CN104406627B - 假肢手穿戴式柔性触觉传感器及其触觉检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器及其触觉检测系统。从下至上紧密贴合柔性电极层、中间层以及PDMS凸起层；中间层包括导电橡胶阵列与周围的柔性填充物，导电橡胶阵列是由导电橡胶单元阵列排布而成，正下方设有测试电极组，导电橡胶单元与柔性电极层上的一组测试电极组的边长相同；PDMS凸起层上设有与微型凸台结构，位于导电橡胶单元正上方；柔性电极层为“十”字形结构的柔性电路板，位于柔性电路板上侧、左侧和右侧的伸展边边缘设有维可牢尼龙搭扣，以便穿戴在手指上。本发明结构简单易于制作，解决了多数触觉传感器不能同时检测三维接触力和滑移信号的问题，能便利地绑定在假肢手指内部的支撑体的非规则曲面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种触觉传感器及其检测系统，尤其涉及一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器及其触觉检测系统。
背景技术
触觉传感器是智能假肢手获取接触信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，智能假肢手可对目标物体进行可靠抓取, 并可进一步感知它的大小、形状、轻重、软硬等物理特性。智能假肢手在抓取物体时由于不能获得接触信息而导致的抓取不可靠会带来极大的危险。现有的应用于智能假肢手的触觉传感器大都只能检测法向力，而不能检测到切向力的大小。但切向力的检测对抓取的可靠性有着很重要的作用。并且应用于智能假肢手的触觉传感器要求触觉传感器具有高度柔性和小型化，可以牢固贴服手指表面和集成在智能假肢手的手指中。有效的安装方式对触觉传感器的可靠性同样有着至关重要的作用。
中国国家发明专利（公开号CN201210193314.9）公开了一种仿人型机器人多手指柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统。该传感器采用具有量子隧道效应的压敏复合材料Quantum Tunneling Composites（QTC），当QTC不受外力施压时，其本体为绝缘体，电阻阻值高达1kΩ；当QTC受到外力施压时，本体发生压缩形变，QTC呈现导电特性，电阻阻值随着压力的增大而逐渐变小。该传感器整体具有柔性，可以检测三维力。但是该传感器电极电路分为上下两层，在长期受力过程中容易毁坏电路，而且未说明触觉传感器有效的安装方式，影响触觉传感器的可靠性，难以满足智能假肢手运动反馈控制的需求。
发明内容
针对现有触觉传感器及其检测系统在假肢手中的安装不牢靠的问题，以及现有触觉传感器只是简单的信号采集电路设计问题，本发明的目的在于提供一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器及其触觉检测系统整体设计，解决了多数触觉传感器不能同时检测三维接触力和滑移信号的问题，能够便利地绑定在智能假肢手的手指内部的支撑体的非规则曲面上，可用于三维接触力和滑移信号的检测。
本发明采用的技术方案是：
一、一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器：
从下至上紧密贴合柔性电极层、中间层以及PDMS凸起层；中间层包括具有压敏效应的导电橡胶阵列与填充在导电橡胶阵列周围的柔性填充物，导电橡胶阵列是由导电橡胶单元阵列排布而成，导电橡胶单元正下方的柔性电极层上设有测试电极组，测试电极组与导电橡胶单元的阵列分布方式相同，导电橡胶单元与柔性电极层上的一组测试电极组的边长相同；PDMS凸起层上设有与各个导电橡胶单元对应的微型凸台结构，位于导电橡胶单元正上方；柔性电极层为“十”字形结构的柔性电路板，中间层以及PDMS凸起层覆盖在“十”字形中部，测试电极组覆盖在“十”字形中部和下侧伸展边，位于柔性电路板上侧、左侧和右侧的伸展边边缘设有用于绑定传感器的维可牢尼龙搭扣，以便穿戴在手指上。
所述的每组测试电极组均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组由正方形电极引出M个管脚作为行电极，N列测试电极组由直角三角形电极引出4N个管脚作为列电极。
所述的导电橡胶阵列通过常温固化的柔性填充物粘结在一起。
所述的导电橡胶阵列为3×3的阵列分布，导电橡胶单元为正方形导电橡胶片。
所述的导电橡胶阵列采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶，柔性电极层为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。
二、一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统：
包括所述的柔性触觉传感器和信号采集电路，信号采集电路包括电源转换模块、微处理器、运算放大电路和模拟多路选择模块，微处理器含有模数转换模块多通道ADC；所述的柔性触觉传感器的列电极引出的管脚分别与各自的运算放大电路的负相输入端连接，参考电阻R两端分别连接在运算放大电路的负相输入端和输出端上，运算放大电路的输出端与微处理器中的ADC模拟信号输入端连接；外电源连接到电源转换模块产生负3.3V电源电压，模拟多路选择模块的多路开关输入端与负3.3V电源电压连接，所述柔性触觉传感器的行电极引出的管脚分别与模拟多路选择模块的各个信号输出端连接；微处理器与模拟多路选择模块连接，控制其多路开关的选择性通断，微处理器向模拟多路选择模块发送通断控制信号，将负3.3V电源电压与所述的柔性触觉传感器的行电极引出的各个管脚依次先后选通；所述的柔性触觉传感器的列电极引出的管脚输出电压模拟信号，经运算放大电路放大后连接到微处理器进行AD采样，得到电压数字信号。
所述的微处理器采用TI公司的TMS320F28069，其含有12位模数转换器ADC，可双采样保持，最多有16通道信号同时采集。
所述的模拟多路选择模块采用TI公司的TS5A3359单刀三掷常开型模拟开关。
所述的运算放大电路采用TI公司的OPA656芯片。
所述的电源转换模块采用由TI公司的TPS65135电源转换芯片搭建而成的双极性电源电路。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的触觉传感器结构简单、易于制作，有效地降低了传感器的加工成本，并且可以同时检测三维力和识别滑移。
（2）本发明采用的触觉传感器具有整体的柔顺弯曲性，在柔性电路板上采用维可牢尼龙搭扣结构设计，可以进行三个方向的绑定传感器，牢靠便利地穿戴在手指表面或者手指内部的支撑体上。
（3）本发明的触觉传感器及其检测系统安装在手指内部，并通过柔性PDMS凸起层与外部力接触，能有效提高柔性触觉传感阵列的检测灵敏度，且保护复合传感阵列内部的电极和引线。
（4）本发明中柔性电极层上的电极采用分组并联引线的方式，有效降低了触觉传感器的外接管脚数量。其信号处理电路结构简单、尺寸小。
附图说明
图1是本发明的俯视图。
图2是本发明的触觉传感阵列截面结构示意图。
图3是本发明的具有维可牢尼龙搭扣的柔性电极层示意图。
图4是本发明的周围填充有柔性填充物的导电橡胶阵列示意图。
图5是本发明的PDMS凸起层。
图6是本发明的触觉传感阵列单元的结构示意图。
图7是本发明的测试电极示意图。
图8是本发明的触觉传感阵列单元的测试原理示意图。
图9是本发明的安装示意图之一。
图10是本发明的安装示意图之二。
图11是本发明系统的连接结构示意图。
图中：1.PDMS凸起层，2.导电橡胶阵列，3.柔性填充物，4.柔性电极层，5.微型凸台结构，6.导电橡胶单元，7.测试电极组，8.维可牢尼龙搭扣，9.行电极，10.列电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明的触觉传感器如图1所示：
如图2所示，本发明包括从下至上紧密贴合柔性电极层4、中间层以及PDMS凸起层1；如图3所示，柔性电极层4为“十”字形结构的柔性电路板，中间层以及PDMS凸起层1覆盖在“十”字形中部，测试电极组7覆盖在“十”字形中部和下侧伸展边，位于上侧、左侧和右侧的伸展边边缘设有用于绑定传感器的维可牢尼龙搭扣8，以便牢靠地穿戴在智能假肢手指表面上或者智能假肢手指内部的支撑体上；如图4所示，中间层包括具有压敏效应的导电橡胶阵列2与填充在导电橡胶阵列2周围的柔性填充物3，导电橡胶阵列2是由导电橡胶单元6阵列排布而成；如图5所示，PDMS凸起层1上设有与各个导电橡胶单元6对应的微型凸台结构5；如图6所示，微型凸台结构5位于导电橡胶单元6正上方，导电橡胶单元6正下方的柔性电极层4上设有测试电极组7，测试电极组7与导电橡胶单元6的阵列分布方式相同，导电橡胶单元6与柔性电极层4上的一组测试电极组7的边长相同。
如图9和图10所示本发明的安装示意图。本发明的柔性电极层4为柔性电路板，一般常用的采用聚酰亚胺薄膜作为基材，柔性电极层除了下测的三个伸展边上采用维可牢尼龙搭扣设计，维可牢尼龙搭扣结构由一面带小勾子的织物，和另一面带小毛绒绒圈的织物组成，两面具有“一碰即粘合，一扯即可分开”的特性。传感器通过维可牢尼龙搭扣8进行三个方向的绑定，可以牢靠便利地穿戴在在智能假肢手指表面上或者智能假肢手指内部的支撑体的非规则曲面上。
如图3所示，每组测试电极组7均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组7的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组7中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组7由正方形电极引出M个管脚作为行电极9，N列测试电极组7由直角三角形电极引出4N个管脚作为列电极10。如图6所示，由一组测试电极组7及覆盖在其上方的导电橡胶单元6和微型凸台结构5组成了触觉传感阵列单元。
四周填充有柔性填充物3的导电橡胶阵列2，可由3×3具有相同的压敏特性的正方形导电橡胶片构成，导电橡胶阵列2通过常温固化的柔性填充物3粘结在一起形成。测试电极组7的组数与导电橡胶阵列2的导电橡胶单元6个数相同，柔性电极层4的测试电极组7也呈3×3的阵列分布。
导电橡胶阵列2采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶，柔性电极层4为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。
根据特定应用场合的需求，如要求的空间分辨率、三维力的量程、传感器灵敏度、检测精度、要求弯曲变形的程度等指标，确定柔性触觉传感阵列的尺寸大小、触觉传感阵列传感单元的尺寸大小以及单元间的间距。三维力的量程及灵敏度由触觉传感阵列传感单元中导电橡胶片的大小以及五电极正方形结构的大小和间距决定。
传感器的制造过程如下所述：首先通过柔性电路印刷技术制造柔性电极层4，利用丝网印刷技术将高纯度导电银胶旋涂在柔性电极层4的测试电极组7上；然后将正方形导电橡胶片粘贴在测试电极组7上；接着将柔性填充物3填充到柔性电极层4的空白部位，常温固化成型；最后将通过模具二次压印出来的PDMS凸起层1粘结在四周填充有柔性填充物3的导电橡胶阵列2上。这样，就得到如图1和图2所示的柔性触觉传感阵列。
本发明的三维接触力和滑移检测原理如下：
如图6、图7和图8所示，任意方向的三维力通过PDMS凸起层1的微型凸台结构5将力传导给导电橡胶单元6，四周的柔性填充物3的弹性变形比导电橡胶单元6大。由于导电橡胶单元6的压阻效应以及导电橡胶阵列2与柔性电极层4之间的接触电阻，存在有四个等效电阻R1、R2、R3、R4。当导电橡胶单元6发生应变时，电阻阻值将发生变化。四个电阻分别经各自的检测电路输出与之对应的电压信号，通过以下原理转化为对三维力F x、F y、F z的测量，从而得到任意三维力。
当仅F x作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R1、R4减小；因为受到同等程度的拉应力，电阻R2、R3增大，且电阻R2、R3增大幅度和电阻R1、R4减小幅度相同。
当仅F y作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R1、R2减小；因为受到同等程度的拉应力，电阻R3、R4增大，且电阻R3、R4增大幅度和电阻R1、R2减小幅度相同。
当仅F z作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R1、R2、R3、R4减小，且减少幅度相同。
根据上述分析，可以推导出三维力与四个压敏电阻阻值变化之间的关系。多次试验获取三维力与四个压敏电阻的阻值变化数据，经过线性解耦得到三维方向的受力与四个压敏电阻的阻值变化的线性关系，从而可以精确测量实际的三维力。
此外，由于本发明可采用Inastomer导电橡胶，其具有优良的压阻效应，迟滞性能低，线性度高，可以识别高频率低振幅的滑移信号。测出三维力后，通过信号处理分析水平切向力，利用小波分析提取水平方向的高频率低振幅的滑移突变信号，可以快速判定是否发生滑移，适用于机器人手抓取物品过程中调节握紧力的大小，实现握紧力动态平衡。
如图11所示，本发明的触觉检测系统包括所述的柔性触觉传感器和信号采集电路，信号采集电路包括电源转换模块、混合信号阵列式可编程的微处理器、运算放大电路和模拟多路选择模块，微处理器含有模数转换模块多通道ADC；柔性触觉传感器的列电极10引出的管脚分别与各自的运算放大电路的负相输入端连接，参考电阻R两端分别连接在运算放大电路的负相输入端和输出端上，运算放大电路的输出端与微处理器中的ADC模拟信号输入端连接；外电源连接到电源转换模块产生负3.3V电源电压，模拟多路选择模块的多路开关输入端与负3.3V电源电压连接，柔性触觉传感器的行电极9引出的管脚分别与模拟多路选择模块的各个信号输出端连接；微处理器与模拟多路选择模块连接，控制其多路开关的选择性通断，微处理器向模拟多路选择模块发送通断控制信号，将负3.3V电源电压与柔性触觉传感器的行电极9引出的各个管脚依次先后选通；柔性触觉传感器的列电极引出的管脚输出电压模拟信号，经运算放大电路放大后连接到微处理器进行AD采样，得到电压数字信号。
本发明的实施例和实施工作过程如下：
柔性电极层4采用双面柔性电路板结构，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。每组测试电极组7的五电极结构中引出管脚，3行测试电极组7由正方形电极引出3个管脚作为行电极9，3列测试电极组由直角三角形电极引出12个管脚作为列电极10。柔性触觉传感器的列电极10引出的12个管脚分别与12个运算放大电路的负相输入端连接，柔性触觉传感器的行电极9引出的3个管脚分别与模拟多路选择模块的3个信号输出端连接。
混合信号阵列式可编程的微处理器含有16通道12位的模数转换器ADC，可双采样保持，最多有16通道信号同时采集，并包含外部数据传输端口，所述外部数据传输端口是SP串行接口、I2C串行接口或UART串行接口，采用TI公司的TMS320F28069。
模拟多路选择模块采用TI公司的TS5A3359单刀三掷常开型模拟开关。
运算放大电路采用TI公司的OPA656芯片，其中可采用基于电流到电压转换法的测量方法。
电源转换模块采用由TI公司的TPS65135电源转换芯片搭建而成的双极性电源电路。
通过实际制造传感器、性能标定与滑移检测实验，测得本发明的假肢手柔性触觉传感器及其检测系统具有良好的压敏特性，能敏感地检测到三维力，其触觉检测系统性能稳定。与中国发明专利（CN201210193314.9）相比，所测传感器三维力的灵敏度分别提高了10%，10%，15%。同时由于所选压敏导电橡胶材料的特殊性，通过信号处理提取原始信号中出低幅值高频率的滑移信号，有效识别出滑移，为假肢手的智能化应用提供了有力的保障，具有显著的技术效果。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器，其特征在于：从下至上紧密贴合柔性电极层（4）、中间层以及PDMS凸起层（1）；中间层包括具有压敏效应的导电橡胶阵列（2）与填充在导电橡胶阵列（2）周围的柔性填充物（3），导电橡胶阵列（2）是由导电橡胶单元（6）阵列排布而成，导电橡胶单元（6）正下方的柔性电极层（4）上设有测试电极组（7），测试电极组（7）与导电橡胶单元（6）的阵列分布方式相同，导电橡胶单元（6）与柔性电极层（4）上的一组测试电极组（7）的边长相同；PDMS凸起层（1）上设有与各个导电橡胶单元（6）对应的微型凸台结构（5），位于导电橡胶单元（6）正上方；柔性电极层（4）为“十”字形结构的柔性电路板，中间层以及PDMS凸起层（1）覆盖在“十”字形中部，测试电极组（7）覆盖在“十”字形中部和下侧伸展边，位于柔性电路板上侧、左侧和右侧的伸展边边缘设有用于绑定传感器的维可牢尼龙搭扣（8），以便穿戴在手指上。
2.根据权利要求1所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的每组测试电极组（7）均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组（7）的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组（7）中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组（7）由正方形电极引出M个管脚作为行电极（9），N列测试电极组（7）由直角三角形电极引出4N个管脚作为列电极（10）。
3.根据权利要求1所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）通过常温固化的柔性填充物（3）粘结在一起。
4.根据权利要求1所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）为3×3的阵列分布，导电橡胶单元（6）为正方形导电橡胶片。
5.根据权利要求1所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶，柔性电极层（4）为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。
6.包含有权利要求1～5任一所述传感器的一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统，其特征在于：包括所述的柔性触觉传感器和信号采集电路，信号采集电路包括电源转换模块、微处理器、运算放大电路和模拟多路选择模块，微处理器含有模数转换模块多通道ADC；
所述的柔性触觉传感器的列电极（10）引出的管脚分别与各自的运算放大电路的负相输入端连接，参考电阻两端分别连接在运算放大电路的负相输入端和输出端上，运算放大电路的输出端与微处理器中的ADC模拟信号输入端连接；外电源连接到电源转换模块产生负3.3V电源电压，模拟多路选择模块的多路开关输入端与负3.3V电源电压连接，所述柔性触觉传感器的行电极（9）引出的管脚分别与模拟多路选择模块的各个信号输出端连接；微处理器与模拟多路选择模块连接，控制其多路开关的选择性通断，微处理器向模拟多路选择模块发送通断控制信号，将负3.3V电源电压与所述的柔性触觉传感器的行电极（9）引出的各个管脚依次先后选通；所述的柔性触觉传感器的列电极（10）引出的管脚输出电压模拟信号，经运算放大电路放大后连接到微处理器进行AD采样，得到电压数字信号。
7.根据权利要求6所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统，其特征在于：所述的微处理器采用TI公司的TMS320F28069，其含有12位模数转换器ADC。
8.根据权利要求6所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统，其特征在于：所述的模拟多路选择模块采用TI公司的TS5A3359单刀三掷常开型模拟开关。
9.根据权利要求6所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统，其特征在于：所述的运算放大电路采用TI公司的OPA656芯片。
10.根据权利要求6所述的一种假肢手穿戴式柔性触觉检测系统，其特征在于：所述的电源转换模块采用由TI公司的TPS65135电源转换芯片搭建而成的双极性电源电路。
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