阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用技术

阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用，触觉传感器包括依次胶接的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层。柔性光波导触觉敏感层包括若干条呈阵列式分布的光波导内芯，以及整体式包覆光波导内芯的光波导包层。柔性电路层包括发光供电端和光信号接收处理端，发光供电端产生光信号，光信号经光波导传输至光信号接收处理端，被光信号接收处理端转变为电信号，并以无线信号方式发送出去。柔性衬底层由柔性材料制成，起保护与辅助固定作用。本发明专利技术的触觉传感器可用于触觉信息采集与处理，具有柔顺性高、灵敏度高、空间分辨密度高等优点。结构简单，功耗低，与待测环境集成方便，且在传感面积增加时具有数据代价低的优势。

【技术实现步骤摘要】
阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用
本专利技术属于柔性触觉传感器及软体机器人
，具体涉及一种阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
触觉传感器通常用于采集力、形状、压强等触觉信息，在机器人、可穿戴设备、虚拟现实、智能假肢、人机交互等领域具有广泛应用。传统的触觉传感器往往通过硅基的半导体技术或MEMS(MicroelectroMechanicalSystems，微机电系统)技术制备而成，多为刚性，采用布置在关节或其他关心位置的布局来测量或计算交互过程中的触觉信息。但对比触觉的生物对照本体皮肤，通过这样方式采集到的信息往往是离散的、单点式的，获取的触觉信息是不全面的。可能各种不同的刺激，表现在集中的触觉传感器处的信息却是相同的。这显然与真实的触觉信息本身空间密度高、连续分布面积大的特点是不相符的。当前离散式刚性的触觉传感器限制了采集更复杂触觉交互信息的可能性。在刚性的触觉传感器的研究基础之上，结合软体机器人技术，研究者们提出了使用柔性触觉传感器作为解决方案。为采集连续的高密度触觉信息，使用柔性材料具有一定优势：首先，柔性材料可以变有限的敏感节点为接近无穷多个，从而获取更加全面的触觉信息。其次，柔性材料可以把力的交互变为材料的大变形，从而具有实现更高灵敏度的潜力。以及，柔性材料在交互安全防护方面具有一定的减震缓冲作用。为实现柔性触觉传感器中最重要的柔性敏感单元，现有的柔性传感器采用了电阻式、压阻式、压电式、电容式、电磁式等原理将触觉信息转化为输出的电信号。并使用液态金属、导电水凝胶、碳纳米管、岛桥电路等材料或策略来保持传感器的柔性。但不同的工作原理和材料均在灵敏度、工作环境、处理电路等方面存在一定的缺陷。例如，常见的电容式柔性触觉传感器往往不同敏感节点之间存在串扰，需设计专门的读取策略与电路。电磁式柔性触觉传感器很好地解决了传感器去除拖缆的问题，但同时引入了专业检测环境的需求，使得集成的易用性降低，应用场景变少。液态金属能够随软体基材保持随动性，通过电阻值的变化来反映触觉信息，但具有封装难度高以及易泄露的缺点，同时静态工作零点可能在随着形变不断变化。同时，不同触觉传感器都难以回避的一个问题是随着感知面积不断提高、敏感节点不断增多，所需处理的数据量也在呈几何式增长，这给处理电路提出了很大的挑战，为触觉传感器的大规模阵列化带来阻力。综上所述，在柔性触觉传感器领域，依然需要具有灵敏度高、空间分辨率高、无线、易于移植集成、数据处理代价低等优势的传感器解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用。本专利技术公开的柔性触觉传感器具有检测面内接触力大小、接触力方向、接触力空间分布形式、接触力时序变化等触觉信息的功能，具有柔性高、灵敏度高、空间分辨率高、响应速度快、无线等优点。系统结构简单，成本低，功耗低，与待测环境集成方便，且在大面积的触觉信息采集中具有数据代价低的优势。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术公开阵列化光波导柔性触觉传感器，包括柔性触觉敏感层；所述的柔性光波导触觉敏感层包括至少一层光波导内芯，以及整体式包覆光波导内芯的光波导包层。进一步地，本专利技术公开阵列化光波导柔性触觉传感器还包括柔性电路层和柔性衬底层，所述的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层依次胶接；所述的柔性电路层包括发光供电端和光信号接收处理端，所述的发光供电端产生光信号，所述的光信号经所述的柔性光波导触觉敏感层传输至所述的光信号接收处理端，被所述的光信号接收处理端转变为电信号，并以无线信号方式发送出去，所述的柔性电路层的基底为柔性电路衬底，或是硬质印刷电路板衬底，或是可拉伸柔性电路衬底材料；所述的柔性衬底层由柔性材料制成，起保护与辅助固定作用。进一步地，所述的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层是曲面，或者是平面。进一步地，所述的每层内的光波导内芯平行分布或相交分布或若干个光波导内芯部分重合分布，不同层之间的光波导内芯相交或不相交。进一步地，所述的发光供电端包含电源与若干个光源，用以发出光信号，所述电源用于给发光供电端供电，包括以电池、供电线、无线供电等方式供电；所述的光源将电能转化为所述的光信号；所述的光信号包括所有能在所述的柔性光波导触觉敏感层中进行全反射传播的电磁波信号，包括但不限于可见光、红外光、紫外光。进一步地，所述的光信号接收处理端包括电源、光电转换模块、信号处理模块、无线发送模块、无线接收与处理模块；所述的电源用于给光信号接收处理端供电，包括以电池、供电线、无线供电等方式供电；所述的光电转换模块包括若干个光电三极管；所述的信号处理模块包括A/D转换与微控制单元；所述的无线发送模块由蓝牙或WiFi或NFC天线组成；所述的无线接收与处理模块包含与所述的无线发送模块匹配的无线接收器，以及后续的信号处理程序；光电三极管接收光信号并转化为模拟电信号，所述的A/D转换将模拟电信号转换为数字电信号，数字电信号经过微控制单元后，由无线发送模块变为无线信号后发送出去，无线接收与处理模块获取无线信号并将其分析处理以还原触觉信息。第二方面，本专利技术公开了阵列化光波导柔性触觉传感器的其制备方法，包括以下步骤：步骤S1、制作柔性光波导触觉敏感层，具体包括：制作柔性光波导触觉敏感层的外形模具以及光波导内芯模具；将所述外形模具与光波导内芯模具装配组成柔性光波导触觉敏感层的模具；将第一液态弹性体注入柔性光波导触觉敏感层的模具空腔，静置加热至第一液态弹性体完全固化，打开外形模具，并取出光波导内芯模具，得到光波导包层；将第二液态弹性体注入光波导包层中空洞中，静置加热至第二液态弹性体完全固化，得到光波导内芯；步骤S2、制作柔性电路层并与柔性光波导触觉敏感层装配，具体包括：设计发光供电端与光信号接收处理端的电路并印刷在柔性电路板上，焊接并调试电路元件，将光波导内芯两端分别与光波导供电端以及光信号接收处理端对齐并固连装配；步骤S3、制作柔性衬底层并封装，具体包括：制备柔性衬底层的模具，将第三液态弹性体经均匀脱泡处理后，注入柔性衬底层的模具中，加热静置至第三液态弹性体完全固化，取出柔性衬底层并将其封装在已制得的柔性电路层的底部。进一步地，其特征在于，所述的步骤S1中，在发光供电端产生的光信号的波长范围内，由第二液态弹性体完全固化得到的光波导内芯的折射率大于由第一液态弹性体完全固化得到的光波导包层的折射率。第三方面，本专利技术公开了上述阵列化光波导柔性触觉传感器的应用，包括以下应用：一种机器人，包括机器人主体和安装于机器人主体的机械臂，其特征在于：所述的机械臂上安装有权利要求上述阵列化光波导柔性触觉传感器。一种穿戴设备，其特征在于：安装有上述阵列化光波导柔性触觉传感器。本专利技术的特点及有益效果为：(1)本专利技术的阵列化光波导柔性触觉传感器，采用光波导全反射原理检测触觉信息，包含接触力大小、接触力方向、接触力空间分布形式、接触力时序变化等，进而可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，包括柔性光波导触觉敏感层；所述的柔性光波导触觉敏感层包括至少一层光波导内芯，以及整体式包覆光波导内芯的光波导包层。/n

【技术特征摘要】
1.阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，包括柔性光波导触觉敏感层；所述的柔性光波导触觉敏感层包括至少一层光波导内芯，以及整体式包覆光波导内芯的光波导包层。


2.根据权利要求1所述的阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，还包括柔性电路层和柔性衬底层，所述的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层依次胶接；所述的柔性电路层包括发光供电端和光信号接收处理端，所述的发光供电端产生光信号，所述的光信号经所述的柔性光波导触觉敏感层传输至所述的光信号接收处理端，被所述的光信号接收处理端转变为电信号，并以无线信号方式发送出去，所述的柔性电路层的基底为柔性电路衬底，或是硬质印刷电路板衬底，或是可拉伸柔性电路衬底材料；所述的柔性衬底层由柔性材料制成，起保护与辅助固定作用。


3.根据权利要求2所述的阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，所述的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层是曲面，或者是平面。


4.根据权利要求1所述的阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，每层内的光波导内芯平行分布或相交分布或若干个光波导内芯部分重合分布，不同层之间的光波导内芯相交或不相交。


5.根据权利要求2所述的阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，所述的发光供电端包含电源与若干个光源，用以发出光信号，所述电源用于给发光供电端供电；所述的光源将电能转化为所述的光信号；所述的光信号包括所有能在所述的柔性光波导触觉敏感层中进行全反射传播的电磁波信号。


6.根据权利要求2所述的阵列化光波导柔性触觉传感器，其特征在于，所述的光信号接收处理端包括电源、光电转换模块、信号处理模块、无线发送模块、无线接收与处理模块；所述的电源用于给光信号接收处理端供电，包括以电池、供电线、无线供电等方式供电；所述的光电转换模块包括若干个光电三极管；所述的信号处理模块包括A/D转换与微控制单元；所述的无线发送模块由蓝牙或WiFi或NFC天线组成；所述的无线接收与处理模...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧婵，周婧祎，刘辛军，乔飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11