一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统的制作方法

1.本发明涉及皮肤纹理识别技术领域，具体为一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统。


背景技术：

2.触觉作为人类的五大感觉之一，对人类与外界环境的互动至关重要。触觉主要来源于人类的手指皮肤处，人体手指皮肤具有最有效的感觉系统和感觉触觉模式(如触觉、压力、振动、暖、冷、疼痛)，通过皮肤感觉感受器对外部施加的刺激进行时空感知。然后将通过神经传入传递到躯体感觉皮层的时空触觉信号编码为动作电位的电压峰值，然后传递到大脑。然后，大脑会全面识别触觉刺激的类型和强度。值得注意的是，此时大脑可以主动记忆该刺激信号的特征及其相应联系的触觉事件，例如，盲人通过反复进行“触摸-记忆”来学习盲文(一种具有特殊表面结构的字符)，便可通过触觉获取盲文所附带的信息。然而，人类的主观触觉不仅与皮肤的变形和振动有关，还与其他一些心理因素，如记忆、个性、期望等有关。
3.相较于目前发展相对成熟的电学式触觉传感器而言，近年来基于光纤的触觉传感器得益于其灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、无金属材料组成等优点而受到研究人员的青睐。可代替地，微纳光纤作为一种半径介于(小于或接近)亚波长的光波导，由于其具备的灵敏度高、极端的灵活性和可配置性，被广泛应用于传感领域，包括折射率传感、磁场传感、海洋传感和微力传感。然而，基于微纳光纤用于接触力和纹理传感，以及结合神经网络算法进行表面纹理识别的触觉传感器仍然鲜有报导。因此，作为皮肤的对应物，具有稳定传感识别能力的仿生皮肤对下一代医疗保健、机器人、人机交互等领域的发展具有至关重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，以解决上述背景技术中提出现有技术中存在的不能将对织物纹理进行定量分析的问题。该传感器结构紧凑，传感系统简单，可将目标物体表面纹理数字信息的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，包括：光源、光纤仿生皮肤、光电探测器、数字采集卡、电脑和信号处理系统，所述光纤仿生皮肤的两端分别连接光源和光电探测器，所述光电探测器与数字采集卡相连，所述数字采集卡与电脑相连，所述电脑与信号处理系统相连。
6.优选的，所述光源用于向光纤仿生皮肤输入光，所述光电探测器用于接收及探测输出光。
7.优选的，所述信号处理系统用于识别目标物体表面的纹理特征。
8.优选的，所述光纤仿生皮肤包括仿生指纹结构、上仿生表皮层、侧仿生真皮层和基底，所述上仿生表皮层的表面设置有指纹状的仿生指纹结构，所述上仿生表皮层和基底之间设置有侧仿生真皮层。
9.优选的，所述侧仿生真皮层包括封装层和微纳光纤仿生神经元，所述微纳光纤仿生神经元贯穿封装层的两端。
10.优选的，所述微纳光纤仿生神经元包括单模光纤区域、微纳光纤的锥形过渡区和微纳光纤的均匀腰区，所述微纳光纤的均匀腰区的两端一体连接有微纳光纤的锥形过渡区，所述微纳光纤的锥形过渡区的另一端一体连接有单模光纤区域。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，可在物体贴合在仿生指纹结构上后，贴合的压力通过上仿生表皮层传导至微纳光纤仿生神经元，从而使得微纳光纤仿生神经元产生微小的弯曲，之后微纳光纤仿生神经元将信号传输给数字采集卡，数字采集卡对数据进行传输，并传输到电脑，并经过信号处理系统识别到目标物体的表面纹理特征，本方案结构简单、紧凑，可将目标物体表面纹理转换为数字信息，之后可对数字信息进行定量分析，从而对物体进行识别。
附图说明
12.图1是基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统的光路示意图；
13.图2是光纤仿生皮肤的结构示意图；
14.图3是微纳光纤仿生神经元的结构示意图；
15.图4是纹理信号处理系统的流程示意图。
16.图中：1、光源；2、光纤仿生皮肤；3、光电探测器；4、数字采集卡；5、电脑；6、信号处理系统；7、仿生指纹结构；8、上仿生表皮层；9、侧仿生真皮层；10、封装层；11、微纳光纤仿生神经元；1101、单模光纤区域；1102、微纳光纤的锥形过渡区；1103、微纳光纤的均匀腰区；12、基底。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
18.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，包括：光源1、光纤仿生皮肤2、光电探测器3、数字采集卡4、电脑5和信号处理系统6，所述光纤仿生皮肤2的两端分别连接光源1和光电探测器3，光源1用于向光纤仿生皮肤2输入光，光纤仿生皮肤2包括仿生指纹结构7、上仿生表皮层8、侧仿生真皮层9和基底12，所述上仿生表皮层8的表面设置有指纹状的仿生指纹结构7，上仿生表皮层8的硬度高于侧仿生真皮层9的硬度，避免触觉信号在传导至侧仿生真皮层9之前被材料吸收，以保证光纤仿生皮肤2的灵敏度，仿生指纹结构7模仿人类的外表皮皮肤和指纹，用于增大摩擦系数，以达到放大摩擦引起的触觉振动的作用，所述上仿生表皮层8和基底12之间设置有侧仿生真皮层9，基底12模仿人类皮肤内的骨骼，用于支撑和保护仿生光学皮肤不受折断损坏，侧仿生真皮层9包括封装层10和微纳光纤仿生神经元11，微纳光纤仿生神经元11起到传感作用，用于感知和传递外界刺激并将其转换为附带触觉信息的光信号，所述微纳光纤仿生神经元11贯穿封装层10的两端，微纳光纤仿生神经元11包括单模光纤区域1101、微纳光纤的锥形过渡区
1102和微纳光纤的均匀腰区1103，均匀腰区503的直径为2μm，长度为5mm，所述微纳光纤的均匀腰区1103的两端一体连接有微纳光纤的锥形过渡区1102，所述微纳光纤的锥形过渡区1102的另一端一体连接有单模光纤区域1101，所述光电探测器3用于接收及探测输出光，所述光电探测器3与数字采集卡4相连，所述数字采集卡4与电脑5相连，通过数字采集卡4采集到电脑5上的触觉信号，并构建包含一定数量样本的数据集，采用深度学习模型来实现对与纹理特征相关的触觉信号进行分类与预测，所述电脑5与信号处理系统6相连，信号处理系统6用于识别目标物体表面的纹理特征。
19.光纤仿生皮肤2包括以下步骤制备而成：
20.s1：通过3d打印技术，将主剂与固化剂配比为8：1的pdms1700打印制备成厚度为1mm的上仿生表皮层8，其表面具有类指纹状突起的仿生指纹结构7。其中，仿生指纹结构7每个凸起圆环的高度为1mm，宽度为1mm，每相邻两个凸起圆环的间距为2mm。
21.s2：将标准的单模光纤剥离3cm长的涂覆层，随后将该段单模光纤放置在拉锥平台的两端夹具上并固定，使得裸光纤部位对齐电加热器区域，通过熔融拉锥法制备得微纳光纤仿生神经元11。
22.s3：将已脱气处理的主剂与固化剂重量比为10:1的pdms184均匀地涂抹在载玻片基底12上，通过加热固化得到侧仿生真皮层9的衬底部分，随后将微纳光纤仿生神经元11的微纳光纤的锥形过渡区1102和微纳光纤的均匀腰区1103放置在该衬底上，再刷上一层已脱气处理的主剂与固化剂重量比为10:1的pdms184，以将微纳光纤仿生神经元11封装在pdms封装层10内，折射率低于微纳光纤仿生神经元11的折射率，而高于空气的折射率，以保证微纳光纤神经元较低的传输损耗，同时也保证微纳光纤的均匀腰区1103外表面存在大比例的倏逝场，以确保光纤仿生皮肤的灵敏度，从而获得侧仿生真皮层9。最后将上仿生表皮层8放置在侧仿生真皮层9的上表面，加热固化，制成光纤仿生皮肤。
23.系统实施方式：通过数字采集卡4采集到电脑5上的触觉信号，构建包含一定数量样本的数据集，采用深度学习模型来实现对与纹理特征相关的触觉信号进行分类与预测。原始数据为包含2200个采样点的波形曲线，通过下采样将原始数据集划分成了每个样本约200多个时间点幅值的信号数据，另外，采用数据增强方法将数据集样本量进一步扩充，然后将完整数据集划分成训练集以及测试集来分别对神经网络进行训练和性能测试。深度学习模型选用包含若干层隐含层的全连接神经网络，随着训练的进行，神经网络对于训练集以及测试集中的样本分类准确率都逐渐提升，且神经网络对于测试集能表现出近似于训练集的正确率，证明神经网络在测试集上表现出较强的泛化能力。最终结果表明，完成训练的神经网络模型对于8种不同织物产生的信号识别率能达到90％以上。
24.当光纤仿生皮肤2与物体接触时，竖向的压力通过上仿生表皮层8传导至微纳光纤仿生神经元11，以引起微纳光纤仿生神经元11的微小弯曲，从而增大光纤的弯曲损耗，导致输出光强的减小，因此通过监测输出光强的变化可实现对压力的传感。光纤仿生皮肤2除了能够检测竖向的压力之外，还能够检测横向的剪切力。上仿生表皮层8上面的仿生指纹结构7将剪切力分解为竖直向下的压力，传导至微纳光纤仿生神经元11，实现对剪切力的传感。
25.当光纤仿生皮肤2接触并扫描物体时，由于物体表面细微突起的纹理特性，从而引起触觉振动，即上仿生表皮层8所检测的剪切力和压力是动态变化的，因此输出光强随之变化。通过标定输出光强的变化特性与纹理特征的映射关系，即可实现对纹理特征的识别。
26.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，包括：光源(1)、光纤仿生皮肤(2)、光电探测器(3)、数字采集卡(4)、电脑(5)和信号处理系统(6)，其特征在于：所述光纤仿生皮肤(2)的两端分别连接光源(1)和光电探测器(3)，所述光电探测器(3)与数字采集卡(4)相连，所述数字采集卡(4)与电脑(5)相连，所述电脑(5)与信号处理系统(6)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，其特征在于：所述光源(1)用于向光纤仿生皮肤(2)输入光，所述光电探测器(3)用于接收及探测输出光。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，其特征在于：所述信号处理系统(6)用于识别目标物体表面的纹理特征。4.根据权利要求1所述的一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，其特征在于：所述光纤仿生皮肤(2)包括仿生指纹结构(7)、上仿生表皮层(8)、侧仿生真皮层(9)和基底(12)，所述上仿生表皮层(8)的表面设置有指纹状的仿生指纹结构(7)，所述上仿生表皮层(8)和基底(12)之间设置有侧仿生真皮层(9)。5.根据权利要求4所述的一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，其特征在于：所述侧仿生真皮层(9)包括封装层(10)和微纳光纤仿生神经元(11)，所述微纳光纤仿生神经元(11)贯穿封装层(10)的两端。6.根据权利要求5所述的一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，其特征在于：所述微纳光纤仿生神经元(11)包括单模光纤区域(1101)、微纳光纤的锥形过渡区(1102)和微纳光纤的均匀腰区(1103)，所述微纳光纤的均匀腰区(1103)的两端一体连接有微纳光纤的锥形过渡区(1102)，所述微纳光纤的锥形过渡区(1102)的另一端一体连接有单模光纤区域(1101)。

技术总结
本发明公开了一种基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，包括：光源、光纤仿生皮肤、光电探测器、数字采集卡、电脑和信号处理系统，所述光纤仿生皮肤的两端分别连接光源和光电探测器，所述光电探测器与数字采集卡相连，所述数字采集卡与电脑相连，所述电脑与信号处理系统相连。该基于光纤仿生皮肤的纹理识别传感系统，通过微纳光纤仿生神经元将信号传输给数字采集卡，数字采集卡对数据进行传输，并传输到电脑，并经过信号处理系统识别到目标物体的表面纹理特征，本方案结构简单、紧凑，可将目标物体表面纹理转换为数字信息，之后可对数字信息进行定量分析，从而对物体进行识别。从而对物体进行识别。从而对物体进行识别。


技术研发人员：翁俊杰
受保护的技术使用者：湖南万维智感科技有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/13