[发明专利]一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器

说明书

本发明公开了一种基于力敏电阻与聚偏氟乙烯的假肢手指触觉传感器，包括力敏电阻传感器模块、聚偏氟乙烯传感器模块、处理电路模块、传感器基座、聚二甲基硅氧烷灌注孔和关节轴。本发明的假肢手指触觉传感器利用聚偏氟乙烯薄膜非均匀变形和高灵敏度的特点，将聚偏氟乙烯薄膜的动态低频响应用于动态接触点估计，高频响应用于纹理识别，采用力敏电阻作为补充静力测量，结合了PVDF动态接触力测量的优点和FSR在静态力测量中的方便性，实现了在不使用复杂传感阵列的情况下，只需一个传感器单元即可实现法向力测量、接触点估计和纹理识别，降低了触觉传感器的成本，提升了触觉传感器的性能。

技术领域

本发明涉及生物医学传感器技术领域，尤其涉及一种基于FSR与PVDF的假肢手指触觉传感器。

背景技术

假肢手被广泛应用于临床医学当中，可以提高残疾病人的生活质量。触觉传感器在接触点上提供关于相互作用力和表面性能的信息，是假肢手实现自主操纵和抓握的基本需求。在实际应用中，自主操纵和触觉反馈所需触觉传感信息包括接触力和表面性能，如纹理和硬度。

目前，考虑到触觉传感器诸多限制因素(如高空间分辨率，高灵敏度，宽频率响应，低滞后和记忆效应，性能稳健等)，可用于假手的功能性和低成本触觉传感器的开发仍然是一个难题。在实际设计中，这些限制因素彼此矛盾。例如，较高的空间分辨率可能不可避免地导致需要大量的连接线，而太多的线连接可能导致更大的噪声。除了性能之外，触觉传感器的设计还应考虑性能和成本之间的权衡。目前许多商业假手运动灵活，但缺乏触觉感应，如i-Limb手，Bebionic手，VINCENT手等，其中一个最重要的原因是触觉传感器的高成本阻碍了其广泛的应用。

目前触觉传感器中的力测量可以通过压阻效应、压电效应、量子隧道效应、基于纳米复合材料的光学触觉传感器等多种传感方法来实现。市售FSR是一种广泛使用的压阻传感器。然而，为了实现接触点估计，几乎所有的方法都采用了高空间分辨率的触觉传感阵列。在触觉传感阵列中，每个传感元件负责单点力的测量，并设置一个传感元件阵列，形成一个大的敏感区。接触力强度和接触点可以从所有传感元件的矩阵输出中推断出来。有许多适合机器人手的商用平面阵列传感器，如Tekscan的矩阵压力映射传感器、PPP公司的手指触觉压力传感系统、Weiss Robotics的WTS-FT触觉传感模块、来自syntouch的BioTac触觉传感器等。

尽管触觉传感阵列在空间分辨率方面具有优异的性能，但它们也强烈依赖于特殊的处理设备，如微电子机械系统(MEMS)技术、静电纺丝、丝网印刷、激光加工等。此外，由于使用了大量的传感器元件，处理电路可能大而复杂，导致产品成本和价格都很高。

局部表面的纹理信息也是机器人自主操作和人机交互的重要组成部分。在大多数情况下，纹理识别基于振动测量。PVDF等压电传感器是一种理想的纹理识别材料，具有超灵敏度、高变形性、宽频率响应、低介电常数等优良特性。目前，对聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜的应用多集中在纹理识别的高频响应上，而对其进行低频运动监测的研究较少。然而，PVDF传感器的低频响应信息在某些情况下也有用，例如有研究报导基于聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维传感器的数据手套能准确监测手指运动，使用的信号频率约为1赫兹。

发明内容

本发明的目的在于降低触觉传感器成本的同时提高触觉传感器的性能，提高触觉传感器频率响应的范围和空间分辨率。本发明提出了一种基于力敏电阻(FSR)与聚偏氟乙烯(PVDF)的假肢手指触觉传感器。

为达到上述目的，采用如下技术方案：