专利名称：一种导热性传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于信息和控制技术领域，涉及到物体的导热性测量和信息处理的技
术，具体是一种导热性传感器。
背景技术：
肌电假手是利用残肢皮肤表面的肌电信号(Electromyography,EMG)，通过模式处 理获得手部动作信息，进而驱动假手的控制电机来实现假手控制的一种电动假手。EMG是截 肢者实现假手控制意图的信息载体，它将人体残肢与机械假手的控制联系起来。对于肢体 后天缺失的残疾人， 一般情况下仍然具有像肢体健全的健康人一样的肢体控制意识，在医 学上称之为"幻肢感"，肌电假手的佩带者正是利用这种感觉，通过类似健康人控制肢体动 作的方式控制残肢，通过对残臂肌肉活动的检测获得EMG。肌电假手技术相对成熟，安装简 便、动作自然，正成为手部缺失残疾人的理想选择。 人手的操作是在大脑的控制下，通过手_眼协调完成的。人手是一个拥有多级控 制、剌激和信息接收的生物机械系统，具有输入输出复杂、多通道的特点，在神经系统协调 控制下能够完成各种精巧复杂的动作。普通的肌电假手只能完成一些最简单的手部动作， 如展拳、握拳、伸腕、屈腕等，没有任何对外界操作环境的传感感知功能。要使肌电假手像人 的真手一样具备复杂的、精细的作业能力，感知外界的作业环境是必须的，因此模仿人手的 各种感觉功能成为进一步研究的必然，肌电假手只有具备了多种感知传感器后，其仿生效 果和智能控制水平才能获得提升。 导热性感觉是一种对被抓物体导热性好坏的判断，人判断物体导热性好坏有两种 途径一是看，通过眼睛看，获得物体颜色、结构、形状等信息，再根据经验推断物体是什么 材料制作的，并将不同的材料对应为不同的导热性，这种基于视觉的导热性判别有时并不 可靠，尤其在物体的颜色、结构与常规情况相悖时更是如此；二是摸，通过手摸，人能感知物 体的"冷暖"，由于手指相对于被抓握物体是暖体(通常情况下)，接触被抓物体后发生热传 导，热量从手指传递给被抓物体，由被抓物体的导热性好坏形成"冷"或"暖"的感觉，这就 是人的导热性感觉。当环境现场的光线受到限制时，视觉无法发挥作用，触摸感觉无疑是最 为重要的感知环境的方式。导热性感觉是人通过触摸得到的关于被抓对象最直观的感觉信 息之一。具有导热性感觉的肌电假手就是通过对物体的导热测量，实现肌电假手对被抓物 体导热性好坏的判断，通过它可以推断被抓握物体的部分物理性能，使肌电假手具有一定 的感知能力，提高肌电假手的仿生性。
发明内容本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种用于肌电假手的、通过抓 握能感知被抓物体导热性能的导热性传感器。 本实用新型的导热性传感器包括层状结构的传感器本体和信号处理电路。 传感器本体由下到上依次为橡胶基底、柔性加热层、橡胶包封表皮，橡胶包封表皮
3的上表面设置有突起。温度敏感电阻嵌入在橡胶包封表皮内，温度不同时温度敏感电阻输 出的阻值不同。柔性加热层为橡胶电阻或电阻漆，柔性加热层的上、下表面分别粘贴有薄片 状的柔性电极。传感器本体封装在金属框架内。 一根柔性电极引线穿过橡胶基底后与一 个柔性电极连接，另一根柔性电极引线穿过橡胶基底和柔性加热层后与另一个柔性电极连 接，两根柔性电极引线实现对整个传感器进行加热，两根柔性电极引线与一个引线接头固 定连接。温度敏感电阻的两根引线穿过柔性加热层和橡胶基底后与另一个引线接头固定连 接。 信号处理电路包括第一电阻Rp第二电阻Ry第三电阻Ry差动放大器A，温度敏感 电阻R,与第一电阻Rp第二电阻R2、第三电阻R3构成电桥，电桥的两个输入端分别与直流电 源的正、负电极连接，电桥的两个输出端分别与差动放大器A的正、负输入端连接。第一电 阻Rp第二电阻R2和第三电阻R3的阻值均与温度敏感电阻Rx在0t:时的阻值相同。当温度 敏感电阻Rx的阻值随温度变化时，差动放大器A输出y随之变化。 本实用新型的导热性传感器安装在肌电假手食指上来感知被抓物体的导热性能， 当肌电假手抓握物体时，导热性传感器与被抓物体直接接触，完成导热性测量，从而使肌电 假手具有一定的感知能力，提高肌电假手的仿生性。
图1为本实用新型的结构示意图； 图2为图1中信号处理电路的电路图。
具体实施方式如图1所示，一种肌电假手用导热性传感器包括层状结构的传感器本体和信号处 理电路10。 传感器本体由下到上依次为橡胶基底7、柔性加热层5、橡胶包封表皮l，橡胶包封 表皮l的上表面设置有突起3。温度敏感电阻2嵌入在橡胶包封表皮1内，温度不同时温度 敏感电阻2输出的阻值不同。柔性加热层5为橡胶电阻或电阻漆，柔性加热层5的上、下表 面分别粘贴有薄片状的柔性电极4。传感器本体封装在金属框架8内。 一根柔性电极引线 6-2穿过橡胶基底7后与一个柔性电极连接，另一根柔性电极引线6-1穿过橡胶基底7和柔 性加热层5后与另一个柔性电极连接，两根柔性电极引线实现对整个传感器进行加热，两 根柔性电极引线与一个引线接头9-l固定连接。温度敏感电阻2的两根引线穿过柔性加热 层5和橡胶基底7后与另一个引线接头9-2固定连接。 如图2所示，信号处理电路10包括第一电阻&、第二电阻!^、第三电阻Ry差动放 大器A，温度敏感电阻Rx与第一电阻&、第二电阻!^、第三电阻R3构成电桥，电桥的两个输 入端分别与直流电源的正、负电极连接，电桥的两个输出端分别与差动放大器A的正、负输 入端连接。第一电阻Rp第二电阻R2和第三电阻R3的阻值均与温度敏感电阻R,在0t:时的 阻值相同。当温度敏感电阻R,的阻值随温度变化时，差动放大器A输出y随之变化。 该导热性传感器被安装在肌电假手食指的指尖位置。在肌电假手的拇指上还装有 触觉(压力)传感器，可以感知假手与被抓物体的接触(压力)，触觉传感器是现有技术。 在假手未接触被抓物体前，利用柔性加热层将传感器体加热至高于环境温度2(TC处恒定，即，当环境温度为T时，传感器体的温度控制在T+2(TC，通过对传感器体温度的检测和加热 电流的控制，达到该要求，保证传感器温度和被抓物体间有一定温度差。当处于环境温度下 的被抓物体与导热性传感器接触时，由于传感器表面温度高于被抓物体温度，发生热传导， 热量从传感器体传导至被抓物体，传感器表面温度下降，由微型温度传感器输出温度变化 的信号。随着热传导过程的继续，被抓物体的接触表面温度上升，热传递减弱，传感器体的 温度下降到一定值后停止下降并开始回升。由于导热性好的物体将使传感器体的温度下降 得更多，导热性差的物体则下降得少，这一过程根据不同的被抓物体约需5 10秒(对应 不同被抓物体热容量)，这样，可以根据温度下降的多少来判断被抓物体的导热性好坏，当 采用这种方法判断导热性的弊端是响应时间过长。本实用新型通过在At时间内，用导热 性传感信号幅值的变化Ay与At的比值Ay/At来判断物体的导热性效果，该参数大者 导热性好，反之导热性差。A t的起始时刻可以这样选定，即，被抓物体接触传感器(由触觉 判断)并给予短暂的稳定时间(如100毫秒)后开始，A t的大小可根据温度传感器的灵 敏度自由选定(如250毫秒)。 设，导热性信号在At区间的起始时刻输出yt，在At结束时刻的输出yt+,t，则在 At间隔内，导热性信号的相对变化为Ayi = yt+At-yt。定义^ = Ay乂At为导热性参数 (其中i对应不同的被抓物体材料)，根据D的大小判断得出被抓物体的导热性能，将被抓 物体的导热性能好外定性地分为三等好、一般、差，对D设置两个阈值A < D2，当Di < D工 时，导热性差；当D工< Di < D2时，导热性一般；当Di > D2时，导热性好，阈值由实际的系统 经测试后确定。利用安装在假手上的三色发光二极管表示被抓物的导热性效果，红色代表 导热性好，黄色代表导热性中等( 一般)，绿色代表导热性差。 在残疾人残臂上的尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌上粘贴肌电拾电电极(表面肌电传感 器)，通过放大滤波连接至带AD的微处理器(如LPC938)，进行特征提取和动作识别，识别 结果输出到驱动电路用于假手驱动电机的控制，肌电假手采用现有技术；假手的拇指上安 装触觉(压力)传感器，食指上安装导热性传感器，分别经处理电路送入微处理器；其中，触 觉(压力)传感器及处理方式为成熟技术。微处理器完成信号处理、加热电流控制和导热 性能指示，用三色发光管指示三个导热性能等级。
权利要求一种导热性传感器，包括层状结构的传感器本体和信号处理电路，其特征在于所述的传感器本体由下到上依次为橡胶基底、柔性加热层、橡胶包封表皮，橡胶包封表皮的上表面设置有突起；温度敏感电阻嵌入在橡胶包封表皮内；所述的柔性加热层的上、下表面分别粘贴有薄片状的柔性电极；传感 ¨本体封装在金属框架内；一根柔性电极引线穿过橡胶基底后与一个柔性电极连接，另一根柔性电极引线穿过橡胶基底和柔性加热层后与另一个柔性电极连接，两根柔性电极引线实现对整个传感器进行加热，两根柔性电极引线与一个引线接头固定连接；温度敏感电阻的两根引线穿过柔性加热层和橡胶基底后与另一个引线接头固定连接；所述的信号处理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、差动放大器A，温度敏感电阻Rx与第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3构成电桥，电桥的两个输入端分别与直流电源的正、负电极连接，电桥的两个输出端分别与差动放大器A的正、负输入端连接；第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的阻值均与温度敏感电阻Rx在0℃时的阻值相同。
专利摘要本实用新型涉及一种导热性传感器。现有的肌电假手无法感知物体的导热性。本实用新型包括传感器本体和信号处理电路。传感器本体由下到上依次为橡胶基底、柔性加热层、橡胶包封表皮。温度敏感电阻嵌入在橡胶包封表皮内。柔性加热层的上、下表面分别粘贴有薄片状的柔性电极。传感器本体封装在金属框架内。信号处理电路中的三个电阻与温度敏感电阻构成电桥，电桥的输入端与直流电源连接，输出端与差动放大器连接。本实用新型的导热性传感器安装在肌电假手食指上来感知被抓物体的导热性能，当肌电假手抓握物体时，导热性传感器与被抓物体直接接触，完成导热性测量，从而使肌电假手具有一定的感知能力，提高肌电假手的仿生性。
文档编号G01N25/20GK201548504SQ200920200578
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者周炜, 张卫, 王占玉, 罗志增 申请人:杭州电子科技大学