一种基于微纳光纤和CMOS模组的视触融合传感器

本发明涉及视触觉融合传感器领域，特别是一种基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，用于机器人抓取的微纳光纤触觉传感器。

背景技术：

1、随着机器人产业飞速发展，机器人在工业、航天、医疗、生活服务等领域发挥着愈加重要的角色。传感技术是机器人感知环境和完成任务的关键环节，视觉和触觉是机器人传感技术中两个重要的传感器，触觉传感的主要目的是通过检测或感知机器人与物体、环境相互作用的一系列物理特征量，以获取对象与环境信息以便完成某种作业任务。视觉传感则是机器人获取外界环境信息最重要的途径。根据工作原理，可以将触觉传感器分为多种类型，包括压阻式、电容式、电感式、电阻式、以及光学传感器等，它们都具有各自的优点和适用场景。

2、目前在机器人抓取操作的应用场景中，通常采用视觉和触觉传感器的联合使用。具体来说，视觉传感器用于定位目标物体的位置和姿态，而触觉传感器则在抓取过程中提供力学反馈信息，使机械臂具备适应目标物形状和柔顺抓取的能力。

3、在触觉传感器中，基于微纳光纤的触觉传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小、抗电磁干扰等优点。微纳光纤一般由标准光纤加热拉制，包含最细的腰区、过渡区以及未拉伸部分。光在微纳光纤的中传播时，有相当一部分能量以倏逝波的形式在光纤外部传输，利用倏逝场与外界环境相互作用可以改变输出光的特性从而实现传感。同时微纳光纤两端的未拉伸区可以方便地标准光纤连接。

4、在领域内存在如下技术问题：

5、1.在机器人抓取过程中，通常触觉传感器固定在机器人夹爪上，视觉传感器固定在机器人外部，这样视觉传感器拍摄的画面角度不灵活且容易被夹爪所遮挡，难以适应复杂多变的应用场景。

6、2.微纳光纤传感器存在易被污染损坏的缺点，如何保护微纳光纤是需要解决的技术问题。

7、3如何将触觉和视觉传感器集成，将二者一起布置到机器人夹爪上，并保持视觉传感器的成像质量也是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于微纳光纤和cmos成像模组的视触融合传感器，为实现上述目的，本发明是采用以下的技术方案来实现的：

2、本发明公开了一种基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，包括微纳光纤、分别连接于微纳光纤两端的光源和光电探测模块、包夹着微纳光纤的下部柔性薄膜基底和上部柔性薄膜覆盖层，微纳光纤为u型，其主体包埋于柔性薄膜基底与柔性薄膜覆盖层之间；还包括位于柔性薄膜覆盖层上表面的摄像头，以及位于柔性薄膜基底下表面，承托柔性薄膜基底的cmos电路板、摄像头中心与cmos电路板上的cmos成像面对准，微纳光纤最细的腰区部分布置于摄像头下边缘周边，柔性薄膜基底与柔性薄膜覆盖层为透明材质。利用摄像头受力后柔性薄膜基底和柔性薄膜覆盖层形变引起的微纳光纤弯曲损耗变化实现触觉传感。

3、作为进一步地改进，本发明所述的微纳光纤以腰区最细处为中心弯曲成u型，微纳光纤的腰区、过渡区和一部分未拉伸部分均包埋在柔性薄膜基底和柔性薄膜覆盖层之间。

4、作为进一步地改进，本发明所述的柔性薄膜基底与柔性薄膜包覆层均为聚二甲基硅氧烷(pdms)材料，通过其粘性固定住微纳光纤、cmos电路板和摄像头。

5、作为进一步地改进，本发明所述的柔性薄膜基底与柔性薄膜包覆层总厚度在0.5mm至2mm。

6、作为进一步地改进，本发明所述的柔性薄膜基底先制备在cmos电路板上，再将微纳光纤放置在柔性薄膜基底上，再覆盖上柔性薄膜覆盖层，最后在柔性薄膜覆盖层上放置固定摄像头。

7、作为进一步地改进，本发明所述的摄像头为触觉传感器的受力探头。

8、作为进一步地改进，本发明所述的当力作用在摄像头上时，会引起摄像头下柔性薄膜覆盖层和柔性薄膜基底形变，进而导致包埋在其中的微纳光纤弯曲角度发生变化，光电探测模块接收到的从光源发出经过微纳光纤输出的光强度大小发生变化，通过检测光电探测模块接收到的光信号即可实现触觉传感。

9、作为进一步地改进，本发明所述的摄像头将像透过透明的柔性薄膜覆盖层和柔性薄膜基底层成到cmos电路板上的cmos像面上，构成视触融合传感器的视觉部分。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

11、(1)相比于把视觉传感器固定在机械臂外部的做法，把视觉和触觉传感器都布置在机械夹爪上可以使得视觉传感器获取的视觉信息角度更加灵活，在一些复杂的工作场景下具备更强的适应能力，可以实现更加紧密的信息交互和协同，从而提高机器人的操作效率和精度。此外，采用视觉和触觉融合的方式，可以更加准确地感知和理解物体的形状、材质等特征，从而实现更加智能化和人性化的机器人操作。

12、(2)本发明提出的基于微纳光纤的触觉传感器具有灵敏度高、量程大、响应速度快等优势。

13、(3)利用柔性材料将摄像头成像系统和微纳光纤集成在一起，可以保护微纳光纤免受污染和损坏，提高系统的稳定性和耐用性。

14、(4)使用的柔性材料pdms具有高透光性，并且利用微纳光纤尺寸小的优势，摄像头成像系统与微纳光纤集成后成像质量下降较少，制得的视触融合传感器视觉部分性能良好，且结构紧凑。

15、(5)本发明提出的结构适用于各种型号、尺寸的摄像头成像系统，合理选择摄像头能适应不同的应用场景。

16、(5)本发明提出的基于微纳光纤的触觉传感器相较于电学传感器具有抗电磁干扰的优势，能避免视觉与触觉部分的串扰。

技术特征：

1.一种基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述的微纳光纤(4)以腰区最细处为中心弯曲成u型，所述微纳光纤(4)的腰区、过渡区和一部分未拉伸部分均包埋在柔性薄膜基底(3)和柔性薄膜覆盖层(5)之间。

3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述柔性薄膜基底(3)与柔性薄膜包覆层5均为聚二甲基硅氧烷(pdms)材料，通过其粘性固定住微纳光纤(4)、cmos电路板(2)和摄像头(6)。

4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述柔性薄膜基底(3)与柔性薄膜包覆层5总厚度在0.5mm至2mm。

5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述柔性薄膜基底(3)先制备在cmos电路板(2)上，再将微纳光纤(4)放置在柔性薄膜基底(3)上，再覆盖上柔性薄膜覆盖层(5)，最后在柔性薄膜覆盖层上放置固定摄像头(6)。

6.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述摄像头(6)为触觉传感器的受力探头。

7.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：当力作用在摄像头(6)上时，会引起摄像头(6)下柔性薄膜覆盖层(5)和柔性薄膜基底(3)形变，进而导致包埋在其中的微纳光纤(4)弯曲角度发生变化，光电探测模块(7)接收到的从光源(1)发出经过微纳光纤(4)输出的光强度大小发生变化，通过检测光电探测模块(7)接收到的光信号即可实现触觉传感。

8.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和cmos模组的视触融合传感器，其特征在于：所述的摄像头(6)将像透过透明的柔性薄膜覆盖层(5)和柔性薄膜基底(3)成到cmos电路板(2)上的cmos像面上，构成视触融合传感器的视觉部分。

技术总结
本发明公开了一种基于微纳光纤和CMOS模组的视触融合传感器，包括光源、光电探测模块、CMOS电路板、柔性薄膜基底、微纳光纤、柔性薄膜覆盖层以及摄像头；微纳光纤两端分别与光源、光电探测模块相连接；微纳光纤弯曲成U型包埋在柔性薄膜基底与柔性薄膜覆盖层之间；包埋有微纳光纤的柔性薄膜夹在CMOS电路板之上，摄像头之下；利用摄像头受力后柔性薄膜形变引起的微纳光纤弯曲损耗变化实现触觉传感，利用柔性薄膜的高透光性和微纳光纤小尺寸的特性来降低对摄像头成像质量的干扰。本发明同时具备触觉传感和视觉成像能力，能实现高灵敏度、大量程、高耐用性的触觉传感以及高成像质量的视觉成像。

技术研发人员：张磊,涂文靖
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15