CN111067676A - 一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器 - Google Patents

一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，包括力敏电阻传感器模块、聚偏氟乙烯传感器模块、处理电路模块、传感器基座、聚二甲基硅氧烷灌注孔和关节轴。本发明的假肢手指触觉传感器利用聚偏氟乙烯薄膜非均匀变形和高灵敏度的特点，将聚偏氟乙烯薄膜的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别，采用力敏电阻作为补充静力测量，结合了PVDF动态接触力测量的优点和FSR在静态力测量中的方便性，实现了在不使用复杂传感阵列的情况下，只需一个传感器单元即可实现法向力测量、接触点估计和纹理识别，降低了触觉传感器的成本，提升了触觉传感器的性能。

Description

一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器
技术领域
本发明涉及生物医学传感器技术领域，尤其涉及一种基于FSR与PVDF的假肢手指触觉传感器。
背景技术
假肢手被广泛应用于临床医学当中，可以提高残疾病人的生活质量。触觉传感器在接触点上提供关于相互作用力和表面性能的信息，是假肢手实现自主操纵和抓握的基本需求。在实际应用中，自主操纵和触觉反馈所需触觉传感信息包括接触力和表面性能，如纹理和硬度。
目前，考虑到触觉传感器诸多限制因素(如高空间分辨率，高灵敏度，宽频率响应，低滞后和记忆效应，性能稳健等)，可用于假手的功能性和低成本触觉传感器的开发仍然是一个难题。在实际设计中，这些限制因素彼此矛盾。例如，较高的空间分辨率可能不可避免地导致需要大量的连接线，而太多的线连接可能导致更大的噪声。除了性能之外，触觉传感器的设计还应考虑性能和成本之间的权衡。目前许多商业假手运动灵活，但缺乏触觉感应，如i-Limb手，Bebionic手，VINCENT手等，其中一个最重要的原因是触觉传感器的高成本阻碍了其广泛的应用。
目前触觉传感器中的力测量可以通过压阻效应、压电效应、量子隧道效应、基于纳米复合材料的光学触觉传感器等多种传感方法来实现。市售FSR是一种广泛使用的压阻传感器。然而，为了实现接触点估计，几乎所有的方法都采用了高空间分辨率的触觉传感阵列。在触觉传感阵列中，每个传感元件负责单点力的测量，并设置一个传感元件阵列，形成一个大的敏感区。接触力强度和接触点可以从所有传感元件的矩阵输出中推断出来。有许多适合机器人手的商用平面阵列传感器，如Tekscan的矩阵压力映射传感器、PPP公司的手指触觉压力传感***、Weiss Robotics的WTS-FT触觉传感模块、来自syntouch的BioTac触觉传感器等。
尽管触觉传感阵列在空间分辨率方面具有优异的性能，但它们也强烈依赖于特殊的处理设备，如微电子机械***(MEMS)技术、静电纺丝、丝网印刷、激光加工等。此外，由于使用了大量的传感器元件，处理电路可能大而复杂，导致产品成本和价格都很高。
局部表面的纹理信息也是机器人自主操作和人机交互的重要组成部分。在大多数情况下，纹理识别基于振动测量。PVDF等压电传感器是一种理想的纹理识别材料，具有超灵敏度、高变形性、宽频率响应、低介电常数等优良特性。目前，对聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜的应用多集中在纹理识别的高频响应上，而对其进行低频运动监测的研究较少。然而，PVDF传感器的低频响应信息在某些情况下也有用，例如有研究报导基于聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维传感器的数据手套能准确监测手指运动，使用的信号频率约为1赫兹。
发明内容
本发明的目的在于降低触觉传感器成本的同时提高触觉传感器的性能，提高触觉传感器频率响应的范围和空间分辨率。本发明提出了一种基于力敏电阻(FSR)与聚偏氟乙烯(PVDF)的假肢手指触觉传感器。
为达到上述目的，采用如下技术方案：
一种基于FSR与PVDF的假肢手指触觉传感器，包括力敏电阻(FSR)传感器模块、聚偏氟乙烯(PVDF)传感器模块、处理电路模块、传感器基座、聚二甲基硅氧烷(PDMS)灌注孔和关节轴。所述力敏电阻(FSR)传感器模块、聚偏氟乙烯(PVDF)传感器模块安装在传感器基座上。传感器基座用于对力敏电阻(FSR)传感器模块、聚偏氟乙烯(PVDF)传感器模块进行电气保护并提供机械支撑。所述FSR传感器模块由FSR盖子、FSR传感器和FSR底座所组成；所述PVDF传感器模块由聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底包裹的倒C形PVDF薄膜构成。处理电路模块包括PVDF电荷放大电路和FSR分压电路，处理电路将被测物理量转换为电量后输出可以用于闭环控制。所述FSR传感器模块用于静态力测量；所述PVDF的动态低频响应用于动态接触点估计，PVDF的高频响应用于纹理识别。
一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，包括如下步骤：
1)将FSR传感器模块放在手指膜具底部，然后将PVDF薄膜传感器放入到FSR传感器模块下面的卡槽中；
2)将PVDF薄膜传感器弯曲成C的形状，PVDF是一种可裁剪尺寸的薄膜传感器，PVDF正反面分别代表正极和负极；
3)将步骤2)的FSR传感器模块和PVDF薄膜传感器***到与指尖垫形状相匹配的模具，由于PVDF薄膜传感器的柔性，PVDF薄膜传感器弯曲成截短的倒C形，并包围FSR传感器模块；
4)用PDMS通过PDMS灌注孔填充这个倒C形空间，在60摄氏度下固化约24小时后，取出PDMS封装的聚偏氟乙烯传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的方法利用聚偏氟乙烯薄膜非均匀变形和高灵敏度的特点，将聚偏氟乙烯薄膜的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别，采用FSR作为补充静力测量，结合了PVDF动态接触力测量的优点和FSR在静态力测量中的方便性，实现了在不使用复杂传感阵列的情况下，只需一个传感器单元即可实现法向力测量、接触点估计和纹理识别，降低了触觉传感器的成本，提升了触觉传感器的性能。
附图说明
图1为本发明假肢手指传感器立体外形结构图；
图2为本发明假肢手指传感器结构剖面图；
图3(a)、(b)、(c)为本发明手指触觉传感器制作流程的结构图；
图4为本发明假肢手指触觉传感器处理电路连接结构示意图，其中图4(a)为FSR传感模块连接结构示意图，图4(b)为PVDF传感器模块结构连接示意图；
图5为本发明假肢手指触觉传感器处理电路部分原理图；
其中1-力敏电阻传感器模块、2-聚偏氟乙烯传感器模块、3-处理电路模块、4-传感器基座、5-聚二甲基硅氧烷灌注孔、6-关节轴、7-指甲盖、8-悬臂、9-空腔、10-倒C形聚偏氟乙烯薄膜、11-FER连接端子、12-4线FPC连接器、13-PVDF连接端子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，主要机械部分和电气部分所组成，电气部分包括力敏电阻传感器模块1、聚偏氟乙烯传感器模块2、和处理电路模块3；机械部分包括传感器基座4、关节轴6、聚二甲基硅氧烷灌注孔5。所述力敏电阻传感器模块用于静态力测量；所述聚偏氟乙烯的传感器模块的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别。假肢手指触觉传感器主要作用是将力学物理量转换为电物理量后输出给处理器使用。处理器利用假肢手指触觉传感器的输出信息可以完成数据实时采集监控、闭环控制等功能。
如图2所示，所述的关节轴6用于为手指触觉传感器提供活动支持；所述指甲盖7和悬臂8用于对力敏电阻传感器模块1、聚偏氟乙烯传感器模块2进行固定、电气保护并提供机械支撑；所述处理电路3作为传感器的核心，安装于力敏电阻传感器1和聚偏氟乙烯传感器2下面；所述聚偏氟乙烯传感器2采用倒C形聚偏氟乙烯薄膜10，该聚偏氟乙烯薄膜10包围在力敏电阻传感器1周围；通过聚二甲基硅氧烷灌注孔可以向空腔中注入聚二甲基硅氧烷。
一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器制作流程图如图3所示，包括步骤(a)、(b)、(c)。
步骤(a)将FSR传感器模块放在手指膜具底部，然后将PVDF薄膜传感器放入到FSR传感器模块下面的卡槽中；
步骤(b)将PVDF薄膜传感器弯曲成图3(b)的形状，PVDF是一种可裁剪尺寸的薄膜传感器，PVDF正反面分别代表正极和负极；
步骤(c)将步骤(b)的FSR传感器模块和PVDF薄膜传感器***到与指尖垫形状相匹配的模具，由于PVDF薄膜传感器的柔性，PVDF薄膜传感器弯曲成截短的倒C形，并包围FSR传感器模块；最后，用PDMS通过PDMS灌注孔填充这个倒C形空间，在60摄氏度下固化约24小时后，取出PDMS封装的聚偏氟乙烯传感器。
根据FSR和PVDF在不同接触力和不同接触面积下的响应，传感器的工作原理如下：
当接触力相对较小时，由于弹性PDMS的缓冲作用，FSR的响应受接触面积的影响较小。然而，由于聚偏氟乙烯的高灵敏度和本发明的结构设计，接触点的位置对聚偏氟乙烯的输出信号有很大的影响，即使接触力很小。由于聚偏氟乙烯具有很宽的频率响应，因此在这一阶段，可以使用由接触点不同位置引起的聚偏氟乙烯的低频响应来估计接触点的位置；当接触力继续增大时，接触点位置对FSR响应的影响逐渐显现。为了更精确地测量力，需要在预测力时考虑接触点的位置。有关接触点位置的必要信息可以在接触力较小的阶段推断出来。
当手指接触到物体，并在敏感区的不同分区受到外力作用时，由于PMDS基板的变形，PDMS基板内的压力过渡不均匀，PDMS模块的变形也不均匀。一方面，这导致PVDF薄膜的不同变形。由于聚偏氟乙烯对应变的敏感度很高，接触力的微小变化会导致聚偏氟乙烯的响应发生较大的变化。这一特性可能使传感器能够区分接触点的位置。另一方面，由于PDMS的变形不均匀，FSR盖上的压力分布也随接触点的变化而变化。这种现象与聚偏氟乙烯(PVDF)一起也可能给传感器提供区分接触点位置的潜力。由于接触点位置也会影响FSR的响应，为了减小测力误差，如果不可忽略的话，用于校准FSR的模型应考虑接触点位置的条件。
另一方面，指纹是人体手指的一种基本结构，在抓取过程中可以增加摩擦，改善对纹理的感知，在使用基于FMA技术(逐层打印)的3D打印模具进行PDMS铸造时，PDMS表面有原始指纹，无需任何其他特殊处理，利用PVDF的高频响应PDMS的纹理识别。最后，结合FSR和PVDF的信息，手指触觉传感器可以同时进行力测量和接触点估计。
本发明FSR传感模块连接结构示意如图4(a)所示，PVDF传感器模块连接结构示意图如图4(b)所示。FSR连接端子11和PVDF连接端子13分别用于固定FSR传感模块和PVDF传感器模块，处理电路模块中的PVDF电荷放大电路和FSR分压电路将被测物理量转换为电信号通过4线的FPC连接器12输出给控制器完成力测量信息传递。本发明处理电路部分3原理图如图5所示，包括电源供电、PVDF电荷放大电路、FSR分压电路和FPC连接器。电路中Vcc为外部电源，通过磁珠L1滤波后的网表VA为PVDF电荷放大电路、FSR分压电路供电；PVDF电荷放大电路由两级运算放大电路组成，PVDF传感器串接到接插件P2，第一级放大电路U1A采用T型网络结构代替使用单一反馈电阻，降低运算放大器的偏置效应，电容Cf用于对放大器进行频率补偿，提高闭环放大电路的稳定性，第二级运算放大电路U2A使用有源滤波电路对U1A输出的放大信号进行滤波后输出电压量Vout1；FSR分压电路采样分压结构，FSR传感器串接到接插件P3，FSR传感器输出电信号Vout2；电压量Vout1和Vout2通过FPC连接器输出到外部端口。
本发明的方法利用聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)非均匀变形和高灵敏度的特点，将聚偏氟乙烯薄膜的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别，采用FSR作为补充静力测量，结合了PVDF动态接触力测量的优点和FSR在静态力测量中的方便性，实现了在不使用复杂传感阵列的情况下，只需一个传感器单元即可实现法向力测量、接触点估计和纹理识别，降低了触觉传感器的成本，提升了触觉传感器的性能。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，包括力敏电阻传感器模块、聚偏氟乙烯传感器模块、处理电路模块、传感器基座、聚二甲基硅氧烷灌注孔和关节轴；
所述力敏电阻传感器模块用于静态力测量；
所述聚偏氟乙烯传感器模块的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别；所述聚偏氟乙烯传感器采用倒C形聚偏氟乙烯薄膜，该聚偏氟乙烯薄膜包围在力敏电阻传感器周围；
所述处理电路作为传感器的核心，安装于力敏电阻传感器和聚偏氟乙烯传感器下面；
所述传感器基座用于对力敏电阻传感器模块、聚偏氟乙烯传感器模块进行电气保护并提供机械支撑；
所述聚二甲基硅氧烷灌注孔用于向空腔中注入聚二甲基硅氧烷；
所述关节轴用于为手指触觉传感器提供活动支持。
2.根据权利要求1所述一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述力敏电阻传感器模块包括力敏电阻盖子、力敏电阻传感器和力敏电阻底座。
3.根据权利要求1所述一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯传感器模块由聚二甲基硅氧烷衬底包裹的倒C形聚偏氟乙烯薄膜构成。
4.根据权利要求1所述一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述所述传感器基座设有指甲盖和悬臂，用于对力敏电阻传感器模块、聚偏氟乙烯传感器模块进行固定、电气保护并提供机械支撑。
5.根据权利要求1所述一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述处理电路模块包括聚偏氟乙烯电荷放大电路、力敏电阻分压电路，电源供电、和FPC连接器，处理电路将被测物理量转换为电量后输出可以用于闭环控制。
6.根据权利要求3所述一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷表面具有原始指纹。
7.按照权利要求1-6任一项所述的一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，其特征在于，所述触觉传感器制作流程如下：
1)将力敏电阻传感器模块放在手指膜具底部，然后将聚偏氟乙烯薄膜传感器放入到力敏电阻传感器模块下面的卡槽中；
2)将聚偏氟乙烯薄膜传感器弯曲成倒C的形状；
3)将力敏电阻传感器模块和聚偏氟乙烯薄膜传感器***到与指尖垫形状相匹配的模具；
4)用聚二甲基硅氧烷通过聚二甲基硅氧烷灌注孔填充这个倒C形空间，在60℃下固化约24小时后，取出聚二甲基硅氧烷封装的聚偏氟乙烯传感器。
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