光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人技术方案

本发明专利技术涉及一种光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。光波导触觉传感器包括：光波导包层和包覆在光波导包层中的至少两条光波导内芯、至少两个光源和至少两个光敏元件；各光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层的第一方向；各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各光源射出的光线通过对应的光波导内芯传导至对应的光敏元件中；各光波导内芯用于在光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变光敏元件接收到的光线的强度。本发明专利技术的结构和制作过程均较为简单，也易于与机器人以及可穿戴设备集成，同时不影响机器人以及人的灵活操作能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人


[0001]本专利技术涉及触觉传感器
，特别是涉及一种光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。

技术介绍

[0002]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。而丰富的触觉感知能力能够辅助机器人实现各种灵活操作。在触觉交互中，最常见的感知对象为法向力与切向力，而这两种形式的力对于触觉操作也分别具有不同的意义。例如，法向力有助于评估接触力或夹持力的大小，或用于评估碰撞发生的剧烈程度；切向力在纹理检测以及操作中的滑移评估具有重要作用。
[0003]然而，相关技术中能够同时实现法向力与切向力的感知的触觉传感器往往结构较为复杂。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对现有技术中能够同时进行法向力和切向力感知的触觉传感器结构较为复杂的问题，提供一种结构简单的光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人。
[0005]本申请实施例第一方面提供一种光波导触觉传感器，包括：光波导包层和包覆在光波导包层中的至少两条光波导内芯、至少两个光源和至少两个光敏元件；
[0006]其中，各光波导内芯均包覆在光波导包层中，且在光波导包层的第一方向上间隔布置；
[0007]各光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，第一平面垂直于光波导包层的第一方向；
[0008]各光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各光源射出的光线通过对应的光波导内芯传导至对应的光敏元件中；
[0009]各光波导内芯用于在光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变光敏元件接收到的光线的强度。
[0010]在其中一个实施例中，光波导内芯的数量为两条，两条光波导内芯在第一平面上的投影垂直；或者
[0011]光波导内芯的数量为三条，每两条光波导内芯在第一平面上的投影的夹角均为120
°
。
[0012]在其中一个实施例中，各光波导内芯在光波导包层内呈直线状排布。
[0013]在其中一个实施例中，光波导包层的材质为硅橡胶；和/或
[0014]光波导内芯的折射率大于光波导包层的折射率；和/或
[0015]光波导内芯的材质为聚氨酯。
[0016]在其中一个实施例中，每一光波导内芯被构造为呈柱状，光波导包层被构造为呈
长方体状，且光波导内芯的轴线垂直于光波导包层的第一方向，其中，光波导包层的高度方向形成第一方向。
[0017]本申请实施例第二方面提供一种光波导触觉传感系统，包括：
[0018]上述的光波导触觉传感器；
[0019]信号采集电路，与至少两个光敏元件电连接，并用于采集至少两个光敏元件的输出信号；
[0020]光源供电电路，与至少两个光源电连接，并用于对至少两个光源供电；以及
[0021]控制器，与信号采集电路电连接，用于根据信号采集电路测得的至少两个光敏元件的输出信号获取光波导触觉传感器受到的外力。
[0022]在其中一个实施例中，信号采集电路包括第一电阻器和第一电源，第一电阻器和第一电源依次串联在光敏元件的两端。
[0023]在其中一个实施例中，光源供电电路包括第二电阻器和第二电源，第二电阻器和第二电源依次串联在光源的两端。
[0024]本申请实施例第三方面提供一种机器人，包括手指以及上述的光波导触觉传感器，光波导触觉传感器设置在手指的外表面上。
[0025]本申请实施例第四方面提供一种光波导触觉传感器的标定方法，光波导触觉传感器采用上述的光波导触觉传感器，标定方法包括：
[0026]向光波导包层施加若干组第一合成力，并获取各光敏元件的若干组第一输出，其中，第一合成力是m维力，m为大于等于1且小于等于3的正整数；
[0027]根据若干组第一合成力和对应的光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和各光敏元件的输出的映射关系；
[0028]利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验。
[0029]在其中一个实施例中，根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的映射关系的步骤具体包括：
[0030]根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出，利用多元线性拟合的方式建立映射关系。
[0031]在其中一个实施例中，第一合成力为法向力和切向力合成的二维力，光波导触觉传感器包括两条光波导内芯，将两条光波导内芯分别定义为第一光波导内芯和第二光波导内芯；
[0032]根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出，并利用多元线性拟合的方式建立映射关系的步骤具体包括：
[0033]使用6维基底通过多元线性拟合方法构建光波导传感器的映射模型，映射模型为：
[0034][0035][0036]将若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出值分别输入至对应的所述映射模型(1)、所述映射模型(2)，计算出参数A和参数B；
[0037]其中，PLU为第一光波导内芯的第一输出，PLL为第二光波导内芯的第一输出；
[0038]A为第一光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数a0、a1、a2、a3、a4、a5组成，B为第二光波导内芯的映射模型拟合系数行向量，由6个常数b0、b1、b2、b3、b4、b5组成；
[0039]6维基底分别为：1、nf、nf2、sf、sf2、nfsf；
[0040]nf为法向力大小，sf为切向力大小，nf2为法向力大小的平方，sf2为切向力大小的平方，nfsf为法向力大小与切向力大小的乘积；
[0041]a0、a1、a2、a3、a4、a5分别为第一光波导内芯中6维基底1、nf、nf2、sf、sf2、nfsf的拟合系数，a0、a1、a2、a3、a4、a5，均为与光波导触觉传感器有关的常数；根据所述的拟合过程的相关系数判断所述6维基底对于所述第一输出的相关程度；
[0042]b0、b1、b2、b3、b4、b5分别为第二光波导内芯中6维基底1、nf、nf2、sf、sf2、nfsf的拟合系数，b0、b1、b2、b3、b4、b5，均为与光波导触觉传感器有关的常数；根据所述的拟合过程的相关系数判断所述6维基底对于所述第一输出的相关程度；
[0043]并且，与一组所述第一合成力对应的一组所述第一输出包括：与所述第一光波导内芯对应的第一输出、以及与所述第二光波导内芯对应的第一输出。
[0044]在其中一个实施例中，根据若干组第一合成力和对应的各光敏元件的若干组第一输出建立光波导触觉传感器的输入力和光敏元件的映射关系；
[0045]利用至少一组第一合成力和对应的各光敏元件的至少一组第一输出对映射关系进行校验的步骤具体包括：
[0046]将光敏元件的若干组第一输出输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光波导触觉传感器，其特征在于，包括：光波导包层和包覆在所述光波导包层中的至少两条光波导内芯、至少两个光源和至少两个光敏元件；其中，各所述光波导内芯均包覆在所述光波导包层中，且在所述光波导包层的第一方向上间隔布置；各所述光波导内芯在第一平面上的投影相交叉，其中，所述第一平面垂直于所述光波导包层的第一方向；各所述光波导内芯的输入端均布置有至少一个光源，各所述光波导内芯的输出端布置有至少一个光敏元件，各所述光源射出的光线通过对应的所述光波导内芯传导至对应的光敏元件中；各所述光波导内芯用于在所述光波导包层受到外力作用时，发生形变以改变所述光敏元件接收到的光线的强度。2.根据权利要求1所述的光波导触觉传感器，其特征在于，所述光波导内芯的数量为两条，两条光波导内芯在所述第一平面上的投影垂直；或者所述光波导内芯的数量为三条，每两条所述光波导内芯在所述第一平面上的投影的夹角均为120
°
。3.根据权利要求1所述的光波导触觉传感器，其特征在于，各所述光波导内芯在所述光波导包层内呈直线状排布。4.根据权利要求1～3中任一项所述的光波导触觉传感器，其特征在于，所述光波导包层的材质为硅橡胶；和/或所述光波导内芯的折射率大于所述光波导包层的折射率；和/或所述光波导内芯的材质为聚氨酯。5.根据权利要求1～3中任一项所述的光波导触觉传感器，其特征在于，每一所述光波导内芯被构造为呈柱状，所述光波导包层被构造为呈长方体状，且所述光波导内芯的轴线垂直于所述光波导包层的所述第一方向，其中，所述光波导包层的高度方向形成所述第一方向。6.一种光波导触觉传感系统，其特征在于，包括：如权利要求1～5中任一项所述的光波导触觉传感器；信号采集电路，与所述至少两个光敏元件电连接，并用于采集所述至少两个光敏元件的输出信号；光源供电电路，与所述至少两个光源电连接，并用于对所述至少两个光源供电；以及控制器，与所述信号采集电路电连接，用于根据所述信号采集电路测得的所述至少两个光敏元件的输出信号获取所述光波导触觉传感器受到的外力。7.一种机器人，其特征在于，包括手指以及如权利要求1～5中任一项所述的光波导触觉传感器，所述光波导触觉传感器设置在所述手指的外表面上。8.一种光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，所述光波导触觉传感器采用如权利1～5中任一项所述的光波导触觉传感器，所述标定方法包括：向所述光波导包层施加若干组第一合成力，并获取各光敏元件的若干组第一输出，其中，所述第一合成力是m维力，m为大于等于1且小于等于3的正整数；根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所
述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的输出的映射关系；利用至少一组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的至少一组所述第一输出对所述映射关系进行校验。9.根据权利要求8所述的光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出建立所述光波导触觉传感器的输入力和所述光敏元件的映射关系的步骤具体包括：根据若干组所述第一合成力和对应的各所述光敏元件的若干组所述第一输出，利用多元线性拟合的方式建立映射关系。10.根据权利要求9所述的光波导触觉传感器的标定方法，其特征在于，所述第一合成力为法向力和切向...

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