阅读说明：本技术 一种柔性形变传感器 (Flexible deformation sensor ) 是由 王义娜 郑力玮 杨俊友 刘中亮 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种柔性形变传感器,所述传感器包括形变体、基板、受光元件和发光元件；形变体、受光元件和发光元件设置在基板上,受光元件和发光元件设置在形变体内,受光元件的受光侧和发光元件的发光侧均垂直面向形变体(所谓垂直就是如图2所示的垂直于基板的方向),受光元件和发光元件之间的位置关系为：发光元件射出的光能够通过形变体反射回来,并能够由受光元件接收。本发明可根据传感器需要的精度添加发光元件及受光元件的个数。根据受光元件电压值与形变量的曲线关系图,可计算不同电压值所对应的变形量大小。(A flexible deformation sensor includes a deformation body, a substrate, a light receiving element, and a light emitting element; the shape-changing body, the light receiving element and the light emitting element are arranged on the substrate, the light receiving element and the light emitting element are arranged in the shape-changing body, the light receiving side of the light receiving element and the light emitting side of the light emitting element both face the shape-changing body vertically (the vertical direction is the direction vertical to the substrate as shown in fig. 2), and the position relationship between the light receiving element and the light emitting element is as follows: the light emitted from the light emitting element can be reflected by the deformation body and can be received by the light receiving element. The number of light emitting elements and light receiving elements can be increased according to the required accuracy of the sensor. According to the curve relation diagram of the voltage value and the deformation quantity of the light receiving element, the deformation quantity corresponding to different voltage values can be calculated.)

一种柔性形变传感器

技术领域

本发明是一个柔软形变传感器，用于检测物体形变大小。

背景技术

以家务和看护为目的的机器人，与环境和人类密切接触的机会很多，因此机器人最好具备柔软的触觉功能。对于传统假肢的控制大多数都是由肌电传感器获取人们的意图，但肌电传感器的信噪比较低且干扰较多，肌电信号主要针对的是对假肢动作的识别，无法对其进行连续的控制。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种柔性形变传感器，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种柔性形变传感器，所述传感器包括形变体、基板、受光元件和发光元件；

形变体、受光元件和发光元件设置在基板上，受光元件和发光元件设置在形变体内，受光元件的受光侧和发光元件的发光侧均垂直面向形变体(所谓垂直就是如图2所示的垂直于基板的方向)，受光元件和发光元件之间的位置关系为：发光元件射出的光能够通过形变体反射回来，并能够由受光元件接收。

形变体为柔软的类肤质材料。(海绵、聚氨酯，树脂，陶瓷等)

受光元件串联分压电阻后接入电源；发光元件串联限流电阻后接入电源。

受光元件连接A/D模数转换器。

受光元件之间的间隔为20mm，发光元件分布在四个受光元件的中心位置。

一种利用柔性形变传感器测量形变的方法，

当形变体受到挤压变形(如图3所示)，发光元件的光通过形变体反射到受光元件，形变体受外力挤压发生形变，其密度随之变大，所接受的光照强度也会随之改变，受光元件接受的光变少导致光敏电阻阻值变大电压也会发生相应的变化，由此反应形变量的大小。

其光敏电阻的电压可由下公式得出：

其中：U为电源电压，U_l为光敏电阻的电压，R为分压电阻，R_l为光敏电阻。

通过形变体形变量的变化与其产生对应的受光元件电压的变化得到二者之间的关系。

基板上的元件排列如图2所示，受光元件(光敏电阻)之间的间隔为20mm，发光元件(发光二极管)分布在四个受光元件(光敏电阻)的中心位置，目的是确保每个受光元件在初始状态下所接受的光照强度一致。发光元件在光敏电阻的几何中心位置(在这个实例中就是四个光敏电阻组成一个正方形，发光二极管在正方形的对角线交点)，这样可以使每个光敏电阻与二极管的距离一致，二极管是向周围均匀发光的，保证了距离相等也就保证了接受光照强度一致。

优点效果：

传统类人机器人外壳都比较硬，在与人体接触时，会对人的心理和生理产生负担。用柔软材质的传感器对机器人的外壳进行包装，这种柔软的材料可以是类肤质材料，目的是在人机交互时不会让人有较硬的触感，接触起来更舒适。这种柔软传感器可以让机器人拥有触觉，当机器人的外壳发生形变时，机器人可以接收到形变信号，做出相应的反应。

相较于信噪比较低、干扰较多的肌电信号，本发明可通过检测到肌肉的形变量来控制假肢，相对于肌电传感器对假肢的控制有较好的连续性，对残障人士有较好的帮助。

本发明的一种形变传感器包括：基板；基板上有发光元件、受光元件、电阻；形变体，其由半透光的弹性体构成，放置在基板上并覆盖发光元件以及受光元件。

形变体1、基板2、受光元件3、发光元件4、形变体初始状态密度5、光线6、外力7、形变体发生形变8、形变体受力状态密度9、A/D模数转换器10、分压电阻11、限流电阻12、直流电源13。

发光元件和受光元件分布在基板的一侧且均垂直面向形变体。发光元件射出的光通过形变体并反射回来，并由受光元件接收。在形变体受到外力发生形变时，其形变体的密度会随之改变，受光元件所接受的光照强度也会随之改变。

电阻与发光元件和受光元件串联，与发光元件串联的电阻起到限流作用，保护发光元件；与受光元件串联的电阻起到分压作用，当受光元件受到光照的变化导致其阻值发生变化时，电压也会发生相应的变化，由此反应形变量的大小。

其光敏电阻的电压可由下公式得出：

其中：U为电源电压，U_l为光敏电阻的电压，R为分压电阻，R_l为光敏电阻。

A/D模数转换器将光敏电阻的模拟量转换成数字量，方便后期的处理。

综上，本发明的受光元件和发光元件都在基板上，不需要复杂的布线。相较于传统的压力传感器，在结构本身上有柔软的形变体，可用于服务机器人给人们更为舒适的感受，而且制造成本较低。本发明可根据传感器需要的精度添加发光元件及受光元件的个数。根据受光元件电压值与形变量的曲线关系图，可计算不同电压值所对应的变形量大小。

附图说明

图1是传感器结构示意图。

图2是基板上发光元件与受光元件的布局图。

图3(a)是传感器的初始状态原理图。

图3(b)是传感器的工作状态原理图。

图4是传感器的电气原理图。

图5是形变量与电压的关系图。

主要元件符号说明：

形变体1、基板2、受光元件3、发光元件4、形变体初始状态密度5、光线6、外力7、形变体发生形变8、形变体受力状态密度9、A/D模数转换器10、分压电阻11、限流电阻12、直流电源13。

具体实施方式

下面结合本发明附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种柔性形变传感器，其特征在于：所述传感器包括形变体1、基板2、受光元件3和发光元件4；

形变体1、受光元件3和发光元件4设置在基板2上，受光元件3和发光元件4设置在形变体1内，受光元件3的受光侧和发光元件4的发光侧均垂直面向形变体(所谓垂直就是如图2所示的垂直于基板2的方向)，受光元件3和发光元件4之间的位置关系为：发光元件射出的光能够通过形变体1反射回来，并能够由受光元件3接收。

形变体1为柔软的类肤质材料。

受光元件3串联分压电阻11后接入电源13；发光元件4串联限流电阻12后接入电源13。

受光元件3连接A/D模数转换器10。

受光元件3之间的间隔为20mm，发光元件4分布在四个受光元件3的中心位置。

一种利用柔性形变传感器测量形变的方法，

当形变体1收到挤压变形(如图3所示)，发光元件4的光通过形变体1反射到受光元件3，形变体1受外力挤压发生形变，其密度随之变大，所接受的光照强度也会随之改变，受光元件3接受的光变少导致光敏电阻阻值变大电压也会发生相应的变化，由此反应形变量的大小。

其光敏电阻的电压可由下公式得出：

其中：U为电源电压，U_l为光敏电阻的电压，R为分压电阻，R_l为光敏电阻。

通过形变体1形变量的变化与其产生对应的受光元件3电压的变化得到二者之间的关系。

基板上的元件排列如图2所示，受光元件3(光敏电阻)之间的间隔为20mm，发光元件4(发光二极管)分布在四个受光元件3(光敏电阻)的中心位置，目的是确保每个受光元件在初始状态下所接受的光照强度一致。发光元件在光敏电阻的几何中心位置(在这个实例中就是四个光敏电阻组成一个正方形，发光二极管在正方形的对角线交点)，这样可以使每个光敏电阻与二极管的距离一致，二极管是向周围均匀发光的，保证了距离相等也就保证了接受光照强度一致。

基板是由PCB板构成，板上印制了发光元件、受光元件以及电阻的电路。PCB板规格为100mm*50mm。形变体的材料可以是海绵，其规格为90mm*42mm*21mm。两元件之间的位置关系如图1所示。

基板上的元件排列如图2所示，光敏电阻之间的间隔为20mm，发光二极管分布在四个光敏电阻的中心位置，目的是确保每个受光元件在初始状态下所接受的光照强度一致。发光元件是3mm发光二极管，受光元件是5537光敏电阻。与二极管串联的电阻的阻值为1KΩ，其电阻起到保护作用。与光敏电阻串联的电阻的阻值为10KΩ，其电阻起到分压作用。其电气原理连接如图4所示，电源选用5v直流电源。

传感器在初始状态下如图3a所示，二极管发出的光通过海绵反射到光敏电阻，此时海绵没有外力作用密度较小，所通过的光较多导致光敏电阻阻值较小，由公式1可知其电压较小。当传感器受到外力作用时，如图3b所示，海绵受外力挤压发生形变，其密度随之变大，光敏电阻接受的光变少导致光敏电阻阻值变大，由公式1可知其电压变大。通过海绵形变量的变化与其产生对应的光敏电阻电压的变化得到二者之间的关系。由以上规格制作的传感器，形变量在0～19mm之间所对应单个光敏电阻电压之间的关系如图5所示。