CN110849516B - 一种光电式柔性触觉传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光电式柔性触觉传感器及其制备方法，包括光线传感模块、柔性基材、光源、开发板、可调稳压电源模块、辅助装置及玻璃片。本发明通过结合柔性基材受到外力挤压时产生透光性的变化，可以准确地检测接触力的大小，并且根据接触力‑光强度数据进行函数曲线拟合以增加其测量的准确性和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性触觉传感器，尤其是一种光电式柔性触觉传感器，根据传感器内部柔性基材透光性的变化来检测接触力的大小，属于传感器技术领域。
背景技术
目前触觉传感器是是其中备受瞩目的传感器之一。与柔性触觉传感器相比，传统的触觉传感器由于其基材不易拉伸和压缩，且形变后会损害其结构与测量精度，因此大大限制了传统触觉传感器的应用领域。然而柔性触觉传感器为了克服传统触觉传感器的种种弊端，采用了具有良好延展性且形变后仍能较好的保持其物理结构与特性的基材，因此柔性触觉传感器受到了广泛的研究并且可以灵活的运用到机器人、电子皮肤以及可穿戴设备等领域。
据申请人了解，目前国内外用于检测接触力的触觉传感器技术已较为成熟，但仍存在不足：用于检测接触力的光电式传感器多是通过设计内部机械结构(如在传感器内部设置挡板或采用弹性敏感元件)从而实现其检测目的，其内部结构复杂，小型化加工较为困难，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种光电式柔性触觉传感器，采用柔性基材作为传感器主体，通过检测穿透传感器内部柔性基材后的光线强度变化来实现对接触力的检测，利用MEMS技术加工后可以灵活应用于机器人抓手等领域，如图1所示。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
设计一种光电式柔性触觉传感器，包括光线传感模块、柔性基材、光源、开发板、可调稳压电源模块、辅助装置及玻璃片；
所述柔性基材为硅橡胶制作，其内部充满孔隙且呈不透明雾状，受到外力挤压会逐渐恢复透明状态；
所述玻璃片为2片20mm*20mm*0.5mm的透明玻璃片，且对称地设置在所述柔性基材的上下两侧，以将所述柔性基材夹在两片玻璃片之间；
所述光线传感模块固定于辅助压头中，为VL6180X光线传感器，将采集到的光信号转换为电信号；
所述辅助装置由辅助压头及辅助平台构成，所述辅助压头呈U型，粘结于万测机的压头下方，其底部中间位置有一个通孔，用于安装光线传感器，将安装于光线传感器中间位置的光线采集器由通孔中伸出；所述辅助平台置于万测机压力平台上，为内部空心的五面正方体，光源置于辅助平台内部，柔性基材置于辅助平台上表面，辅助平台上表面中间位置开有通孔用于引出光源，所述辅助平台的侧面开有用于引出光源线的通槽；
所述开发板与光线传感器之间电连接，用于处理光线传感器采集的数据并输出5V直流电压；
所述可调稳压电源模块用于为光线传感器供电，将接收到的开发板输出的5V直流电压调整为2.8V直流电压为光线传感模块供电；
所述光源为DC12V贴片灯带，截取50mm长度充当光源。
进一步的，所述柔性基材采用棉花糖为添加物为柔性基材制作孔隙。
进一步的，所述柔性基材尺寸为15mm*15mm*3mm，采用3D打印技术为基材制作模具。
一种光电式柔性触觉传感器制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备柔性基材，准备0.2g的棉花糖，并施加40N至50N的压力将松散的棉花糖压成1mm厚度的薄片，将棉花糖片平铺于模具中，此时将硅橡胶从模具中心上空滴入模具中，待硅橡胶完全渗透进棉花糖片后，放入真空机中抽出空气以消除硅橡胶中的杂质孔；待硅橡胶在真空机内完全凝固后取出，放入60℃的温水中浸泡，令硅橡胶中的棉花糖完全溶解并随着孔隙流出；取出硅橡胶置于空气中，待硅橡胶孔隙中的多余水分完全挥发后，柔性基材制备完成；
步骤2，建立实验环境，在试验期间，需建立一个黑暗的空间以减少外界光线对实验效果的影响，采用贴片灯带作为发光元件，采用VL6180X传感器作为光线传感模块；包括一台笔记本电脑及一台万测机，放置于黑暗的室内环境中；
步骤3，将所制造的柔性基材放置在万测机上，并准备一个用于安装贴片灯带、柔性基材及VL6180X传感器的辅助装置，所述辅助装置包括辅助压头和辅助平台；首先将辅助平台置于万测机压力平台上，并在工作平台内部安装贴片灯带，上表面依次放置玻璃片和柔性基材样本，将光线传感器置于辅助压头中，并将辅助压头粘结于万测机压头下；
步骤4，安装好检测装置后，通过万测机联机***设置压力大小；为保证测量的准确性，采用压力叠加的方式下压，即每次下压结束后不返回初始状态继续设置下一次下压压力；实验中设置的压力大小呈指数函数上升；待每次下压稳定后，记录光线传感器的输出数值。
进一步的，为了增加检测的准确性和实时性，对接触力小于45N的接触力-光强度数据进行函数拟合，拟合函数结果为f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)2)，其中a1＝3813，b1＝36.49，c1＝29.15。
附图说明：
图1为本发明的柔性触觉传感器的使用示意图。
图2为本发明中柔性基材的透光性测试图。
图3为本发明中柔性基材的制作过程图。
图4为本发明中的辅助装置结构示意图，其中，图4.a为辅助压头的结构示意图，图4.b为辅助平台的结构示意图。
图5为本发明中实验外部环境图。
图6为本发明中的光电式传感器安装示意图。
图7为本发明的函数拟合曲线，其中，图7.a为接触力-光强度关系图，图7.b为接触力-光强度函数拟合图。
具体实施方法：
本实施例提供了一种光电式柔性触觉传感器，其原理为：当柔性基材表面受到挤压时从而产生凹陷，基材内部孔隙不断缩小，基材整体随接触力的不断增大而逐渐恢复透明状态。将光源置于柔性基材下方，光线传感器置于柔性基材上方。通过光线传感模块来实时测量光线穿透柔性基材后的强度，通过电脑直接将光信号输出为光强度数值，单位为勒克斯(Lux)。透光性测试如图2所示。
本实例中光电式柔性触觉传感器1需要用到的材料包括光线传感模块2、玻璃片3、柔性基材4、光源5、由辅助压头10和辅助平台11构成的辅助模块、开发板15和可调稳压电源模块16。
本实施例采用Smooth-on公司的Ecoflex00-50型号硅橡胶作为柔性基材的制作材料，该型号的硅橡胶可以在室温下凝固。考虑到所使用棉花糖在硅橡胶中的溶解度，施加40N至50N的压力将松散的棉花糖6压成1mm左右厚度的薄片。将0.2g棉花糖片6平铺于由3D打印技术制备的15mm*15mm*3mm的模具7中，将硅橡胶从模具中心上空滴入模具中。待硅橡胶完全渗透进棉花糖片后，放入真空机中抽出空气以消除硅橡胶中的杂质孔。待硅橡胶在真空机内完全凝固后取出，放入60℃的温水9中浸泡，令硅橡胶中的棉花糖完全溶解并随着孔隙流出。取出硅橡胶置于空气中，待硅橡胶孔隙中的多余水分完全挥发后，柔性基材8制备完成。制作过程如图3所示。
采用万测机12提供重力方向的压力。在试验期间，需要建立一个黑暗的空间以减少外界光线对实验效果的影响。采用贴片灯带作为发光元件，采用VL6180X传感器作为光线传感模块。首先创造一个如图5所示的实验环境，包括一台笔记本电脑14、光电式柔性触觉传感器13、万测机12以及黑暗的室内环境。将所制造的光电式柔性触觉传感器13放置在万测机上，设计如图4所示的辅助装置用于安装贴片灯带22、柔性基材20及VL6180X传感器19，包括一个辅助压头18和一个辅助平台21。首先将图6中所示的辅助平台21置于万测机压力平台23上为内部空心的五面正方体。辅助平台21内部安装光源，辅助平台21上表面中间位置开有通孔用于引出光源，光源选用DC12V贴片灯带22，并截取长度为55mm。辅助平台21上表面依次放置玻璃片3和柔性基材样本20，侧面开有用于引出光源线的通槽。玻璃片3的目的是保证柔性基材20下表面的平整，并且不会影响光源的光线强度，玻璃片选用尺寸为20mm*20mm*0.5mm。将VL6180X传感器19置于如图6所示的辅助压头18中，并将辅助压头18粘结于万测机压头17下。辅助压头18底部中间位置有一个通孔，用于安装光线传感器，将安装于光线传感器中间位置的光线采集器由通孔中伸出。辅助压头18的作用是用于安装VL6180X传感器19及保证万测机下压时，柔性基材20受力均匀。所述开发板15与VL6180X传感器19之间电连接，用于处理VL6180X传感器19采集的数据并输出5V直流电压；所述可调稳压电源模块16用于为VL6180X传感器19供电，将接收到的开发板15输出的5V直流电压调整为2.8V直流电压为VL6180X传感器19供电。
安装好检测装置后，通过万测机联机***设置压力大小。为保证测量的准确性，采用压力叠加的方式下压，即每次下压结束后不返回初始状态继续设置下一次下压压力。实验中设置的压力大小呈指数函数上升。待每次下压稳定后，记录VL6180X传感器输出数值。柔性基材所受接触力与检测到的穿透柔性基材后光强度的关系如图7.a所示。
从图中7.a可以看出，初始光强度为689Lux，当施加压力小于45N时，每次增大接触力，光强度有明显上升；当大于45N时，光强度于2685Lux上下浮动，趋于稳定。说明当接触力不断增大时，柔性基材逐渐恢复透明状态，当接触力大于45N时，柔性基材已经完全恢复透明状态。为了增加检测的准确性和实时性，对接触力小于45N的接触力-光强度数据进行函数拟合，如图7.b所示。拟合函数结果为f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)2)。其中a1＝3813，b1＝36.49，c1＝29.15。。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种光电式柔性触觉传感器，其特征在于：包括光线传感模块、柔性基材、光源、开发板、可调稳压电源模块、辅助装置及玻璃片；
所述柔性基材为硅橡胶制作，其内部充满孔隙且呈不透明雾状，受到外力挤压会逐渐恢复透明状态；所述柔性基材采用棉花糖为添加物为柔性基材制作孔隙；
所述玻璃片为2片20mm*20mm*0.5mm的透明玻璃片，且对称地设置在所述柔性基材的上下两侧，以将所述柔性基材夹在两片玻璃片之间；
所述光线传感模块固定于辅助压头中，为VL6180X光线传感器，将采集到的光信号转换为电信号；
所述辅助装置由辅助压头及辅助平台构成，所述辅助压头呈U型，粘结于万测机的压头下方，其底部中间位置有一个通孔，用于安装光线传感器，将安装于光线传感器中间位置的光线采集器由通孔中伸出；所述辅助平台置于万测机压力平台上，为内部空心的五面正方体，光源置于辅助平台内部，柔性基材置于辅助平台上表面，辅助平台上表面中间位置开有通孔用于引出光源，所述辅助平台的侧面开有用于引出光源线的通槽；
所述开发板与光线传感器之间电连接，用于处理光线传感器采集的数据并输出5V直流电压；
所述可调稳压电源模块用于为光线传感器供电，将接收到的开发板输出的5V直流电压调整为2.8V直流电压为光线传感模块供电；
所述光源为DC12V贴片灯带，截取50mm长度充当光源。
2.根据权利要求1所述的光电式柔性触觉传感器，其特征在于：所述柔性基材尺寸为15mm*15mm*3mm，采用3D打印技术为基材制作模具。
3.一种如权利要求1所述的光电式柔性触觉传感器制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，制备柔性基材，准备0.2g的棉花糖，并施加40N至50N的压力将松散的棉花糖压成1mm厚度的薄片，将棉花糖片平铺于模具中，此时将硅橡胶从模具中心上空滴入模具中，待硅橡胶完全渗透进棉花糖片后，放入真空机中抽出空气以消除硅橡胶中的杂质孔；待硅橡胶在真空机内完全凝固后取出，放入60℃的温水中浸泡，令硅橡胶中的棉花糖完全溶解并随着孔隙流出；取出硅橡胶置于空气中，待硅橡胶孔隙中的多余水分完全挥发后，柔性基材制备完成；
步骤2，建立实验环境，在试验期间，需建立一个黑暗的空间以减少外界光线对实验效果的影响，采用贴片灯带作为发光元件，采用VL6180X传感器作为光线传感模块；包括一台笔记本电脑及一台万测机，放置于黑暗的室内环境中；
步骤3，将所制造的柔性基材放置在万测机上，并准备一个用于安装贴片灯带、柔性基材及VL6180X传感器的辅助装置，所述辅助装置包括辅助压头和辅助平台；首先将辅助平台置于万测机压力平台上，并在工作平台内部安装贴片灯带，上表面依次放置玻璃片和柔性基材样本，将光线传感器置于辅助压头中，并将辅助压头粘结于万测机压头下；
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4.根据权利要求3所述的光电式柔性触觉传感器制备方法，其特征在于：为了增加检测的准确性和实时性，对接触力小于45N的接触力-光强度数据进行函数拟合，拟合函数结果为f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)2)，其中a1＝3813，b1＝36.49，c1＝29.15。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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