(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211381498.1 (22)申请日 2022.11.07 (71)申请人 之江实验室 地址 311121 浙江省杭州市余杭区之江实 验室南湖总部 (72)发明人 余龙腾　高帅康　张磊　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 林超 (51)Int.Cl. B25J 13/08(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种面向机器人的四合一多模态触觉传感 器及方法 (57)摘要 本发明公开了一种面向机器人的四合一多 模态触觉传感器及方法。 方案 是设置了压力分布 传感、 热导传感、 硬度传感、 纹理传感四种可独立 工作的传感模块， 压力分布传感模块、 硬度传感 模块、 纹理传感模块的核心传感元件由聚合物光 纤制成； 热导传感模块的核心传感元件由热电偶 制成。 通过调整机器人手臂姿态使传感器其中一 个模块与物体产生相互作用实现特定的触觉传 感。 本发明压力分布、 硬度、 纹理、 热导率均由同 一个触觉传感器实现测量， 不同传感功能独立工 作， 互不干扰， 且易安装、 更换和维护， 不受电磁 干扰， 具有光电融合、 模块化、 集成度高、 体积小 巧、 制作简易的特点。 权利要求书2页 说明书13页 附图28页 CN 115431289 A 2022.12.06 CN 115431289 A 1.一种面向机器人的四合 一多模态触觉传感器， 其特 征在于： 所述的四合一多模态触觉传感器 （1） 包括侧板 （2） 、 上盖 （3） 、 顶盖 （4） 和底盖 （5） ； 上盖 （3） 和底盖 （5） 分别间隔平行布置， 在上盖 （3） 和底盖 （5） 之间侧面通过位于周围的侧板 （2） 连接， 而形成一体的外壳， 外壳安装到机器人手臂的末端， 受机器人手臂带动移动； 上盖 （3） 在远离底盖 （5） 一侧端面的侧方设有用于安装压力分布传感模块 （6） 的顶盖 （4） ； 上盖 （3） 的 外端面安装固定压力分布传感模块 （6） ， 上盖 （3） 的周围四个侧面均为斜侧面， 其中三个斜 侧面上分别安装固定硬度传感模块 （7） 、 纹 理传感模块 （8） 和热导传感模块 （9） ； 所述的纹理传感模块 （8） 包括一根打有一个结的聚合物光纤 （801） 、 一个弹性拨片 （802） 、 一个固定块 （803） 和一个底座 （804） ； 弹性拨片 （802） 的一端和聚合物光纤 （801） 被固 定块 （803） 固定在底座 （804） 上， 聚合物光纤 （801） 上绕制形成一个光纤扭结区域作为聚合 物光纤结 （811） ， 聚合物 光纤结 （811） 以光纤扭结 处作为压力敏感点， 聚合物光纤结 （811） 在 压力敏感点处顶住弹性拨片 （802） 被固定的一端表面。 2.根据权利要求1所述的一种面向机器人的四合一多模态触觉传感器， 其特征在于： 所 述的压力分布传感模块 （6） 包括一个外壳 （605） 、 一个底板 （604） 、 多个压头、 多根聚合物光 纤 （601） 和一个硅胶层 （603） ； 每根聚合物光纤 （601） 上打有一个结形成聚合物 光纤结， 聚合 物光纤结埋设在硅胶层 （603） 中被硅胶层 （603） 包裹， 硅胶层 （603） 和聚合物光纤 （601） 均置 于外壳 （605） 和底板 （4） 相连接搭建成的内腔底部； 每根聚合物光纤 （601） 所对应的内腔顶 部设置有压头， 且压头局部露出于内腔； 所述的压头包括压头底 座 （606） 和压头帽 （607） ， 压 头底座 （606） 一端置于内腔中， 另一端经柱子伸出内腔后和压头帽 （607） 固定连接， 压头帽 （607） 用于接触待测表面； 所述的聚合物光纤结以光纤扭结处作为压力 敏感点 （602） ， 压力 敏感点 （6 02） 靠近压头布置。 3.根据权利要求1所述的一种面向机器人的四合一多模态触觉传感器， 其特征在于： 所 述的硬度传感模块 （7） 包括一根聚合物光纤 （701） 、 一个硅胶层 （703） 、 一个探头 （704） 和硬 质壳体 （705） ， 聚合物光纤 （701） 上打有一个结形成聚合物光纤结， 聚合物光纤结埋设在硅 胶层 （703） 中被硅胶层 （703） 包裹， 硅胶层 （703） 和聚合物光纤 （701） 均置于硬质壳体 （705） 中； 所述的聚合物光纤结以光纤扭 结处作为压力敏感点， 压力敏感点靠 近探头 （704） 布置 。 4.根据权利要求1所述的一种面向机器人的四合一多模态触觉传感器， 其特征在于： 所 述的热导传感模块 （9） 包括一根热电偶 （901） 、 一片电热膜 （902） 、 一个金属块 （904） 、 一个隔 热外壳 （903） ； 金属块 （904） 中心留有孔洞， 孔洞中插入一根用于测量金属块 （904） 温度的热 电偶 （901） ， 一片电热膜 （902） 包裹金属块的周围侧面， 用于加热金属块 （904） ， 被电热膜 （902） 包裹且 插入热电偶 （901） 的金属块 （904） 被放入隔热外壳 （90 3） 中。 5.应用于权利要求1 ‑4任一所述四合一多模态触觉传感器的多模态触觉传感检测方 法， 其特征在于： 通过调整机器人手臂的姿态使四合一多模态触觉传感器其中一个模块与 被测物体 （14） 产生相互作用， 实现特定的触觉传感。 6.根据权利要求5所述的一种多模态触觉传感检测方法， 其特 征在于： 通过调整机器人手臂的姿态使得压力分布传感模块 （6） 与被测物体 （14） 产生相互作 用， 即使得压力分布传感模块 （6） 中的压头帽 （607） 与被测物体 （14） 表面平行， 将压力分布 传感模块 （6） 的压头帽 （607） 表 面作为受力面与被测物体 （14） 接触并挤压， 压力分布传感模 块 （6） 测量 其中每个受力面的压力大小， 形成三乘三矩阵式压力数据输出。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115431289 A 27.根据权利要求5所述的一种多模态触觉传感检测方法， 其特 征在于： 通过调整机器人手臂的姿态使得硬度传感模块 （7） 中的硬质壳体 （705） 与被测物体 （14） 的表 面靠近， 将硬度传感模块 （7） 的硬质探头 （704） 与被测物体 （14） 表 面接触并完全压 入被测物体 （14） 进 而输出邵氏A型硬度值。 8.根据权利要求5所述的一种多模态触觉传感检测方法， 其特 征在于： 通过调整机器人手臂的姿态使得使纹理传感模块 （8） 中的底座 （804） 与被测物体 （14） 的表面平行， 将纹理传感模块 （8） 的弹性拨片 （802） 与被测物体 （14） 表面接触直至拨片弯 曲， 沿与被测物体 （14） 表面的线性纹路垂直的方向匀 速移动纹理传感模块 （8） 产生振动信 号， 使用快速傅里叶变换对振动信号进行计算振动频率， 将匀速移动的移动速度除以振动 频率获得被测物体 （14） 表面的线性纹路 之间的周期性距离， 作为纹 理结果。 9.根据权利要求5所述的一种多模态触觉传感检测方法， 其特 征在于： 通过调整机器人手臂的姿态使得热导传感模块 （9） 中的金属块 （904） 靠近被测物体 （14） 的表面但不接触， 待热导传感模块 （9） 升温至设定温度后， 使金属块 （904） 与被测物体 （14） 表面接触， 同时热导传感模块 （9） 停止加热使温度下降一定时间， 根据温度下降速率热 导传感模块 （9） 输出物体的导热系数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115431289 A 3