新型的光纖觸覺陣列傳感器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的光纖觸覺陣列傳感器及制作方法，包括一個薄膜，在薄膜上設(shè)置由若干行傳感器組成的陣列，行傳感器包括n個排列成一行的彈性裝置和一根穿過彈性裝置的光纖光柵傳感器。光纖觸覺陣列傳感器的制作過程，包括如下步驟：步驟1：制作橫向串聯(lián)式模型模具；步驟2：制作行光纖觸覺傳感器；步驟3：將獲得的行光纖觸覺傳感器粘到薄膜上構(gòu)成陣列。當外界物體碰觸光纖觸覺傳感器陣列時，就會有壓力施加到光纖觸覺傳感器陣列的某個傳感器上，受力的傳感器由于基體材料的良好伸展性，會在收到施加力時伸展，嵌在基體里的光纖光柵會隨著基體的伸展而伸展，光纖光柵的光柵周期就會變化，從而布拉格光柵的中心波長就會相應(yīng)的發(fā)生變化。
【專利說明】新型的光纖觸覺陣列傳感器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種新型的光纖觸覺陣列傳感器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，機器人系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域，像工業(yè)、軍事、航天等。其中，對象處理和控制是機器人系統(tǒng)所應(yīng)用的各個領(lǐng)域的主要任務(wù)。能夠?qū)σ粋€對象進行有效的處理和操作，不僅需要機器人在動作上的技巧性和能力，還取決于來自被控制和處理對象的反饋信息和對對象的屬性識別。特別的，當視頻設(shè)備不能使用、預先設(shè)定的環(huán)境條件不能為智能機器人行動提供足夠信息時，也需要觸覺傳感器為智能機器人系統(tǒng)提供需要的信息反饋。因此觸覺傳感信息對于機器人系統(tǒng)能否靈活自主的處理和操作對象顯得至關(guān)重要。與發(fā)展迅速的視覺傳感技術(shù)相比，觸覺傳感器進展緩慢。目前的研究中，傳統(tǒng)的觸覺傳感器有壓阻式、電容式、壓電式等。
[0003]加拿大Simon Fraser大學的Dargahi對PVDF薄膜的壓電和熱電特性進行了分析，測試了動態(tài)響應(yīng)，提出了由三片PVDF薄膜構(gòu)成的觸覺傳感器。重慶大學的劉俊、秦嵐、劉京誠等人基于壓電效應(yīng)，先后在2005年和2010年提出了三向力傳感器和平板式壓電四維力/力矩傳感器，不但可以用于機械空間力的測量，且還可用于機器人表皮的傳感，為實現(xiàn)新型的智能機器人觸覺力傳感器系統(tǒng)提供了新的思路。多數(shù)壓電式觸覺傳感器均具有頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、可靠性強以及質(zhì)輕等優(yōu)點，但是因為需要從每個傳感器單元獲取信號數(shù)據(jù)，因此該類型傳感器的信號處理電路一般較為復雜。此外，因為壓電材料產(chǎn)生的電荷需要單獨積累，需要為每個傳感器單元配備一個電荷放大器，電路實現(xiàn)起來較為困難，同時也提高了傳感器的造價。另外，某些壓電敏感材料還需要做好防潮措施，限制了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004]日本東京大學于2002年利用導電橡膠的壓阻效應(yīng)研制出的機器人柔性觸覺手指套。2005年開發(fā)出了一種由橡膠、導電石墨和新型晶體管組成的，幾乎跟真人皮膚一樣敏感的電子“皮膚”，使機器人的觸覺傳感技術(shù)變得越來越成熟。2006年美國伊利諾伊大學香檳分校研制出聚合物微機械多模式觸覺傳感器，可以測量硬度、熱導率、溫度和物體表面輪廓。中科院智能機械研究所以機器人皮膚用多維力觸覺傳感器為應(yīng)用背景，利用MEMS技術(shù)成功研制了一種類似于人的皮膚、能感知多維力信息的新型柔性多維陣列觸覺傳感器。目前，相關(guān)研究成果已成功應(yīng)用于863重點項目“可穿戴型助殘助老智能機器人示范平臺”下肢助力機器人的足底壓力和膝關(guān)節(jié)的測量中，在各種柔性接觸壓力分布測量、體育運動和人體生物力學、以及醫(yī)療、制造業(yè)和娛樂等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；趬鹤栊?yīng)的觸覺傳感器具有如下優(yōu)點:頻率響應(yīng)高；體積小，有利于觸覺傳感器的微型化發(fā)展；測量精度高；靈敏度高。但是，該類型的傳感器同時也存在受溫度影響較大、制作工藝較復雜以及造價聞等缺點。
[0005]加拿大科學家2006年設(shè)計了 一種可檢測三維力的電容式觸覺傳感器，2008年研制了一種基于電容式傳感器單元的柔性觸覺陣列傳感器，依靠柔性的硅橡膠襯底保證傳感器的柔性，可以應(yīng)用在光滑的物體曲面上完成測力功能。2013年上海中國計量學院科學家基于非硅MEMS工藝開發(fā)了一種可用于微納米尺度三維尺寸測量的電容式微觸覺測頭。電容式觸覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、靈敏度高以及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，尤其是對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性比較強。但是，該類型的傳感器輸出一般會表現(xiàn)為非線性，并且固有的寄生電容和分布電容均會對傳感器的靈敏度和測量精度產(chǎn)生影響。
[0006]而基于光纖的傳感器具有徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能；而且能夠?qū)崿F(xiàn)多路復用，并行化讀出，解決布線復雜問題。此外，光纖傳感器還易于與其它微型技術(shù)結(jié)合；而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性，容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。
[0007]在光纖應(yīng)用中，英國倫敦大學機械工程系研發(fā)出一種新型的基于光強度解調(diào)原理的滾輪光纖傳感器，可以應(yīng)用在微創(chuàng)手術(shù)中研究軟組織性能及監(jiān)測病變。韓國國家技術(shù)科學院Jin-Seok Heo等人利用光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)研究了一種3X3陣列的柔性觸覺傳感器，采用柔性的硅橡膠材料將所有敏感單元組合起。2002年，哈爾濱工程大學的崔金輝，林曉艷，梁藝軍，苑立波，利用了光纖的微彎損耗機理設(shè)計智能皮膚傳感器。2002年，哈爾濱工程大學的賈銘新利用光纖外調(diào)制機理設(shè)計了一種機器人觸覺傳感器，這種傳感器能夠有效地獲取觸覺信號，可用在機械手上實現(xiàn)無損傷抓取作業(yè)。大連理工大學的郝華麗、荊振國等人研究了具有較高測量范圍的光纖F-P觸覺傳感器和具有較高靈敏度的光纖F-P觸覺傳感器。但是由于脆性的傳感元件和剛性基體之間不能可靠的接觸，光纖光柵形成敏感單元后遺留的非敏感區(qū)域較大，造成敏感度下降等原因，目前國內(nèi)還沒有比較成熟的使用光纖光柵技術(shù)的觸覺傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明提出了新型的光纖觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)及制作方法。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0010]新型的光纖觸覺陣列傳感器，包括一個薄膜，在薄膜上設(shè)置由若干行傳感器組成的陣列，所述的行傳感器包括η個排列成一行的彈性裝置和一根穿過彈性裝置的光纖光柵傳感器；一個彈性裝置和其內(nèi)部的一段光纖光柵組成單個光纖觸覺傳感單元。
[0011]所述的彈性裝置的底面為正方形，其余的面為曲面；當排成陣列時，正方形可以減小傳感器相互之間的間隙；其余面作為曲面，可以更靈敏的感應(yīng)各個方向的力。
[0012]所述的彈性裝置是由液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套的固化劑混合物組成。
[0013]所述的液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1比例混合均勻后，利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤約一個小時(溫度與時間參數(shù)的不同將會制作出不同硬度的PDMS)。
[0014]所述的液態(tài)聚二甲硅氧烷(含配套固化劑)型號為Sylgardl84(道康寧公司，購買時提供主劑/固化劑雙組份液態(tài)包裝)。
[0015]所述的陣列是由η行行傳感器組成的矩形陣列。
[0016]所述的行傳感器之間留有縫隙，為傳感器受到力時伸展留有空間。
[0017]光纖觸覺陣列傳感器的制作過程，包括如下步驟:[0018]步驟1:制作橫向串聯(lián)式模型模具；
[0019]步驟2:制作行光纖觸覺傳感器；
[0020]步驟3:將獲得的行光纖觸覺傳感器粘到薄膜上構(gòu)成陣列。
[0021]步驟I所述的制作橫向串聯(lián)式模型模，具步驟如下:
[0022](1-1)準備聚甲基丙烯酸甲酯材料板；
[0023](1-2)在聚甲基丙烯酸甲酯材料板上設(shè)計一行相互間隔分布的中心槽；
[0024](1-3)準備C02激光系統(tǒng)；
[0025](1-4)用所述的激光系統(tǒng)在中心槽的兩側(cè)進行蝕刻，獲得光纖蝕刻槽；所述的蝕刻槽、中心槽在同一行分布。
[0026]步驟2制作行光纖觸覺傳感器具體步驟如下:
[0027](2-1)將準備好的光纖放橫向串聯(lián)式模型模具光纖蝕刻槽內(nèi)，固定好；
[0028](2-2)將液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1混合，并且倒入到模具的每個中心槽中；
[0029](2-3)利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，消除封裝過程中出現(xiàn)的氣泡；
[0030](2-4)再放入120度的烤箱中烤約一個小時(溫度與時間參數(shù)的不同將會制作出不同硬度的PDMS)。
[0031](2-5)取出模型；
[0032]步驟3所述的具體過程如下:
[0033]制作出多行光纖觸覺傳感器后，將多行光纖觸覺傳感器排列，用黏結(jié)劑黏在很薄的薄膜上，所述的薄膜材料與傳感器制作材料相同。所述的黏結(jié)劑為快速環(huán)氧膠粘劑，型號JH99 ；
[0034]布拉格光柵的中心波長λ B與光柵周期，折射率關(guān)系表示如下:
[0035]λ B = 2η Λ
[0036]其中，Λ是光柵周期，η是光纖芯區(qū)內(nèi)的有效折射率。
[0037]本發(fā)明的工作過程如下:
[0038]本發(fā)明是通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量的檢測。當外界物體碰觸所述的光纖觸覺傳感器陣列時，就會有壓力施加到所述的光纖觸覺傳感器陣列的某個傳感器上，受力的傳感器由于液態(tài)聚二甲硅氧烷基體材料的良好伸展性，會在收到施加力時伸展，嵌在基體里的光纖光柵會隨著基體的伸展而伸展，光纖光柵的光柵周期就會變化，從而布拉格光柵的中心波長就會相應(yīng)的發(fā)生變化，由光電檢測模塊可獲得光纖布拉格光柵的中心波長變化，將光電檢測模塊連接到電腦的偽彩圖軟件，就會在所述的軟件上相應(yīng)的顯示出施力點，從而可以實現(xiàn)高靈敏度的定位。
[0039]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:
[0040]新型的光纖觸覺傳感器基于光纖的波長解調(diào)原理，基體材料為伸展性良好的彈性靈活的PDMS，能夠在受到施加力時靈活的伸展，從而帶動布拉格光柵的拉伸；所述的光纖觸覺傳感器陣列是先用模具制作出一列單個的觸覺傳感器集合，然后排成陣列，傳感器不是嵌入到一體的集體中，而是單個凸出來，這種特殊的陣列排列結(jié)構(gòu)，在檢測受力位置時定位更加準確，提高了傳感器的靈敏度；所述的傳感器底面是正方形，當排成陣列時可以減小傳感器相互之間的間隙；所述的傳感器其余面是曲面，在不增加接觸臺高度的同時還能感應(yīng)各個方向的接觸力，提高了傳感器的靈敏度；用光纖制作觸覺傳感器不受電磁干擾，還能夠?qū)崿F(xiàn)多路復用，解決布線復雜問題；
[0041]為實現(xiàn)緊密排列，本設(shè)計采用的底面是正方形，也可使用正六邊形(陣列呈現(xiàn)蜂窩狀)。如果是圓形，將達不到緊密排列的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1本發(fā)明的橫向串聯(lián)式模型模具圖；
[0043]圖2光纖光柵圖；
[0044]圖3光纖觸覺傳感器陣列俯視圖；
[0045]圖4光纖觸覺傳感器陣列前視圖；
[0046]圖5光纖觸覺傳感器陣列側(cè)視圖；
[0047]圖6光纖光柵陣列不意圖；
[0048]圖中:I為橫向串聯(lián)式模型模具板、2為橫向串聯(lián)式模型模具中心槽、3為光纖光柵蝕刻槽、4為光纖光柵、5為包層和涂敷層、6為刻有光柵的纖芯、7為薄膜、8為單個光纖觸覺傳感單元。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明:
[0050]圖1為橫向串聯(lián)式模型模具1，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板，在材料板上有橫向串聯(lián)式模型模具中心槽2和光纖光柵蝕刻槽3。
[0051]圖2光纖光柵圖，包括刻有光柵的纖芯6，其外面為包層和涂敷層，里面為光纖光柵4,
[0052]整體的結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示，包括一個薄膜7，在薄膜7上設(shè)置由若干行傳感器組成的陣列，所述的行傳感器包括η個排列成一行的彈性裝置和一根穿過彈性裝置的光纖光柵4傳感器；且一個彈性裝置和一段光纖光柵組成單個光纖觸覺傳感單元8 ;行傳感器之間留有縫隙，為傳感器受到力時伸展留有空間。
[0053]彈性裝置的底面為正方形，其余的面為曲面；當排成陣列時，正方形可以減小傳感器相互之間的間隙；其余面作為曲面，可以更靈敏的感應(yīng)各個方向的力。
[0054]彈性裝置液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1比例混合均勻后，利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤約一個小時(溫度與時間參數(shù)的不同將會制作出不同硬度的PDMS)。
[0055]光纖光柵是在彈性裝置的正中央。
[0056]所述的傳感器制作過程包括如下步驟:
[0057]步驟一:制作所述的橫向串聯(lián)式模型模具；
[0058]步驟二:制作行光纖觸覺傳感器；
[0059]步驟三:將獲得的行光纖觸覺傳感器按照“列”的排列方式粘到薄膜上構(gòu)成陣列。
[0060]所述的制作橫向串聯(lián)式模型模具步驟如下:
[0061](I)準備長5cm、寬3 Cm、高IOmm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板；[0062](2)準備激光束為μ m等級的CO2激光系統(tǒng)；
[0063](3)用所述的激光系統(tǒng)對所述的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料板進行蝕刻，獲得光纖蝕刻槽，蝕刻位置為距上表面2mm處，蝕刻直徑為250 μ m ;
[0064](4)用鑄造工藝獲得最終的模具樣式，其中，模具中所述的中心槽，槽最大深度為
2.5mm。制作行光纖觸覺傳感器具體步驟如下:
[0065](I)將準備好的光纖放入所述的橫向串聯(lián)式模型模具光纖蝕刻槽內(nèi)，固定好；
[0066](2)將所述的液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1混合，倒入所述的總模型模具的中心槽；
[0067](3)利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，消除封裝過程中出現(xiàn)的氣泡；
[0068](4)再放入120度的烤箱中烤約一個小時(溫度與時間參數(shù)的不同將會制作出不同硬度的PDMS)。
[0069](5)取出模型；
[0070]制作出多行光纖觸覺傳感器后，將所述的多行光纖觸覺傳感器按照“列”排列方式，用黏結(jié)劑黏在很薄的薄膜上，所述的薄膜材料與傳感器制作材料相同。所述的黏結(jié)劑為快速環(huán)氧膠粘劑，型號JH99 ；
[0071]布拉格光柵的中心波長λ B與光柵周期，折射率關(guān)系表示如下:
[0072]λ B = 2η Λ
[0073]其中，A是光柵周期，η是光纖芯區(qū)內(nèi)的有效折射率。傳感器是通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量的檢測。當外界物體碰觸所述的光纖觸覺傳感器陣列時，就會有壓力施加到所述的光纖觸覺傳感器陣列的某個傳感器上，受力的傳感器由于基體材料的良好伸展性，會在收到施加力時伸展，嵌在基體里的光纖光柵會隨著基體的伸展而伸展，光纖光柵的光柵周期就會變化，從而布拉格光柵的中心波長就會相應(yīng)的發(fā)生變化，由光電檢測模塊可獲得光纖布拉格光柵的中心波長變化，將光電檢測模塊連接到電腦的偽彩圖軟件，就會在所述的軟件上相應(yīng)的顯示出施力點，從而可以實現(xiàn)高靈敏度的定位。
[0074]本發(fā)明基于波長解調(diào)原理設(shè)計了一種新的光纖觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)；所述光纖觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)將基體和接觸臺合二為一，直接采用將單個的觸覺傳感器粘到有彈性的薄膜(很薄，只起固定作用)上構(gòu)成陣列，中間留有微小縫隙，為傳感器受到力時伸展留有空間，這樣外界物體碰觸到傳感器陣列時，相當于碰觸到某個(外界物體面積大時，可能碰觸多個)單一的傳感器，獲得的定位效果更好、更準確。
[0075]而且該傳感器的頂面采用曲面結(jié)構(gòu)，在不增加額外的接觸臺厚度的同時，還能更好的感應(yīng)來自所有方向的力。當傳感器光纖光柵的長度變小時，傳感器的靈敏度也會隨之增加。
【權(quán)利要求】
1.新型的光纖觸覺陣列傳感器，包括一個薄膜，其特征在于:在薄膜上設(shè)置由若干行傳感器組成的陣列，所述的行傳感器包括η個排列成一行的彈性裝置和一根穿過彈性裝置的光纖光柵；一個彈性裝置和其內(nèi)部的一段光纖光柵組成單個光纖觸覺傳感單元。
2.如權(quán)利要求1所述的新型的光纖觸覺陣列傳感器，其特征在于:所述的彈性裝置的底面為正方形，其余的面為曲面；當排成陣列時，正方形減小傳感器相互之間的間隙；其余面作為曲面，更靈敏的感應(yīng)各個方向的力。
3.如權(quán)利要求1所述的新型的光纖觸覺陣列傳感器，其特征在于:所述的彈性裝置是由液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套的固化劑混合物組成；所述的液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1比例混合均勻后，利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱中烤一個小時。
4.如權(quán)利要求1所述的新型的光纖觸覺陣列傳感器，其特征在于:所述的行傳感器之間留有縫隙，為傳感器受到力時伸展留有空間。
5.如權(quán)利要求1所述的新型的光纖觸覺陣列傳感器的制造方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:制作橫向串聯(lián)式模型模具； 步驟2:制作行光纖觸覺傳感器； 步驟3:將獲得的行光纖觸覺傳感器粘到薄膜上構(gòu)成陣列。
6.如權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于:步驟I所述的制作橫向串聯(lián)式模型模，具步驟如下: (1-1)準備聚甲基丙烯酸甲酯材料板； (1-2)在聚甲基丙烯酸甲酯材料板上設(shè)置一行相互間隔分布的中心槽； (1-3)準備C02激光系統(tǒng)； (1-4)用所述的激光系統(tǒng)在中心槽的兩側(cè)進行蝕刻，獲得光纖蝕刻槽；所述的蝕刻槽、中心槽在同一行分布。
7.如權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于:步驟2制作行光纖觸覺傳感器具體步驟如下: (2-1)將準備好的光纖放橫向串聯(lián)式模型模具光纖蝕刻槽內(nèi)，固定好； (2-2)將液態(tài)聚二甲硅氧烷和配套固化劑按質(zhì)量比10:1混合，并且倒入到模具的每個中心槽中； (2-3)利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂，消除封裝過程中出現(xiàn)的氣泡； (2-4)再放入120度的烤箱中烤一個小時； (2-5)取出模型。
8.如權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于:步驟3所述的具體過程如下: 制作出多行光纖觸覺傳感器后，將多行光纖觸覺傳感器排列，用黏結(jié)劑黏在薄膜上，所述的薄膜材料為聚甲基丙烯酸甲酯。
9.如權(quán)利要求6所述的新型的光纖觸覺陣列傳感器，其特征在于:所述的光纖蝕刻槽和中心槽在同一條直線上,且光纖光柵依次穿過光纖蝕刻槽和中心槽。
【文檔編號】G01L5/00GK103968980SQ201410213244
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】宋金雪, 蔣奇, 李貽斌, 宋銳, 賈玉璽, 孫筱辰 申請人:山東大學