传感器及其制备方法、机械手和机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种传感器及其制备方法、机械手和机器人。

背景技术

对于机械手，想要实现灵活抓取，对于指尖压力的感知能力非常重要。举例而言，采摘机器人在进行农产品采摘时，需要对指尖压力进行实时传感，以免抓取力过大损伤农产品。智能机械手也可以通过压力传感，灵活判别机械手与目标物体的接触状态。对于弹琴机器人而言，需要对每一次触键的力度进行实时的灵敏感知，这样才能实现对触键力度的精准、灵敏控制。

传统的触觉传感器通常接触面积过小，或灵敏度在接触面上不均一，这使得传感器在抓取时的响应信号不光会收到压力大小的影响，压力的作用位置和方向也会导致传感器输出信号的变化。

发明内容

本申请提供一种传感器及其制备方法、机械手和机器人，以解决相关技术中的部分或者全部不足。

本申请第一方面提供一种传感器，用于与光源和亮度检测器连接，包括：

基底，包括受力表面、侧面以及全反射孔；所述侧面与所述受力表面连接且延伸方向区别于所述受力表面；所述全反射孔穿设所述基底，并且至少一端设置于所述侧面；以及

高折射芯，设置于所述全反射孔中；所述高折射芯包括入射端和出射端；所述入射端用于与光源连接；所述出射端用于与亮度检测器连接；其中，所述基底的折射率低于所述高折射芯的折射率。

进一步地，所述传感器还包括：

输入光纤，在所述入射端插入所述高折射芯，用于连接所述入射端和所述光源；和/或，输出光纤，在所述出射端插入所述高折射芯，用于连接所述出射端和所述亮度检测器。

进一步地，所述输入光纤插入所述高折射芯的深度大于或者等于4mm、且小于或者等于6mm；和/或，所述输出光纤插入所述高折射芯的深度大于或者等于4mm、且小于或者等于6mm。

进一步地，在与所述受力表面平行的方向上，所述基底的尺寸大于或者等于1cm、且小于或者等于20cm。

进一步地，所述基底的厚度大于或者等于0.45mm。

进一步地，所述基底和/或所述高折射芯的材料为硅胶。

本申请第二方面提供一种制备方法，用于制备前述实施例所述的传感器，包括：

获取基底并在所述基底成型全反射孔；

在全反射孔中成型高折射芯，得到所述传感器。

进一步地，所述获取基底并在所述基底成型全反射孔，具体包括：

在基座上涂抹硅胶流体并固化，得到第一半部；

在第一半部上放置孔成型件；所述孔成型件的延伸方向区别于所述第一半部的厚度方向；

在所述第一半部和孔成型件上涂抹硅胶流体并固化，得到所述基底；所述基底的硅胶流体的折射率小于所述高折射芯的折射率；

抽出所述孔成型件，得到所述全反射孔。

进一步地，所述第一半部的厚度大于或者等于0.1mm；和/或，所述基底的厚度大于或者等于0.45mm。

进一步地，所述孔成型件为光纤。

进一步地，在所述全反射孔的延伸方向上，所述基底的尺寸大于或者等于1cm、且小于或者等于20cm。

进一步地，所述在全反射孔中成型高折射芯，具体包括：

在全反射孔中填充硅胶流体并固化；所述高折射芯的硅胶流体的折射率大于所述基底的折射率。

进一步地，在全反射孔中填充硅胶流体之后，还包括：

在所述全反射孔的至少一端将光纤插入硅胶流体中。

进一步地，所述光纤插入所述高折射率材料的深度大于或者等于4mm、且小于或者等于6mm。

进一步地，所述光纤的端面垂直于所述光纤的延伸方向。

进一步地，所述固化的温度大于或者等于60℃、且小于或者等于100℃。

本申请第三方面提供一种机械手，包括光源、亮度检测器、手指以及前述实施例所述的传感器；所述手指包括指尖部和指根部；其中，所述指尖部包括充液孔；所述充液孔包括受力端和感测端；所述受力端设置于所述指尖部远离所述指根部的一侧；所述感测端设置于所述指尖部朝向所述指根部的一侧；所述传感器设置于所述感测端；所述机械手还包括：

填充液，填充于所述充液孔中；以及

密封膜，设置于所述受力端；所述基底的受力表面与所述密封膜密封所述充液孔。

进一步地，所述充液孔的孔径自所述受力端朝向所述感测端减小。

进一步地，所述填充液包括水、甘油或者硅油中的至少一种。

进一步地，所述密封膜由聚酰亚胺薄膜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者聚丙烯制成。

本申请第四方面提供一种机器人，包括前述实施例所述的机械手。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请的传感器能够利用高折射芯和基底之间的折射率差异直接实现光的全反射。因此，外力可以直接作用于基底上，提高传感器对外力检测的灵敏度。相比于设置有壳体、保护层的传感器，本申请的传感器对外力的感知能力更强、响应时间更快。

应理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出为本申请的传感器的一个实施例的侧面示意图；

图2示出为本申请的传感器的一个实施例的俯视示意图；

图3示出为本申请的机械手的一个实施例的整体示意图；

图4示出为本申请的机械手的指尖部的一个实施例的透视示意图；

图5示出为本申请的传感器的制备方法的一个实施例的流程示意图。

附图标记说明：100传感器、1基底、11受力表面、12侧面、13全反射孔、2高折射芯、21入射端、22出射端、3输入光纤、4输出光纤、200机械手、210手指、211指尖部、2111充液孔、2112受力端、2113感测端、212指根部、220填充液、230密封膜、300制备方法、L插入深度、D尺寸。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的方式并不代表与本申请相一致的所有方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个，若仅指代“一个”时会再单独说明。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请提供一种机械手200。机械手200可以是供人穿戴的机械手套的形式，此时机械手200可以单独使用。机械手200也可以是辅助加工生产、或者是提供娱乐服务的工具手等。此时机械手200可以单独使用，也可以是安装在具有躯干、头部、四肢的机器人身上，本申请对此并不限制。对于机械手200而言，在接触物体表面时，为了避免接触力度过大损伤机械手200本身以及物体，机械手200需要能够实现接触力度的感知。

在一种设计中，机械手200通过在指尖部211组装触觉传感器100来实现接触力度的感知。然而指尖部211实际上是曲面结构，贴片式的触觉传感器100无法同时实现感知面积的增加以及与指尖部211的拟合度的提高。

为了解决上述问题，发明人对机械手200进行了改进。

参考图1至图4，机械手200包括手指210以及传感器100。机械手200还包括光源（未示出）和亮度检测器（未示出）。传感器100包括基底1和高折射芯2。其中，基底1的折射率低于高折射芯2的折射率。基底1包括受力表面11以及侧面12。侧面12与受力表面11连接且延伸方向区别于受力表面11。基底1还包括穿设基底1的全反射孔13。并且全反射孔13的至少一端设置于侧面12。换言之，全反射孔13自基底1的侧面12开始向基底1的中心延伸，并延伸至例如侧面12、受力表面11等。全反射孔13可以是直线贯穿，也可以是曲线贯穿，本申请对此并不限制。高折射芯2设置于全反射孔13中，并且包括入射端21和出射端22。入射端21用于与光源连接。出射端22用于与亮度检测器连接。

当传感器100和光源以及亮度检测器连接时，来自光源的光通过入射端21进入高折射芯2中。由于高折射芯2和基底1之间存在折射率的差异，光在高折射芯2中以全反射的形式传输至输出端，并进入亮度检测器中。当基底1的受力表面11接收到压力时，基底1产生形变，从而带动高折射芯2产生形变。高折射芯2的截面变化导致光的传播路径受阻，全反射条件被破坏。破坏程度与截面的形变量相关。形变量越大，破坏程度越高，那么离开高折射芯2进入基底1的光就越多，因此亮度检测器能够接收到的光就越弱。如此，亮度检测器能够检测到传感器100此时是否接触到压力。

本申请的传感器100能够利用高折射芯2和基底1之间的折射率差异直接实现光的全反射。因此，外力可以直接作用于基底1上，提高传感器100对外力检测的灵敏度。相比于设置有壳体、保护层的传感器100，本申请的传感器100对外力的感知能力更强、响应时间更快。

结合参考图3和图4，本申请的机械手200的手指210包括指尖部211和指根部212。其中，指尖部211包括充液孔2111。充液孔2111包括受力端2112和感测端2113。受力端2112设置于指尖部211远离指根部212的一侧、感测端2113设置于指尖部211朝向指根部212的一侧。传感器100设置于感测端2113。机械手200还包括填充于充液孔2111中的填充液220以及设置于受力端2112的密封膜230。基底1的受力表面11与密封膜230密封充液孔2111。

密封膜230和基底1的受力表面11密封充液孔2111，使得填充液220能够保持在充液孔2111中。当指尖部211接触物体表面时，密封膜230受到接触力而产生形变。该形变能够挤压充液孔2111中的填充液220，使得填充液220能够将接触力传递至感测端2113，并将接触力施加在传感器100的受力表面11，引起受力表面11的形变，进而使亮度传感器100能够检测运算所施加的力的大小。

密封膜230形变挤压填充液220，填充液220进一步将力传递至传感器100处。密封膜230在每一处的形变都能够被填充液220所感知到，并且将力传递至传感器100处。因此本申请的机械手200在感测接触力时，不依赖于接触力施加在指尖部211的位置以及接触的面积，因此对于接触力的感测准确。相比于设置有多个贴片传感器100的方案，本申请的传感器100允许手指210只设置一个传感器100来感测指尖部211的接触力，因此布线简单，运算速度快。

由于传感器100的全反射仅靠高折射芯2和基底1完成，减少了力传递的结构，从而能够提高灵敏度、降低响应时间。由于受力表面11接受的是来自液体形变的力，传感器100的高灵敏度使得该力也能够被传感器100敏锐的捕捉到，并且通过亮度检测器进行运算。

除此之外，密封膜230的柔性使得密封膜230能够设置于指尖部211的任何位置并进行形变，因此能够形成一个类似人类手指210指腹的曲面，提高拟人度。并且充液孔2111的设置也能够根据实际需求进行改变，以改变接触力的感测面积。举例而言，充液孔2111的感测端2113的孔径增加，那么感测面积也会相应增加。然而由于密封膜230的柔性以及充液孔2111中填充的液体的特性，感测端2113孔径增加，则相应地造成指尖部211的刚性下降。

为了能够简化传感器100在指尖部211的安装，在一些实施例中，全反射孔13的两端均设置在侧面12。换言之，全反射孔13在侧面12处贯穿基底。通过这样设置，受力表面11能够整体用于密封充液孔2111的感测端2113，并且与受力表面11相对的表面能够用于与指根部212接触并连接。光源和亮度检测器能够在侧面12处于传感器连接，使得手指210整体结构简洁，拟人度高。

在一些实施例中，基底1和高折射芯2的材料为硅胶。硅胶的高透明度有利于光线在传感器100内传输，降低光线的损耗，提高传感器100的检测精度。硅胶的回弹性能良好，也保证了传感器100的响应时间与恢复时间。另外，硅胶柔软的特性也使得填充液220能够将力传递至基底1处，使得传感器100能够感测到来自填充液220的力。诚然，在一些实施例中，基底1和高折射芯2可以由不同材料制成，只需要传感器100能够满足光在高折射芯2能够实现全反射传播即可。

填充液220可以是任意无腐蚀性液体，从而能够保护指尖部211的机械结构。同事，填充液220可以选用无毒液体，以免填充液220泄露时造成人员安全问题。本申请的一些实施例中，填充液220包括水、甘油或者硅油中的至少一种。应说明的是，水可以被理解为纯净水、具有矿物质的矿泉水、溶解有任何物质的例如盐水等，本申请对此并不限制。

密封膜230由聚酰亚胺薄膜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者聚丙烯制成。这些材料获取容易，并且机械性能好，对于工作环境的温度要求、湿度要求等低，使得机械手200和机器人能够适应于不同的地理环境或者生产环境。

在一些实施例中，充液孔2111的孔径自受力端2112朝向感测端2113减小。感测端2113的孔径越小，受力表面11需要覆盖的面积就越小。因此可以在一定程度上减少基底1的尺寸D。并且感测端2113孔径的减小，填充液220受到密封膜230形变产生的力能够集中地传递至受力表面11处，提高传感器100的检测灵敏度。

检测灵敏度实际上可以通过调节感测端2113孔径来进行。由于填充液220最终将力传递至感测端2113的位置，因此在力的大小相同的情况下，感测端2113的孔径越小，传感器100的形变就越小，因此对于光通量的影响也小。此时传感器100能够承载更大的力度，检测的力度范围更广。感测端2113的孔径增加，传感器100受力产生的形变就会增加，那么检测的灵敏度也就更高。

除此之外，检测灵敏度实际上还可以通过调节基底1的厚度尺寸D进行。以高折射芯2的截面为圆形的实施例说明。在高折射芯2直径不变、且施加于受力表面11的力大小和方向不变的情况下，基底1的厚度尺寸D增加，高折射芯2产生的形变减小，因此灵敏度下降。但是在这种情况下，基底1的厚度允许受力表面11承受更大数值的力。因此实际上传感器100能够检测到的力度范围增加。

在一些实施例中，基底1的厚度大于或者等于0.45mm。基底1厚度过小，强度低。因此在受力时、或者长期使用后，容易损坏。另外，基底1厚度过小，高折射芯2的直径也对应减小，不利于实现高折射芯2的组装、加工以及入射端21与光源、出射端22与亮度检测器之间的连接。

高折射芯2的入射端21可以直接与光源连接、出射端22可以直接与亮度检测器连接。在一些实施例中，传感器100还包括输入光纤3和输出光纤4。输入光纤3在入射端21插入高折射芯2，用于连接入射端21和光源。输出光纤4在出射端22插入高折射芯2，用于连接出射端22和亮度检测器。输出光纤4和输入光纤3能够起到类似“导线”的作用，来连接光源和传感器100、以及亮度检测器和传感器100。如此，体积相对较大的光源和亮度检测器能够远离传感器100设置。由于手指210本身的空间有限，无法容纳光源和亮度检测器。同时亮度检测器和光源同时设置在手指210上也会造成手指210活动不灵活的问题。通过这样设置，机械手200或者机器人对于光源和亮度检测器的设置位置的要求下降，进而也就提高了传感器100的布置灵活度和适用范围。

诚然，在其他实施例中，传感器100也可以是仅有入射端21设置有输入光纤3，或者仅有出射端22设置有输出光纤4，本申请对此并不限制。

事实上，本申请的传感器100并没有正反向之分。举例而言，在入射端21设置有输入光纤3、出射端22设置有输出光纤4的实施例中，输出光纤4可以用与和光源连接，此时输出光纤4作为输入光纤3，而输入光纤3可以和亮度检测器连接，作为输出光纤4。如此，传感器100对于组装要求进一步降低，以减少接线难度以及接错的可能性。

为了进一步降低光在传感器100内部传输时的损耗，在一些实施例中，输入光纤3的端面与输入光纤3的延伸方向垂直，并且输出光纤4的端面与输出光纤4的延伸方向垂直。输入光纤3插入至保护内腔中，来自光源的光需要通过离开输入光纤3的端面进入高折射芯2内。当端面和输入光纤3的延伸方向存在非垂直的夹角时，光入射高折射芯2的入射角度与高折射芯2的延伸方向存在非垂直的夹角，因此在一定程度上会有光无法满足全反射的条件而损耗掉。同理，光需要通过进入输出光纤4的端面来进入亮度检测器，因此当端面与输出光纤4的延伸方向存在非垂直的夹角时，也会在一定程度上形成光的损耗。因此端面垂直的设置方式能够在一定程度上减少光的损耗，提高检测的精准度。

应当说明的是，输入光纤3的端面、输出光纤4的端面分别和输入光纤3、输出光纤4的垂直，可以是宏观上的或者微观上的。从宏观层面，则为肉眼可见的端面垂直。从微观层面，则为端面平整，并且几乎每一处的平面单位均与输入光纤3、输出光纤4的延伸方向垂直。此时端面平整，有利于保持从输入光纤3离开的光线、从输出光纤4进入的光线的方向平行、一致。

诚然，传感器100可以是仅有输入光纤3的端面与输入光纤3的延伸方向垂直，或者仅有输出光纤4的端面与输出光纤4的延伸方向垂直，本申请对此并不限制。

在设置有输入光纤3的实施例中，输入光纤3插入高折射芯2的深度L可以是大于或者等于4mm、且小于或者等于6mm。在设置有输出光纤4的实施例中，输出光纤4插入高折射芯2的深度L可以是大于或者等于4mm、且小于或者等于6mm。该深度L数值范围能够在一定程度上保证输入光纤3和高折射芯2之间、以及输出光纤4和高折射芯2之间的结合紧密度，并且也避免过长的插入高折射芯2导致高折射芯2的尺寸D过大。

手指210的空间有限，因此对传感器100的尺寸D也有一定的要求。在一些实施例中，在受力表面11延伸的方向上，可以是大于或者等于1cm、且小于或者等于2cm。该尺寸D范围使得传感器100能够设置于指尖部211而不会过于累赘，使得手指210仍然能够保持活动的灵活性。在传感器100用于其他场景（例如检测机器人走路姿态）的实施例中，传感器100的尺寸D可以是大于或者等于1cm、且小于或者等于20cm，本申请对此并不限制。

应当说明的是，图1和图2示出的基底1形状应作为示例性而非限制性的。基底1可以是长方体、立方体、棱柱体甚至是异形，本申请对此并不限制。同样地，高折射芯2也可以是立方体、圆柱体、棱柱体，本申请对此并不限制。

基于上述针对传感器100所描述的各个实施例，结合参考图5，本申请还提供一种制备方法，包括：

步骤310：获取基底1并在基底1成型全反射孔13。

步骤320：在全反射孔13中成型高折射芯2，得到传感器100。

基底1可以是市售的例如硅胶块等，并且通过例如铣削、车削等方式加工全反射孔13。在一些实施例中，步骤301具体包括：

在基座上涂抹硅胶流体并固化，得到第一半部；

在第一半部上放置孔成型件。孔成型件的延伸方向区别于第一半部的厚度方向；

在第一半部和孔成型件上涂抹硅胶流体并固化，得到基底1；基底1的硅胶流体的折射率小于高折射芯2的折射率；

抽出孔成型件，得到全反射孔13。

孔成型件可以是金属丝、塑料丝等强度足够的材料制成的。在一些实施例中，孔成型件为光纤。光纤硬度足够，并且笔直，有利于控制全反射孔13的延伸方向。另外，光纤的表面光滑度非常高，因此抽拉形成的全反射孔13的壁面光滑度也非常高。如果全反射孔13的壁面粗糙，那么就会造成光在从高折射芯2进入基座时散射增加。因此，壁面光滑度的提高有利于降低后续形成的传感器100的光损耗率。

第一半部的厚度可以通过涂抹硅胶流体的量进行控制。由于在步骤310最后需要抽出孔成型件，因此第一半部的厚度如果过小，那么在抽出孔成型件时则会导致第一半部的破坏。在一些实施例中，第一半部的厚度大于或者等于0.1mm，以保证足够的强度。

另外，在受力表面11的延伸方向上，基底1的尺寸D越大，硅胶流体对孔成型件的粘合力就越大。如此，会导致后续抽出孔成型件时难以抽出。因此，本申请的传感器100将基底1在该延伸方向上的尺寸D设置为小于或者等于20cm，以避免难以加工的问题。

相类似地，在一些实施例中，步骤320具体包括：

在全反射孔13中填充硅胶流体并固化。其中，高折射芯2的硅胶流体的折射率大于基底1的折射率。通过在全反射孔13中注入硅胶流体后再进行固化，能够使高折射芯2充分地填充全反射孔13，提高基底1和高折射芯2之间的结合紧密度，并且形成致密的结构，以免空气等杂质对高折射芯2的透明度造成负面影响。

进一步地，在一些实施例中，在全反射孔13中填充硅胶流体之后，还可以在全反射孔13的至少一端将光纤插入硅胶流体中。在硅胶流体固化时，高折射芯2能够和光纤结合为一体，提高了光纤和高折射芯2之间的结合紧密度，降低传感器100使用时光纤脱落的风险。如果在入射端21插入光纤，那么该光纤则为输入光纤3。如果在出射端22插入光纤，那么该光纤则为输出光纤4。

在该实施例中，光纤插入硅胶流体的深度L可以是4mm-6mm的范围内。深度L过小则使得光纤难以和高折射芯2形成稳定结合，容易有脱开的风险。而插入过深则导致光纤材料的浪费。因此，经过发明人多次试验，光纤插入深度L为例如4mm、5mm、6mm时即可以保证有很好的结合强度。

在一些实施例中，在光纤插入硅胶流体之间，还需要经过预处理。预处理将光纤的端面处理为与光纤的延伸方向垂直。形成全反射的条件，不仅有光线从高折射率介质进入低折射率介质，还需要光线的入射角大于临界角。光纤的延伸方向可以看做为是光的传输方向。光纤插入至高折射芯2中，沿着高折射芯2的延伸方向自入射端21朝向出射端22传输。如果光纤的端面与光纤的延伸方向不垂直，那么则会有部分光入射至低折射套时入射角小于临界角，形成折射并损耗掉。因此光纤的端面处理后，能够最大程度地使从光纤离开的光均以全反射的形式在高折射芯2中传输，提高光的利用率以及亮度检测器的检测精度。

在上述各个实施例中，固化温度在60℃-100℃之间，并且固化时间加热20-60分钟，直至硅胶完全固化。例如可以是在60℃、80℃、或者100℃下加热20分钟、40分钟或者60分钟。该加热温度区间以及加热时间区间能够有效地固化硅胶流体，并且不至于导致过高的能耗。在插入有光纤的实施例中，该加热温度区间和时间还能够避免对光纤结构的损坏。

光纤可以是标准光纤或者聚合物光纤。聚合物光纤对于光的接受能力更强，有利于传感器100获得更高的信噪比。但是在光纤为聚合物光纤的实施例中，高折射芯2的固化温度应在60℃-70℃，以免对聚合物光纤产生影响。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本申请精神作举例说明。本申请所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做多种修改、补充、或采用类似的方法替代，但并不会偏离本申请的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。