[發明專利]一種基于光衰減的柔性觸覺傳感器、陣列及其制備方法

在審

• 申請號: 202011161530.6
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112229553A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 袁燁;樊耕麟;沈逸;鄧禮楠;唐秀川
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種基于光衰減的柔性觸覺傳感器、陣列及其制備方法，屬于傳感技術領域，柔性觸覺傳感器包括：激光光源、第一光纖、柔性穹頂、第二光纖、光電傳感器和柔性光纖耦合器，柔性穹頂通過柔性光纖耦合器粘附在軟體物表面，第一光纖和第二光纖的一端與柔性穹頂對準，另一端分別與激光光源和光電傳感器相連，激光光源產生的激光依次經過第一光纖傳輸、柔性穹頂反射以及第二光纖傳輸后到達光電傳感器，光電傳感器用于計算接收到的激光的光強度，光強度由軟體物表面上所承受的力確定。可保持軟體機器人的順應性，快速響應環境刺激，快速感知周圍環境接觸力，解決軟體機器人缺乏觸覺感應的問題。

技術領域

本發明屬于傳感技術領域，更具體地，涉及一種基于光衰減的柔性觸覺傳感器、陣列及其制備方法。

背景技術

觸覺感受器對于生物感知外部環境刺激至關重要。然而，將觸覺傳感器集成到軟體機器人中是具有挑戰性的。這是因為傳統剛性觸覺傳感器會對軟體機器人的柔軟性和順應性產生負面影響，并且現有的軟性傳感器要么難以制造，要么響應緩慢。

軟體機器人固有的靈活性和順應性使得其形狀可以彎曲和伸展以適應復雜環境，并以連續的方式實現運動來操縱對象。然而，柔順性對軟操縱器建模是一個缺點，因為其運動學和動力學不同于剛性操縱器。此外，軟體機器人的觸覺有助于估計環境，例如表面的不均勻性以及邊緣和拐角的位置，并且還可以傳輸和利用外部刺激(例如接觸力)來進行精確的模型和控制。但是，傳統的觸覺傳感器(例如金屬應變儀、基于陣列的力傳感器、光學觸覺傳感器和水聲壓力傳感器)一般具有剛性材料，如果將它們集成到軟機器人本體中，會影響軟體機器人的剛度。因此，設計和制造嵌入到軟機器人中的柔性觸覺傳感器陣列仍然具有挑戰性。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種基于光衰減的柔性觸覺傳感器、陣列及其制備方法，其目的在于保持軟體機器人的順應性，快速響應環境刺激，快速感知周圍環境接觸力，解決軟體機器人缺乏觸覺感應的問題，從而實現精確的模型和控制。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于光衰減的柔性觸覺傳感器，包括：激光光源、第一光纖、柔性穹頂、第二光纖、光電傳感器和柔性光纖耦合器；所述柔性穹頂設置在所述柔性光纖耦合器上，所述柔性光纖耦合器粘附在軟體物表面，所述柔性光纖耦合器中設置有與所述柔性穹頂的頂部對準的通孔；所述第一光纖的一端連接所述激光光源，所述第二光纖的一端連接所述光電傳感器，所述第一光纖和第二光纖的另一端平行穿過所述通孔；所述激光光源產生的激光經所述第一光纖傳輸后到達所述柔性穹頂，并經所述柔性穹頂反射后進入所述第二光纖，再經所述第二光纖傳輸至所述光電傳感器；所述光電傳感器用于計算接收到的激光的光強度，所述光強度由所述軟體物表面上所承受的力確定。

更進一步地，所述第一光纖和第二光纖均包括穿過軟體物內部并到達所述通孔的部分以及設置在軟體物外部的部分。

更進一步地，還包括：彈性體橡膠管，設置在所述軟體物內部，且套設在所述第一光纖和第二光纖的外側。

更進一步地，還包括：彈性體護套，數量為兩個，分別套設在所述第一光纖和第二光纖中位于軟體物外部的部分的外側。

更進一步地，所述第一光纖和第二光纖的材料為PMMA塑料光纖。

更進一步地，所述柔性穹頂的材料為硅膠彈性體。

更進一步地，所述光強度為光電流強度，所述光電流強度為：

其中，I為所述光電流強度，M為所述第一光纖的輻射通量，P₀為所述第一光纖的有效輸出功率，T為激光經過所述第二光纖的截面的穿透率，λ為所述激光的波長，α為所述柔性穹頂對所述激光的反射率，d為所述柔性穹頂與所述第一光纖另一端截面之間的距離，θ為所述第一光纖的散射角，A為所述第二光纖的橫截面積，R(λ)為所述光電傳感器對波長為λ的激光的響應度。