[发明专利]基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用

说明书

本发明涉及基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用，利用光纤传感器技术模拟出具有人类力与温度感知定位的仿生皮肤，将这种仿生皮肤粘贴在机器人的外表面上，通过触及仿生皮肤来解决机器人模拟人类的力与温度感知定位的问题，该仿生皮肤应用到机器人上具有安装简便，不影响机器人的执行动作，也不影响机器人结构的排布，模拟人类皮肤的感知效果好的特点。

技术领域：

本发明属于传感器领域，具体涉及基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用。

背景技术：

随着集成电路、传感器、人工智能技术的发展，机器人的感知能力也越来越发达，通过立体视觉、麦克风阵列等技术，机器人可以获取类似人的视觉、听觉所感知的信息，然而对人类触觉的模拟仍然是机器人领域的一个难题。

触觉是指分布于全身皮肤上的神经细胞，接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、振动等方面的感觉。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表，依靠表皮的游离神经末梢能感受温度、痛觉、触觉等多种感觉。狭义的触觉，指刺激轻轻接触皮肤触觉感受器所引起的肤觉。广义的触觉，还包括增加压力使皮肤部分变形所引起的肤觉，即压觉，一般统称为“触压觉”。

触觉，是人类的第五感官，也是最复杂的感官。触觉中包含有至少十一种截然不同的感觉。皮肤上有数百万计的感觉末梢，每一小块皮肤都与另一小块皮肤不同，每一小块皮肤上感觉器官分布的数量也不同。因此，对于疼痛、冷、热以及其他的感觉也不相同。由此可见，触觉的产生是非常复杂且难以模拟的。目前大部分触觉传感器只是对单点或多点的压力进行测量，与人类庞大的触觉感官相比，能力上还相去甚远。

常用的触觉传感器主要有一下几个类型：

①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式(未接触时一直接通)微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。

②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件，当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。

③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后，含碳海绵的电阻减小，测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便；缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。

④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。

⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力，与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。

可见要实现类似人类皮肤的触觉感知，需要解决几个问题：

(1)传感器覆盖范围大。对于一个真人大小的人形机器人来说，欲要模拟皮肤的感知能力，需要传感器必须覆盖机器人的绝大部分面积。

(2)空间分辨率高。为了实现任意位置的触觉感知，需要传感器具有相当高的空间分辨率，以便机器人精确的捕获触感位置，进行相应的处理操作。

(3)传感器便于布设。机器人关节多，动作灵活，传感器布设时需充分考虑安装的简便性，不影响机器人执行动作，尽量少的影响机器人结构的排布。

(4)力与温度双重感知。人体皮肤触觉最常用的两种感受就是力和温度，因此传感器应尽量满足双重感知能力，这对于机器人的自身保护来说十分关键。

发明内容：