，其中，相對於前述之第二材料層，第三材料層係設置於超音波元件之另一側面上。在一實施例中，第三材料層之材質例如可為有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料；第三材料層之厚度係大於或等於1毫米；第三材料層之聲抗值應小於1.5牛頓*秒/米 ³。

更進一步而言，本發明所揭露之多功能觸覺感測裝置，其中所述之輸出元件亦可同時產生複數個輸出影像，在此情況下，輸出元件係可藉由分析該些輸出影像之影像差異，以進一步計算出接觸物體所承受之壓力，則同樣可用以實施本發明之發明目的。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

以上有關於本發明的內容說明，與以下的實施方式係用以示範與解釋本發明的精神與原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

為了有效解決習知感測器不易整合，且整合之製作複雜度與成本都相對地過高之問題，本發明係針對這些缺失提出一種較佳的改良裝置，其係為一種可同時偵測影像及壓力於一體之多功能觸覺感測裝置。為了能更佳地理解本發明所述之技術內容，首先，請參閱本發明第1圖所示之示意圖，本發明將據此進行詳細之說明如下。

第1圖係為根據本發明實施例多功能觸覺感測裝置之結構示意圖，如圖所示，多功能觸覺感測裝置1係用以對一接觸物體100進行偵測，其中，多功能觸覺感測裝置1係包括有一超音波元件10、一中介緩衝層20以及一輸出元件30。根據本發明之實施例，超音波元件10主要係用以對接觸物體100進行偵測，並提供感測結果，其中，超音波元件10中係具有多個使用於發送及接收訊號（如箭頭所示）之感測單元，以對接觸物體100進行偵測。一般而言，由於超音波元件10之操作原理主要係由一探頭發射出聲波，碰到接觸物體100之界面產生反彈波，再由探頭進行偵測，即可得知界面和探頭的相對位置及感知結果。由於此一部份之技術實為現今科技所熟知者，而並非本發明之發明重點，故針對此超音波元件部分之細部技術內容，本發明並不進行贅述。

中介緩衝層（buffer）20係設置於超音波元件10與接觸物體100之間，根據本發明之一實施例，如第2圖所示，中介緩衝層20例如可包括有一第一材料層202與一第二材料層204，如圖所示，此第一材料層202係鄰近設置於接觸物體100，而第二材料層204則設置於第一材料層202與超音波元件10之間。

在一實施例中，第一材料層202與第二材料層204之材質選用例如可為：有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料（例如：聚二甲基矽氧烷，Polydimethylsiloxane，PDMS）。更進一步而言，如第2圖所示，第一材料層202與第二材料層204其厚度總和T應小於5毫米（mm）。至於，第一材料層202之聲抗值（acoustic impedance）應大於1.2牛頓*秒/米 ³（N*s/m ³），第二材料層204之聲抗值亦應大於1.2牛頓*秒/米 ³（N*s/m ³）。除此之外，考量到材料的剝離力，則第二材料層204之剝離力（peeling force）係應大於1公斤*力/公分 ²（kgf/cm ²）。

輸出元件30係電性連接該超音波元件10，以根據超音波元件10之偵測結果產生至少一張輸出影像，之後，利用將此輸出影像比對於資料庫中已存有之參考影像，則本發明可查找出接觸物體100所承受之壓力為何。舉例來說，第3A圖至第3H圖係為根據本發明實施例施壓分別為200g、300 g、400 g、500 g、1000 g、2000 g、3000 g與4000 g之參考影像40之示意圖。是以，由此觀之，在超音波元件10經由中介緩衝層20之作用而完成對接觸物體100之偵測後，輸出元件30係可根據其偵測結果產生輸出影像，並且藉由比對輸出影像於參考影像40，則本發明所揭露之多功能觸覺感測裝置係可成功地藉由偵測影像，而查找出接觸物體100所承受之壓力為何，同時達到兼具影像偵測與壓力偵測之優勢。

再者，根據本發明之另一實施例，輸出元件30所產生之輸出影像並不以單一張為限。換言之，在另一實施例中，輸出元件30亦可選擇同時產生複數張輸出影像，則在此情況之下，輸出元件30係可藉由一演算法進而分析出該些輸出影像之影像差異，以藉此計算出接觸物體100所承受之壓力，則此種實施態樣則亦可用以實施本發明之發明目的，而應涵蓋在本發明之專利範圍內。

另一方面而言，請參考第4圖所示，其係為根據本發明再一實施例之多功能觸覺感測裝置之結構示意圖，如圖所示，多功能觸覺感測裝置1’除了包括前述之超音波元件10、第一材料層202、第二材料層204以及一輸出元件30之外，更包括有一第三材料層206。其中，此第三材料層206相對於前述之第二材料層204係設置於超音波元件10之另一側面上。換言之，在此實施例中，超音波元件10、第二材料層204、第一材料層202、接觸物體100以及第三材料層206係形成一堆疊結構。

針對第三材料層206之材質選用與實施厚度等數值，在本發明之實施例中可採用第三材料層206之材質例如為：有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料（例如：聚二甲基矽氧烷，Polydimethylsiloxane，PDMS）。至於，第三材料層206之厚度D則應大於或等於1毫米，而第三材料層206之聲抗值應小於1.5牛頓*秒/米 ³（N*s/m ³）。

是以，綜上所述，本發明所揭露之多功能觸覺感測裝置，其係透過利用一超音波元件搭配中介緩衝層作為觸覺感測元件，來成功達到同時兼具影像偵測以及壓力偵測等功能，藉此形成一多功能之觸覺感測裝置。更進一步而言，由於利用超音波元件偵測所顯示的影像，會因其接觸物體所承受壓力的不同，而產生不同之輸出影像。有鑑於此，本發明即是利用針對此一特性，將所輸出之影像比對於參考影像，或者利用分析兩張以上輸出影像的差異，來查找或計算出所接觸物體之壓力值為何。相較於習知技術，本發明所揭露之多功能觸覺感測裝置，顯然具有較佳之系統整合性、多功能偵測效益與優良的偵測效率，實具有極佳之產業發展性與廣於發展之潛力。

經由上述之技術闡明，可以明顯得知，本發明所能應用之範疇，相較於習知技術顯然大幅地成長與擴充，將兼具有較高之產業應用性與較佳之市場競爭力。緣此，顯見本發明之目的及功效不僅明顯地優於先前技術，且本發明所揭露之技術特徵、方法手段與達成之功效係顯著地不同於現行方案，實非為熟悉該項技術者能輕易完成者，故具備有專利要件。

以上所述之諸多實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1            多功能觸覺感測裝置 1’        多功能觸覺感測裝置 10          超音波元件 20          中介緩衝層 30          輸出元件 40          參考影像 100        接觸物體 202        第一材料層 204        第二材料層     206         第三材料層

第1圖係為根據本發明一實施例多功能觸覺感測裝置之結構示意圖。 第2圖係為根據第1圖之細部結構示意圖。 第3A圖至第3H圖係分別為根據本發明實施例不同施壓下之參考影像之示意圖。 第4圖係為根據本發明再一實施例多功能觸覺感測裝置之結構示意圖。

1’       多功能觸覺感測裝置 10          超音波元件 30          輸出元件 100        接觸物體 202        第一材料層 204        第二材料層              206        第三材料層

Claims (12)

1. 一種多功能觸覺感測裝置，用於同時偵測一接觸物體之影像及所承受之壓力，該多功能觸覺感測裝置包括：一超音波元件，具有多個使用於發送及接收訊號之感測單元，以對該接觸物體進行偵測；一中介緩衝層，設置於該超音波元件與該接觸物體之間，該中介緩衝層包括一第一材料層與一第二材料層，該第一材料層係鄰近設置於該接觸物體，該第二材料層係設置於該第一材料層與該超音波元件之間；以及一輸出元件，連接該超音波元件，該輸出元件係根據該超音波元件之偵測結果產生至少一輸出影像，並比對該輸出影像於一參考影像，以查找出該接觸物體所承受之壓力。
2. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第一材料層之材質係為有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料。
3. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第二材料層之材質係為有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料。
4. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第一材料層與該第二 材料層之厚度總合係小於5毫米。
5. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第一材料層之聲抗值係大於1.2牛頓*秒/米³。
6. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第二材料層之聲抗值係大於1.2牛頓*秒/米³。
7. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第二材料層之剝離力係大於1公斤*力/公分²。
8. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，其中該輸出元件係可產生複數個該輸出影像，並藉由分析該些輸出影像之影像差異，以計算出該接觸物體所承受之壓力。
9. 如請求項1所述之多功能觸覺感測裝置，更包括一第三材料層，其中該第三材料層相對於該第二材料層係設置於該超音波元件之另一側面上。
10. 如請求項9所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第三材料層之材質係為有機材料、無機材料、或以有機材料與無機材料混合製成之混成材料。
11. 如請求項9所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第三材料層之厚度係大於或等於1毫米。
12. 如請求項9所述之多功能觸覺感測裝置，其中該第三材料層之聲抗值係小於1.5牛頓*秒/米³。