[实用新型]新型的光纤触觉阵列传感器

说明书

技术领域

本实用新型具体涉及一种新型的光纤触觉阵列传感器。

背景技术

目前，机器人系统已经应用到很多领域，像工业、军事、航天等。其中，对象处理和控制是机器人系统所应用的各个领域的主要任务。能够对一个对象进行有效的处理和操作，不仅需要机器人在动作上的技巧性和能力，还取决于来自被控制和处理对象的反馈信息和对对象的属性识别。特别的，当视频设备不能使用、预先设定的环境条件不能为智能机器人行动提供足够信息时，也需要触觉传感器为智能机器人系统提供需要的信息反馈。因此触觉传感信息对于机器人系统能否灵活自主的处理和操作对象显得至关重要。与发展迅速的视觉传感技术相比，触觉传感器进展缓慢。目前的研究中，传统的触觉传感器有压阻式、电容式、压电式等。

加拿大Simon Fraser大学的Dargahi对PVDF薄膜的压电和热电特性进行了分析，测试了动态响应，提出了由三片PVDF薄膜构成的触觉传感器。重庆大学的刘俊、秦岚、刘京诚等人基于压电效应，先后在2005年和2010年提出了三向力传感器和平板式压电四维力/力矩传感器，不但可以用于机械空间力的测量,且还可用于机器人表皮的传感,为实现新型的智能机器人触觉力传感器系统提供了新的思路。多数压电式触觉传感器均具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、可靠性强以及质轻等优点，但是因为需要从每个传感器单元获取信号数据，因此该类型传感器的信号处理电路一般较为复杂。此外，因为压电材料产生的电荷需要单独积累，需要为每个传感器单元配备一个电荷放大器，电路实现起来较为困难，同时也提高了传感器的造价。另外，某些压电敏感材料还需要做好防潮措施，限制了传感器的应用领域。

日本东京大学于2002年利用导电橡胶的压阻效应研制出的机器人柔性触觉手指套。2005年开发出了一种由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的，几乎跟真人皮肤一样敏感的电子“皮肤”，使机器人的触觉传感技术变得越来越成熟。2006年美国伊利诺伊大学香槟分校研制出聚合物微机械多模式触觉传感器，可以测量硬度、热导率、温度和物体表面轮廓。中科院智能机械研究所以机器人皮肤用多维力触觉传感器为应用背景，利用MEMS技术成功研制了一种类似于人的皮肤、能感知多维力信息的新型柔性多维阵列触觉传感器。目前，相关研究成果已成功应用于863重点项目“可穿戴型助残助老智能机器人示范平台”下肢助力机器人的足底压力和膝关节的测量中，在各种柔性接触压力分布测量、体育运动和人体生物力学、以及医疗、制造业和娱乐等诸多领域具有广泛的应用前景。基于压阻效应的触觉传感器具有如下优点：频率响应高；体积小，有利于触觉传感器的微型化发展；测量精度高；灵敏度高。但是，该类型的传感器同时也存在受温度影响较大、制作工艺较复杂以及造价高等缺点。

加拿大科学家2006年设计了一种可检测三维力的电容式触觉传感器，2008年研制了一种基于电容式传感器单元的柔性触觉阵列传感器，依靠柔性的硅橡胶衬底保证传感器的柔性，可以应用在光滑的物体曲面上完成测力功能。2013年上海中国计量学院科学家基于非硅MEMS工艺开发了一种可用于微纳米尺度三维尺寸测量的电容式微触觉测头。电容式触觉传感器具有结构简单、造价较低、灵敏度高以及动态响应好等优点，尤其是对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性比较强。但是，该类型的传感器输出一般会表现为非线性，并且固有的寄生电容和分布电容均会对传感器的灵敏度和测量精度产生影响。

而基于光纤的传感器具有径细、质软、重量轻的机械性能；电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；而且能够实现多路复用，并行化读出，解决布线复杂问题。此外,光纤传感器还易于与其它微型技术结合；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性，容易实现对被测信号的远距离监控。