[发明专利]一种可任意角度测量硬度的触觉传感器及硬度检测方法

权利要求书

1.一种可任意角度测量硬度的触觉传感器，其特征在于，所述传感器包括两片压电双晶片、支架及探头、阈值可调装置、信号发生采集与处理模块，其中，两片压电双晶片平行放置，所述支架为V型结构，其一端连接两片压电双晶片的一端，另一端连接在探头上；在所述支架上通过一∧型结构连接到阈值可调装置，所述阈值可调装置用于调节探头向作用对象方向的压力；所述两片压电双晶片连接信号发生采集与处理模块，所述信号发生采集与处理模块给压电双晶片发送电信号，并通过信号处理获得压电双晶片相位信号及共振频率信息，最终得到被测对象硬度及接触角度；

向所述触觉传感器的两片压电双晶片施加相反的正弦电压，采集压电双晶片相位信号及法向共振频率信息；向所述触觉传感器的两片压电双晶片施加相同的正弦电压，采集压电双晶片相位信号及切向共振频率信息；通过硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系计算得到被测对象硬度及接触角度。

2.根据权利要求1所述的一种可任意角度测量硬度的触觉传感器，其特征在于，所述阈值可调装置包括与手术器械末端接触的接头及一金属杆，所述接头中心留有轴向通孔，金属杆置于通孔内部，所述金属杆下端有一半球形的凹槽；所述支架的∧型结构顶端设有一金属小球，所述凹槽与金属小球之间留有间隙。

3.根据权利要求2所述的一种可任意角度测量硬度的触觉传感器，其特征在于，所述支架具有弹性，所述接头与金属杆之间为可调节连接，所述凹槽与金属小球之间的间隙通过金属杆的位置调节，所述阈值可调装置在探头接触并按压被测对象时，使支架发生弹性形变，当支架末端小球接触到上端阈值装置的杆部时，共振频率发生突变，则停止按压。

4.一种可任意角度测量的硬度检测方法，所述检测方法采用如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系计算得到被测对象硬度及接触角度，具体过程为：

首先，标定硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系；

其次，基于激励电压信号V=V₀ sin(2πf t+φ_V)和响应电流信号I=I₀ sin(2πf t+φ_I)，通过信号处理获得输入电压信号相位与输出电流响应信号相位，通过改变激励信号频率f，得到传感器的法向共振频率f_RN，以及得到传感器的切向共振频率f_RT；其中，V₀是电压的幅值，I₀是电流的幅值，2πf 是角速度，f是频率，t是时间，φ_V是电压的相位，φ_I是电流的相位。