[0001] 本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种可增强内部区域灵敏度的触觉传感器及触觉传感方法。

[0002] 电子皮肤(E‑skin)是一种模仿人体皮肤感知功能的柔性器件，本质上是一种通过接触力和形变测量实现信息采集和特征提取的触觉传感器。它能建立起机器人与外部环境之间的触觉感知，推动柔性机器人、智能假肢、人机交互等技术的发展。电阻抗成像(EIT)是一种将被测物体内部电导率的变化通过图像直观呈现出来的无损检测/监测技术，因具有无损、无辐射、成本低、结构简单和功能信息丰富等优点而被用于触觉传感领域，形成电阻抗成像式触觉传感器。传统的电阻抗成像式触觉传感器的电极分布在边界上，在远离电极的区域中电子分布量较少，导致内部区域的灵敏度大打折扣，图像分辨率明显低于靠近电极的位置，限制了EIT构型电子皮肤的推广应用。

[0003] 公开号为CN114577238A的发明专利申请公开了一种基于电阻抗成像的一体式触觉传感器及其应用，其采用的方案为：设置一个矩形绝缘槽，并在矩形绝缘槽内的四周均匀设置N个相同的电极；在矩形绝缘槽内填充柔性导电材料，并在柔性导电材料上表面覆盖矩形绝缘盖。该专利公开的触觉传感器只在四周设置电极，从其说明书附图4和附图5可以看出，电导率关于作用力的变化(传感器的灵敏度)从边界区域6到中央区域1逐渐减小。

[0004] 又如公开号为CN117494523A的发明专利申请公开了一种基于电阻抗成像的多模态柔性触觉传感器及触觉感知方法，该传感器是在填充有柔性导电材料的Ecoflex柔性矩形槽的内壁四周均匀设置若干个相同的电极，并在柔性导电材料上表面覆盖矩形绝缘盖；而触觉感知方法是利用卷积神经网络进行数据训练而生成多模态深度学习成像模型，以此预测任意边界测量电压下传感器的触碰形状和强度。该方法尽管通过引入深度学习模型在一定程度上克服了电阻抗成像的位置依赖性，但仍然只利用了传感器边界电极的测量电压，没有从物理层面上增加触觉传感器内部区域的信息输入量。另外，深度学习模型的引入会增加电阻抗成像的反演计算量，影响触觉传感器对外部触觉动态响应的实时性。

[0026] 下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 可增强内部区域灵敏度的触觉传感器结构示意图如图1所示，包括：扁圆柱形柔性绝缘容器(1)、编号为0的容器底面参考电极(2)、编号为1至M的容器底面阵列电极(3)、编号为1至N的容器周向阵列电极(4)、柔性导电材料(5)以及封装用薄膜(6)。

[0028] 取M＝8、N＝16作为具体实施例进行解释。可增强内部区域灵敏度的触觉传感方法如图2所示，包括以下具体步骤：

[0029] 步骤1:在有限元仿真软件中建立所述触觉传感器模型，均匀设置圆柱形容器内填充的柔性导电材料的电导率[σ]，生成触觉传感器的电极电压矩阵[u0]，建立电极电压矩阵[u0]与柔性导电材料电导率[σ]的关系：[u0]＝[J][σ]，[J]称为灵敏度矩阵；

[0030] 步骤2:在有限元仿真软件中模拟触觉传感器受力f情况下柔性导电材料的形变ε规律，得到形变引起的电导率变化[δσ]及电极电压变化矩阵[δu]；

[0031] 步骤3:采用正则化方法，编写从电极电压变化[δu]反求柔性导电材料电导率变化T ‑1 T[δσ]的算法：[δσ]＝([J][J]+λ[I]) [J][δu]，λ是正则化参数项；

[0032] 步骤4:将触觉传感器圆柱面上的电极按顺时针方向依次编为1至16号，底面中心电极编为0号、底面上其它电极按顺时针方向依次编为1至8号；给触觉传感器实物第1个电极和第2个电极注入恒定频率和大小的电流信号；

[0033] 步骤5:测量触觉传感器圆柱面上剩余第3个电极至第16个电极和底面中心0号电极的电压U1(i)，其中i＝3,4,...,16；测量底面其它电极和0号电极的电压U′1(j)，其中j＝1,2,...,8；

[0034] 步骤6:将步骤4的电流注入电极换为第2个和第3个，重复步骤5测量得到剩余14个电极电压U2(i)及8个底面电极电压U′2(j)。以此类推，按顺时针方向轮换电流注入电极，直至最后一组电流注入电极为第16个和第1个，得到电极电压U16(i)及底面电极电压U′16(j)。

[0035] 步骤7:结束循环，得到所有测量电压，记为矩阵[U0]＝[A B]16×22，其中，子矩阵：

[0036] 步骤8:将触觉传感器安装于待测物体上，待测物体的触摸力作用在触觉传感器柔性导电材料上覆盖的薄膜上，重复步骤5至步骤7，得到触觉传感器受触摸力f时测量电压矩阵[U]；

[0037] 步骤9:将[U]与[U0]差分，得到触觉传感器受触摸力f时的测量电压变化矩阵[δU]；

[0038] 步骤10:将[δU]代入步骤3的公式中，得到触觉传感器受触摸力f时因柔性导电材料形变ε而产生的电导率变化[δ∑]，重建出电导率分布图像；

[0039] 步骤11:根据柔性导电材料形变ε与电导率变化[δ∑]的关系，再利用触摸力f与形变ε的规律，将电导率分布图像转化为触摸力图像，实现触摸传感器表面触摸力和触摸位置的成像检测。

[0040] 作为对比，采用相同数量周向电极(N＝16)和相邻激励模式的现有电阻抗成像触觉传感器获得的边界电压数量为16×13＝208个。而本发明所提出的触觉传感器及传感方法所得的边界电压数量(矩阵[A]的元素个数)为16×14＝224个，附加底面电极电压数量(矩阵[B]的元素个数)16×8＝128个，总电压数为352个，大大增加了反演传感器表面触摸力和触摸位置所需的信息输入量，内部电压信息则从0增至128个，从而增强了触觉传感器对内部区域的灵敏度。

[0041] 图3(a)为采用本发明提出的触摸传感器和触觉传感方法获得的三点触摸图像，作为对比，图3(b)为采用现有触摸传感器获得的三点触摸图像。可见本发明相对现有技术的优势和有益效果。

[0042] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。