TWI888248B - 光學式觸覺感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種光學式觸覺感測裝置，包含：彈性體；導光板，位於彈性體下方，並與彈性體連接；至少一光源，位於導光板側邊，並提供光線，光線包含可見光或紅外線；取像鏡頭模組，包含電路板、感測器以及鏡頭，並位於導光板下方；其中彈性體設有第一表面及第二表面，第一表面與待測物接觸，而第二表面與導光板接觸，且第一表面為平面或曲面，第二表面則設有三維紋路；其中三維紋路設有對稱或不對稱，高度等高或不等高之表面形狀，表面形狀包含弦波形、三角形、橢圓形、拋物線、曲線或線形。

Description

光學式觸覺感測裝置

本發明係關於一種觸覺感測裝置，特別關於一種包含不透光彈性體，可有效阻斷導光板內全反射之光學式觸覺感測裝置。

觸覺感測器是一種測量其本體與環境之間的物理交互信息的設備，目前已廣泛用於日常生活中，例如機械手臂或各種類的機器人，其可運用於生產線、餐廳或工廠等多種場合。現今製造觸覺感測器之技術又可分為下列三種：電容式觸覺感測技術、電阻式觸覺感測技術以及光學式觸覺感測技術。

電容式觸覺感測技術以及電阻式觸覺感測技術因製程較為繁複，在電極製作時，正負極需要進行對位，因而導致成本提高。電容式觸覺感測技術以及電阻式觸覺感測技術所生成之感測器，當待測物為影響電容值的材質時，電容式觸覺感測技術所製成的感測器更容易受到干擾，此外，電容式觸覺感測器其感測原理是偵測兩電極之間的電容值，該電容值會因為外力造成兩電極的距離變化因而改變電容值。但因電極設置在彈性體上，容易因長時間形變，使得電極附著力下降，造成損壞。同理，電阻式觸覺感測器，也有類似之問題。故無論是電容式觸覺感測器，或者電阻式觸覺感測器，兩者皆須面臨壽命之問題。

而光學式觸覺感測技術除了上述具有較長使用壽命之優點，不但不易受到待測物材質干擾，在製程上也相對簡單，其不需進行電極對位校正，僅須在組裝上執行機構定位即可，故也相對減少了製造成本。

光學式觸覺感測器是基於內全反射原理所製備的，通常會包含光源及光源感測器，當待測物施加外力於介面上時，使得光線反射路徑改變，進而測得外力強度。傳統光學式觸覺感測器因在彈性體上印刷特定斑點，當接觸物體形，斑點相對位置會有所變化，從而計算接觸力大小。但目前仍有待改進之處，例如因其彈性體為透明外觀，且須在彈性體外表面印刷具反射特性之斑點，在彈性體上印刷該斑點之製程相對複雜，請如何提高壽命也是個待解決的議題。且傳統觸覺感測器之彈性體為透明材質，較易受外界環境光干擾，導致誤判。

綜上所述，電容式觸覺感測技術易受待測物材質干擾，其與電阻式觸覺感測技術在製程上也相對複雜，導致成本提升。而傳統光學式觸覺感測器尚有環境干擾與製程穩定性之待改善之處。因此鑒於上述問題，要如何提供一個能提高精準度的光學式觸覺感測器，仍為一個待解決的重要課題。

因此，本發明目的旨在提供一種能提高靈敏度與穩定性高的光學式觸覺感測器。

本發明有鑒於上述目的，提供了一種光學式觸覺感測器，包含一彈性體、一導光板、至少一光源，以及一取像鏡頭模組。該導光板位於該彈性體下方，並與該彈性體連接。而該光源則位於該導光板側邊，用以提供一光 線，且該光線包含了可見光或紅外線。此外，該取像鏡頭模組，位於該導光板下方，包含了一電路板、一感測器以及一鏡頭。其中該彈性體設有一第一表面以及一第二表面，該第一表面與一待測物接觸，且該第一表面可為平面或曲面。該第二表面與該導光板接觸，且該第二表面設有一三維紋路。其中該三維紋路設有對稱或不對稱，高度等高或不等高之一表面形狀，該表面形狀包含弦波形、三角形、橢圓形、拋物線、曲線或線形。

於本發明的一實施例中，該彈性體為非透明材質，組成包含一矽膠、一合成橡膠或一熱塑性彈性體。

於本發明的一實施例中，該彈性體之組成更包含光反射或擴散材料。

於本發明的一實施例中，該熱塑性彈性體之組成包含苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Isoprene-Styrene Block Copolymer,SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer,SBS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene Block Copolymer,SEBS)、聚烯烴彈性體(Polyolefin Elastomer,POE)、氯化聚乙烯(Chlorinated Polyethylene,CPE)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate,TPV)，或熱塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)。

於本發明的一實施例中，該光線會於該導光板中依循一第一光路進行全反射。

於本發明的一實施例中，當該第二表面接觸該導光板時，該第二表面破壞該第一光路之全反射，使該光線被折射出該導光板外，並形成一第二光路。

於本發明的一實施例中，該導光板為透明或不透明紅外材質，包含一塑膠或一玻璃， 於本發明的一實施例中，該塑膠更包含聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)或不透明紅外塑膠。

於本發明的一實施例中，該導光板為表面平整之平面或曲面。

於本發明的一實施例中，該光源之封裝方式為一側光式發光二極體封裝或一向上發光型封裝。

於本發明的一實施例中，該鏡頭為兩片式、三片式或四片式鏡片架構。

於本發明的一實施例中，該取像鏡頭模組更設有一外部運算單元，該取像鏡頭模組接收該第二光路後，透過該鏡頭成像在該感測器上，可取得該待測物與該光學式觸覺感測裝置的一接觸面積，而該外部運算單元再透過一演算法將該接觸面積，轉換成該待測物對該第一表面施加之一接觸力量。

於本發明的一實施例中，該演算法之計算方式，係將該接觸面積與該接觸力量之大小關係，透過一尋找表(Lookup Table,LUT)進行運算。

1:彈性體

11:第一表面

12:第二表面

2:導光板

3:光源

31:軟性電路板

4:取像鏡頭模組

41:電路板

42:感測器

43:鏡頭

44:封裝外殼

5:待測物

6:第一光路

7:第二光路

θ₁:入射角

θ₂:折射角

圖1係本發明之光學式觸覺感測裝置的剖面示意圖。

圖2係本發明之光學式觸覺感測裝置彈性體受待測物施加壓力之示意圖。

圖3係本發明之導光板之光路示意圖。

圖4係本發明之第一實施例之結果圖。

圖5係本發明之第二實施例之結果圖。

圖6係本發明之第三實施例之結果圖。

圖7係本發明之第四實施例之結果圖。

圖8係本發明之第五實施例之結果圖。

圖9係本發明之第六實施例之壓力與面積關係圖。

為便貴審查委員能瞭解本發明之結構特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，所提及內容並非為對本發明進行限縮，故不應侷限本發明於實際實施上的權利範圍，以下將請配合圖式詳細敘述例示實施例。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「固定」、「連接」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明的描述中，「第一」、「第二」、「第三」、「第四」、「第五」，以及「第六」僅用於描述目的，而非指示相對重要性。

再者，空間相對性用語，例如「下方」、「在...之下」、「低於」、「在...之上」以及「高於」等，是為了易於描述圖式中所繪示的元素或 特徵之間的關係；此外，空間相對用語除了圖示中所描繪的方向，還包含元件在使用或操作時的不同方向。

請參閱圖1及圖2，本發明提供了一種光學式觸覺感測裝置，包括：彈性體1、導光板2、光源3，以及取像鏡頭模組4。於本發明中，彈性體1為非透明外觀，其組成成分包含矽膠、合成橡膠或熱塑性彈性體，其中熱塑性彈性體組成材料包含苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Isoprene-Styrene Block Copolymer,SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer,SBS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene Block Copolymer,SEBS)、聚烯烴彈性體(Polyolefin Elastomer,POE)、氯化聚乙烯(Chlorinated Polyethylene,CPE)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate,TPV)或熱塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)，除此之外，彈性體1之組成成分更包含了各種光反射或擴散材料。相較於先前技術中，彈性體1為透明材質，本發明所披露之不透明的彈性體1，能更加有效地破壞導光板2全反射特性，讓更多光線進入取像鏡頭模組4，故當待測物5與彈性體1接觸力量越大時，彈性體1的形變也會有所增加，使得因全反射受到破壞，進入取像鏡頭模組4的光線增加。

導光板2位於彈性體1下方，透過其本身具高透光率與全反射特性，控制光線的傳遞方向，並將點光源轉換成面光源，故導光板2作為一種光引導媒介，其材質需具備高折射率且不吸光之特性，在本發明中，導光板2為表面平滑之平面或曲面，並由透明或不透明紅外材質，包含塑膠或玻璃所製成，且塑膠更包含聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)或不透明紅外塑膠。

在導光板2側邊還設有至少一個光源3，光源3種類包含可見光或紅外線，其封裝方式可為側光式發光二極體封裝或向上發光型封裝，且在本發明之實施例中，光源3固定於軟性電路板31(Flexible Printed Circuit)之上，但實際實施方式並不以此為限，而光源3所產生之光線進入導光板2後，在無待測物5接觸時，光線將在導光板2內進行全反射。當待測物5接觸本發明之光學式觸覺感測裝置時，彈性體1的第二表面12三維紋路將接觸導光板2，破壞全反射，讓光線折射離開導光板2，而後被取像鏡頭模組4所接收。

取像鏡頭模組4則位於導光板2下方，其包含電路板41、感測器42，以及鏡頭43，更包含外部運算單元(圖未示)，而後再透過封裝外殼44將鏡頭43固定於電路板41上。此外，鏡頭43為兩片式、三片式或四片式鏡片架構設計，當光線自導光板2折射出導光板2之外時，經鏡頭43接收後，傳輸至感測器42，而後再計算出力量大小與受力面積之關係。

此外，彈性體1設有第一表面11，並與待測物5接觸，且第一表面11為平面或曲面，另一方面，彈性體1更設有第二表面12，其與導光板2接觸，且第二表面12還設有三維紋路，其中，三維紋路之表面形狀可為對稱或不對稱，高度等高或不等高之形狀，包含弦波形、三角形、橢圓形、拋物線、曲線或線形，不同形狀之三維紋路在待測物5接觸彈性體1時，第二表面12接觸導光板2之面積大小會有所不同，且待測物5施力大小與接觸面積之關係也會有所關聯，在本發明中僅披露其中一種三維紋路，目的並非為對本發明進行限縮，因此不應侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

在待測物5並未接觸彈性體1的情況下，因第二表面12並無接觸導光板2，故光源3所生成之光線會於導光板2中進行全反射，其路徑稱為第一 光路6。而當待測物5於彈性體1上施加壓力時，第一表面11受到壓縮，進而使第二表面12向下接近導光板2，當第二表面12上之三維紋路之突出部分，與導光板2有所接觸時，破壞了全反射之第一光路6的路徑，使得第一光路6折射出導光板2外，形成第二光路7，第二光路7進入取像鏡頭模組4後，鏡頭模組4可取得第二表面12與導光板2之接觸面積，而演算法只需將計算到的面積，透過可事先驗證得知彈性體1面積與施力大小之關係，獲得彈性體1之特性，再將彈性體1特性等參數輸入至尋找表(Lookup Table,LUT)中，即可得到與面積相對應的力量大小。

由於需透過事先驗證得彈性體1之特性，故透過尋找表進行資料換算係一種較為方便且快速的方法。因尋找表的原理係透過以簡單的查詢操作，替換執行時所需的計算陣列或關聯陣列。此種計算方式，相較於直接從主記憶體中經複雜計算後提取數值，能更加提升計算的速度。

請參照圖2及圖3，當第一表面11受到待測物5施壓而發生形變時，第二表面12接觸導光板2，破壞了進行全反射之第一光路6，使第一光路6折射出導光板2之外，並形成第二光路7，再透過取像鏡頭模組4接收第二光路7之光線，而後則可透過取像鏡頭模組4所取得的接觸面積大小，進而推算出施力大小。其中，全反射又稱內全反射，是一種光學現象。當光線經過兩個不同折射率的介質時，部份的光線會於介質的界面被折射，其餘的則被反射。但當入射角θ₁比臨界角θ_c(圖未示)大時，光線會停止進入另一介面，全部向內面反射，即發生全反射。

第一光路6具有入射角θ₁，在當光線從光密介質進入到光疏介質，折射角θ₂會大於入射角θ₁，且入射角θ₁大於臨界角θ_c(圖未示)時，才會發生 全反射，例如當光線從玻璃進入空氣時即有可能發生。此外，當光線於兩種不同折射率之介質中傳播時，會發生折射現象，並遵守司乃耳定律(Snell's Law)，其公式如(式1)：n₁*sinθ₁=n₂*sinθ₂ (式1)

其中n₁及n₂分別為兩種介質的折射率。且當折射角θ₂等於90°時，此時入射角θ₁也稱為臨界角θ_c(圖未示)，其公式如(式2)：θ_c=arcsin(n₁/n₂) (式2)

透過(式2)得知，以可見光由玻璃進入空氣(或真空)為例，臨界角θ_c(圖未示)約為41.8°。

綜上所述，於本發明中，為了使光源3所提供之光線得以於導光板2中進行全反射，第一光路6之入射角θ₁需大於41.8°。而當全反射受到第二表面12破壞時，第一光路6因而產生折射，而後產生第二光路7，光線將離開導光板2。

接著請參閱圖4至圖8，係本發明第一至第五實施例之結果圖。其中，圖4至圖8為待測物5對第一表面11施加較小至較大的壓力，由第一至第五實施例之結果圖可得知，當待測物5對第一表面11施加壓力越大時，本發明所述之光學式觸覺感測裝置，可依照第二表面12與導光板2接觸後，透過取像鏡頭模組4可取得該接觸面積之大小，再透過外部運算單元使用演算法，進而計算出受力面積，最終推算出待測物5對第一表面11的施加壓力多寡。

最後請同時參閱圖4至圖9，係本發明之第一實施例至第六實施例之壓力與面積關係圖。且透過圖4至圖8已知，本發明可透過導光板2與第二表面12接觸後，第二光路7進入取像鏡頭模組4之光線多寡，進而計算出待測物5於第一表面11上的施加力量大小。而圖9則披露第六實施例之待測物5對第一 表面11施加不同力量時，第二表面12對導光板2之受力面積分別為多少，並從此結果圖得知，待測物5對第一表面11所施加的力量，與第二表面12對導光板2之受力面積，呈現正相關。

有鑒於此，本發明所提供的光學式觸覺感測裝置，不但解決了先前傳統光學式觸覺感測器靈敏度不足且不夠精準的問題，除此之外，本發明所提供的光學式觸覺感測裝置，也同時具有結構簡單、製程容易、能產生高對比之圖像，以及影像處理更簡單等優勢。

綜上所述，各實施例僅係用於說明本發明的內容，並非限定本發明的實施範圍，因此任何熟知相關知識者於本發明領域內，可輕易思及之修改或改變，皆可涵蓋於本發明之專利範圍之中。

1:彈性體

11:第一表面

12:第二表面

2:導光板

3:光源

31:軟性電路板

4:取像鏡頭模組

41:電路板

42:感測器

43:鏡頭

44:封裝外殼

5:待測物

6:第一光路

Claims (12)

1. 一種光學式觸覺感測裝置，包含： 一彈性體，該彈性體為非透明外觀，設有一第一表面及一第二表面； 一導光板，位於該彈性體下方，並與該彈性體連接，且該導光板的表面為平整之平面或曲面； 至少一光源，位於該導光板側邊，並提供一光線，該光線包含可見光或紅外線；以及 一取像鏡頭模組，包含一電路板、一感測器以及一鏡頭，並位於該導光板下方； 其中該第一表面與一待測物接觸，且該第一表面為平面或曲面: 其中該第二表面與該導光板接觸，且該第二表面設有一三維紋路； 其中該三維紋路設有對稱或不對稱，高度等高或不等高之一表面形狀，該表面形狀包含弦波形、三角形、橢圓形、拋物線、曲線或線形。
2. 如請求項1所述之光學式觸覺感測裝置，其中該彈性體之組成包含一矽膠、一合成橡膠或一熱塑性彈性體。
3. 如請求項2所述之光學式觸覺感測裝置，其中該彈性體之組成更包含光反射或擴散材料。
4. 如請求項2所述之光學式觸覺感測裝置，其中該熱塑性彈性體之組成包含苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene- Isoprene- Styrene Block Copolymer, SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene- Butadiene- Styrene Block Copolymer, SBS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene Block Copolymer, SEBS)、聚烯烴彈性體(Polyolefin Elastomer, POE)、氯化聚乙烯(Chlorinated Polyethylene, CPE)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate, TPV)，或熱塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)。
5. 如請求項1所述之光學式觸覺感測裝置，其中該光線會於該導光板中依循一第一光路進行全反射。
6. 如請求項5所述之光學式觸覺感測裝置，其中當該第二表面接觸該導光板時，該第二表面破壞該第一光路之全反射，使該光線被折射出該導光板外，並形成一第二光路。
7. 如請求項1所述之光學式觸覺感測裝置，其中該導光板為透明或不透明紅外材質，包含一塑膠或一玻璃。
8. 如請求項7所述之光學式觸覺感測裝置，其中該塑膠更包含聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)，或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate, PMMA)。
9. 如請求項1所述之光學式觸覺感測裝置，其中該光源之封裝方式為一側光式發光二極體封裝或一向上發光型封裝。
10. 如請求項1所述之光學式觸覺感測裝置，其中該鏡頭為兩片式、三片式或四片式鏡片架構。
11. 如請求項6所述之光學式觸覺感測裝置，其中該取像鏡頭模組更設有一外部運算單元，該取像鏡頭模組接收該第二光路後，透過該鏡頭成像在該感測器上，即可取得該待測物與該光學式觸覺感測裝置的一接觸面積，而該外部運算單元再透過一演算法將該接觸面積，轉換成該待測物對該第一表面施加之一接觸力量。
12. 如請求項11所述之光學式觸覺感測裝置，其中該演算法之計算方式，係將該接觸面積與該接觸力量之大小關係，透過一尋找表（Lookup Table, LUT）進行運算。