CN111912462B - 一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器 - Google Patents

一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，包括：单根光纤、参考光纤、发光管和接收管组成的温度检测模块，其中单根光纤编织成的网状结构，印有上下电极的压电薄膜和单根光纤组成的滑动觉检测模块，两层导电布和柔性导电介质组成电容式压觉检测模块，传感器采用全柔性材质，在测量过程中，为了消除物体压力信号与温度信号发生耦合，通过对温度检测模块和电容式压觉检测模块进行标定，利用压觉检测模块的数据消除温度检测模块的测量误差，提高温度测量精度。本发明的多功能柔性触觉传感器能同时检测温度、压力和滑动等多种触觉信息，避免了同时使用多种传感器带来的空间浪费，同时具有高度集成的特点，应用范围广泛。

Description

一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种应用于假手指尖的多功能触觉传感器，具体涉及一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器。
背景技术
早期的假肢依靠人自身的视觉反馈通道部分代替触觉感知通道。即假肢使用者需要持续观察假肢与环境的交互状态并调整假肢的抓取力大小。在整个操作过程中操作者需要注意力高度集中且整个操作过程相对缓慢，此类假肢无法被截肢患者广泛接受。
随着传感器技术的发展，用来初步测量假肢与环境交互状态的传感器被安装到假肢上。代表性的有德国的Otto Bock公司和英国RSL Steeper的二款假肢。如：Sani H N 和Meek S G 在假肢手的设计中加入了滑觉传感器。处理器通过比较、分析两个连续的图像，测量图像改变的方向以及位移，得出当前物体与假肢手的相对运动状态，从而调整假肢的运动。
根据人手的特点，覆盖在人工假肢表面的适用于假肢的大面积、柔软、具有触觉感知和数据处理能力的柔性触觉传感器/微型传感器阵列/人工皮肤是仅次于机器视觉的获取环境信息的重要感觉形式，是假肢实现与外界直接作用的必须媒介，人工皮肤会让假肢也具有触觉。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，能同时检测温度、压力和滑动等多种触觉信息，灵敏度高，多种传感器高度集成，应用范围广泛。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，包括：
单根光纤、单根光纤发光管、单根光纤接收管、参考光纤、参考光纤发光管和参考光纤接收管组成的温度检测模块A；
印有上下电极的压电薄膜和单根光纤组成的滑动觉检测模块B；
上下两层的导电布和中间柔性导电介质层组成的电容式压觉检测模块C；
在所述的温度检测模块A中，单根光纤编织成网状结构，单根光纤上方设有第一绝缘纸，参考光纤位于单根光纤发光管上方，在单根光纤一端通过一个单根光纤发光管照射，作为光信号输入端口；另一端由一个单根光纤接收管接收，作为光信号输出端口；在参考光纤一端通过一个参考光纤发光管照射，作为参考光信号输入端口，其中单根光纤发光管与参考光纤发光管为同一种光源；另一端由一个参考光纤接收管接收，作为参考光信号输出端口；
在所述的温度检测模块A中，利用单根光纤接收管接收的光信号与参考光纤接收管接收的参考光信号产生的相位差，检测温度信号；
在所述的滑动觉检测模块B中，由温度检测模块A中的单根光纤编织成网状结构；压电薄膜左下角上下表面印刷有呈矩形状的电极，压电薄膜设置在单根光纤下方，压电薄膜和单根光纤之间粘贴第二绝缘纸隔开；
在所述的压觉检测模块C中，在中间柔性导电介质层上下表面粘贴具有导电性能的柔性导电布，在两层导电布表面粘贴第三绝缘纸和第四绝缘纸隔开；
所述的滑动觉检测模块B设置在温度检测模块A下方，所述的压觉检测模块C设置在滑动觉检测模块B下方。
优选的，所述的滑动觉检测模块B的压电薄膜以PVDF为材料。
优选的，所述的压觉检测模块C的中间柔性导电介质层以PORON(聚氨酯)为材料。
优选的，所述的压觉检测模块C的导电布料以聚酯纤维为材料。
本发明的有益效果是：
本发明所述的温度检测模块A中单根光纤编织成网状结构，放大了传感器表面与物体接触所发生的振动信号，提高了压觉检测模块检测滑移信号的灵敏度。
本发明中将各个模块利用层叠结构组合在一起，减少了多种传感器所占用的空间，体现了高度集成化的特点。
本发明所述的传感器采用全柔性材质，在测量过程中，为了消除物体压力信号与温度信号发生耦合，通过对温度检测模块A和电容式压觉检测模块C进行标定，利用压觉检测模块的数据消除温度检测模块的测量误差，提高温度测量精度。
附图说明
图1 是本发明具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器的垂直剖面图；
图2是本发明具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器的拆分立体图。
附图标记列表：
2单根光纤；2A单根光纤发光管；2B单根光纤接收管；4压电薄膜；4A电极；6导电布；7 中间柔性导电介质层；8参考光纤；8A参考光纤发光管；8B参考光纤接收管；1第一绝缘纸；3第二绝缘纸；5第三绝缘纸；9第四绝缘纸。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图所示，本实施例中的一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器从上到下依次包括：温度检测模块、滑动觉检测模块和压觉检测模块。
本实施例多功能柔性触觉传感器检测触觉信息机理如下：当物体触碰传感器表面塑料薄膜（第一绝缘纸1）时，首先在温度检测模块A中，随着温度的变化，单根光纤2会将载有温度信息的光信号发送给单根光纤接收管2B，根据单根光纤2与参考光纤8中的光信号相位差得到温度信息；其次在滑觉检测模块B中，由于温度检测模块中的单根光纤2为网络状结构，放大了传感器表面与物体接触所发生的振动信号，使得压电薄膜（PVDF材料）的压电特性更为明显，可以得到物体与传感器的相对运动状态；最后在压觉检测模块C中，上层导电布料6和下层导电布料之间的间距发生变化，导致电容变化，从而得到压力信息。
本发明传感器采用全柔性介质，在与物体发生触碰时，物体对温度检测模块中的光纤会产生压力，光纤中的光信号相位发生变化，导致传感器测量发生误差。为了消除这种误差，通过对温度检测模块和电容式压觉检测模块进行标定，利用压觉检测模块的压力数据校准温度模块的检测数据，提高传感器测量精度。
在滑动觉检测模块中的介质层（PVDF材料）左下角上下表面印刷有矩形状的柔性电极4A。
在压觉检测模块中的介质层（聚氨酯材料）上下表面粘贴具有导电性能的导电布6。
各个模块之间用第一绝缘纸1、第二绝缘纸3、第三绝缘纸5、第四绝缘纸9隔开。
具体的，温度检测模块中的单根光纤2编织成3×3回路，横向3个回路，纵向3个回路，长为6mm，宽为6mm。在距离单根光纤两端1mm处，装有单根光纤发光管2A和单根光纤接收管2B。参考光纤8位于单根光纤发光管2A上方2mm处，温度检测模块上下表面粘贴第一绝缘纸1和第二绝缘纸3，长为8mm，宽为8mm。
具体的 ，滑动觉检测模块中的介质层（压电薄膜4）以PVDF为材料，长为8mm，宽为8mm，高为1mm。在介质层表面左下角印刷有呈矩形状的电极，长为3mm，宽为2mm。滑动觉检测模块上下表面粘贴第二绝缘纸3和第三绝缘纸5，长为8mm，宽为8mm。
具体的，压觉检测模块中的中间柔性导电介质层7以PORON(聚氨酯)为材料，长为8mm，宽为8mm，高为1mm。在介质层表面上下粘贴以聚酯纤维为材料的布料（导电布6）。压觉检测模块上下表面粘贴第三绝缘纸5和第四绝缘纸9，长为8mm，宽为8mm。
具体的，在滑动觉检测模块电极处添加导线，在压觉检测模块的导电布料上添加导线，并基于柔性FPCB技术，将导线引出，便于传感器能够任意的弯曲变形，具有良好的柔性。
具体的，将传感器每个模块根据层叠结构，用固化处理24小时后粘贴在一起，保证传感器具有稳定的结构，提高性能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，其特征在于：包括：
单根光纤（2）、单根光纤发光管（2A）、单根光纤接收管(2B)、参考光纤（8）、参考光纤发光管（8A）和参考光纤接收管（8B）组成的温度检测模块A；
印有上下电极的压电薄膜（4）和单根光纤（2）组成的滑动觉检测模块B；
上下两层的导电布（6）和中间柔性导电介质层（7）组成的电容式压觉检测模块C；
在所述的温度检测模块A中，单根光纤（2）编织成网状结构，单根光纤（2）上方设有第一绝缘纸（1），参考光纤（8）位于单根光纤发光管（2A）上方，在单根光纤（2）一端通过一个单根光纤发光管（2A）照射，作为光信号输入端口；另一端由一个单根光纤接收管（2B）接收，作为光信号输出端口；在参考光纤（8）一端通过一个参考光纤发光管（8A）照射，作为参考光信号输入端口，其中单根光纤发光管与参考光纤发光管为同一种光源；另一端由一个参考光纤接收管（8B）接收，作为参考光信号输出端口；
在所述的滑动觉检测模块B中，由温度检测模块A中的单根光纤（2）编织成网状结构；压电薄膜（4）左下角上下表面印刷有呈矩形状的电极（4A），压电薄膜（4）设置在单根光纤（2）下方，压电薄膜（4）和单根光纤（2）之间粘贴第二绝缘纸（3）隔开；
在所述的压觉检测模块C中，在中间柔性导电介质层（7）上下表面粘贴具有导电性能的柔性导电布（6），在两层导电布（6）表面粘贴第三绝缘纸（5）和第四绝缘纸（9）隔开；
所述的滑动觉检测模块B设置在温度检测模块A下方，所述的压觉检测模块C设置在滑动觉检测模块B下方。
2.根据权利要求1所述的一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，其特征在于：所述的滑动觉检测模块B的压电薄膜（4）以PVDF为材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，其特征在于：所述的压觉检测模块C的中间柔性导电介质层（7）以PORON为材料。
4.根据权利要求1所述的一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，其特征在于：所述的压觉检测模块C的导电布（6）以聚酯纤维为材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有滑动觉、压觉和温度觉的多功能柔性触觉传感器，其特征在于：所述多功能柔性触觉传感器检测触觉信息机理如下：当物体触碰传感器表面第一绝缘纸（1）时，首先在温度检测模块A中，随着温度的变化，单根光纤（2）会将载有温度信息的光信号发送给单根光纤接收管（2B），根据单根光纤（2）与参考光纤（8）中的光信号相位差得到温度信息；其次在滑觉检测模块B中，由于温度检测模块A中的单根光纤（2）为网络状结构，放大了传感器表面与物体接触所发生的振动信号，使得压电薄膜的压电特性更为明显，能够得到物体与传感器的相对运动状态；最后在压觉检测模块C中，上层导电布料（6）和下层导电布料之间的间距发生变化，导致电容变化，从而得到压力信息，传感器采用全柔性材质，在测量过程中，为了消除物体压力信号与温度信号发生耦合，通过对温度检测模块A和电容式压觉检测模块C进行标定，利用压觉检测模块的数据消除温度检测模块的测量误差，提高温度测量精度。
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