一种基于光纤的视触觉多维力传感器及其制备方法与应用与流程

本申请涉及光学传感，特别涉及一种基于光纤的视触觉多维力传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、触觉感知是机器人抓取、装配和精细操作的重要基础。现有的触觉传感器包括电阻式、电容式、压电式、磁式和光学式等类型。视觉触觉传感器通常通过相机记录柔性弹性体或视觉标记在接触过程中的变化，再利用图像处理或回归模型估计接触状态及作用力。

2、传统的视觉触觉传感器通常将相机和成像组件布置在弹性体下方，传感头厚度受到相机体积和成像距离限制。光纤可将触觉端的二维光学信息传输至外置相机，从而改变成像路径并提高传感头的结构布置自由度。接触载荷作用时，柔性皮肤层、视觉图案层和透明硅胶弹性层产生耦合形变，需要从二维图像变化中提取载荷信息。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种基于光纤的视触觉多维力传感器及其制备方法与应用，该传感器利用柔性硅胶皮肤层、视觉图案层和透明硅胶弹性层将载荷转换为图像变化，通过光纤将触觉端光学信息传输至外置相机，并利用图像处理和回归模型实现三维接触力解析。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例提供了一种基于光纤的视触觉多维力传感器，包括：中空结构的壳体以及设置在壳体中空结构内的柔性触觉结构；柔性触觉结构包括叠层设置的皮肤层、图案层和弹性层，皮肤层设置在壳体的顶端，图案层设置于皮肤层与弹性层之间，并随皮肤层与弹性层共同形变；壳体内还设有透明隔离片和设置壳体底部的光纤采集端；透明隔离片与弹性层底部接触，且透明隔离片与光纤采集端之间具有空气间隙；光纤采集端通过光纤传像束依次与相机、力矩解析模块连接；壳体的内壁上沿圆周方向设有光照模块，为柔性触觉结构提供周向照明；柔性触觉结构将外部载荷转换为二维光学图像变化，受力后的光学分布经透明隔离片和空气间隙耦合进入光纤传像束，通过相机采集图像后，再通过力矩解析模块解析接触力，解析fx、fy、fz三维接触力；光纤传像束为相干光纤束，相干光纤束的输入端与输出端之间光纤的排列顺序保持一致，用于将弹性层底部形成的二维光学分布以图像形式传输至相机。

3、在一些示例性实施例中，光照模块采用设置在柔性触觉结构周围的环形和/或弧形柔性led灯带；光照模块照射柔性触觉结构，光线在皮肤层、图案层和弹性层中发生反射、透射和内部传播，并从弹性层底部形成与受力状态相关的二维光学分布。

4、在一些示例性实施例中，皮肤层为柔性硅胶皮肤层，其厚度为0.5mm~1.5mm。

5、在一些示例性实施例中，皮肤层的接触面的直径为8mm~12mm。

6、在一些示例性实施例中，通过在皮肤层底面采用转印方式形成视觉图案，得到图案层；图案层固定在皮肤层与弹性层之间；受载状态下，皮肤层、图案层和弹性层共同形变，使图案位置、局部厚度和光路发生变化。

7、在一些示例性实施例中，弹性层为透明硅胶弹性层，其厚度为1.5mm~2.5mm。

8、在一些示例性实施例中，光纤采集端采集经透明隔离片和空气间隙接收弹性层底部输出的包含柔性触觉结构形变信息的二维光学图像，并通过光纤传像束传输至光纤输出端，光纤输出端与相机耦合。

9、在一些示例性实施例中，力矩解析模块通过无载参考图像、图像预处理和标定数据，建立光纤传像束输出的二维图像与载荷之间的标定关系，实现三维接触力解析；力矩解析模块包括无载参考标定单元、图像预处理单元和图像回归模型；无载参考标定单元用于在无外力条件下采集无载参考图像，以记录初始光照、光纤纹理及装配耦合状态；图像预处理单元用于对采集的图像进行预处理，预处理的过程包括：有效区域裁剪、亮度归一化和参考图像差分处理；图像回归模型用于采用卷积神经网络解析fx、fy、fz三维接触力。

10、第二方面，本申请实施例还提供了一种如上述实施例所述的基于光纤的视触觉多维力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：提供中空结构的壳体；在所述壳体的中空结构内形成弹性层；制备皮肤层，并在其底面通过转印方式形成视觉图案，得到图案层；将带有视觉图案的皮肤层贴合于弹性层的上表面，使图案层位于皮肤层和弹性层之间并固定；在壳体内壁安装光照模块及遮光结构，使光照区域覆盖柔性触觉结构周围；在弹性层底部设置透明隔离片，使其与弹性层底部接触并保持平整；将光纤采集端固定在透明隔离片下方，并保留设定的空气间隙；将光纤传像束另一端引至相机；固定相机与光纤传像束的输出端的相对位置，完成遮光、布线和整体装配。

11、第三方面，本申请还提供了一种如上述实施例所述的基于光纤的视触觉多维力传感器的应用，该传感器用于机器人手指、夹爪以及机械手等其它触觉感知结构。

12、与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

13、（1）减少弹性体下方的成像空间需求。利用光纤传像束改变二维光学信息的传输路径，使相机可布置在传感头外部，有利于减小接触面法向方向上的结构尺寸。

14、（2）提高结构布局灵活性。相机位置不再严格受限于硅胶正下方，可适应机器人手指、夹爪等紧凑结构。

15、（3）保留二维空间触觉信息。系统采集包含空间分布的二维图像，而不是单一总光强，可用于表征不同受力状态下的局部和整体形变。

16、（4）不依赖输入图案的无失真复现。只要光纤传像束输出图像随载荷变化具有稳定性和可标定性，即可用于力感知。

17、（5）支持三维力联合估计。当前样机已实现fx、fy、fz三维接触力的联合预测。

18、（6）降低接触端本地电子集成需求。接触端主要由柔性材料、光学结构、透明隔离片和光纤传像束构成，相机及处理单元可布置在传感头外部。

19、（7）制造与装配工艺较为直接。固定壳体可通过3d打印制造，柔性层采用双组分硅胶浇注和图案转印工艺，便于样机制作和结构调整。

1.一种基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述光照模块（4）采用设置在所述柔性触觉结构周围的环形和/或弧形柔性led灯带；

3.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述皮肤层（1）为柔性硅胶皮肤层，其厚度为0.5mm~1.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述皮肤层（1）的接触面的直径为8mm~12mm。

5.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，通过在所述皮肤层（1）底面采用转印方式形成视觉图案，得到图案层（2）；

6.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述弹性层（3）为透明硅胶弹性层，其厚度为1.5mm~2.5mm。

7.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述光纤采集端（8）采集经透明隔离片（12）和空气间隙（6）接收所述弹性层（3）底部输出的包含柔性触觉结构形变信息的二维光学图像，并通过所述光纤传像束（9）传输至光纤输出端，光纤输出端与相机（10）耦合。

8.根据权利要求1所述的基于光纤的视触觉多维力传感器，其特征在于，所述力矩解析模块（11）通过无载参考图像、图像预处理和标定数据，建立光纤传像束输出的二维图像与载荷之间的标定关系，实现三维接触力解析；

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的基于光纤的视触觉多维力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

10.一种如权利要求1至8中任一项所述的基于光纤的视触觉多维力传感器的应用，其特征在于，该传感器用于机器人手指、夹爪以及机械手的触觉感知结构。