非勻強電場型機器人觸覺傳感器及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于檢測碰撞接觸位置的非勻強電場型 機器人觸覺傳感器及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機器人觸覺傳感技術(shù)是實現(xiàn)機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過檢測機器人碰撞 時的表面受力位置，機器人得到環(huán)境中障礙物的方位信息，可制定相應(yīng)的安全決策，從而直 接降低碰撞力的大小且避免二次碰撞。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種敏感材料的出 現(xiàn)，為機器人觸覺傳感器的研究、設(shè)計和制作提供了良好的基礎(chǔ)。
[0003] 專利（CN101059380)發(fā)明了一種柔性電容式觸覺傳感器，可貼附在任意表面同時 感受法向力和切向力的大小，但是采用陣列結(jié)構(gòu)，敏感材料的制備工藝較復(fù)雜，陣列各不同 部分由于生產(chǎn)流程、制作工藝技術(shù)的非同一性，對同一個傳感器陣列的不同部分的特性也 會出現(xiàn)非均一性，對非規(guī)則曲面的測量誤差過大。專利（CN203965077)發(fā)明了一種柔性薄 膜觸覺傳感器，采用靜電誘導(dǎo)的方法在基體上制作成對柔順電極層，形成三明治結(jié)構(gòu)柔性 薄膜，具有可剪裁為任意形狀，撓性好等特點，但其復(fù)合薄膜電極的工藝制作過程需要控制 的因素較多，難以保證每次制造的電極都能符合要求。相比之下，本發(fā)明采用非陣列式柔性 結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)方法即可實現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)配件的制備，不存在材料制備的工藝復(fù)雜和不均 一性等問題，良好的柔性同樣可以貼附在任意表面，對非規(guī)則曲面的測量不會存在誤差過 大等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器及其檢測方 法，當(dāng)機器人與人同處于同一環(huán)境時，為防止機器人與人發(fā)生碰撞，或為實現(xiàn)人與機器人協(xié) 同作業(yè)，可把本觸覺傳感器貼附于機器人表面。該傳感器采用非陣列層式結(jié)構(gòu)，所用的材料 均具有柔性，能夠大面積覆蓋在機器人表面并能夠有效地檢測碰撞位置，具有體積小，結(jié)構(gòu) 簡單，成本低，較高的柔性等特點。
[0005] 本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器，包括上柔性層、 網(wǎng)狀隔層以及下柔性層，所述上柔性層與下柔性層均由一導(dǎo)電面和一絕緣面貼合組成，且 所述導(dǎo)電面作為上柔性層與下柔性層的內(nèi)表面，所述上柔性層與下柔性層的導(dǎo)電面分別直 接貼附于所述網(wǎng)狀隔層的上下兩面；所述下柔性層的導(dǎo)電面為矩形，在矩形導(dǎo)電面的兩組 對角上各設(shè)有一點電極，一組對角上的兩個頂點的電極分別為A +與A ;另一組對角上的兩 個頂點的電極分別為B+與B。
[0006] 進一步地，所述絕緣面作為上柔性層與下柔性層的外表面，且所述絕緣面為高分 子薄膜基材；所述絕緣面上噴涂有一層具有一定導(dǎo)電率的用以形成所述上柔性層與下柔性 層的導(dǎo)電面的半導(dǎo)體介質(zhì)。
[0007] 進一步地，在所述上柔性層與下柔性層的外表面均貼附一層粘彈性保護膜。
[0008] 本發(fā)明中所述非勻強電場型機器人觸覺傳感器在檢測機器人與環(huán)境障礙物之間 的碰撞接觸位置時，采用如下步驟： 步驟Sl :在下柔性層導(dǎo)電面的對角電極A+與A之間施加一偏置直流電壓 lias，形成一 A電場； 步驟S2 :按壓觸覺傳感器中上柔性層絕緣面的任一位置，使所述上柔性層與下柔性層 的導(dǎo)電面接觸，得到一接觸點； 步驟S3:所述上柔性層的導(dǎo)電面作為接觸點的引出線，連接至一信號采集器，獲取電 壓值; 步驟S4 :去除所述下柔性層導(dǎo)電面上電極A+與A之間施加的m，把偏置直流電壓：^施 加到所述下柔性層導(dǎo)電面的另一組對角電極B+與B之間，形成一 B電場； 步驟S5:將所述上柔性層的導(dǎo)電面作為接觸點的引出線，連接至所述信號采集器，獲 取電壓值#?Ρ; 步驟S6 :松開按壓位置，按壓位置處的接觸點坐標（X，y)可通過聯(lián)立下式求解而得：
其中，是經(jīng)修正辨識的常系數(shù)，m為施加在對角電極上的電壓值，魏，賄分別為接觸 點在A、B兩個電場中的電勢值；a，b分別為所述下柔性層導(dǎo)電面的長和寬。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用的材料均具有柔性， 滿足人工皮膚柔性的要求，能夠大面積覆蓋在機器人體表，其結(jié)構(gòu)尺寸不受限制，能夠按實 際需要制作；2、引線少，結(jié)構(gòu)簡單，工藝流程簡單，成本大大降低；3、在點電極對上加偏置 直流電壓，電極自身的導(dǎo)電性和電極與導(dǎo)電面的貼附方式對測量結(jié)果的影響很小，可以忽 略不計。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明非勻強電場型機器人觸覺傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，圖中標號1為上柔性層 的絕緣面，2為上柔性層的導(dǎo)電面，3為網(wǎng)狀隔層，4為下柔性層的導(dǎo)電面，5為下柔性層的絕 緣面，6為點電極。
[0011] 圖2為本發(fā)明中上柔性層結(jié)構(gòu)，圖中標號1為絕緣面，2為導(dǎo)電面。
[0012] 圖3是本發(fā)明中下柔性層結(jié)構(gòu)，圖中標號4為導(dǎo)電面，5為絕緣面，6為點電極。
[0013] 圖4是本發(fā)明受壓時的結(jié)構(gòu)截面圖，圖中標號11為上柔性層，3為網(wǎng)狀隔層，22為 下柔性層。
[0014] 圖5是本發(fā)明位置測量原理圖。
[0015]
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0017] 本實施例提供一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器，如圖1-4所示，包括上柔性 層11、網(wǎng)狀隔層3以及下柔性層22,所述上柔性層與下柔性層均由一導(dǎo)電面和一絕緣面組 成，且所述導(dǎo)電面作為上柔性層與下柔性層的內(nèi)表面，所述上柔性層與下柔性層的導(dǎo)電面1 和4分別直接貼附于所述網(wǎng)狀隔層的上下兩面；所述下柔性層的導(dǎo)電面為矩形，在矩形導(dǎo) 電面的兩組對角上各設(shè)有一點電極6,一組對角上的兩點電極分別為A +與A ;另一組對角上 的兩點電極分別為B+與B。
[0018] 在本實施例中，所述絕緣面作為上柔性層與下柔性層的外表面，且所述絕緣面2 和5為高分子薄膜基材；在所述絕緣面上通過噴涂一層具有一定導(dǎo)電率的半導(dǎo)體介質(zhì)，則 可形成所述上柔性層與下柔性層的導(dǎo)電面1和4。
[0019] 在本實施例中，在所述上柔性層與下柔性層的外表面均可貼附一層粘彈性保護 膜，用于保護傳感器免受破損。
[0020] 整個傳感器的結(jié)構(gòu)沒有尺寸限制，可以按照實際用途來制造傳感器的大小。特別 的，在本實施例中，所述上柔性層與下柔性層的導(dǎo)電面材料為石墨紙，點電極直接焊在石 墨紙兩組對角上，絕緣面為高分子薄膜基材。中間網(wǎng)狀隔層采用聚乙烯分子材料，厚度為 0.25mm,網(wǎng)格邊長為2mm。粘彈性保護膜為1mm厚度的硅膠材料。
[0021] 基于本發(fā)明所述的機器人觸覺傳感器，如果在下柔性層矩形導(dǎo)電面一組對角電極 之間施加一偏置電壓，依據(jù)