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CN114636503A - 一种基于光敏元件的三维触觉传感器 - Google Patents

一种基于光敏元件的三维触觉传感器 Download PDF

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CN114636503A
CN114636503A CN202210072574.4A CN202210072574A CN114636503A CN 114636503 A CN114636503 A CN 114636503A CN 202210072574 A CN202210072574 A CN 202210072574A CN 114636503 A CN114636503 A CN 114636503A
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China
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light
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photosensitive element
flexible
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易正琨
尹猛
黄滨华
吴新宇
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于光敏元件的三维触觉传感器，包括柔性传感器罩、传感器电路板与传感器底座；柔性传感器罩安装在传感器底座上，柔性传感器罩与传感器底座围成密闭空间；所述传感器电路板安装在密闭空间内；传感器电路板上设有发光器件和若干个光敏元件，发光器件发出的光到达柔性传感器罩内壁后进行反射，光敏元件接收柔性传感器罩内壁反射的光。本发明提出一种基于光敏元件的三维触觉传感器，实现了对一维触觉与二维滑觉的监测和测量，易于实现触觉三维力的解耦，同时可以实现对不同接触点的估算，可广泛用于机器人触觉感知。

Description

一种基于光敏元件的三维触觉传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于光敏元件的三维触觉传感器。
背景技术
现有的机器人已经能够执行各种任务比如走路或者跳舞。在建模良好的环境中即使没有外部感官反馈，它们也可以执行许多任务。然而，在非结构化环境中，它们必须感知周围环境并与各种对象接触。最终目标是使机器人具有很强的抓取和操纵能力。为了完成复杂的操作任务，触觉信息是必不可少的。配备触觉传感器的机械手应能检测何时发生接触，并能识别形状、物体纹理、力和滑动。
目前，常见的触觉传感器主要基于压阻、压电、电容、摩擦电、光纤等原理来实现。一方面，此类方案只能实现一维的触觉压力感知，难以实现其余两维度的滑觉感知。另一方面，各传感器的制造涉及材料及工艺因素，制备过程较为复杂。再者，传感器直接与物体接触，频繁使用其磨损不可避免，失效后需要跟换新传感器，会导致成本增加。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于光敏元件的三维触觉传感器，实现了对一维触觉与二维滑觉的监测和测量，易于实现触觉三维力的解耦，同时可以实现对不同接触点的估算，可广泛用于机器人触觉感知。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特殊之处在于：
包括柔性传感器罩、传感器电路板与传感器底座；柔性传感器罩安装在传感器底座上，柔性传感器罩与传感器底座围成密闭空间；所述传感器电路板安装在密闭空间内；
传感器电路板上设有发光器件和若干个光敏元件，发光器件发出的光到达柔性传感器罩内壁后进行反射，光敏元件接收柔性传感器罩内壁反射的光。
当有外部物体接触柔性传感器罩时，柔性传感器罩由于其柔性会发生变形，变形后其反射发光器件光线的路径将发生变化，传感器内部光场将发生变化，光敏元件测量的不同位置的光强也将发生变化，通过实时监测光敏元件的光强测量值的变化，可以实现对柔性传感器罩变形的计算，从而实现对外部接触力的监测。
进一步地，上述传感器电路板内嵌于传感器底座内，传感器电路板的上表面与传感器底座的上表面平齐。
进一步地，上述柔性传感器罩包括球面结构，球面结构的边缘水平延伸形成安装板，柔性传感器罩通过安装板可拆卸与传感器底座连接。
进一步地，上述安装板的下表面与传感器底座上表面以及传感器电路板的上表面贴合；贴合面涂有黑色胶防止外部光学进入传感器内部。
柔性传感器罩直接与物体频繁接触，当柔性传感器罩发生磨损等损坏后可快速被更换。
进一步地，上述若干个光敏元件布置在发光器件的外围。
进一步地，上述传感器电路板的一侧设有电路板接线端。
进一步地，上述传感器底座内的上部设有凹槽，传感器电路板嵌入凹槽内，传感器底座的侧面设计有通孔，导线由外部经通孔后由凹槽下侧与传感器电路板上的电路板接线端连接。
进一步地，上述柔性传感器罩的安装板通过螺丝安装于传感器底座上。
进一步地，上述发光器件为发光led，光敏元件可以是光敏电阻，也可以是光敏二极管、光敏三极管等，柔性传感器罩可以为硅胶材质，也可以是其它具有柔性且受力后可复原的弹性材质。传感器底座可以由树脂或尼龙材料3d打印制作，也可以由其它材料通过不同工艺制作。
进一步地，上述光敏元件的数量为四个，四个光敏元件以发光器件为圆心圆周均布。
与现有技术相比，本发明的基于光敏元件的三维触觉传感器的显著优点是：
1)将发光led与光敏元件应用于触觉传感器，可实现对一维触觉与二维滑觉的监测和测量，易于实现触觉三维力的解耦；
2)本发明提供的传感器同时可以实现对不同接触点的估算；
3)通过柔性传感器罩与传感器底座包裹形成内部密闭空间，柔性传感器罩直接与物体频繁接触，柔性传感器罩可以拆卸，发生磨损等损坏后可快速被更换；
4)传感器核心部件不直接与物体接触，光敏元件不会产生磨损失效；
5)通过选择不同材料与壁厚的腔体可实现其硬度的改变以实现其测量范围的改变；
6)相较于现有触觉传感器，本发明提供的传感器结构设计简单，易于制作。
附图说明
图1是本发明提供的基于光敏元件的三维触觉传感器轴测示意图；
图2是图1的组装结构示意图；
图3是图2中传感器电路板结构示意图；
图4是本发明提供的基于光敏元件的三维触觉传感器的测量原理示意图；
图5是图2中的传感器底座结构示意图；
图6是图2中传的感器腔体结构示意图。
其中，1、柔性传感器罩，2、传感器电路板，3、传感器底座，4、发光器件，5、第一光敏元件，6、第二光敏元件，7、电路板接线端，8、第三光敏元件，9、第四光敏元件。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1和图2，本发明提供了一种基于光敏元件的三维触觉传感器，包括柔性传感器罩1、传感器电路板2与传感器底座3；柔性传感器罩1安装在传感器底座3上，柔性传感器罩1与传感器底座3围成密闭空间；所述传感器电路板2安装在密闭空间内。
优选地，柔性传感器罩可以为硅胶材质，也可以是其它具有柔性且受力后可复原的弹性材质。
参见图3，传感器电路板2上设有发光器件4和若干个光敏元件，发光器用于提供光场，发光器件4发出的光到达柔性传感器罩1内壁后进行反射，光敏元件接收柔性传感器罩1内壁反射的光。
参见图4，当柔性传感器罩1受力变形后，其反射发光器件4光线的路径将发生变化，传感器内部光场发生变化，光敏元件测量的不同位置的光强也将发生变化，通过实时监测光敏元件的光强测量值的变化，实现对柔性传感器罩1变形的计算，从而实现对外部接触力的监测。
作为本发明的一个优选实施例，所述传感器电路板2内嵌于传感器底座3内，传感器电路板2的上表面与传感器底座3的上表面平齐。
作为本发明的一个优选实施例，所述柔性传感器罩1包括球面结构，球面结构的边缘水平延伸形成安装板，柔性传感器罩1通过安装板可拆卸与传感器底座3连接。
作为本发明的一个优选实施例，所述安装板的下表面与传感器底座3上表面以及传感器电路板2的上表面贴合；贴合面涂有黑色胶防止外部光学进入传感器内部。
作为本发明的一个优选实施例，所述若干个光敏元件布置在发光器件4的外围，例如以发光器件4为圆心，在发光器件4的周围圆周均布。
作为本发明的一个优选实施例，所述传感器电路板2的一侧设有电路板接线端7。所述传感器底座3内的上部设有台阶型的凹槽，传感器电路板2嵌入凹槽内，上部的台阶对其进行支撑；传感器底座3的侧面设计有通孔，对应通孔处的凹槽较深，导线由外部经通孔后由凹槽下侧与传感器电路板2上的电路板接线端7连接。
传感器电路板2嵌入凹槽内后，传感器电路板2底面和凹槽的底面之间仍留有间隙(即凹槽内的下部台阶围成的空间)，用于对传感器电路板2进行散热。
作为本发明的一个优选实施例，传感器底座3上的四周设有通孔，所述柔性传感器罩1的安装板通过螺丝安装于传感器底座3上。
优选地，上述发光器件4为发光led，光敏元件可以是光敏电阻，也可以是光敏二极管、光敏三极管等，柔性传感器罩1可以为硅胶材质，也可以是其它具有柔性且受力后可复原的弹性材质。传感器底座3可以由树脂或尼龙材料3d打印制作，也可以由其它材料通过不同工艺制作。
参见图3，作为本发明的一个优选实施例，所述光敏元件的数量为四个，分别为：第一光敏元件5，第二光敏元件6，第三光敏元件8，第四光敏元件9。四个光敏元件以发光器件4为圆心，进行圆周均布。
本发明的工作原理为：
以四个光敏元件为例，参见图3和图4，发光led发出的光线经过柔性传感器罩1内壁面反射后在传感器内部形成光场，第一光敏元件5、第二光敏元件6、第三光敏元件8与第四光敏元件9分别测量四个不同位置的光强。当有外部物体接触柔性传感器罩1时，柔性传感器罩1由于柔性会发生变形，变形后其反射发光led光线的路径将发生变化，传感器内部光场将发生变化，第一光敏元件5、第二光敏元件6、第三光敏元件8与第四光敏元件9分别测量的四个不同位置的光强也将发生变化。通过实时监测四个光敏元件的光强测量值的变化，可以实现对柔性传感器罩1变形的计算，从而实现对外部接触力的监测。定义S1为第一光敏元件5测得的信号，定义S2为第二光敏元件6测得的信号，定义S3为第三光敏元件8测得的信号，定义S4为第四光敏元件9测得的信号。定义xyz坐标方向如图1所示，其中，z为垂直于传感器的面的方向。定义Sz为触觉正向力，可理解为垂直于传感器方向的施力大小。定义Sx为x方向切向滑觉力，可理解为x方向的施力大小。定义Sy为y方向切向滑觉力，可理解为y方向的施力大小。
触觉正向力可由公式Sz＝(k1*S1+k2*S2+k3*S3+k4*S4)/4与Fz＝a1*Sz2+b1*Sz+c1计算得到，式中k1、k2、k3、k4、a1、b1、c1为常数值，由标定获得。x向切向滑觉力可由公式Sx＝|k5*S1-k6*S3|与Fx＝a2*Sx2+b2*Sx+c2计算得到，式中k5、k6、a2、b2、c2为常数值，由标定获得。y向切向滑觉力可由公式Sy＝|k7*S2-k8*S4|与Fy＝a3*Sy2+b3*Sy+c3计算得到，式中k7、k8、a3、b3、c3为常数值，由标定获得。
参见图6，柔性传感器罩1为球面结构，由半径为R的圆经偏执L设计得到，其壁厚为d。通过选择不同材料与壁厚d可实现其硬度的改变，从而实现其测量范围的改变。
实施例
参见图1-图5，一种基于光敏元件的三维触觉传感器，包括柔性传感器罩1、传感器电路板2与传感器底座3；柔性传感器罩1安装在传感器底座3上，柔性传感器罩1与传感器底座3围成密闭空间；所述传感器电路板2安装在密闭空间内。柔性传感器罩可以为硅胶材质。
传感器电路板2上设有一个发光器件4和四个光敏元件，四个光敏元件分别为：第一光敏元件5，第二光敏元件6，第三光敏元件8，第四光敏元件9。四个光敏元件以发光器件4为圆心，进行圆周均布。
发光器件4用于提供光场，发光器件4发出的光到达柔性传感器罩1内壁后进行反射，光敏元件接收柔性传感器罩1内壁反射的光。参见图4，当柔性传感器罩1受力变形后，其反射发光器件4光线的路径将发生变化，传感器内部光场发生变化，光敏元件测量的不同位置的光强也将发生变化，通过实时监测光敏元件的光强测量值的变化，实现对柔性传感器罩1变形的计算，从而实现对外部接触力的监测。
所述柔性传感器罩1包括球面结构，球面结构的边缘水平延伸形成安装板，传感器底座3上的四周设有通孔，所述柔性传感器罩1的安装板通过螺丝安装于传感器底座3上。
所述传感器电路板2内嵌于传感器底座3内，传感器电路板2的上表面与传感器底座3的上表面平齐。所述安装板的下表面与传感器底座3上表面以及传感器电路板2的上表面贴合；贴合面涂有黑色胶防止外部光学进入传感器内部。所述传感器电路板2的一侧设有电路板接线端7。所述传感器底座3内的上部设有台阶型的凹槽，传感器电路板2嵌入凹槽内，上部的台阶对其进行支撑；传感器底座3的侧面设计有通孔，对应通孔处的凹槽较深，导线由外部经通孔后由凹槽下侧与传感器电路板2上的电路板接线端7连接。传感器电路板2嵌入凹槽内后，传感器电路板2底面和凹槽的底面之间仍留有间隙(即凹槽内的下部台阶围成的空间)，用于对传感器电路板2进行散热。发光器件4为发光led，光敏元件是光敏电阻。传感器底座3由树脂3d打印制作。
特别的，本实施例仅提供了一种四个光敏元件的布局方式，单个光敏元件、两个光敏元件、三个光敏元件也可实现接触力的测量。
本发明将光敏元件应用于机器人三维触觉传感器设计，实现了对一维触觉与二维滑觉的监测和测量，易于实现触觉三维力的解耦，同时可以实现对不同接触点的估算，可广泛用于机器人触觉感知。通过传感器腔体与传感器底座包裹形成内部密闭空间。传感器腔体直接与物体频繁接触，通过拆卸传感器腔体易于更换，发生磨损等损坏后可快速被更换。传感器核心部件不直接与物体接触不会产生磨损失效，通过选择不同材料与壁厚的腔体可实现其硬度的改变以实现其测量范围的改变。相较于现有触觉传感器，此专利结构设计简单易于制作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
包括柔性传感器罩(1)、传感器电路板(2)与传感器底座(3)；柔性传感器罩(1)安装在传感器底座(3)上，柔性传感器罩(1)与传感器底座(3)围成密闭空间；所述传感器电路板(2)安装在密闭空间内；
传感器电路板(2)上设有发光器件(4)和若干个光敏元件，发光器件(4)用于提供光场，发光器件(4)发出的光到达柔性传感器罩(1)内壁后进行反射，光敏元件接收柔性传感器罩(1)内壁反射的光；
柔性传感器罩(1)受力变形后，其反射发光器件(4)光线的路径将发生变化，传感器内部光场发生变化，光敏元件测量的不同位置的光强也将发生变化，通过实时监测光敏元件的光强测量值的变化，实现对柔性传感器罩(1)变形的计算，从而实现对外部接触力的监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述传感器电路板(2)内嵌于传感器底座(3)内，传感器电路板(2)的上表面与传感器底座(3)的上表面平齐。
3.根据权利要求2所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述柔性传感器罩(1)包括球面结构，球面结构的边缘水平延伸形成安装板，柔性传感器罩(1)通过安装板可拆卸与传感器底座(3)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述安装板的下表面与传感器底座(3)上表面以及传感器电路板(2)的上表面贴合；贴合面涂有黑色胶防止外部光学进入传感器内部。
5.根据权利要求1所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述若干个光敏元件布置在发光器件(4)的外围。
6.根据权利要求5所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述传感器电路板(2)的一侧设有电路板接线端(7)。
7.根据权利要求6所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述传感器底座(3)内的上部设有凹槽，传感器电路板(2)嵌入凹槽内，传感器底座(3)的侧面设计有通孔，导线由外部经通孔后由凹槽下侧与传感器电路板(2)上的电路板接线端(7)连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述柔性传感器罩(1)的安装板通过螺丝安装于传感器底座(3)上。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述发光器件(4)为发光led；光敏元件是光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管；柔性传感器罩(1)为硅胶材质；传感器底座(3)采用树脂或尼龙材料3d打印制作。
10.根据权利要求9所述的一种基于光敏元件的三维触觉传感器，其特征在于：
所述光敏元件的数量为四个，四个光敏元件以发光器件(4)为圆心圆周均布。
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