发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足,提供一种多方向性电容式滑觉传感器,旨在解决智能机器人软抓取过程中滑觉信息的感知问题,提高灵敏度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
多方向性电容式滑觉传感器,包括一方形柔性基体,在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通的方柱体,所述方柱体朝内的两相邻表面设有柔性感应极板;在柔性基体中心处设有一圆柱形触干,且触干壁上附四个各成直角、内部设有柔性公共极板的矩形体;在方柱体上面设有柔性上基板,柔性上基板与柔性基体平行、等尺寸且中心处留有上下贯通圆,在触干上表面设置一防滑橡胶触头。
本发明的有益效果是:
1、本发明电容式滑觉传感器具有结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且高灵敏度。
2、本发明电容式滑觉传感器整体上具有柔性,与传统滑觉传感器相比,本发明电容式滑觉传感器为四个独立的差分式电容式滑觉传感器,提高了其检测灵敏度。
3、本发明电容式滑觉传感器其检测方向不在局限于单一方向,根据八个平行板电容传感器输出电容值变化的特点可以判断滑觉发生的方向。
4、本发明电容式滑觉传感器极板引线可引至柔性基体面,易于构成电容式滑觉传感器阵列,实现大面积、高分辨率滑觉感知功能。
5、本发明电容式触觉传感器通过调节圆柱形触干半径、柔性公共极板距柔性基体的距离、柔性公共极板与两侧柔性感应极板的距离等参数可以改变该电容式滑觉传感器的灵敏度,进一步扩展了其应用范围。
附图说明
图1是本发明电容式滑觉传感器的整体立体图;
图2是本发明电容式滑觉传感器的拆分立体图;
图3是本发明电容式滑觉传感器的圆柱形触干与四个各成直角排列的矩形体;
图4是本发明电容式滑觉传感器的不加柔性上基板时俯视图;
图5是是本发明电容式滑觉传感器初始时电容等效示意图;
图6是本发明电容式滑觉传感器在X轴方向滑动时电容变化示意图;
图7是本发明电容式滑觉传感器在Y轴方向滑动时电容变化示意图;
图8是本发明电容式滑觉传感器在与X轴方向成45°滑动时电容变化示意图;
图9是本发明电容式滑觉传感器具体实施案例中尺寸参数示意图;
图10本发明电容式滑觉传感器柔性上基板和方形柔性基体模具;
图11是本发明电容式滑觉传感器矩形体、柔性公共极板和圆柱形触干模具;
图12是本发明电容式滑觉传感器方柱体模具;
图13是本发明电容式滑觉传感器检测滑动信号时实验结果。
图中标号:1防滑橡胶触头;2柔性上基板;3方柱体;4柔性感应极板;5矩形体;6方形柔性基体;7圆柱形触干;8柔性公共极板。
具体实施方式
如图1和图2所示,本实施例电容式滑觉传感器的结构为:设置一方形柔性基体6,在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通、朝向内侧的两相邻表面留有柔性感应极板4的方柱体3;在其中心处放置一圆柱形触干7,且触干壁上附四个各成直角、内部留有柔性公共极板8的矩形体5;在方柱体上表面设置一与柔性基体等尺寸且中心处留有上下贯通圆的柔性上基板2;在触干上表面设置一防滑橡胶触头1;
方柱体3直角边分别与方形柔性基体6直角边共面,呈田字形排列,方柱体3其余两面均留有柔性感应极板4,方形柔性基体6的边长大于两倍的方柱体3边长;
在方形柔性基体6上表面中心处设置一圆柱形触干7,圆柱形触干7其高度与方柱体3相同,如图3所示,在圆柱形触干7壁上外切四个各成直角分布的矩形体5,矩形体5高度小于圆柱形触干7高度且其高度中心点与圆柱形触干7中心点共面;
如图4所示,在矩形体5内部几何中心处设置一柔性电极8,柔性电极8由矩形体5包裹,每个矩形体两侧有两个非接触的方柱体3,且与方柱体3一对应面平行;
在方柱体3与圆柱形触干7上表面设置一与方形柔性基体6等尺寸且中心留有上下贯通圆的柔性上基板2,柔性上基板2中心圆的半径大于圆柱形触干1的半径,矩形体5上下表面与柔性上基板2和方形柔性基体6均非接触;在圆柱形触干7上表面设置一防滑橡胶触头1,防滑橡胶触头1高出柔性上基板2上表面。
所述柔性感应电极的高度大于所述柔性公共极板的高度。
所述四个柔性公共极板绕所述圆柱形触干呈直角排列,所述柔性公共极板与柔性上基板、方形柔性基体和柔性感应极板非接触。
所述柔性感应极板和柔性公共极板以有机硅导电银胶为材质。
所述柔性基体、柔性上基板、上下表面贯通的方柱体、圆柱形触干、矩形体及防滑橡胶触头均以硅橡胶为材质。
本发明电容式滑觉传感器的结构模型可等效为四个呈田字形排列的差分式平行板电容,提高了滑觉传感的灵敏度;同时,根据四个电容值的变化特点可以判断滑动的方向,其检测方向不再局限于单一方向。其检测机理为:在X轴方向或Y轴方向发生滑动时,在防滑橡胶触头带动下圆柱形触干发生倾斜,由于柔性感应极板面积大于柔性公共极板面积,与滑动方向平行的两个柔性公共极板组成的两个差分式电容传感器极板间隙和等效极板面积认为未发生变化,对应电容式传感器输出不变,相应地,与滑觉方向垂直的两个公共极板构成的差分式电容传感器相当于变极板间隙,导致一个电容值增加,一个电容值减小。
电容极板引线可引至柔性基体面,易于构成电容式滑觉传感器阵列,实现大面积、高分辨率滑觉感知功能。
滑橡胶触头略高于柔性上基板,在摩擦力的作用下带动圆柱形触干发生倾斜,与此同时,与圆柱形触干相切的矩形体发生相应位移,与柔性感应极板共同构成变极板间隙式电容式传感器,从而实现滑觉检测的目的。
本发明电容式滑觉传感器制作工艺主要是基于3D打印技术与硅橡胶流体成型技术。利用SolidWorks或AutoCAD等三维建模软件设计出本发明电容式滑觉传感器结构所需各部分模具,将硅橡胶注入模具成型,待材料固化后脱模取出即得本发明电容式滑觉传感器各部分组件,最后将各个期间组装到一起即可。
为了保证本发明电容式滑觉传感器具有一定的柔软性,在一定程度上具备可拉伸性等特点,所述柔性感应极板4和柔性公共极8选用南京喜力特胶粘剂有限公司的YC-02型有机硅导电银胶为材质,YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化,且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。方形柔性基体6、柔性上基板2、上下表面贯通的方柱体3、圆柱形触干7、矩形体5及防滑橡胶触头1选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶为材质。
如图5所示,本发明电容式滑觉传感器可等效为四对平行板电容(C1(C11、C12),C2(C21、C22),C3(C31、C32)和C4(C41、C42)),每对平行板电容构成一对差分式电容传感器,理论上,电容式滑觉传感器未受摩擦力作用时,四对平行板电容输出值相等(C11=C12,C21=C22,C31=C32,C41=C42)。当受摩擦力作用时防滑橡胶触头1在摩擦力带动下发生倾斜,从而联动四个柔性公共极板8发生倾斜,导致四对差分式电容传感器输出发生变化,据此判断滑觉信息。
本发明电容式滑觉传感器具体检测滑觉信息的机理如下:当沿X轴正方向发生滑动时,其电容变化示意图如图6所示,在防滑橡胶触头1联动下,C1和C3两柔性公共极板8均沿X轴正方向发生倾斜,相当于平行板电容C12和C32的极板间隙减小,故C12和C32电容值增加,C11和C31电容值减小,最终反映在差分电容时C1和C2电容值增加。与此同时,C2柔性公共极板8向上发生倾斜,C4柔性公共极板8向下发生倾斜,变化量相同,表现在电容值变化时理论上为C21、C22和C41、C42均减小。由于在电容式滑觉传感器设计时柔性公共极板8长度略大于柔性感应极板4的长度,且柔性公共极板8的高度小于柔性感应极板4的高度,这样在柔性公共极板8在发生上下倾斜时,其平行板电容等效极板面积没有发生明显变化,在实际应用中可认为此时C2和C4电容值未发生变化。同理,若本发明电容式滑觉传感器沿Y轴正方向发生滑动时,如图7所示,差分对C2和C4输出值变大,差分对C1和C3输出不变。若本发明电容式滑觉传感器沿与X轴正方向成45°方向发生滑动时,如图8所示,在防滑橡胶触头1联动下,C1和C4两柔性公共极板8均沿与X轴正方向成45°方向发生倾斜,相当于平行板电容C12、C21、C32和C42的极板间隙减小,平行板电容C11、C22、C31和C41的极板间隙增大,最终表现为差分对C1、C2、C3、C4的输出电容值均增加。所以,根据差分对C1、C2、C3、C4的输出电容值变化特点可以判断出何时发生滑动以及发生滑动的方向。
在实际应用中,将四个差分对电容传感器的柔性公共极板8连接在一起并进行接地处理,这样每个电容就相当于一个单电极平行板电容传感器。对于单电极电容传感器的信号采集可以选用AD公司的AD7747或AD7147电容数字处理芯片,其具备I2C兼容型串行接口与片内环境自校准功能。根据本发明电容式滑觉传感器结构特点,选用具有13路容性输入、高达16位CDC精度的AD7747-1,很容易完成8通道单电极结构电容信号的采集与处理。对于由本发明电容式滑觉传感器构成的滑觉传感阵列,可使用AD7147-1与多通道单刀双掷开关ADG734构成的行列扫面电路进行电容阵列信号采集。同时,芯片采用有源交流屏蔽技术,不仅可有效地降低传感器使用过程中存在的噪声干扰,而且消除了阵列间的交叉干扰问题。
在本发明电容式滑觉传感器量程范围内,使用精密拉压力计对所述电容式滑觉传感器重复进行滑觉加载实验,同时由AD7147-1构成的电容信号采集***实时采集电容式滑觉传感器的单电极电容输出值,根据电容式滑觉传感器输出曲线可以判断何时发生滑动及滑动的方向。
为验证本发明电容式滑觉传感器的性能,做实例如下:
如图9所示,在实例中,防滑橡胶触头1高度为4mm,半径为1.5mm;柔性上基板2和方形柔性基体6边长为24mm,厚度为2mm,其中,柔性上基板2中心处上下表面贯通圆半径为3mm;圆柱形触干7半径为1.5mm,高度为10mm;矩形体5一高度棱面与圆柱形触干7相切,四个矩形体5各成直角排列,高度为7mm,边长为11.5mm,宽度为2mm;柔性公共极板8被矩形体5包裹,其长、宽、高参数分别选取8mm、0.5mm和6mm;方柱体3***柱体参数选取高10mm,长、宽均为8mm,内部贯通正方形边长为4mm;各方柱体3两内侧面的柔性感应极板4对应长、宽、高参数分别为8mm、0.5mm和6mm。本实例中硅橡胶选择中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶,电容信号处理选用AD7147-1 CDC(Capacitance-to-Digital Converter)作为电容信号采集的主芯片,STM32F103VET6高性能微处理器作为电容信号采集与处理的主控芯片,建立电容信号采集与处理***。
柔性上基板2和方形柔性基体6模具相似,如图10所示,图10(a)为柔性上基板2的模板,在边长与厚度均大于柔性上基板2的正方体面上表面画出一边长为24mm,厚度为2mm且中心处留有一半径为3mm圆的图形,并将此图形向底端拉伸切除即可;图10(b)为方形柔性基体6的模具。将硅橡胶注入模具内待固化后脱模便可获得柔性上基板2和方形柔性基体6。
图11为矩形体5、圆柱形触干、7和柔性公共极板8的整体模具,首先将YC-02型有机硅制成的四个柔性公共极板8分别放到该十字型模具的四个凹槽内,柔性公共极板8与凹槽三侧内壁均不接触。再将硅橡胶注入凹槽内,模具高度为7mm,待脱模后在十字形模型中心上下表面均粘接一高度为1.5mm的圆形柱,保证圆柱形触干7总高度为10mm及在摩擦力作用下柔性公共极板8更容易发生倾斜。
图12为方柱体3的模具,成型得到方柱体3后在其相邻两面粘接柔性感应极板4,本发明电容式滑觉传感器各部分组件均已制作完毕,然后在需要相互间接触的组件表面涂一层硅橡胶进行粘接拼装即可。
具体实验实施为:将本发明电容式滑觉传感器固定在实验基台,八路容性输出分别接至上述提出的多路电容信号提取***,将一待滑动物体(实例中选用一支铅笔)置于电容式滑觉传感器防滑橡胶触头1上表面,待滑动物体在拉压力计的联动下沿X轴轮流向左向右滑动。电容信号提取***实施检测个电容传感器的输出结果,其输出实施曲线结果如图13所示,其中C1output、C2output、C3output和C4output分别为对应电容传感器归一化后的差分输出,例如:C1output=|C11/C11初始—C12/ C12初始|,其它输出以此类推。从图13中可以看出,当沿X轴正反方向轮流发生滑动时,C1output和C3output输出波动较大,在波峰处说明防滑橡胶触头1发生最大位移,波谷表明防滑橡胶触头处于中间位置。C2output和C4output输出波动较小,符合上述理论分析,根据各差分输出的数据方差便可判断滑觉信息,实现滑觉检测的功能。