光学柔性二维切向力触觉传感器

摘要

本发明公开了一种光学柔性二维切向力触觉传感器，属于光传感技术领域。该光学生化传感器包括：光源层，聚合物柔性传导层和光电探测层。光源发出的光束经聚合物柔性传导层照射到光电探测层的2×2阵列光电探测器上，二维切向力引起聚合物柔性传导层形变位移，使得2×2阵列光电探测器的光电流发生改变，通过计算光电流的相对变化量获得二维切向力的大小和方向。该传感器将光源、聚合物柔性传导层和光电探测器集成到一起，具有体积小、柔韧度高、同时检测切向力大小和方向的优点。

说明书

技术领域

本发明属于光传感技术领域，具体涉及一种光学柔性二维切向力触觉传感器。

背景技术

触觉传感器是智能仿生机器人多指手实现对目标物体抓取必不可少的单元部件，尤其是切向力的检测是可靠抓取的关键。传统电学触觉传感器，如电阻型、电容型、磁导型等，尽管可以在一定程度上实现接触部位的压力或切向力等实时信息的获取，并采用导电橡胶等柔性材料实现传感器的柔性可贴服功能，但是大多存在输入输出布线复杂、制作工艺难度大等问题，尤为重要的是在实际应用中易受电磁场等环境因素干扰。

光学触觉传感器基于光学检测原理在抗电磁干扰方面独具优势，在实现抗电磁干扰、柔性触觉传感功能方面极具潜力，相关研究受到极大关注并获得了重要进展。

在先技术[1](M.Ohka,N.Morisawa,H.Suzuki,J.Takata,H.Koboyashi,andH.B.Yussof.“A robotic finger equipped with an optical three-axis tactile sensor”,2008IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena,CA,USA,2008,pp.3425-3430)中，利用弯曲波导受外界力作用下全反射条件被破坏，部分光波从波导中泄露出，通过探测泄露光的强度分布获得压力和切向力的检测功能。但是该传感器是基于CCD检测光强分布，检测装置体积大，结构复杂，且传感器不能实现柔性可贴服功能。

在先技术[2](Zhi Feng Zhang,Xiao Ming Tao,Hua Peng Zhang,and Bo Zhu.“Soft fiber optic sensors for precision measurement of shear stress and pressure”,IEEE Sensors Journal,2013,Vol.13,No.5,pp.1478-1482.)中，将塑料光纤光栅分别按照水平和倾斜方向埋入柔性聚合物基板中，并在基板外侧安装垫圈，通过检测水平光纤光栅和倾斜光纤光栅的波长漂移量来检测压力和切向力。但是该传感器实现力的检测需要昂贵的光栅解调仪，成本高。

在先技术[3](Jeroen Missinne,Erwin Bosman,Bram Van Hoe,Geert VanSteenberge,Sandeep Kalathimekkad,Peter Van Daele,Member,and Jan Vanfleteren,“Flexible shear sensor based on embedded optoelectronic components”,IEEEPhotonics Technology Letters,2011,Vol.23,No.12,pp.771-773)中，采用柔性聚合物材料作为传导介质，外界力作用下引起传导介质形变，通过测量光电探测器接收光功率的变化获得切向力的大小。该传感器实现了柔性可贴服功能，且检测解调方法简单，但只能实现一维切向力的检测。

发明内容

本发明针对上述光学触觉传感器存在的检测系统体积大、结构复杂，成本高，或只能实现一维切向力检测等技术问题，提出一种光学柔性二维切向力触觉传感器。

本发明的技术方案如下：

一种光学柔性二维切向力触觉传感器，包括光源层、柔性聚合物构成的传导介质层和光电探测层，从下到上依次相接排列。

激光器位于光源层内，光源层的基体材料为柔性聚合物。

第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器和第四光电探测器为正方形，边长为a，逆时针依次排列构成2×2光电探测器阵列，边长为2a，位于光电探测层内，光电探测层的基体材料为柔性聚合物；激光器中心与2×2光电探测器阵列中心的连线垂直于光电探测层的平面。

所述激光器为垂直腔面发射激光器，其发出的光束照射到2×2光电探测器阵列上，光斑为圆形，半径为R。

所述第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器和第四光电探测器为薄片形光电探测器，封装边框的宽度为d。

所述光学柔性二维切向力触觉传感器，其传感检测方法具有如下步骤：

a.二维切向力F施加于传感器单元时引起聚合物柔性传导介质层水平方向形变，分别产生x方向的形变Δx和y方向的形变Δy，激光器的中心与2×2光电探测器阵列中心连线不再垂直于光电探测层的平面，四个光电探测器上接收到激光器的光波后输出的光电流是分别为I₁、I₂、I₃和I₄，忽略聚合物柔性传导介质层厚度变化对光电探测器接收光功率的影响，则有(I₂+I₃)-(I₁+I₄)只与x方向的形变Δx有关，(I₃+I₄)-(I₁+I₂)只与y方向的形变Δy有关，即满足如下关系

$>r_1\left(\mathrm{\Delta x}\right)=\frac{(I_2+I_3)-(I_1+I_4)}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(1\right)$>

$>r_2\left(\mathrm{\Delta y}\right)=\frac{(I_3+I_4)-(I_1+I_2)}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(2\right)$>

其中I_total＝I₁+I₂+I₃+I₄为四个光电探测器输出的光电流之和，r₁(Δx)和r₂(Δy)为光电流的相对变化量。

b.二维切向力F在x方向和y方向上的分量F_x和F_y与聚合物柔性传导介质层在x方向的形变Δx和y方向的形变Δy的关系满足

$>F_x=\frac{\mathrm{\Delta xGS}}{D}---\left(3\right)$>

$>F_y=\frac{\mathrm{\Delta yGS}}{D}---\left(4\right)$>

其中G为聚合物柔性传导介质层的切向模量，D为聚合物柔性传导介质层的厚度，S为受力面积。二维切向力F的大小F和方向θ分别为

$>F=\sqrt{F_x^2+F_y^2}---\left(5\right)$>

c.测量得到四个光电探测器x方向和y方向的光电流相对变化量r₁(Δx)和r₂(Δy)，根据公式(1)和(2)，计算得到x方向和y方向的形变Δx和Δy，利用公式(3)、(4)和(5)计算得到二维切向力的大小F；利用公式(6)计算得到二维切向力的方向θ。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的光学柔性二维切向力触觉传感器具有以下突出的有益效果：

(1)本发明中激光光源、2×2光电探测器阵列均置于柔性材料层，与聚合物传导介质层构成二维切向力触觉传感器，结构简单，成本低，并具有柔性可贴服特点。

(2)本发明通过检测四个光电探测器的光电流相对变化量，获得切向力大小和方向信息，解调方法简单，同时可以消除光源功率抖动对测量结果的影响。

附图说明

图1本发明光学柔性二维切向力触觉传感器结构示意图。

图2未受外界力条件下传感器俯视图。

图3受二维切向力作用下传感器俯视图。

图4传感器x方向光电流相对变化量r₁与x方向形变Δx的关系曲线。

图5传感器y方向光电流相对变化量r₂与y方向形变Δy的关系曲线。

图中：1光源层；2传导介质层；3光电探测层；

11激光器；

31第一光电探测器；32第二光电探测器；33第三光电探测器；34第四光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明光学柔性二维切向力触觉传感器包括光源层、聚合物柔性传导介质层和光电探测层，从下到上依次相接排列；激光器位于光源层内，光源层介质为柔性聚合物材料；第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器和第四光电探测器为正方形，边长为a，逆时针依次排列构成边长为2a的2×2光电探测器阵列，位于光电探测层内，光电探测层介质为柔性聚合物；激光器中心与2×2光电探测器阵列中心的连线垂直于光电探测层的平面。激光器为垂直腔面发射激光器。

图2是未受外界力条件下传感器俯视图，激光器发出的光束照射到2×2光电探测器阵列上，光斑为圆形，半径为R。第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器和第四光电探测器为薄片形光电探测器，封装边框的宽度为d。激光器输出光斑的圆心与2×2光电探测器阵列的中心重合。

图3是受二维切向力作用下传感器俯视图，二维切向力F施加于传感器单元时引起聚合物柔性传导介质层水平方向形变，激光器的中心与2×2光电探测器阵列中心连线不再垂直于光电探测层的平面，即激光器输出光斑的圆心与2×2光电探测器阵列中心不再重合，二者相对位移为(Δx,Δy)。可以理解为二维切向力F引起聚合物柔性传导介质层水平方向形变，分别产生x方向的形变Δx和y方向的形变Δy。

四个光电探测器上接收到激光器的光波后输出的光电流是分别为I₁、I₂、I₃和I₄，忽略聚合物柔性传导介质层厚度变化对光电探测器接收光功率的影响，则有(I₂+I₃)-(I₁+I₄)只与x方向的形变Δx有关，(I₃+I₄)-(I₁+I₂)只与y方向的形变Δy有关，即满足如下关系

$>r_1\left(\mathrm{\Delta x}\right)=\frac{(I_2+I_3)-(I_1+I_4)}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(1\right)$>

$>r_2\left(\mathrm{\Delta y}\right)=\frac{(I_3+I_4)-(I_1+I_2)}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(2\right)$>

其中I_total＝I₁+I₂+I₃+I₄为四个光电探测器输出的光电流之和，r₁(Δx)和r₂(Δy)为光电流的相对变化量。

二维切向力F在x方向和y方向上的分量F_x和F_y与聚合物柔性传导介质层在x方向的形变Δx和y方向的形变Δy的关系满足

$>F_x=\frac{\mathrm{\Delta xGS}}{D}---\left(3\right)$>

$>F_y=\frac{\mathrm{\Delta yGS}}{D}---\left(4\right)$>

其中G为聚合物柔性传导介质层的切向模量，D为聚合物柔性传导介质层的厚度，S为受力面积。二维切向力F的大小F和方向θ分别为

$>F=\sqrt{F_x^2+F_y^2}---\left(5\right)$>

测量得到四个光电探测器x方向和y方向的光电流相对变化量r₁(Δx)和r₂(Δy)，根据公式(1)和(2)计算得到x方向和y方向的形变Δx和Δy，利用公式(3)、(4)和(5)计算得到二维切向力的大小F；利用公式(6)计算得到二维切向力的方向θ。

实施例，选择PDMS为聚合物柔性传导介质层，厚度D＝200μm，剪切模量为G＝400kPa，光源层厚度为100μm，光电探测层厚度为100μm，光电探测器边长为a＝100μm，封装边宽度d＝10μm，激光器输出激光照射到2×2光电探测器阵列上光斑的半径为R＝100μm，传感单元的面积为S＝4mm×4mm，PDMS聚合物柔性传导介质层的x方向和y方向的最大形变量为|Δx||_max＝|Δy||_max＝80μm，根据公式可以计算得出该传感器可以实现0～2.5N范围内切向力的检测。

假设激光器输出的光斑在半径为R的范围内光强均匀分布，这可以通过为微透镜对垂直腔面发射激光器的光束进行整形来实现。图3所示，在二维切向力F作用下，四个光电探测器上接收到激光器的光波后输出的光电流是分别为I₁、I₂、I₃和I₄，x方向和y方向光电流的相对变化量分别为

$>r_1\left(\mathrm{\Delta x}\right)=\frac{(d+\mathrm{\Delta x})\sqrt{R^2-{(d+\mathrm{\Delta x})}^2}-(d-\mathrm{\Delta x})\sqrt{R^2-{(d-\mathrm{\Delta x})}^2}+R^2\arcsin \frac{d+\mathrm{\Delta x}}{R}-R^2\arcsin \frac{d-\mathrm{\Delta x}}{R}-4\mathrm{d\Delta x}}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(7\right)$>

$>r_2\left(\mathrm{\Delta y}\right)=\frac{(d+\mathrm{\Delta y})\sqrt{R^2-{(d+\mathrm{\Delta y})}^2}-(d-\mathrm{\Delta y})\sqrt{R^2-{(d-\mathrm{\Delta y})}^2}+R^2\arcsin \frac{d+\mathrm{\Delta y}}{R}-R^2\arcsin \frac{d-\mathrm{\Delta y}}{R}-4\mathrm{d\Delta y}}{I_{\mathrm{to>}}}---\left(8\right)$>

其中

$>\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{total}}=\pi R^2-(d+\mathrm{\Delta x})\sqrt{R^2-{(d+\mathrm{\Delta x})}^2}-R^2\arcsin \frac{d+\mathrm{\Delta x}}{R}-(d-\mathrm{\Delta x})\sqrt{R^2-{(d-\mathrm{\Delta x})}^2}-R^2\arcsin \frac{d-\mathrm{\Delta x}}{R}\\ -(d+\mathrm{\Delta y})\sqrt{R^2-{(d+\mathrm{\Delta y})}^2}-R^2\arcsin \frac{d+\mathrm{\Delta y}}{R}-(d-\mathrm{\Delta y})\sqrt{R^2-{(d-\mathrm{\Delta y})}^2}-R^2\arcsin \frac{d-\mathrm{\Delta y}}{R}+4d^2\end{array}\right)---\left(9\right)$>

图4和图5分别给出了传感器x方向光电流相对变化量r₁与x方向形变Δx的关系曲线和y方向光电流相对变化量r₂与y方向形变Δy的关系曲线。实际应用中，测量四个光电探测器输出的光电流是分别为I₁、I₂、I₃和I₄；由公式(7)、(8)和(9)，计算得到四个光电探测器x方向和y方向的光电流相对变化量r₁(Δx)和r₂(Δy)，根据图4和图5的光电流相对变化量与形变的关系曲线，得到x方向和y方向的形变Δx和Δy；利用公式(3)、(4)和(5)计算得到二维切向力的大小F；利用公式(6)计算得到二维切向力的方向θ。例如，测得r₁＝0.296，r₂＝-0.436，根据图4和图5得到x方向和y方向的形变Δx＝20.0μm和Δy＝-30.0μm；利用公式(3)、(4)计算得到F_x＝0.640N，F_x＝0.960N；由公式(5)和公式(6)分别计算得到二维切向力的大小为F＝1.154N，方向为θ＝-56.3°。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。