一种光栅式触觉传感器及相关装置的制作方法

本实用新型涉及触觉传感器技术领域，更为具体的说，涉及一种光栅式触觉传感器、基于柔性光栅薄膜的测量装置及机械手指。

背景技术：

现代生物学证实，人类的皮肤与大脑是同一组织产生出来的，在视觉、听觉和高级大脑中枢神经发挥作用之前，触觉便已经形成，触觉是人类的“第一感觉”。虽然研究表明人类80％的信息来源于视觉，但触觉一直是人类与近距离物体互动的必备感知手段，也是机器人获取外界信息的重要感知手段。然而，在智能机器人领域，触觉感知的发展受到许多因素的制约。

在现有的研究中，触觉感知模块大多由电容式、电阻式、压电式、电磁式、PVDF(Polyvinylidenefluoride，聚偏二氟乙烯)、PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、光波导、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)、导电橡胶等方法研制出来。由于材料、制造工艺、测量原理等存在的限制，触觉感知单元的分辨率非常有限，而且传感器的集成基本是阵列式、组合式甚至是盔甲式的结构，限制了传感器的应用范围，扩展能力也不够强，若进一步缩小体积需要更小体积的元件和更复杂的工艺，成本昂贵。故而，性能更佳的柔性触觉传感器正逐渐成为仿生学、机器人、传感器等领域的研究热点问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种光栅式触觉传感器、基于柔性光栅薄膜的测量装置及机械手指，在柔性光栅薄膜的接触面受力后，柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案将会发生变化，图像采集处理装置采集该变化的衍射图案并根据其确定接触面的受力参数，达到触觉感知的目的；由于柔性光栅薄膜具有良好的柔韧性，故而光栅式触觉传感器不仅触觉灵敏度高，且还能够制作为任意大小的光栅式触觉传感器，以实现较大面积和较小面积的触觉感知，提高了触觉传感器的适用范围。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种光栅式触觉传感器，包括：

柔性光栅薄膜，所述柔性光栅薄膜包括相对设置的接触面和光栅面；

设置于所述柔性光栅薄膜的光栅面一侧的光源及图像采集处理装置，所述光源的出射光照射至所述光栅面，所述图像采集处理装置根据采集的所述光栅面的衍射图案确定所述接触面的受力参数；

以及，密封所述光栅面、所述光源和所述图像采集处理装置中图像采集单元的密封壳体。

可选的，所述光栅式触觉传感器还包括：

设置于所述光源与所述光栅面之间的准直透镜，所述光源的出射光通过准直透镜后照射至所述光栅面。

可选的，所述光源为发光二极管。

可选的，所述图像采集单元为CCD相机。

相应的，本实用新型还提供了一种基于柔性光栅薄膜的测量装置，用于根据施加至所述柔性光栅薄膜的接触面上的预设的受力参数，采集所述柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案，包括：

设置于所述接触面一侧的接触物；

密封所述光栅面的双斜筒，所述双斜筒的第一斜筒的入光侧密封有光源装置，所述第一斜筒的出光侧对应所述光栅面，及所述双斜筒的第二斜筒的入光侧对应所述光栅面，所述第二斜筒的出光侧密封有图像采集装置，其中，控制所述接触物与所述接触面以所述受力参数相接触，所述图像采集装置采集所述光栅面的所述衍射图案。

可选的，所述光源装置包括：

设置于所述第一斜筒侧面的光源；

及，设置于所述第一斜筒的入光面、且设置于所述光源的出射光的光路上的反射镜，所述反射镜将所述光源的出射光反射至所述光栅面。

可选的，所述图像采集装置包括：

设置于所述第二斜筒的出光面的镜头；

以及，设置于所述镜头的出光光路上的CCD相机。

可选的，所述基于柔性光栅薄膜的测量装置包括：

可控移动支架，所述可控移动支架固定有所述柔性光栅薄膜、所述双斜筒及所述图像采集装置，其中，所述可控移动支架根据所述受力参数控制所述接触面与所述接触物相接触。

相应的，本实用新型还提供了一种机械手指，所述机械手指包括：

位于指尖处的柔性光栅薄膜，所述柔性光栅薄膜包括相对设置的接触面和光栅面；

设置于所述柔性光栅薄膜的光栅面一侧的光源及图像采集处理装置，所述光源的出射光照射至所述光栅面，所述图像采集处理装置根据采集的所述光栅面的衍射图案确定所述接触面的受力参数；

以及，密封所述光栅面、所述光源和所述图像采集处理装置的密封手指外壳。

可选的，所述密封手指外壳内填充有透明气体或透明液体。

相较于现有技术，本实用新型提供的技术方案至少具有以下优点：

本实用新型提供了一种光栅式触觉传感器、基于柔性光栅薄膜的测量装置及机械手指，光栅式触觉传感器包括：柔性光栅薄膜，所述柔性光栅薄膜包括相对设置的接触面和光栅面；设置于所述柔性光栅薄膜的光栅面一侧的光源及图像采集处理装置，所述光源的出射光照射至所述光栅面，所述图像采集处理装置根据采集的所述光栅面的衍射图案确定所述接触面的受力参数；以及，密封所述光栅面、所述光源和所述图像采集处理装置中图像采集单元的密封壳体。

由上述内容可知，本实用新型提供的技术方案，在柔性光栅薄膜的接触面受力后，柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案将会发生变化，图像采集处理装置采集该变化的衍射图案并根据其确定接触面的受力参数，达到触觉感知的目的；由于柔性光栅薄膜具有良好的柔韧性，故而光栅式触觉传感器不仅触觉灵敏度高，且还能够制作为任意大小的光栅式触觉传感器，以实现较大面积和较小面积的触觉感知，提高了触觉传感器的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光栅式触觉传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光栅面的衍射原理图；

图3a为本申请实施例提供的一种基于柔性光栅薄膜的测量装置的侧视图；

图3b为本申请实施例提供的另一种基于柔性光栅薄膜的测量装置的侧视图；

图4为图3a中基于柔性光栅薄膜的测量装置的局部斜视图；

图5为本申请实施例还提供的一种机械手指的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种机械手的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

正如背景技术所述，在现有的研究中，触觉感知模块大多由电容式、电阻式、压电式、电磁式、PVDF、PDMS、光波导、MEMS、导电橡胶等方法研制出来。由于材料、制造工艺、测量原理等存在的限制，触觉感知单元的分辨率非常有限，而且传感器的集成基本是阵列式、组合式甚至是盔甲式的结构，限制了传感器的应用范围，扩展能力也不够强，若进一步缩小体积需要更小体积的元件和更复杂的工艺，成本昂贵。故而，性能更佳的柔性触觉传感器正逐渐成为仿生学、机器人、传感器等领域的研究热点问题。

基于此，本申请实施例提供了一种光栅式触觉传感器、基于柔性光栅薄膜的测量装置及机械手指，在柔性光栅薄膜的接触面受力后，柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案将会发生变化，图像采集处理装置采集该变化的衍射图案并根据其确定接触面的受力参数，达到触觉感知的目的；由于柔性光栅薄膜具有良好的柔韧性，故而光栅式触觉传感器不仅触觉灵敏度高，且还能够制作为任意大小的光栅式触觉传感器，以实现较大面积和较小面积的触觉感知，提高了触觉传感器的适用范围。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图6对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种光栅式触觉传感器的结构示意图，其中，光栅式触觉传感器包括：

柔性光栅薄膜100，所述柔性光栅薄膜100包括相对设置的接触面101和光栅面102；

设置于所述柔性光栅薄膜100的光栅面102一侧的光源200及图像采集处理装置300，所述光源200的出射光照射至所述光栅面102，所述图像采集处理装置300根据采集的所述光栅面102的衍射图案确定所述接触面101的受力参数；

以及，密封所述光栅面102、所述光源200和所述图像采集处理装置300中图像采集单元的密封壳体400。

进一步的，本申请实施例提供的所述光栅式触觉传感器还包括：

设置于所述光源200与所述光栅面102之间的准直透镜500，所述光源200的出射光通过准直透镜500后照射至所述光栅面102，其中，准直透镜500能够将光源200的出射光更加优化的照射至光栅面102，进而能够提高光栅面102的衍射效果，提高触觉传感器的触觉感知效果。

可以理解的，本申请实施例提供的光栅式触觉传感器，柔性光栅薄膜的光栅面、光源和图像采集单元是被密封于密封壳体内部的，且准直透镜同样密封于密封壳体内部，而光栅式触觉传感器的接触面裸露于密封壳体的外部，进而通过接触面与外部的接触物进行接触，以提供与接触物的受力界面；同时，密封壳体的设置能够避免外界环境光影响光源的出射光和柔性光栅薄膜的衍射光，进而提高光栅式触觉传感器的触觉感知效果。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，在柔性光栅薄膜的接触面受力后，柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案将会发生变化，图像采集处理装置采集该变化的衍射图案并根据其确定接触面的受力参数，达到触觉感知的目的；由于柔性光栅薄膜具有良好的柔韧性和低滞后性，故而光栅式触觉传感器不仅触觉灵敏度高、柔韧性强、延展性强、多维力感知于一体的优点，且还能够制作为任意大小的光栅式触觉传感器，以实现较大面积和较小面积的触觉感知，提高了触觉传感器的适用范围。此外，本申请实施例提供的光栅式触觉传感器采用光学方法对受力参数进行反应，不会受到电磁干扰、且无线路之间相互干扰问题。

由于柔性材料表面形成微结构后，在光源照射该微结构的条件下能够产生结构色，利用结构色随宏观外形的变化而变化的特性，能够达到获取使柔性材料发生形变的受力情况；基于上述原理设计本申请实施例提供的光栅式触觉传感器，其中，在柔性材料基材表面形成光栅结构得到反射式的柔性光栅薄膜，其具有该光栅结构的一面为光栅面、且相对面为接触面，光栅面设置于光源的出光光路上、且图像采集单元设置于光栅面的衍射光路上。

其中，光源的出射光经过准直透镜后照射至光栅面，出射光在光栅面发生衍射而产生衍射条纹(如图2所示的光栅面的衍射原理示意图，光栅面102将出射光进行一级衍射)；图像采集处理装置的图像采集单元设置于该衍射光路方向上，在接触面未受力的情况下采集到该彩色的衍射条纹的衍射图案，同时确定该衍射图案对应接触面未受力；而在接触面受力时柔性光栅薄膜的接触面发生形变，进而带动相对的光栅面发生变形，光栅面将产生凹凸和/或拉伸的变形，光栅面衍射的衍射条纹的间距和衍射角都会发生变化，因此衍射图案会发生变化，图像采集单元采集到该变化的衍射图案，并根据该衍射图案确定受力参数，进而根据该受力参数能够得知接触物的粗糙度、轮廓、表面刚度、锐利程度、运动路径等数据，达到触觉感知目的。

在本申请一实施例中，本申请提供的柔性材料基材可以为PDMS基材，具体的，柔性材料基材可以为聚二甲基硅氧烷和固化剂在恒温环境下(工艺参数为温度45摄氏度、时间2.5h)得到的固态柔性基材，柔性材料基材具有低滞后性，收到外部力的作用时，反应灵敏度高。此外，在本申请其他实施例中，本申请提供的柔性材料基材还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制，需要根据实际应用进行具体选取。

及，本申请实施例提供的柔性光栅薄膜的接触面可以为任意形状，如接触面可以为半球形面、平面、凸起面、弧面、椭球面等，对此本申请不做具体限制，需要根据实际应用场景进行具体设计。

此外，在本申请一实施例中，本申请提供的所述光源可以为发光二极管，发光二极管具有光强度高等优点，能够提高衍射图案的分辨率，保证光栅式触觉传感器的触觉感知效果高。其中，光源的出射光优选为平行光。

本申请提供的图像采集处理装置在采集光栅面的衍射图案后，根据该衍射图案确定接触面的受力参数，进而判断与接触面的接触物的数据信息；本申请实施例提供的图像采集处理装置可以由两部分组成，一组成结构为用于采集衍射图案的图像采集单元，本申请实施例提供的图像采集单元可以为CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机；以及，另一组成结构为根据衍射图案确定受力参数的处理单元，本申请实施例提供的处理单元可以为计算机。

在本申请一实施例中，为了确定与衍射图案相应的受力参数，进而根据受力参数分析得到接触物的数据，本申请实施例提供的图像采集处理装置可以通过查找数据库中预存的衍射图案-受力参数-接触物的相关数据完成。其中，本申请实施例提供的受力参数可以包括有受力面积、受力大小、受力方向、与接触面的角度、受力位置等，对此需要根据实际应用进行具体设计。具体的，图像采集处理装置的图像采集单元采集光栅面的衍射图案后，在预设数据库中查找与该衍射图案相对应的受力参数，而后在根据该受力参数查找和分析与其相对应的接触物数据，达到触觉感知的目的。

本申请实施例提供的图像采集处理装置可以采集接触面变形时任意时刻的衍射图案，进而对此进行处理得到受力参数，或者，进一步的，本申请实施例提供的图像采集处理装置，可以采集接触物与接触面在接触过程中的实时采集的预设数量的衍射图案，将该预设数量的衍射图案在预设数据库查找各自相应的受力参数，将该大量的受力参数进行对比分析，得到更为精确的接触物的数据信息；对此对比分析可以通过传统图像处理和深度学习方法进行，传统图像处理可以采用边缘提取等方法，深度学习可以将大量的衍射图案和对应的受力参数输入到计算系统中，进行训练得到卷积神经网络，最终得到精确的接触物的数据信息。

本申请一实施例中，本申请提供的预设数据库中可以存储有大量的衍射图案-受力参数-接触物的相关数据，以供图像采集处理装置查找数据，对此预设数据库可以通过基于柔性光栅薄膜的测量装置进行获取。具体结合图3a和图4所示，图3a为本申请实施例提供的一种基于柔性光栅薄膜的测量装置的侧视图，图4为图3a中基于柔性光栅薄膜的测量装置的局部斜视图，其中，本申请实施例还提供的一种基于柔性光栅薄膜的测量装置，用于根据施加至所述柔性光栅薄膜10的接触面上的预设的受力参数，采集所述柔性光栅薄膜10的光栅面的衍射图案，包括：

设置于所述接触面一侧的接触物20；

密封所述光栅面的双斜筒30，所述双斜筒30的第一斜筒31的入光侧密封有光源装置，所述第一斜筒31的出光侧对应所述光栅面，及所述双斜筒30的第二斜筒32的入光侧对应所述光栅面，所述第二斜筒32的出光侧密封有图像采集装置，其中，控制所述接触物20与所述接触面以所述受力参数相接触，所述图像采集装置采集所述光栅面的所述衍射图案。

在本申请一实施例中，本申请提供的双斜筒的具体参数根据光栅面的衍射级数和光栅常数所决定，对此需要根据实际应用进行具体设计。

可以理解的，柔性光栅薄膜的光栅面反射出的衍射图案会随着接触面的受力情况不同，产生不同的变化，本申请实施例针对此原理提供了一种基于柔性光栅薄膜的测量装置，根据已知受力参数(如受力面积、受力大小、受力方向、与接触面的角度、受力位置等)控制已知数据(如粗糙度、轮廓、表面刚度、锐利程度、运动路径等)的接触物与接触面相接触，进而引起柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案变化，采集该变化的衍射图案，并对接触物-受力参数-衍射图案相对应的相关数据进行存储；通过上述测量原理获取大量的不同接触物、不同受力参数条件下的衍射图案，最终得到大量的接触物-受力参数-衍射图案对应关系的相关数据，并将其存储至预设数据库供图像采集处理装置进行数据查找。或者，将此大量的接触物-受力参数-衍射图案对应关系的相关数据建立模型，并将其存储至预设数据库供图像采集处理装置进行数据查找。

结合图3a和图4所示，本申请提供的所述光源装置可以包括：

设置于所述第一斜筒31侧面的光源41；

及，设置于所述第一斜筒31的入光面、且设置于所述光源41的出射光的光路上的反射镜42，所述反射镜42将所述光源41的出射光反射至所述光栅面。

在本申请一实施例中，本申请提供的光源可以为高显色指数发光二极管，其色温可以为5000K。其中，光源出射一束平行复色光而被照射至光栅面，光栅面产生彩色衍射光的衍射图案。

以及，结合图3a和图4所示，本申请提供的所述图像采集装置包括：

设置于所述第二斜筒32的出光面的镜头51；

以及，设置于所述镜头51的出光光路上的CCD相机52。

在本申请一实施例中，本申请提供的镜头可以为定焦镜头。

本申请实施例提供的基于柔性光栅薄膜的测量装置，需要将接触物和柔性光栅薄膜之间以预设的受力参数相接触，对此可以移动接触物，还可以移动柔性光栅薄膜。具体的，参考图3a所示，本申请实施例提供的所述基于柔性光栅薄膜的测量装置包括：

可控移动支架，所述可控移动支架固定有所述柔性光栅薄膜10、所述双斜筒及所述图像采集装置，其中，所述可控移动支架根据所述受力参数控制所述接触面与所述接触物20相接触。

其中，可控移动支架包括有支架结构61和可控移动平台62，支架结构61设置于可控移动平台62上，且支架结构61将所述柔性光栅薄膜10、所述双斜筒及所述图像采集装置进行固定，通过可控移动平台62带动支架结构61移动，进而以预设的受力参数带动柔性光栅薄膜10与接触物20相接触。

在本申请一实施例中，本申请提供的支架结构可以为工业硬铝材质；以及，可控移动平台定位精度达到5微米。

在本申请实施例提供的测量装置中，光源41照射至反射镜42上的距离可以为固定距离，或者，光源41照射至反射镜42上的距离可以通过一调节装置设置为可调距离。参考图3b所示，为本申请实施例提供的另一种基于柔性光栅薄膜的测量装置的侧视图，其中，图3b与图3a中结构基本相同，不同之处在于图3b中在第一斜筒31的入光侧设置有一与第一斜筒31具有夹角的光源传播筒33，光源传播筒33的顶部固定有光源41，反射镜42设置于第一斜筒31的入光面、且设置在光源传播筒33的出光光路上，其中，光源41的出射光照射至反射镜42上反射镜42将光源41的出射光反射至光栅面。

需要说明的是，本申请实施例提供的光源传播筒的顶部至反射镜的距离可以为固定的，或者，光源传播筒为伸缩可调的光源传播筒，其顶部至反射镜的距离为可调的，对此本申请不做具体限制，只需要满足反发射至光栅面的光为平行光即可。

本申请实施例提供的柔性光栅薄膜采用柔性材料制作而成，因此与机器人等仿生机械具有很好的兼容性，应用前景广阔。参考图5所示，为本申请实施例还提供的一种机械手指的结构示意图，其中，所述机械手指包括：

位于指尖处的柔性光栅薄膜100，所述柔性光栅薄膜100包括相对设置的接触面101和光栅面102；

设置于所述柔性光栅薄膜100的光栅面102一侧的光源200及图像采集处理装置300，所述光源200的出射光照射至所述光栅面102，所述图像采集处理装置300根据采集的所述光栅面102的衍射图案确定所述接触面101的受力参数；

以及，密封所述光栅面102、所述光源200和所述图像采集处理装置300的密封手指外壳400。

在本申请一实施例中，本申请提供的所述密封手指外壳内填充有透明气体或透明液体，以增加柔性光栅薄膜的表面刚度，且能够调节量程。以及，本申请实施例提供的柔性光栅薄膜还可以通过调节其厚度，进而调节量程。以及，还可以在柔性光栅薄膜的光栅面制作颗粒点阵，以提高感知精度和分辨率。

此外，本申请实施例提供的机械手指应用至机械手中，提高机械手的触觉感知能力。参考图6所示，为本申请实施例提供的一种机械手的结构示意图，其中，机械手的机械手指1000为本申请上述任意一实施例提供的基于柔性光栅原理的机械手指。

本申请实施例提供了一种光栅式触觉传感器、基于柔性光栅薄膜的测量装置及机械手指，光栅式触觉传感器包括：柔性光栅薄膜，所述柔性光栅薄膜包括相对设置的接触面和光栅面；设置于所述柔性光栅薄膜的光栅面一侧的光源及图像采集处理装置，所述光源的出射光照射至所述光栅面，所述图像采集处理装置根据采集的所述光栅面的衍射图案确定所述接触面的受力参数；以及，密封所述光栅面、所述光源和所述图像采集处理装置中图像采集单元的密封壳体。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，在柔性光栅薄膜的接触面受力后，柔性光栅薄膜的光栅面的衍射图案将会发生变化，图像采集处理装置采集该变化的衍射图案并根据其确定接触面的受力参数，达到触觉感知的目的；由于柔性光栅薄膜具有良好的柔韧性，故而光栅式触觉传感器不仅触觉灵敏度高，且还能够制作为任意大小的光栅式触觉传感器，以实现较大面积和较小面积的触觉感知，提高了触觉传感器的适用范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。