CN102928137B - 人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：在柔性电路板上，四个相同的叉指电极处在同一平面上互成90°对称排布；在各叉指电极上覆盖压敏材料层分别形成电阻R₁、R₂、R₃和R₄，在压敏材料层的上表面覆盖有半球形触头构成设置在被检测区域表面的三维力触觉传感单元。

Description

人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种应用于机器人的三维力触觉传感器。

背景技术

随着机器人技术的发展，触觉传感器的研究已受到越来越多的关注。目前对单维力传感器的研究较为成熟，但是作为机器人的智能皮肤，不仅需要传感器能实现对表面垂直压力的检测，同时也需要传感器能够检测水平方向的剪切力。如机器人握持物体时，需要感知切向力，同时感知正向压力。当机器人接触一些表面不规则的物体时，需要实现三维方向甚至多维方向力的探测。三维力触觉传感器的研制已经成为智能机器人技术的一个重要研究领域。

目前国内外已经研制出多种三维力传感器，用于机器人皮肤。日本的Van A H等人利用MEMS技术在十字梁结构上黏贴压敏薄膜电阻的方式制成了用于机器人手指的三维力触觉传感器；***立成功大学的Huang等人利用弯曲的铂/钛薄膜，将其一段固定并布置成十字梁结构，制成了用于检测垂直力和剪切力的触觉传感器；***立清华大学的Su等人在硅基体上生成各向异性的碳纳米管，并将其转移并旋图到PDMS上制成了可检测垂直力和剪切力的柔性触觉传感器；这些用于测量三维力信息的传感器主要采用金属或金属氧化物十字梁或半导体材料等，这些材料都是刚性材料，不具有柔性。

Chen等人以PDMS和PET为基体材料，ITO作为电极制成了可检测垂直和剪切力的柔性电容式触觉传感器；中科大合肥智能机械研究所的徐菲等人以炭黑/硅橡胶为基体材料，并在材料内部上下层布线成十字交叉结构，制成了三维力柔性触觉传感器，实现了对三维力的检测。这种利用导电橡胶制作的三维力传感器虽具有一定的柔性，但其电极与力敏材料双面接触的形式特点，致使传感器制作过程有很大困难，并且在稳定性以及灵敏度上并不可靠。

发明内容

本发明是为智能机器人人工敏感皮肤提供一种柔性好、精度高、性能稳定的柔性的人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案:

本发明人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器的结构特点是：在柔性电路板上，四个相同的叉指电极处在同一平面上互成90°对称排布；在所述各叉指电极上覆盖压敏材料层分别形成电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，在所述压敏材料层的上表面覆盖有半球形触头构成设置在被检测区域表面的三维力触觉传感单元。

本发明人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器的结构特点也在于：

所述各三维力触觉传感单元在被检测区域表面呈阵列排布构成三维力触觉传感器。

所述压敏材料层是以柔性压敏导电橡胶为材质，所述柔性压敏导电橡胶是在硅橡胶中填充炭黑。

所述半球形触头是以聚乙烯为材质。

在所述三维力触觉传感单元中，所述压敏材料层独立覆盖在每一单个的叉指电极上，在所述各叉指电极上所覆盖的压敏材料层之间是以硅橡胶连接为一体结构。

所述三维力触觉传感单元中三维力按下式解析获得：

$k_x{F}_x=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2/R_2-{\mathrm{\ΔR}}_4/R_4}{2}$

$k_y{F}_y=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1/R_1-{\mathrm{\ΔR}}_3/R_3}{2}$

$k_z{F}_z=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1/R_1+{\mathrm{\ΔR}}_2/R_2+{\mathrm{\ΔR}}_3/R_3+{\mathrm{\ΔR}}_4/R_4}{4}$

式中：

F_x、F_y、F_z分别为半球形触头在x、y和z三个方向所受的作用力；

k_x、k_y和k_z分别为三维力传感单元对于作用力F_x、F_y、F_z的电阻系数，所述k_x、k_y和k_z经试验标定得到；

R₁、R₂、R₃和R₄分别是三维力触觉传感单元在未受力状态下的y轴正方向上的电阻初始阻值、x轴正方向上的电阻初始阻值，y轴负方向上的电阻初始阻值，x轴负方向上的电阻初始阻值；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃和ΔR₄分别是三维力触觉传感单元受力后的R₂、R₂、R₃和R₄的变化量。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器的所有制作材料包括叉指电极，力敏材料，以及触头均为柔性材料，满足人工皮肤对柔性的要求。

2、本发明柔性电路板上四叉指电极结构，充分考虑了不同方向之间的耦合关系，能够有效提高传感器的稳定性可灵敏度。

2、本发明三维力传感器采用压敏导电橡胶与柔性电路板单面接触，较之双面布置电极接触结构简单，制作工艺简单。

3、本发明中压敏导电橡胶、叉指电极均为弹性材料，允许三维力传感器实现弯曲变形，使整个触觉传感器能够可靠地黏附在各种曲面上，实现对三维力的检测，提高其柔性及表面适应性。

4、本发明三维力的量程及灵敏度可以由压力敏感材料中所含有炭黑的组分比例及电极指宽和尺寸的得到控制，调节范围广。

附图说明

图1为本发明基于柔性导电橡胶的触觉传感器的横截面结构示意图；

图2a为本发明中柔性电路板单元结构示意图；

图2b为本发明中三维力传感器四个等效电阻位置分布示意图；

图中标号：1半球形触头；2压敏材料层；3柔性电路板；4叉指电极。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实施例中人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器的结构形式是：在柔性电路板3上，四个相同的叉指电极4处在同一平面上互成90°对称排布；在各叉指电极4上覆盖压敏材料层2分别形成电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，在压敏材料层2的上表面覆盖有半球形触头1构成设置在被检测区域表面的三维力触觉传感单元。

具体实施中，各三维力触觉传感单元在被检测区域表面呈阵列排布构成三维力触觉传感器；压敏材料层2是以柔性压敏导电橡胶为材质，柔性压敏导电橡胶是在硅橡胶中填充炭黑；半球形触头1是以聚乙烯为材质；

压敏材料层独立覆盖在每一单个的叉指电极上，在各叉指电极上所覆盖的压敏材料层之间是以硅橡胶连接为一体结构。

三维力触觉传感单元中三维力按下式解析获得：

$k_x{F}_x=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2/R_2-{\mathrm{\ΔR}}_4/R_4}{2}$

$k_y{F}_y=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1/R_1-{\mathrm{\ΔR}}_3/R_3}{2}$

$k_z{F}_z=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1/R_1+{\mathrm{\ΔR}}_2/R_2+{\mathrm{\ΔR}}_3/R_3+{\mathrm{\ΔR}}_4/R_4}{4}$

式中：

F_x、F_y、F_z分别为半球形触头在x、y和z三个方向所受的作用力；

k_x、k_y和k_z分别为三维力传感单元对于作用力F_x、F_y、F的电阻系数，k_x、k_y和k_z经试验标定得到；

R₁、R₂、R₃和R₄分别是三维力触觉传感单元在未受力状态下的y轴正方向上的电阻初始阻值、x轴正方向上的电阻初始阻值，y轴负方向上的电阻初始阻值，x轴负方向上的电阻初始阻值；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃和ΔR₄分别是三维力触觉传感单元受力后的R₁、R₂、R₃和R₄的变化量。

在图1中：基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器由上至下由半球形触头1、压敏材料层2以及设置有叉指电极4的柔性电路板3组成一个结构紧密的整体。

在图2a和图2b中，四个叉指电极4和压敏材料层2电连接形成四个等效电阻，实现三维力检测。

对三维力信息进行检测的机理如下：三维力通过半球形触头1作用于压敏材料层2，压敏材料层和四个叉指电极相接触，等效电阻R₁、R₂、R₃和R₄在受到应变时电阻将发生变化。通过对四个电阻变化的测量可实现对三维力F_x，F_y，F_z的检测。

根据已有研究，柔性电路板电极的大小以电极的距离都对应变输出的大小有影响。

当F_x作用时，R₁受到压应变电阻减小，R₃拉应变电阻增大，而R₂与R₄两端受到的应变相互抵消，电阻变化忽略不计。

当F_y作用时，R₂受到压应变电阻减小，R₄拉应变电阻增大，而R₁与R₃两端受到的应变相互抵消，电阻变化忽略不计。

当F_z作用时，R₁、R₂、R₃、R₄受到同等程度的压应变，四个电阻同等减小。

传感器输出电压信号经过开关选通电路、电压比较放大电路、数据采集转换输入到计算机 经矩阵运算处理，得到F_x，F_y，F_z的值。

本发明基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器可通过如下工艺制作：

首先，采用标准柔性电路板制作技术制作柔性电路板3；采用丝网印刷技术在柔性电路板3上制作叉指电极4，采用室温合成工艺制作压敏材料层2；其中，用于制作压敏材料层2的压力敏感材料在《功能材料》2010年第二期，由赵兴、黄英等人所发表的“用于复合式柔性触觉传感器的导电复合材料研究”中已有公开报导；半球形触头1采用树脂材料，半球形触头1粘合在压敏材料层2上。

之后，对基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器进行标定，用不同大小的压力反复作用于传感器并分别检测出在不同压力的情况下传感器的电阻值与施加压力的关系，以此对传感器进行标定，通过提取和处理三维力敏感阵列中每个三维力敏感单元在三维接触力作用下输出的三个电压信号，经过线性解耦得到各方向受力和三个电压信号之间线性耦合关系，再经过神经网络解耦得到各敏感单元之间的耦合关系。

Claims (5)

1.人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：在柔性电路板(3)上，四个相同的叉指电极(4)处在同一平面上互成90°对称排布；在所述各叉指电极(4)上覆盖压敏材料层(2)分别形成电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，在所述压敏材料层(2)的上表面覆盖有半球形触头(1)构成设置在被检测区域表面的三维力触觉传感单元；所述三维力触觉传感单元中三维力按下式解析获得：

$k_x{F}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2/R_2-\mathrm{\Δ}{R}_4/R_4}{2}$

$k_y{F}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1/R_1-\mathrm{\Δ}{R}_3/R_3}{2}$

$k_z{F}_z=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1/R_1+\mathrm{\Δ}{R}_2/R_2+\mathrm{\Δ}{R}_3/R_3+\mathrm{\Δ}{R}_4/R_4}{4}$

式中：

F_x、F_y、F_z分别为半球形触头在x、y和z三个方向所受的作用力；

k_x、k_y和k_z分别为三维力传感单元对于作用力F_x、F_y、F_z的电阻系数，所述k_x、k_y和k_z经试验标定得到；

R₁、R₂、R₃和R₄分别是三维力触觉传感单元在未受力状态下的y轴正方向上的电阻初始阻值、x轴正方向上的电阻初始阻值，y轴负方向上的电阻初始阻值，x轴负方向上的电阻初始阻值；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃和ΔR₄分别是三维力触觉传感单元受力后的R₁、R₂、R₃和R₄的变化量。

2.根据权利要求1所述的人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：所述各三维力触觉传感单元在被检测区域表面呈阵列排布构成三维力触觉传感器。

3.根据权利要求1所述的人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：所述压敏材料层(2)是以柔性压敏导电橡胶为材质，所述柔性压敏导电橡胶是在硅橡胶中填充炭黑。

4.根据权利要求1所述的人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：所述半球形触头(1)是以聚乙烯为材质。

5.根据权利要求1所述的人工皮肤用四叉指电极式三维力触觉传感器，其特征是：在所述三维力触觉传感单元中，所述压敏材料层独立覆盖在每一单个的叉指电极上，在所述各叉指电极上所覆盖的压敏材料层之间是以硅橡胶连接为一体结构。