[發明專利]一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感裝置及方法

有效

• 申請號: 202010822114.X
• 申請日: 2020-08-15
• 公開（公告）號: CN112129438B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 宋樂;朱歡;岳鈞百;董文博;張佳樂;馮渝;程路雅;孔欣玥;房豐洲
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感裝置及方法，觸覺傳感裝置包括曲面光波導板、復眼陣列、掩膜、光纖光錐、LED光源陣列、LED光源固定板陣列、LED光源固定支架陣列、探測器和底座；底座上表面上安裝有探測器和LED光源固定支架陣列，所述探測器與光纖光錐的末端耦合，所述曲面光波導板和復眼陣列同球心安裝于光纖光錐頂端上方，球心與探測器的中心位于同一豎直線上；復眼陣列的各個子眼之間填充有所述掩膜，所述LED光源固定支架陣列的頂部安裝有LED光源固定板陣列，LED光源陣列放置于LED光源固定板陣列上。LED光源陣列中每個LED光源之間的角度間隔為6°。

技術領域

本發明涉及力值測量與仿生技術領域，特別是涉及一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感裝置及方法。

背景技術

觸覺感知能力是人類的基本感官之一。隨著機器人向智能化方向發展，采用各類傳感器獲取觸覺信息已被廣泛應用，相較于傳統的電學式觸覺傳感器，如電阻式、壓電式、電容式、電磁式等，光學式觸覺傳感器具有分辨力高、體積小、靈敏度高、魯棒性強等優勢。基于光信息的觸覺傳感器主要有三種方式，基于反射膜原理，典型的是美國MIT提出Gelsight，該系統靈敏度較高，但前端感測面為平面，感測角度較小，空間分辨力低；日本立命館大學的Kazuhiro Shimonomura提出了基于全內反射的光學觸覺傳感系統，該系統通過加入平面彈性層，可以有效的提高空間分辨力，但是感測面仍是平面，感測角度范圍受限；具有大感測角度的是英國Bristol Robotics實驗室提出的基于標記位移原理的Tactip，測頭結構為外凸結構，該結構能夠有效的增加力值感測角度，但不能實現各向同性。

綜上，光波導式觸覺傳感器借助圖像傳感器和外凸結構，易實現更高的分辨力、更大的感測角。但是還存在一些難點，其一，若是想得到任意方向的接觸力信息，那么柔性體測頭應為外凸結構，若只用一個折轉透鏡，則外凸結構各處的泄露光折轉角度不一致，從而會產生較大的邊緣畸變；其二，力是三維矢量，但目前的圖像傳感器都是二維平面，因此若想得到觸覺力的空間分布，勢必需要復雜度更高、體積更大以及制造成本更高的光學系統。受昆蟲的曲面復眼結構啟發，復眼結構具有體積小、視場大、靈敏度及光能利用率高、可立體成像等諸多優點。將復眼引入觸覺傳感系統，通過觀測柔性介質受力后發生的立體形變來表征觸覺信息。復眼成像系統設計成曲面，不僅能夠大大拓寬視場，還能夠提高邊緣成像的質量，從而提升其感測多方向接觸力的能力，實現各向同性。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感裝置及方法，基于光全內反射的光波導板在外力作用下發生形變會產生光泄露，泄露光被復眼陣列接收，通過接收到的光能信息實現三維空間力測量。光錐光纖的末端耦合到探測器CCD上，復眼陣列將接收到的泄露光通過光纖光錐傳輸到探測器CCD上，再根據圖像序列對三維空間力進行解耦。為測量大角度范圍內高分辨力空間三維力提供技術支持。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感裝置，其特征在于，包括曲面光波導板、復眼陣列、掩膜、光纖光錐、LED光源陣列、LED光源固定板陣列、LED光源固定支架陣列、探測器和底座；

所述底座上表面上安裝有探測器和LED光源固定支架陣列，所述探測器與光纖光錐的末端耦合，所述曲面光波導板和復眼陣列同球心安裝于光纖光錐頂端上方，球心與探測器的中心位于同一豎直線上；復眼陣列的各個子眼之間填充有所述掩膜，所述LED光源固定支架陣列的頂部安裝有LED光源固定板陣列，LED光源陣列放置于LED光源固定板陣列上。

進一步的，LED光源陣列中每個LED光源之間的角度間隔為6°，LED光源陣列的入射角θ₁62.68°。

進一步的，曲面光波導板的材料為不透明的硅膠，折射率n₂＝1.4。

本發明還提供一種基于仿生復眼的大角度高分辨力觸覺傳感方法，包括以下步驟：