一种仿人手指端滑动触觉传感器，本申请橡胶指尖为半球形空腔；PVDF薄膜附着于橡胶指尖外部；密封塞将橡胶指尖密封，且密封塞底部装有液体压力传感器；外壳主体为刚性桶状结构，顶部有圆形开口，底部为法兰盘结构，呈十字形对称分布四个圆形通孔；内骨架包括圆柱头、直立应变杆以及底座，应变杆靠近底座的位置四面分别贴有应变片，底座上呈十字形对称分布四个圆形螺纹通孔；连接螺栓经过外壳底部的通孔与底座螺纹孔配合，将内骨架与外壳连接；PVDF薄膜与橡胶指尖、橡胶指尖与内骨架、外壳均采用粘连剂固定连接。本发明可以安装在仿生假手或机械手的指端，用于获取物体的纹理、材质、形状等信息以及手指与接触对象的接触状况等信息。
1.一种仿人手指端滑动触觉传感器，所述仿人手指端滑动触觉传感器安装在仿生假手
或机械手的末端，包括PVDF薄膜（1）、橡胶指尖（2）、填充液体（9）、密封塞（3）、液压传感器（32）、外壳（4）、内骨架（5），应变片（6）、测量电路（7）及连接螺栓（8），其特征在于：所述橡胶指尖（2）为半球形空腔，所述橡胶指尖（2）内部注满填充液体（9），所述橡胶指尖（2）外表面刻有同心圆环纹理，所述PVDF薄膜（1）附着于橡胶指尖（2）外部，所述橡胶指尖（2）一侧有密封塞（3）将橡胶指尖（2）密封，所述密封塞（3）底部装有液体压力传感器（32），所述外壳（4）主体为刚性桶状结构，所述外壳（4）四周及顶部为薄壁，所述外壳（4）顶部有圆形开口（41），所述外壳（4）底部为类法兰盘结构，所述类法兰盘结构有呈十字形对称分布四个圆形光滑通孔（42），所述橡胶指尖（2）在外壳（4）的圆形开口（41）上，所述内骨架（5）包括圆柱头（51）、直立应变杆（52）以及底座（53），所述外壳（4）顶部的圆形开 口（41）直径大于内骨架圆柱头（51）的直径，使得内骨架与外壳顶部不直接接触，所述橡胶指尖（2）底部圆柱凹陷（22）的直径大于内骨架圆柱头（51）的直径，但二者高度一致，使得圆柱头（51）嵌入圆柱凹陷（22）中，所述直立应变杆（52）顶端有圆柱头（51），所述直立应变杆（52）底部有底座（53）相连，所述底座（53）内有测量电路（7），所述直立应变杆（52）靠近底座（53）的位置四面分别贴有应变片（6），所述底座（53）上呈十字形对称分布四个圆形螺纹通孔（54），所述连接螺栓（8）经过外壳（4）底部的圆形光滑通孔（42）与底座（53）的圆形螺纹通孔（54）配合，将内骨架（5）与外壳（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述PVDF薄膜（1）为半球形柔性薄膜，所述半球形柔性薄膜上包括压电薄膜、金属化电极、保护膜和引线。
3.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述橡胶指尖（2）为类半球体空腔，其外表面分布同心圆环状纹理突起，所述橡胶指尖（2）底部有圆柱凹陷（22），所述圆柱凹陷（22）直径大于内骨架（5）的圆柱头（51），所述橡胶指尖（2）侧面有圆形注液孔（21），所述密封塞（3）盖住圆形注液孔（21）。
4.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述密封塞
（3）前端为硬质导管（31），所述密封塞（3）底部有底部活塞（33），所述底部活塞（33）为柔性橡胶圆盘，所述底部活塞（33）与硬质导管（31）之间通过橡胶连接，所述液压传感器（32）安装在硬质导管（31）底部与底部活塞（33）的连接处。
5.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述的内骨架（5）的圆柱头（51）、直立应变杆（52）以及底座（53）的中心位于同一直线上，所述应变杆（52）为截面正方形的细长刚性直杆，所述底座（53）为扁圆柱。
6.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述测量电路（7）为圆盘形状，所述测量电路（7）直径小于外壳（4）的内径，所述测量电路（7）的圆心处为正方形通孔，所述正方形通孔边长大于应变杆（52）的截面边长，所述测量电路（7）上分布着各个传感元件所需的测量电路。
7.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述填充液体（9）为非导电性、非腐蚀性液体。
8.根据权利要求3所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述PVDF薄膜（1）与橡胶指尖（2）以及圆柱头（51）与嵌入圆柱凹陷（22）以及橡胶指尖（2）与外壳（4）通过连接剂紧密贴合。
9.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述外壳（4）侧面靠近底部有一个长方形开孔（43）。
10.根据权利要求1所述的一种仿人手指端滑动触觉传感器，其特征在于：所述应变片
（6）通过连接剂固定在应变杆（52）靠近底座同一高度处的四个面上，位于对立面上的两个应变片（6）组成半桥电路。
一种仿人手指端滑动触觉传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种仿人手指端滑动触觉传感器。
背景技术
[0002] 对于仿生假手、机械手等灵巧手系统而言，触觉是其实现与外部环境直接作用的必须媒介，是感知环境信息的重要方式。机器人触觉信息可以分为肌肉运动感觉信息和滑动感觉信息，只有把两种感觉信息结合起来，所有感知和操纵控制工作才能有序进行。其中，运动感觉信息以力觉信息为主，通过检测末端执行器力觉信息来反应其的运动位置信息；滑动感觉信息包括形状、测度、湿度、纹理等信息，实现对物体的准确识别。为了准确获取滑动感觉信息及运动感觉信息，需要设计一种仿人手指端滑动触觉传感器，通过PVDF薄膜、液压传感器能够准确检测传感器顶端受力及物体的纹理信息，通过应变片实现对接触状况等运动感觉信息的测量，从而实现对物体的识别、分类和操作，提高灵巧手系统的智能化水平和作业水平。
发明内容
[0003] 为了实现对物体准确的识别和分类，本发明提供一种仿人手指端滑动触觉传感器，通过PVDF薄膜、液压传感器能够准确检测传感器顶端受力及物体的纹理信息，通过应变片实现对接触状况等运动感觉信息的测量，从而实现对物体的识别、分类和操作，提高灵巧手系统的智能化水平和作业水平，为达此目的，本发明提供一种仿人手指端滑动触觉传感器，所述仿人手指端滑动触觉传感器安装在仿生假手或机械手的末端，包括PVDF薄膜、橡胶指尖、填充液体、密封塞、液压传感器、外壳、内骨架，应变片、测量电路及连接螺栓，所述橡胶指尖为半球形空腔，所述橡胶指尖内部注满填充液体，所述橡胶指尖外表面刻有同心圆环纹理，所述PVDF薄膜附着于橡胶指尖外部，所述橡胶指尖一侧有密封塞将橡胶指尖密封，所述密封塞底部装有液体压力传感器，所述外壳主体为刚性桶状结构，所述外壳四周及顶部为薄壁，所述外壳顶部有圆形开口，所述外壳底部为类法兰盘结构，所述类法兰盘结构有呈十字形对称分布四个圆形光滑通孔，所述橡胶指尖在外壳的圆形开口上，所述内骨架包括圆柱头、直立应变杆以及底座，所述外壳顶部的圆形缺口直径大于内骨架圆柱头的直径，使得内骨架与外壳顶部不直接接触，所述橡胶指尖底部圆柱凹陷的直径大于内骨架圆柱头的直径，但二者高度一致，使得圆柱头嵌入圆柱凹陷中，所述直立应变杆顶端有圆柱头，所述直立应变杆底部有底座相连，所述底座内有测量电路，所述直立应变杆靠近底座的位置四面分别贴有应变片，所述底座上呈十字形对称分布四个圆形螺纹通孔，所述连接螺栓经过外壳底部的圆形光滑通孔与底座的圆形螺纹通孔配合，将内骨架与外壳连接。
[0004] 本发明的进一步改进，所述PVDF薄膜为半球形柔性薄膜，所述半球形柔性薄膜上包括压电薄膜、金属化电极、保护膜和引线，在移动过程中，物体表面细微的纹理颗粒对PVDF微单元造成挤压产生感应电荷，从而可以判断与之接触的物体表面纹理特性。
[0005] 本发明的进一步改进，所述橡胶指尖为类半球体空腔，其外表面分布同心圆环状纹理突起，所述橡胶指尖底部有圆柱凹陷，所述圆柱凹陷直径大于内骨架的圆柱头，用于连接和固定，所述橡胶指尖侧面有圆形注液孔，所述密封塞盖住圆形注液孔，用于传递外部压力。
[0006] 本发明的进一步改进，所述密封塞前端为硬质导管，所述密封塞底部有底部活塞，所述底部活塞为柔性橡胶圆盘，所述底部活塞与硬质导管之间通过橡胶连接，所述液压传感器安装在硬质导管底部与底部活塞的连接处，用于测量由外部压力产生的液体压力的改变。
[0007] 本发明的进一步改进，所述的内骨架的圆柱头、直立应变杆以及底座的中心位于同一直线上，所述应变杆为截面正方形的细长刚性直杆，所述底座为扁圆柱。
[0008] 本发明的进一步改进，所述测量电路为圆盘形状，所述测量电路直径小于外壳的内径，所述测量电路的圆心处为正方形通孔，所述正方形通孔边长大于应变杆的截面边长，所述测量电路上分布着各个传感元件所需的测量电路。
[0009] 本发明的进一步改进，所述填充液体为非导电性、非腐蚀性液体，这种液体流动性强且不易挥发和凝固。
[0010] 本发明的进一步改进，所述PVDF薄膜与橡胶指尖以及圆柱头与嵌入圆柱凹陷以及橡胶指尖与外壳通过连接剂紧密贴合。
[0011] 本发明的进一步改进，所述外壳侧面靠近底部有一个长方形开孔，长方形开孔主要用于各个传感器引线的出入。
[0012] 本发明的进一步改进，所述应变片通过连接剂固定在应变杆靠近底座同一高度处的四个面上，位于对立面上的两个应变片组成半桥电路，这样设计用于测量应变杆末端受力情况。
[0013] 本发明提供一种仿人手指端滑动触觉传感器，通过将PVDF薄膜、液压传感器和应变片的创新性组合使用，扩充了传感器原本的使用功能，实现了对滑动感觉信息和运动感觉信息的测量。其仿生指纹纹理结构的设计提高了传感器的敏感性，可以检测微小的纹理变化，从而提高了测量的灵敏度。将传感器受力转换为液压的变化，液体具有一定的可压缩性和流动性，与人体指尖按压变形类似，能准确检测指尖受力情况，且可以获取不同位置、不同姿态的力信号；本发明结构简洁，便于安装和调试，易于维护，稳定性好，线性度、重复性好，测量精度高。
附图说明
[0014] 图1为本发明的传感器整体结构示意图。
[0015] 图2为本发明的传感器整体结构剖面图。
[0016] 图3为本发明的PVDF薄膜示意图。
[0017] 图4为本发明的橡胶指尖剖面图。
[0018] 图5为本发明的外壳示意图。
[0019] 图6为本发明的内骨架示意图。
[0020] 图7为本发明的检测电路示意图。
[0021] 图8为本发明的密封塞剖面图。
[0022] 标号说明：1PVDF薄膜、2橡胶指尖、21注液孔、22圆柱凹陷、3密封塞、31硬质导管、32液压传感器、33底部活塞、4外壳、41圆形开口、42圆形光滑通孔、43外壳方孔、5内骨架、51圆柱头、52直立应变杆、53底座、54圆形螺纹通孔、6应变片、7测量电路、8连接螺栓、9填充液体。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0024] 本发明提供一种仿人手指端滑动触觉传感器，通过PVDF薄膜、液压传感器能够准确检测传感器顶端受力及物体的纹理信息，通过应变片实现对接触状况等运动感觉信息的测量，从而实现对物体的识别、分类和操作，提高灵巧手系统的智能化水平和作业水平。
[0025] 作为本发明一种具体实施例，本发明提供一种仿人手指端滑动触觉传感器，该仿人手指端滑动触觉传感器安装在仿生假手或机械手的末端，用于获取物体的纹理、材质、形状等信息以及手指与接触对象的接触状况等信息，从而更准确地对物体进行分辨、识别和操作，该仿人手指端滑动触觉传感器包括PVDF薄膜1、橡胶指尖2、填充液体9、密封塞3、液压传感器32、外壳4、内骨架5，应变片6、测量电路7及连接螺栓8。所述的橡胶指尖2为半球形空腔，内部注满填充液体，外表面刻有同心圆环纹理；所述的PVDF薄膜1附着于橡胶指尖外部，用于物体纹理检测；所述的密封塞3将橡胶指尖密封，且密封塞底部装有液体压力传感器32，用于测量橡胶指尖的受力大小；所述的外壳4主体为刚性桶状结构，顶部有圆形开口，底部为类法兰盘结构，呈十字形对称分布四个圆形通孔，用于连接固定；所述的内骨架5包括圆柱头、直立应变杆以及底座，应变杆靠近底座的位置四面分别贴有应变片，底座上呈十字形对称分布四个圆形螺纹孔；所述的连接螺栓8经过外壳底部的通孔与底座螺纹孔配合，将内骨架与外壳连接；
[0026] 本发明所述的PVDF薄膜1为半球形柔性薄膜，其上包括压电薄膜、金属化电极、保护膜、引线等，在移动过程中，物体表面细微的纹理颗粒对PVDF微单元造成挤压产生感应电荷，从而可以判断与之接触的物体表面纹理特性。
[0027] 本发明所述的橡胶指尖2为类半球体空腔，其外表面分布同心圆环状纹理突起；底部圆柱凹陷22直径略大于内骨架圆柱头51，用于连接和固定；通过侧面圆形注液孔21将空腔注满填充液体9，用于传递外部压力。
[0028] 本发明所述的密封塞3前端为硬质导管31，底部活塞33为柔性橡胶圆盘，活塞与导管之间通过橡胶连接；导管底部与底部圆盘的连接处装有液压传感器32，用于测量由外部压力产生的液体压力的改变；
[0029] 本发明所述的外壳4主体为刚性圆柱结构，四周及顶部为薄壁，顶部有圆形开口42，底部为类法兰盘结构，边缘呈十字形对称分布四个圆形光滑通孔42，用于连接固定；
[0030] 本发明所述的内骨架5包括圆柱头51、直立应变杆52以及底座53，三者中心位于同一直线上；应变杆52为截面正方形的细长刚性直杆，靠近底座的位置四面分别贴有应变片6，底座53为扁圆柱，边缘呈十字形对称分布四个圆形螺纹通孔54，用于固定和连接。
[0031] 本发明所述的测量电路7为圆盘形状，直径略小于外壳4的内径，圆心处为正方形通孔，其边长略大于应变杆52的截面边长，其上分布着各个传感元件所需的测量电路。
[0032] 本发明所述的连接螺栓8，其螺栓头直径大于螺纹通孔54及光滑通孔42，螺栓杆上外螺纹与螺纹通孔54中的内螺纹规格一致，内骨架5与外壳4通过连接螺栓8进行固定连接。
[0033] 本发明所述的填充液体9为非导电性、非腐蚀性液体，流动性强且不易挥发和凝固。
[0034] 本发明所述的PVDF薄膜1与橡胶指尖2通过连接剂紧密贴合，通过PVDF薄膜1后依旧可以感知橡胶指尖2表面的环形纹理突起。
[0035] 本发明所述的外壳顶部的圆形缺口41直径略大于内骨架圆柱头51的直径，使得内骨架与外壳顶部不直接接触。
[0036] 本发明所述的橡胶指尖底部圆柱凹陷22的直径略大于内骨架圆柱头51的直径，但二者高度一致，使得圆柱头51可以嵌入圆柱凹陷22中，二者通过连接剂进行固定；橡胶指尖2底部与外壳4顶部叶通过连接剂进行固定连接。
[0037] 本发明所述的外壳4主体直径与橡胶指尖4最大直径相同，二者中心位于同一直线。
[0038] 本发明所述的外壳4底部类法兰盘结构与4主体直径与内骨架底座53外径大小完全相同，其上四个通孔的位置也完全相同，但圆形光滑通孔42直径略大于圆形螺纹通孔直径，保证连接螺栓8能完成连接。
[0039] 本发明所述的外壳4侧面靠近底部有一个长方形开孔43，用于各个传感器引线的出入。
[0040] 本发明所述的测量电路7位于外壳内部，其中心方形通孔穿过应变杆52，其电信号经由引线通过外壳4底部开孔43与外部设备连接。
[0041] 本发明所述的应变片6通过连接剂固定在应变杆52靠近底座同一高度处的四个面上，位于对立面上的两个应变片6组成半桥电路，用于测量应变杆末52端受力情况。
[0042] 参见图1、2所示,本发明提供的一种仿人手指端滑动触觉传感器，该仿人手指端滑动触觉传感器安装在机械手或仿生假手的末端，用于获取物体的纹理、材质、形状等信息以及手指与接触对象的接触状况等信息，从而更准确地对物体进行分辨、识别和操作。其特征在于：该仿人手指端滑动触觉传感器包括包括PVDF薄膜1、橡胶指尖2、填充液体9、密封塞3、液压传感器32、外壳4、内骨架5、应变片6、测量电路7及连接螺栓8。
[0043] 参见图3所示，所述的PVDF薄膜1为半球形柔性薄膜，其上包括压电薄膜、金属化电极、保护膜、引线等，底部边缘外径18mm，厚度1mm，其电信号通过引线经由外壳方孔43接入检测电路7中；
[0044] 参见图4所示，所述的橡胶指尖4为类半球体空腔，由橡胶组成，具有一定的柔性，最大直径16mm，壁厚1mm，其外表面均匀分布同心圆环状纹理突起，突起高度0.2mm，各个圆环直径相差1mm，底部中心处有圆柱凹陷22，直径5mm，高度2.5mm，用于连接和固定；侧面圆形注液孔21直径5mm，将空腔注满填充液体9，用于传递外部压力。
[0045] 参见图5所示，所述的外壳4主体为金属圆柱结构，直径16mm，高30mm，四周及顶部为1mm厚的薄壁，顶部中心处有直径18mm的圆形开口41，底部为法兰盘结构，直径24mm，厚2mm，边缘呈十字形对称分布四个圆形光滑通孔42，通孔直径3.3mm，通孔圆心距离法兰盘圆心10mm；侧面距离法兰盘5mm高度处有一个5mm*10mm的方孔43，用于引线的进出；
[0046] 参见图6所示，所述的内骨架5包括圆柱头51、直立应变杆52以及底座53，三者中心位于同一直线上，均为金属材料；圆柱头直径4.8mm，高2.5mm，应变杆截面正方形边长1.5mm，高30mm，靠近底座的位置四面分别贴有应变片6，底座为扁圆柱，直径24mm，高3mm，边缘呈十字形对称分布四个圆形螺纹通孔54，为标准M3内螺纹，圆心距底座圆心10mm；
[0047] 参见图7所示，所述的测量电路7为圆盘形状，由pcb电路板制成，直径12mm，圆心处为正方形通孔，其边长为2mm，其上分布着各个传感元件所需的测量电路；
[0048] 参见图2所示，所述的连接螺栓8，其螺栓头直径为6mm，螺栓杆有标准M3外螺纹，内骨架与外壳通过连接螺栓进行固定连接；
[0049] 参见图2所示，所述的填充液体9为纯净水，用针管注射器通过注液孔21注入橡胶指尖；PVDF薄膜1与橡胶指尖2通过连接剂紧密贴合，通过PVDF薄膜后依旧可以感知橡胶指尖表面的环形纹理突起；
[0050] 参见图2所示，圆柱头51可以嵌入圆柱凹陷22中，二者通过连接剂进行固定；橡胶指尖2底部表面与外壳3顶部表面也通过连接剂进行固定连接；
[0051] 参见图6所示，所述的应变片6通过连接剂固定在直立应变杆52的四个面上，距离底座5mm，位于对立面上的两个应变片组成半桥电路，用于测量应变杆末端受力情况；
[0052] 参见图8所示，所述的密封塞3前端为硬质导管31长10mm，外径5mm，底部活塞33为柔性橡胶圆盘，直径20mm，厚3mm，活塞与导管之间通过橡胶过渡连接；导管底部与底部圆盘的连接处装有液压传感器32，可以将液体压力的变化转换为电压的变化，用于测量由外部压力产生的液体压力的改变；活塞与注液孔紧密连接防止液体渗漏。
[0053] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
