CN213422490U - 一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 - Google Patents
一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 Download PDFInfo
- Publication number
- CN213422490U CN213422490U CN202022413840.4U CN202022413840U CN213422490U CN 213422490 U CN213422490 U CN 213422490U CN 202022413840 U CN202022413840 U CN 202022413840U CN 213422490 U CN213422490 U CN 213422490U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- flexible
- laser light
- dome
- light attenuation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列，属于传感技术领域，柔性触觉传感器包括：激光光源、第一光纤、柔性穹顶、第二光纤、光电传感器和柔性光纤耦合器，柔性穹顶通过柔性光纤耦合器粘附在软体物表面，第一光纤和第二光纤的一端与柔性穹顶对准，另一端分别与激光光源和光电传感器相连，激光光源产生的激光依次经过第一光纤传输、柔性穹顶反射以及第二光纤传输后到达光电传感器，光电传感器用于计算接收到的激光的光强度，光强度由软体物表面上所承受的力确定。可保持软体机器人的顺应性，快速响应环境刺激，快速感知周围环境接触力，解决软体机器人缺乏触觉感应的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于传感技术领域，更具体地，涉及一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列。
背景技术
触觉感受器对于生物感知外部环境刺激至关重要。然而，将触觉传感器集成到软体机器人中是具有挑战性的。这是因为传统刚性触觉传感器会对软体机器人的柔软性和顺应性产生负面影响，并且现有的软性传感器要么难以制造，要么响应缓慢。
软体机器人固有的灵活性和顺应性使得其形状可以弯曲和伸展以适应复杂环境，并以连续的方式实现运动来操纵对象。然而，柔顺性对软操纵器建模是一个缺点，因为其运动学和动力学不同于刚性操纵器。此外，软体机器人的触觉有助于估计环境，例如表面的不均匀性以及边缘和拐角的位置，并且还可以传输和利用外部刺激(例如接触力)来进行精确的模型和控制。但是，传统的触觉传感器(例如金属应变仪、基于阵列的力传感器、光学触觉传感器和水声压力传感器)一般具有刚性材料，如果将它们集成到软机器人本体中，会影响软体机器人的刚度。因此，设计和制造嵌入到软机器人中的柔性触觉传感器阵列仍然具有挑战性。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列，其目的在于保持软体机器人的顺应性，快速响应环境刺激，快速感知周围环境接触力，解决软体机器人缺乏触觉感应的问题，从而实现精确的模型和控制。
为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于光衰减的柔性触觉传感器，包括：激光光源、第一光纤、柔性穹顶、第二光纤、光电传感器和柔性光纤耦合器；所述柔性穹顶设置在所述柔性光纤耦合器上，所述柔性光纤耦合器粘附在软体物表面，所述柔性光纤耦合器中设置有与所述柔性穹顶的顶部对准的通孔；所述第一光纤的一端连接所述激光光源，所述第二光纤的一端连接所述光电传感器，所述第一光纤和第二光纤的另一端平行穿过所述通孔；所述激光光源产生的激光经所述第一光纤传输后到达所述柔性穹顶，并经所述柔性穹顶反射后进入所述第二光纤，再经所述第二光纤传输至所述光电传感器；所述光电传感器用于计算接收到的激光的光强度，所述光强度由所述软体物表面上所承受的力确定。
更进一步地，所述第一光纤和第二光纤均包括穿过软体物内部并到达所述通孔的部分以及设置在软体物外部的部分。
更进一步地，还包括：弹性体橡胶管，设置在所述软体物内部，且套设在所述第一光纤和第二光纤的外侧。
更进一步地，还包括：弹性体护套，数量为两个，分别套设在所述第一光纤和第二光纤中位于软体物外部的部分的外侧。
更进一步地，所述第一光纤和第二光纤的材料为PMMA塑料光纤。
更进一步地，所述柔性穹顶的材料为硅胶弹性体。
更进一步地，所述光强度为光电流强度，所述光电流强度为：
其中，I为所述光电流强度，M为所述第一光纤的辐射通量，P0为所述第一光纤的有效输出功率，T为激光经过所述第二光纤的截面的穿透率，λ为所述激光的波长，α为所述柔性穹顶对所述激光的反射率，d为所述柔性穹顶与所述第一光纤另一端截面之间的距离，θ为所述第一光纤的散射角，A为所述第二光纤的横截面积，R(λ)为所述光电传感器对波长为λ的激光的响应度。
按照本实用新型的另一个方面，提供了一种基于光衰减的柔性触觉传感器阵列，包括N*M个如上所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，N*M＞1。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)将柔性穹顶设置在软体物表面，当软体物受力时二者之间距离变化，基于此设置光路来计算软体物所受力，可保持软体机器人的顺应性，快速响应环境刺激，快速感知周围环境接触力，解决软体机器人缺乏触觉感应的问题；
(2)传感器由软体材料组成，集成到软体机器人本体中，不会影响软体机器人的刚度；
(3)对软体机器人内部和外部的光纤分别嵌套弹性保护体以保护光纤，延长了传感器的使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的基于光衰减的柔性触觉传感器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的基于光衰减的柔性触觉传感器感知压力的原理示意图；
图3为本实用新型实施例提供的基于光衰减的柔性触觉传感器阵列的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的柔性穹顶的浇铸模具的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的柔性光纤耦合器的浇铸模具的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为激光光源，2为第一光纤，3为柔性穹顶，4为第二光纤，5为光电传感器，6为柔性光纤耦合器，61为通孔，7为弹性体橡胶管，8为弹性体护套，9-软体物表面，401为第一下层模具，402为第一上层模具，501为第二下层模具，502为第二上层模具，503为金属柱。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本实用新型中，本实用新型及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本实用新型实施例提供的基于光衰减的柔性触觉传感器的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中基于光衰减的柔性触觉传感器进行详细说明。
基于光衰减的柔性触觉传感器包括激光光源1、第一光纤2、柔性穹顶3、第二光纤4、光电传感器5和柔性光纤耦合器6。柔性穹顶3设置在柔性光纤耦合器6上，柔性光纤耦合器6粘附在软体物表面，柔性光纤耦合器6中设置有与柔性穹顶3的顶部对准的通孔61，软体物例如为软体机器人的机械手。第一光纤2的一端连接激光光源1，第二光纤4的一端连接光电传感器5，第一光纤2和第二光纤4的另一端平行穿过通孔61，使得第一光纤2和第二光纤4与柔性穹顶3的顶部对准。柔性光纤耦合器6可以对第一光纤2和第二光纤4进行固定，使得这两个光纤的末端保持平行。激光光源1用于产生激光，例如用于产生红色激光。
激光光源1产生的激光经第一光纤2传输后从软体物表面透出，并进一步传输至柔性穹顶3，柔性穹顶3对接收到的激光进行反射，反射后的激光进入第二光纤4，第二光纤4将接收到的激光传输至光电传感器5；光电传感器5用于计算接收到的激光的光强度，光强度由软体物表面上所承受的力确定。具体地，光电传感器5例如将感知到的光强度发送至计算机，计算机根据接收到激光的光强度计算柔性穹顶3的顶部与软体物表面之间的距离，并根据得到的距离计算软体物表面上所承受的力。
本实用新型实施例中，柔性穹顶3由硅胶弹性体制成，具有很高的变形性和柔韧性。其中，弹性体是指在除去外力后能恢复原状的材料。可以理解的是，柔性穹顶3的形状可以为半球状的穹顶，也可以为半椭球状、立方体形状的顶部结构，柔性穹顶3底部开口边缘例如粘附在柔性光纤耦合器6上，柔性光纤耦合器6粘附在软体物表面，由此，柔性穹顶3与软体物表面之间相距一定的距离。
本实用新型实施例中，第一光纤2和第二光纤4均包括穿过软体物内部并到达通孔61的部分以及设置在软体物外部的部分。
进一步地，基于光衰减的柔性触觉传感器还包括弹性体橡胶管7和两个弹性体护套8。弹性体橡胶管7设置在软体物内部，且套设在第一光纤2和第二光纤4的外侧，以对软体物内部的一对光纤进行保护。具体地，可以在软体物(例如柔性皮肤)制造过程中埋入弹性体橡胶管7，第一光纤2和第二光纤4即可穿过弹性体橡胶管7以埋入软体物内部，并从软体物侧面引出以分别连接激光光源1和光电传感器5。两个弹性体护套8分别套设在第一光纤2和第二光纤4中位于软体物外部的部分的外侧，以对软体物外部的每个光纤分别进行保护。
本实用新型实施例中，第一光纤2和第二光纤4的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)塑料光纤。由此，可以完全制造出没有任何硬质部分的柔性触觉传感器。
参阅图2，激光光源1例如发出红色激光，激光波长为λ；激光经第一光纤2传输至柔性光纤耦合器6的顶部，第一光纤2的辐射通量为M，有效输出功率为P0，散射角为θ；从第一光纤2输出的激光将照射在柔性穹顶3的顶部表面，柔性穹顶3与第一光纤2截面之间的距离为d，该距离d即为第一距离；激光经柔性穹顶3反射后到达第二光纤4的端部，柔性穹顶3对该波长为λ的激光的反射率为α，激光经过第二光纤4的截面的穿透率为T，第二光纤4的截面积为A，第二光纤4将接收到的激光传输至光电传感器5，光电传感器5波长为λ的激光的响应度为R(λ)，由此，光电传感器5处理后得到的光电流强度I为：
柔性穹顶3通过柔性光纤耦合器6粘附在软体物表面上，当柔性触觉传感器上施加有外力时，柔性穹顶3发生形变，柔性穹顶3的顶部与软体物表面之间的距离d发生变化，距离d例如从d1变为d2，进入第二光纤4的光强度发生变化，即光电传感器5将检测到该光强度变化，从而使得外部计算机根据该光强度变化计算得到距离d，并根据该距离d计算出软体物表面上所承受的接触力变化。
图3为本实用新型实施例提供的基于光衰减的柔性触觉传感器阵列的结构示意图。参阅图3，该基于光衰减的柔性触觉传感器阵列包括N*M个如图1-图2所示实施例中的基于光衰减的柔性触觉传感器，N*M＞1，N和M为正整数。该N*M个柔性触觉传感器彼此独立，可以分别感知柔性机器人各个部位所承受的接触力。通过该传感器阵列可以得到环境物体的大小和形状信息，实现了对环境感知功能。
本实用新型实施例还提供了一种如图1-图2所示实施例中的基于光衰减的柔性触觉传感器的制备方法，方法包括操作S1-操作S3。
在操作S1中，利用分层浇铸工艺分别制备柔性穹顶3和柔性光纤耦合器6，并将柔性穹顶3连接在柔性光纤耦合器6上。
柔性穹顶3的制备过程中使用到第一下层模具401和第一上层模具402，如图4所示，第一下层模具401和第一上层模具402使用3D打印制作。柔性光纤耦合器6的制备过程中使用到第二下层模具501、第二上层模具502和金属柱503，如图5所示，第二下层模具501和第二上层模具502使用3D打印制作。
柔性皮肤是由硬度为邵氏D00-00的有机硅制成的，为了使该柔性触觉传感器与柔性皮肤的刚度相匹配，操作S1中利用硬度为邵氏D00-20的有机硅制备柔性穹顶3，利用硬度为邵氏D00-50的有机硅制备柔性光纤耦合器6。
具体地，制备柔性穹顶3时，将未固化的有机硅注入到第一下层模具401中，然后将第一上层模具402放在未固化的有机硅上，放置一段时间等待有机硅固化，在这两个模具中间完全固化的硅树脂穹顶即为所需要的柔性穹顶3，将固化后的柔性穹顶3取出即可。
制备柔性光纤耦合器6时，将金属柱503插入第二下层模具501的孔中，然后将未固化的有机硅注入到第二下层模具501中，最后将第二上层模具502放在未固化的有机硅上，放置一段时间等待有机硅固化，在这两个模具中间完全固化的有机硅材料即为所需要的柔性光纤耦合器6，将固化后的柔性光纤耦合器6取出即可。制备完成之后，例如使用硅胶专用胶将柔性穹顶3与柔性光纤耦合器6连接在一起。
在操作S2中，将第一光纤2和第二光纤4放入柔性光纤耦合器6的通孔61中，并在穿过软体物内部之后引出。
具体地，柔性皮肤制造过程中埋入有弹性体橡胶管7，第一光纤2和第二光纤4依次穿过通孔61和弹性体橡胶管7后埋入软体物内部，并从软体物侧面引出以分别连接激光光源1和光电传感器5，还可以将引出的第一光纤2和第二光纤4的外侧分别套上弹性体护套8。
在操作S3中，将柔性光纤耦合器6粘附在软体物表面。进一步地，还可以使用该制备方法将N*M个柔性光纤耦合器6粘附在软体物表面，从而形成柔性触觉传感器阵列，实现对环境的感知功能。
在操作S4中，将第一光纤2的引出端连接至激光光源1，并将第二光纤4的引出端连接至光电传感器5。
本实施例中，该制备方法所制备的基于光衰减的柔性触觉传感器的结构与图1-图2所示实施例中基于光衰减的柔性触觉传感器的结构相同，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，包括：激光光源(1)、第一光纤(2)、柔性穹顶(3)、第二光纤(4)、光电传感器(5)和柔性光纤耦合器(6)；
所述柔性穹顶(3)设置在所述柔性光纤耦合器(6)上，所述柔性光纤耦合器(6)粘附在软体物表面，所述柔性光纤耦合器(6)中设置有与所述柔性穹顶(3)的顶部对准的通孔(61)；所述第一光纤(2)的一端连接所述激光光源(1)，所述第二光纤(4)的一端连接所述光电传感器(5)，所述第一光纤(2)和第二光纤(4)的另一端平行穿过所述通孔(61)；
所述激光光源(1)产生的激光经所述第一光纤(2)传输后到达所述柔性穹顶(3)，并经所述柔性穹顶(3)反射后进入所述第二光纤(4)，再经所述第二光纤(4)传输至所述光电传感器(5)，所述光电传感器(5)用于计算接收到的激光的光强度，所述光强度由所述软体物表面上所承受的力确定。
2.如权利要求1所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一光纤(2)和第二光纤(4)均包括穿过软体物内部并到达所述通孔(61)的部分以及设置在软体物外部的部分。
3.如权利要求2所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，还包括：
弹性体橡胶管(7)，设置在所述软体物内部，且套设在所述第一光纤(2)和第二光纤(4)的外侧。
4.如权利要求2所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，还包括：
弹性体护套(8)，数量为两个，分别套设在所述第一光纤(2)和第二光纤(4)中位于软体物外部的部分的外侧。
5.如权利要求1所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一光纤(2)和第二光纤(4)的材料为PMMA塑料光纤。
6.如权利要求1所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性穹顶(3)的材料为硅胶弹性体。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，其特征在于，所述光强度为光电流强度，所述光电流强度为：
其中，I为所述光电流强度，M为所述第一光纤(2)的辐射通量，P0为所述第一光纤(2)的有效输出功率，T为激光经过所述第二光纤(4)的截面的穿透率，λ为所述激光的波长，α为所述柔性穹顶(3)对所述激光的反射率，d为所述柔性穹顶(3)与所述第一光纤(2)另一端截面之间的距离，θ为所述第一光纤(2)的散射角，A为所述第二光纤(4)的横截面积，R(λ)为所述光电传感器(5)对波长为λ的激光的响应度。
8.一种基于光衰减的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，包括N*M个如权利要求1-7任一项所述的基于光衰减的柔性触觉传感器，N*M＞1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022413840.4U CN213422490U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022413840.4U CN213422490U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN213422490U true CN213422490U (zh) | 2021-06-11 |
Family
ID=76248273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202022413840.4U Active CN213422490U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN213422490U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112229553A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-15 | 华中科技大学 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法 |
| CN113414763A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 杭州电子科技大学 | 基于软体臂的重叠光信号触觉传感系统及其触觉检测方法 |
| CN114636503A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-06-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种基于光敏元件的三维触觉传感器 |
-
2020
- 2020-10-26 CN CN202022413840.4U patent/CN213422490U/zh active Active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112229553A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-15 | 华中科技大学 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法 |
| CN112229553B (zh) * | 2020-10-26 | 2024-06-04 | 华中科技大学 | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法 |
| CN113414763A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 杭州电子科技大学 | 基于软体臂的重叠光信号触觉传感系统及其触觉检测方法 |
| CN113414763B (zh) * | 2021-06-21 | 2022-04-19 | 杭州电子科技大学 | 基于软体臂的重叠光信号触觉传感系统及其触觉检测方法 |
| CN114636503A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-06-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种基于光敏元件的三维触觉传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN213422490U (zh) | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器及阵列 | |
| US11614583B2 (en) | Waveguide and sensor based on same | |
| Massari et al. | A machine-learning-based approach to solve both contact location and force in soft material tactile sensors | |
| CN112229553A (zh) | 一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法 | |
| Park et al. | Force sensing robot fingers using embedded fiber Bragg grating sensors and shape deposition manufacturing | |
| Tomo et al. | A new silicone structure for uSkin—A soft, distributed, digital 3-axis skin sensor and its integration on the humanoid robot iCub | |
| Begej | Planar and finger-shaped optical tactile sensors for robotic applications | |
| US8101904B2 (en) | Compliant tactile sensor for generating a signal related to an applied force | |
| Shah et al. | On the design and development of vision-based tactile sensors | |
| Al-Mai et al. | Design, development and calibration of a lightweight, compliant six-axis optical force/torque sensor | |
| US20190390985A1 (en) | Real-time surface shape sensing for flexible structures | |
| Baimukashev et al. | Shear, torsion and pressure tactile sensor via plastic optofiber guided imaging | |
| JP2005257343A (ja) | 光学式触覚センサ、光学式触覚センサを利用したセンシング方法、センシングシステム、物体操作力制御方法、物体操作力制御装置、物体把持力制御装置及びロボットハンド | |
| KR20020073479A (ko) | 가요성 섬유 광학 마이크로벤드 장치, 센서, 및 사용방법 | |
| Teeple et al. | Soft curvature and contact force sensors for deep-sea grasping via soft optical waveguides | |
| Soter et al. | Skinflow: A soft robotic skin based on fluidic transmission | |
| Zhou et al. | Conformable and compact multiaxis tactile sensor for human and robotic grasping via anisotropic waveguides | |
| Park et al. | A sensorized hybrid gripper to evaluate a grasping quality based on a largest minimum wrench | |
| GB2468609A (en) | Optical fibre sensor which converts compressive stress into tensile stress | |
| CN110383025A (zh) | 具有弹性体泡沫的传感器及其用途 | |
| US20220299387A1 (en) | Intelligent optical fiber tactile sounding system and method thereof | |
| Kang et al. | Soft bending actuator with fiber-jamming variable stiffness and fiber-optic proprioception | |
| Zhang et al. | Three-dimensional force detection and decoupling of a fiber grating sensor for a humanoid prosthetic hand | |
| JP5394171B2 (ja) | 光ファイバセンサ、分布型圧力センサ及びセンサ信号処理装置 | |
| Kampmann et al. | A tactile sensing system for underwater manipulators |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |