[发明专利]一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法，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。

技术领域

本发明属于传感技术领域，更具体地，涉及一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法。

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。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光衰减的柔性触觉传感器、阵列及其制备方法，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，按照本发明的一个方面，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。