專利名稱：一種導熱性傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于信息和控制技術領域，涉及到物體的導熱性測量和信息處理的技
術，具體是一種導熱性傳感器。
背景技術：
肌電假手是利用殘肢皮膚表面的肌電信號(Electromyography,EMG)，通過模式處 理獲得手部動作信息，進而驅動假手的控制電機來實現(xiàn)假手控制的一種電動假手。EMG是截 肢者實現(xiàn)假手控制意圖的信息載體，它將人體殘肢與機械假手的控制聯(lián)系起來。對于肢體 后天缺失的殘疾人， 一般情況下仍然具有像肢體健全的健康人一樣的肢體控制意識，在醫(yī) 學上稱之為"幻肢感"，肌電假手的佩帶者正是利用這種感覺，通過類似健康人控制肢體動 作的方式控制殘肢，通過對殘臂肌肉活動的檢測獲得EMG。肌電假手技術相對成熟，安裝簡 便、動作自然，正成為手部缺失殘疾人的理想選擇。 人手的操作是在大腦的控制下，通過手_眼協(xié)調完成的。人手是一個擁有多級控 制、剌激和信息接收的生物機械系統(tǒng)，具有輸入輸出復雜、多通道的特點，在神經系統(tǒng)協(xié)調 控制下能夠完成各種精巧復雜的動作。普通的肌電假手只能完成一些最簡單的手部動作， 如展拳、握拳、伸腕、屈腕等，沒有任何對外界操作環(huán)境的傳感感知功能。要使肌電假手像人 的真手一樣具備復雜的、精細的作業(yè)能力，感知外界的作業(yè)環(huán)境是必須的，因此模仿人手的 各種感覺功能成為進一步研究的必然，肌電假手只有具備了多種感知傳感器后，其仿生效 果和智能控制水平才能獲得提升。 導熱性感覺是一種對被抓物體導熱性好壞的判斷，人判斷物體導熱性好壞有兩種 途徑一是看，通過眼睛看，獲得物體顏色、結構、形狀等信息，再根據經驗推斷物體是什么 材料制作的，并將不同的材料對應為不同的導熱性，這種基于視覺的導熱性判別有時并不 可靠，尤其在物體的顏色、結構與常規(guī)情況相悖時更是如此；二是摸，通過手摸，人能感知物 體的"冷暖"，由于手指相對于被抓握物體是暖體(通常情況下)，接觸被抓物體后發(fā)生熱傳 導，熱量從手指傳遞給被抓物體，由被抓物體的導熱性好壞形成"冷"或"暖"的感覺，這就 是人的導熱性感覺。當環(huán)境現(xiàn)場的光線受到限制時，視覺無法發(fā)揮作用，觸摸感覺無疑是最 為重要的感知環(huán)境的方式。導熱性感覺是人通過觸摸得到的關于被抓對象最直觀的感覺信 息之一。具有導熱性感覺的肌電假手就是通過對物體的導熱測量，實現(xiàn)肌電假手對被抓物 體導熱性好壞的判斷，通過它可以推斷被抓握物體的部分物理性能，使肌電假手具有一定 的感知能力，提高肌電假手的仿生性。

發(fā)明內容本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于肌電假手的、通過抓 握能感知被抓物體導熱性能的導熱性傳感器。 本實用新型的導熱性傳感器包括層狀結構的傳感器本體和信號處理電路。 傳感器本體由下到上依次為橡膠基底、柔性加熱層、橡膠包封表皮，橡膠包封表皮
3的上表面設置有突起。溫度敏感電阻嵌入在橡膠包封表皮內，溫度不同時溫度敏感電阻輸 出的阻值不同。柔性加熱層為橡膠電阻或電阻漆，柔性加熱層的上、下表面分別粘貼有薄片 狀的柔性電極。傳感器本體封裝在金屬框架內。 一根柔性電極引線穿過橡膠基底后與一 個柔性電極連接，另一根柔性電極引線穿過橡膠基底和柔性加熱層后與另一個柔性電極連 接，兩根柔性電極引線實現(xiàn)對整個傳感器進行加熱，兩根柔性電極引線與一個引線接頭固 定連接。溫度敏感電阻的兩根引線穿過柔性加熱層和橡膠基底后與另一個引線接頭固定連 接。 信號處理電路包括第一電阻Rp第二電阻Ry第三電阻Ry差動放大器A，溫度敏感 電阻R,與第一電阻Rp第二電阻R2、第三電阻R3構成電橋，電橋的兩個輸入端分別與直流電 源的正、負電極連接，電橋的兩個輸出端分別與差動放大器A的正、負輸入端連接。第一電 阻Rp第二電阻R2和第三電阻R3的阻值均與溫度敏感電阻Rx在0t:時的阻值相同。當溫度 敏感電阻Rx的阻值隨溫度變化時，差動放大器A輸出y隨之變化。 本實用新型的導熱性傳感器安裝在肌電假手食指上來感知被抓物體的導熱性能， 當肌電假手抓握物體時，導熱性傳感器與被抓物體直接接觸，完成導熱性測量，從而使肌電 假手具有一定的感知能力，提高肌電假手的仿生性。

圖1為本實用新型的結構示意圖； 圖2為圖1中信號處理電路的電路圖。
具體實施方式如圖1所示，一種肌電假手用導熱性傳感器包括層狀結構的傳感器本體和信號處 理電路10。 傳感器本體由下到上依次為橡膠基底7、柔性加熱層5、橡膠包封表皮l，橡膠包封 表皮l的上表面設置有突起3。溫度敏感電阻2嵌入在橡膠包封表皮1內，溫度不同時溫度 敏感電阻2輸出的阻值不同。柔性加熱層5為橡膠電阻或電阻漆，柔性加熱層5的上、下表 面分別粘貼有薄片狀的柔性電極4。傳感器本體封裝在金屬框架8內。 一根柔性電極引線 6-2穿過橡膠基底7后與一個柔性電極連接，另一根柔性電極引線6-1穿過橡膠基底7和柔 性加熱層5后與另一個柔性電極連接，兩根柔性電極引線實現(xiàn)對整個傳感器進行加熱，兩 根柔性電極引線與一個引線接頭9-l固定連接。溫度敏感電阻2的兩根引線穿過柔性加熱 層5和橡膠基底7后與另一個引線接頭9-2固定連接。 如圖2所示，信號處理電路10包括第一電阻&、第二電阻!^、第三電阻Ry差動放 大器A，溫度敏感電阻Rx與第一電阻&、第二電阻!^、第三電阻R3構成電橋，電橋的兩個輸 入端分別與直流電源的正、負電極連接，電橋的兩個輸出端分別與差動放大器A的正、負輸 入端連接。第一電阻Rp第二電阻R2和第三電阻R3的阻值均與溫度敏感電阻R,在0t:時的 阻值相同。當溫度敏感電阻R,的阻值隨溫度變化時，差動放大器A輸出y隨之變化。 該導熱性傳感器被安裝在肌電假手食指的指尖位置。在肌電假手的拇指上還裝有 觸覺(壓力)傳感器，可以感知假手與被抓物體的接觸(壓力)，觸覺傳感器是現(xiàn)有技術。 在假手未接觸被抓物體前，利用柔性加熱層將傳感器體加熱至高于環(huán)境溫度2(TC處恒定，即，當環(huán)境溫度為T時，傳感器體的溫度控制在T+2(TC，通過對傳感器體溫度的檢測和加熱 電流的控制，達到該要求，保證傳感器溫度和被抓物體間有一定溫度差。當處于環(huán)境溫度下 的被抓物體與導熱性傳感器接觸時，由于傳感器表面溫度高于被抓物體溫度，發(fā)生熱傳導， 熱量從傳感器體傳導至被抓物體，傳感器表面溫度下降，由微型溫度傳感器輸出溫度變化 的信號。隨著熱傳導過程的繼續(xù)，被抓物體的接觸表面溫度上升，熱傳遞減弱，傳感器體的 溫度下降到一定值后停止下降并開始回升。由于導熱性好的物體將使傳感器體的溫度下降 得更多，導熱性差的物體則下降得少，這一過程根據不同的被抓物體約需5 10秒(對應 不同被抓物體熱容量)，這樣，可以根據溫度下降的多少來判斷被抓物體的導熱性好壞，當 采用這種方法判斷導熱性的弊端是響應時間過長。本實用新型通過在At時間內，用導熱 性傳感信號幅值的變化Ay與At的比值Ay/At來判斷物體的導熱性效果，該參數(shù)大者 導熱性好，反之導熱性差。A t的起始時刻可以這樣選定，即，被抓物體接觸傳感器(由觸覺 判斷)并給予短暫的穩(wěn)定時間(如100毫秒)后開始，A t的大小可根據溫度傳感器的靈 敏度自由選定(如250毫秒)。 設，導熱性信號在At區(qū)間的起始時刻輸出yt，在At結束時刻的輸出yt+,t，則在 At間隔內，導熱性信號的相對變化為Ayi = yt+At-yt。定義^ = Ay乂At為導熱性參數(shù) (其中i對應不同的被抓物體材料)，根據D的大小判斷得出被抓物體的導熱性能，將被抓 物體的導熱性能好外定性地分為三等好、一般、差，對D設置兩個閾值A < D2，當Di < D工 時，導熱性差；當D工< Di < D2時，導熱性一般；當Di > D2時，導熱性好，閾值由實際的系統(tǒng) 經測試后確定。利用安裝在假手上的三色發(fā)光二極管表示被抓物的導熱性效果，紅色代表 導熱性好，黃色代表導熱性中等( 一般)，綠色代表導熱性差。 在殘疾人殘臂上的尺側腕伸肌、尺側腕屈肌上粘貼肌電拾電電極(表面肌電傳感 器)，通過放大濾波連接至帶AD的微處理器(如LPC938)，進行特征提取和動作識別，識別 結果輸出到驅動電路用于假手驅動電機的控制，肌電假手采用現(xiàn)有技術；假手的拇指上安 裝觸覺(壓力)傳感器，食指上安裝導熱性傳感器，分別經處理電路送入微處理器；其中，觸 覺(壓力)傳感器及處理方式為成熟技術。微處理器完成信號處理、加熱電流控制和導熱 性能指示，用三色發(fā)光管指示三個導熱性能等級。
權利要求一種導熱性傳感器，包括層狀結構的傳感器本體和信號處理電路，其特征在于所述的傳感器本體由下到上依次為橡膠基底、柔性加熱層、橡膠包封表皮，橡膠包封表皮的上表面設置有突起；溫度敏感電阻嵌入在橡膠包封表皮內；所述的柔性加熱層的上、下表面分別粘貼有薄片狀的柔性電極；傳感 ¨本體封裝在金屬框架內；一根柔性電極引線穿過橡膠基底后與一個柔性電極連接，另一根柔性電極引線穿過橡膠基底和柔性加熱層后與另一個柔性電極連接，兩根柔性電極引線實現(xiàn)對整個傳感器進行加熱，兩根柔性電極引線與一個引線接頭固定連接；溫度敏感電阻的兩根引線穿過柔性加熱層和橡膠基底后與另一個引線接頭固定連接；所述的信號處理電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、差動放大器A，溫度敏感電阻Rx與第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3構成電橋，電橋的兩個輸入端分別與直流電源的正、負電極連接，電橋的兩個輸出端分別與差動放大器A的正、負輸入端連接；第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3的阻值均與溫度敏感電阻Rx在0℃時的阻值相同。
專利摘要本實用新型涉及一種導熱性傳感器?，F(xiàn)有的肌電假手無法感知物體的導熱性。本實用新型包括傳感器本體和信號處理電路。傳感器本體由下到上依次為橡膠基底、柔性加熱層、橡膠包封表皮。溫度敏感電阻嵌入在橡膠包封表皮內。柔性加熱層的上、下表面分別粘貼有薄片狀的柔性電極。傳感器本體封裝在金屬框架內。信號處理電路中的三個電阻與溫度敏感電阻構成電橋，電橋的輸入端與直流電源連接，輸出端與差動放大器連接。本實用新型的導熱性傳感器安裝在肌電假手食指上來感知被抓物體的導熱性能，當肌電假手抓握物體時，導熱性傳感器與被抓物體直接接觸，完成導熱性測量，從而使肌電假手具有一定的感知能力，提高肌電假手的仿生性。
文檔編號G01N25/20GK201548504SQ200920200578
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權日2009年11月19日
發(fā)明者周煒, 張衛(wèi), 王占玉, 羅志增 申請人:杭州電子科技大學