光学柔性二维切向力触觉传感器的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】光学柔性二维切向力触觉传感器
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]在先技术[I](M.0hka, N.Morisawa, H.Suzuki, J.Takata, H.Koboyashi, and
H.B.Yussof.“A robotic finger equipped with an optical three-axis tactilesensor，，, 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倉泛。
[0005]在先技术[2](Zhi Feng Zhang, Xiao Ming Tao, Hua Peng Zhang, and Bo Zhu.“Softfiber optic sensors for precision measurement of shear stress and pressure，，，IEEESensors Journal, 2013, Vol.13, N0.5, 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。
[0006]在先技术[3](Jeroen Mi ssinne, Erwin Bosmanj Bram Van Hoej GeertVan Steenbergej Sandeep Kalathimekkadj Peter Van Daelej Member,and JanVanfIeteren, “Flexible shear sensor based on embedded optoelectroniccomponents，，，IEEEPhotonics Technology Letters, 2011, Vol.23, N0.12，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】
[0007]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。
[0008]本发明的技术方案如下:[0009]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。
[0010]激光器位于光源层内，光源层的基体材料为柔性聚合物。
[0011]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 X 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2X2光电探测器阵列中心的连线垂直于光电探测层的平面。
[0012]所述激光器为垂直腔面发射激光器，其发出的光束照射到2X2光电探测器阵列上，光斑为圆形，半径为R。
[0013]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。
[0014]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:
[0015]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Λχ和y方向的形变Ay，激光器的中心与2X2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1:、12、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)-(Ii+I4)只与X方向的形变Λχ有关，(IJI4)-(VI2)只与y方向的形变Ay有关，即满足如下关系
【权利要求】
1.一种光学柔性二维切向力触觉传感器，其特征在于: 该光学柔性二维切向力触觉传感器包括光源层(I)、柔性聚合物构成的传导介质层(2)和光电探测层(3)，从下到上依次相接排列； 激光器(11)位于光源层(I)内，光源层的基体材料为柔性聚合物； 第一光电探测器(31)、第二光电探测器(32)、第三光电探测器(33)和第四光电探测器(34)为正方形，边长为a，逆时针依次排列构成2 X 2光电探测器阵列，边长为2a，位于光电探测层(3)内，光电探测层的基体材料为柔性聚合物； 激光器(11)的中心与2X2光电探测器阵列中心的连线垂直于光电探测层(3)的平面。
2.根据权利要求1所述的光学柔性二维切向力触觉传感器，其特征在于具有:激光器(11)为垂直腔面发射激光器，其发出的光束照射到2X2光电探测器阵列上，光斑为圆形，半径为R。
3.根据权利要求1所述的光学柔性二维切向力触觉传感器，其特征在于具有:第一光电探测器(31)，第二光电探测器(32)，第三光电探测器(33)和第四光电探测器(34)为薄片形光电探测器，封装边框的宽度为d。
4.一种光学柔性二维切向力触觉传感器的传感检测方法，其特征在于具有如下步骤: 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(2)水平方向形变，分别产生X方向的形变Λχ和y方向的形变Ay，激光器(11)的中心与2X2光电探测器阵列的中心连线不再垂直于光电探测层(3)的平面，四个光电探测器上接收到激光器(11)的光波后输出的光电流是分别为。、、込和I4，忽略聚合物柔性传导介质层⑵厚度变化对光电探测器接收光功率的影响，则有(IfI3)-(IJI4)只与X方向的形变Ax有关，(IJI4)-(VI2)只与y方向的形变Ay有关，即满足如下关系
【文档编号】G01L1/24GK104034459SQ201410301656
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】韩秀友, 路志理, 赵明山, 滕婕 申请人:大连理工大学