[发明专利]触觉传感器

说明书

本公开提供了一种感测装置、一种触觉感测装置和一种触觉传感器，该感测装置包括：光敏传感器；针孔阵列结构，其位于所述光敏传感器上；弹性体层，其位于所述针孔阵列结构的远离所述光敏传感器的一侧；反射层，其位于所述弹性体层的远离所述针孔阵列结构的一侧；以及光源，其位于所述反射层与所述针孔阵列结构之间。

技术领域

本公开涉及基于视觉的触觉传感器，尤其用于在接触区域中感测三维表面变形和力分布。

背景技术

触觉传感器目前用于许多领域，诸如机器人和医疗外科。例如，对于抓握操作系统，触觉传感器是产生有效反馈以在移动期间保持稳定抓握的必要部件。

近几十年来，已经广泛地开发了具有不同转换方法的各种类型的触觉传感器，包括电容式、压电式和压阻式。它们覆盖从微观到宏观的宽范围，具有广泛的应用。然而，由于它们在机械结构、读出电路设计和接口方面的高复杂性，它们缺乏高分辨率空间映射和三维测量的能力。

基于视觉的触觉传感器由于其容易制造、分辨率高和多轴变形感测优势而在各种机器人系统中蓬勃发展，例如Gelforce、FingerVision、Gelsilight。它们充分利用了CMOS图像传感器当前发展的进步，例如低成本、高分辨率、快速响应和微型化尺寸。尤其是，由于图像传感器的读出电路是成熟的并且与传感器集成，所以容易实现高密度空间映射能力。然而，由于相对庞大的尺寸、高成本和可重复性问题，基于视觉的触觉传感器没有应用于现有技术的工业机器人。

对于基于视觉的下一代触觉传感器的开发，需要小型化、低成本、简单制造和鲁棒适应性。受由紧密布置的独立可视化单元的阵列组成的复眼结构的启发，本发明提供了一种薄的类似皮肤的触觉传感器的解决方案，其可以提供针对表面变形和接触力分布的触觉映射功能的高空间密度。

发明内容

利用来自复眼的启发，开发基于视觉的触觉传感装置以用于可抓握的机器人应用和其它请求触摸信息的应用。存在涂覆有形成顶层的柔性反射膜的弹性体层，其中标记物涂覆在反射膜的底部上。标记物通常是多个阵列圆或其它随机结构，其可以被优化以用于容易的图像处理。反射层在图像处理期间用作用于标记图像提取的对比度增强背景，并且还用作用于该装置的保护层。或者可以在弹性体层和反射层之间或在反射层之上添加附加的保护层。标记物的变形由与复眼激发透镜结构(中间层)和CMOS传感器(底层)组合的光学成像系统捕获。中间层由位于弹性体层下面的微加工透镜阵列组成。在弹性体和透镜结构之间可以有另一个刚性透明层，以确保弹性体在透镜和弹性体的界面处不改变。底层为CMOS图像传感器芯片所在位置，CMOS图像传感器芯片捕获标记物的移动，并通过接口电路将信号送至图像处理单元。除了上述主要部件之外，光源将被适当地放置在每个透镜的旁边或系统的边缘上，提供成像照明。光源可以是LED、光纤或其它类型。传感器通过单独的感测单元或通过来自相邻感测单元的图像的交叉参考来对标记物的三维移动和形状变化进行成像，由此可以导出整个表面的变形和滑移率分布。因此，也可以计算表面处的接触力。传感器的分辨率取决于CMOS成像器的像素尺寸和透镜系统的光学放大率。传感器厚度取决于单个光学单元的高度，传感器厚度根据图像放大率从几百微米到几个厘米变化。系统的感测区域通常等于CMOS成像器的尺寸(在mm到cm范围内)，并且在技术上，可以实现用于大面积感测的CMOS成像器阵列。透镜系统使用微制造技术或3D打印或其它适当方法制造以确保高精度、可靠性、可重复性和低成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种感测装置，包括：光敏传感器；针孔阵列结构，其位于所述光敏传感器上；弹性体层，其位于所述针孔阵列结构的远离所述光敏传感器的一侧；反射层，其位于所述弹性体层的远离所述针孔阵列结构的一侧；以及光源，其位于所述反射层与所述针孔阵列结构之间。

在一些实施例中，所述针孔阵列结构包括以网格排布的圆形、矩形、三角形或五边形形状的孔。

在一些实施例中，所述光源包括发光二极管或发光纤维。