CN111896163A - 一种电阻式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻式触摸传感器和智能机器人。本发明的触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括多个导电层，各导电层包含对应的一个区域；每个导电层的内部均设置有与所述导电层电连接的上层电极，所述上层电极的下方设置有与上层电极对应的下层电极；所述上层电极接激励信号，下层电极接模数转换电路；其中，所述上层电极为曲面弹性电极，所述下层电极为平面电极或曲面电极。其有益效果是：本发明能够不仅能够完整实现接触觉功能要求，还可以兼顾高灵敏和宽检测范围的要求。

Description

一种电阻式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人

技术领域

本发明涉及一种电阻式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人，适用于人工智能的技术领域。

背景技术

近年来，智能机器人在工业领域已经发展到大规模实用阶段，智能机器人与外部世界的交互作用需要模仿人类的各种感官功能的智能传感器，主要包括：视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器和嗅觉传感器。到目前为止，视觉传感器和听觉传感器已经发展成熟并广泛地应用在工业机器人领域。但随着智能机器人向人类活动的各个领域深入扩展，特别是农业机器人、家庭服务机器人、医疗服务机器人和酒店餐饮业服务机器人等领域，需要机器人能够完成更加灵活、复杂的动作，同时由于这些领域的机器人需要与人类做更加密切的接触，必须保证机器人与人类接触的安全性和舒适性。因此，具有类似人类触觉功能的高度敏感的触觉传感器就显得越来越重要。世界各国均对仿生触觉传感器开展了广泛的研究。

智能触觉传感器应具备以下基本功能：

接触觉：当智能机器人的肢体即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离。例如：服务类机器人应能分辨出即将或刚刚接触的物体是人类肢体或其他物体，农业采摘机器人应能分辨即将或刚刚接触的物体是水果、棉花或植物枝叶，同时应能判断接近的速度和距离，以便智能机器人能恰当的控制其肢体接近或接触外部对象的初速度，以避免对即将接触的人体造成伤害或对即将接触的物体造成损坏。

压觉和滑动觉：当智能机器人的肢体接触到外部物体后，应能感知其施加的三维压力的大小和方向，以便智能机器人能将其施加于外部物体的三维压力控制在适合的范围，例如：服务类机器人端起茶杯时应控制其施加于茶杯的三维压力，使其即不至于被捏碎，又不至于滑落。另外，当智能机器人的肢体在外部物体上滑动时应能感知滑动的方向和滑动速度，以便智能机器人能将控制滑动的方向和速度，例如：按摩服务机器人应能将其手掌在人体上滑动的速度和方向控制在适当的范围。

温湿度觉：当智能机器人的肢体接近或接触到外部物体时应能感知外部环境和外部物体的温度，以便智能机器人保护智能机器人自身的肢体不受到高温或低温的损坏，同时保护其服务对象不受到高温或低温的伤害，例如：服务机器人给老人或病人端茶水时应判断茶水的温度是否适合人类饮用；当智能机器人肢体接近火焰或高温物体时应能主动趋避。另外，智能机器人的肢体接近或接触到外部物体时应能感知外部环境和外部物体的湿度，例如：家庭服务机器人，帮人类晾晒衣物时应能分辨出衣物是否已经晾干。

除上述基本功能外，由于仿生机器人的全部肢体需要大面积覆盖具有大量触摸传感器的仿生皮肤，因此，智能触摸传感器还需要符合小型化、低功耗、便于形成传感器矩阵的要求。

现有智能触摸传感器技术研究，按传感原理划分，主要分为，电阻式、电容式、光电式、压电式、电感式、微机电式和复合式(两种或两种以上原理复合)。目前大都处在实验室研究阶段，还没有成熟到实用阶段，随着研究的深入，越来越多的研究团队将关注点聚焦于电阻式、电容式和阻容复合式，由于其制作工艺简单、成本低便于批量生产等特点已经接近于成熟。

纯电阻式触摸传感器是利用柔性压阻可变材料(例如导电橡胶)，当受到压力时其电阻率发生变化，从而反应受到压力的大小的原理实现的。其优点是：能实现压觉即三维力的感知，制作工艺简单、成本低、抗干扰能力较强，便于批量生产；但缺点是：几乎无法实现接触觉的要求，无法对接触的物体进行分类识别，当即将接触外部物体时无法判断接近的速度和距离，灵敏度偏低，产品一致性较难控制。在一些对接触觉和灵敏度要求不高的应用领域，具有一定的市场潜力。

电容式或阻容复合式触摸传感器是目前最具发展前景的，与其他形式的触摸传感器相比，电阻式触摸传感器对于实现接触觉具有独有的优势，电阻式触摸传感器利用电场理论，其电场线可以穿越接近或接触到外部物体，利用不同物体具有不同介电常数的特性对外部物体进行分类识别，特别是可以准确分辨外部物体是人体或其他物体。对于实现压觉和滑动觉电容式触觉传感器也有灵敏度高、一致性好、易于制作、成本低、易于实现矩阵等优点。但现有电容式触觉传感器技术的不足是：

第一、无法实现触摸传感器的全部要求：接触觉，包括对外部物体的分类识别和对外部物体接近程度的判别；压觉和滑觉，即三维力的大小和方向测量；温度觉和湿度觉。

第二、抗干扰能力较差，易于受到环境温度、湿度、电磁干扰的影响，在测量三维力时通常采用差分的方法消除环境温、湿度的影响，并采用电磁屏蔽的方法提高抗电磁场干扰能力。而一旦采用电磁屏蔽措施，虽然有效的提高了抗电磁干扰的能力，但同时丧失了对外部物体进行分类识别和判断接近速度及距离的能力，即无法实现接触觉功能。

第三、当形成传感器矩阵时，无法避免相邻传感器单元的电场串扰。

近年来，国内外的研究者发表了众多的论文和专利文献，大体上可以分为以下2大类：

仅具有压觉和/或滑觉功能，即仅能测量三维力的传感器，其中又分为有屏蔽和无屏蔽措施两小类：例如：

申请号为CN201410245030专利公开了一种全柔性电容式触觉传感器该专利将平行板电容的上极板直接接地作为屏蔽层，虽然提高了抗干扰能力，但由于屏蔽层内部电场线无法穿越屏蔽层，因而丧失了对外部物体的分类识别和接近程度的功能，不能实现接触觉。

公开号US2008/0174321A1专利公开了一种可同时测量物体接近和滑觉的电容传感器，该传感器可以在两种模式下工作，该专利的电容电极采用上下两层结构，上层由两个电极构成平面电容，可以实现接触觉的对外部物体分类识识别的功能，但无法实现接触觉的对外部物体接近程度的测量，其上层电极和下层电极又可以形成平行板电容，可以实现压觉的法向力测量，但无法实现切向力的测量，该专利无法实现屏蔽或差分等任何抗干扰措施。当形成矩阵时也无法实现任何抗串扰措施。

申请号为CN201810093946.5的中国发明专利公开了一种电阻式触摸传感器，包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个导电层包含的区域，4个导电层构成用于判别外部物体的识别和接近程度的两个电容C1和C2；每个导电层的内部均设置有两层电极，两层电极构成用于测定三维力的大小和方向4个平行板电容，该专利可以实现接触觉的全部功能；但该专利的检测范围有限，无法实现类似于手指的多级感受机理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电阻式触摸传感器。

本发明提供的一种电阻式触摸传感器，其技术方案为：

本发明提供的一种电阻式触摸传感器，所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括多个导电层，各导电层包含对应的一个区域；

每个导电层的内部均设置有与所述导电层电连接的上层电极，所述上层电极的下方设置有与上层电极对应的下层电极；所述上层电极接激励信号，下层电极接模数转换电路；其中，所述上层电极为曲面弹性电极，所述下层电极为平面电极或曲面电极。

本发明提供的一种电阻式触摸传感器，还包括如下附属技术方案：

其中，所述上层电极与所述导电层一体成型，或，所述上层电极通过导电件与所述导电层电连接。

其中，所述上层电极独立于所述导电层设置，所述上层电极通过压接、粘接或铆接的方式电连接在所述导电层上。

其中，所述上层电极包括一个曲面弹性电极，所述下层电极包括至少一个平面电极或曲面电极。

其中，所述上层电极包括至少三个曲面弹性电极，所述下层电极包括一个平面电极或曲面电极，三个所述曲面弹性电极之间相互绝缘。

其中，所述曲面弹性电极为球形或椭球形曲面弹性电极。

其中，所述曲面弹性电极为实心或空心曲面弹性电极。

其中，所述曲面弹性电极可以采用一种材质的弹性材料制作，也可以采用多种不同材质的弹性材料制作，其中，构成最外层或最上层的弹性材料为具有导电性的弹性材料。

其中，所述曲面弹性电极采用两种不同材质的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的内部采用较硬材质的的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的外部采用较软材质的的弹性材料制作；或所述曲面弹性电极的上部采用较硬材质的的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的下部采用较软材质的的弹性材料制作。

本发明还提供了一种电子皮肤，包括如上述任一项所述的电阻式触摸传感器。

本发明还提供了一种智能机器人，包括如上述的电子皮肤。

本发明的实施包括以下技术效果：

本发明的一种电阻式触摸传感器，借助导电层不仅能够完整实现触摸传感器接触觉的全部功能，而且还可以兼顾高灵敏和宽检测范围的要求。

附图说明

图1为本发明电阻式触摸传感器的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2中A-A方向的剖面图。

图4为图1中A处的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1-4所示，本实施例提供的一种电阻式触摸传感器，包括多个传感器单元，每个传感器单元均包括多个导电层1，各导电层1包含对应的一个区域；

每个导电层1的内部均设置有与所述导电层1电连接的上层电极2，所述上层电极2的下方设置有与上层电极2对应的下层电极3；所述上层电极2接激励信号，下层电极3接模数转换电路；其中，所述上层电极2为曲面弹性电极，所述下层电极3为平面电极或曲面电极。本实施例中的电阻式触摸传感器中，随着三维力的增加，使得上层曲面电极发生非线性的变形，进而导致上层电极与下层电极之间的面积和距离均发生变化，从而使得上层电极与下层电极形成的电容器的电容发生变化。本发明的一种电阻式触摸传感器，本发明的一种电阻式触摸传感器，借助导电层不仅能够完整实现触摸传感器接触觉的全部功能，而且还可以兼顾高灵敏和宽检测范围的要求。

在一些实施例中，所述上层电极2与所述导电层1一体成型；或所述上层电极2通过导电件与所述导电层1电连接，所述导电件可以是导线或导电橡胶块。

在另一些实施例中，所述上层电极2独立于所述导电层1设置，所述上层电极2通过压接、粘接或铆接的方式电连接在所述导电层1上。

在一些实施例中，所述上层电极2包括一个曲面弹性电极，所述下层电极3包括至少一个平面电极或曲面电极。

在另一些实施例中，所述上层电极2包括至少三个曲面弹性电极，所述下层电极3包括一个平面电极或曲面电极，三个所述曲面弹性电极之间相互绝缘。

其中，所述曲面弹性电极为球形或椭球形曲面弹性电极，或曲面弹性电极可以为任意曲面形状的电极。

其中，所述曲面弹性电极可以为实心或空心曲面弹性电极。

所述曲面弹性电极可以采用一种材质的弹性材料制作，也可以采用多种不同材质的弹性材料制作；例如：所述曲面弹性电极采用两种不同材质的弹性材料制作，该曲面弹性电极的内部采用较硬材质的的弹性材料制作，该曲面弹性电极的外部采用较软材质的的弹性材料制作；或该曲面弹性电极的上部采用较硬材质的的弹性材料制作，该曲面弹性电极的下部采用较软材质的的弹性材料制作，以更好地同时满足高灵敏度和宽动态范围的要求，其中，构成最外层的弹性材料或构成最上层的弹性材料为具有导电性的弹性材料。

本申请的另一方面还涉及一种包括上述电阻式触摸传感器的电子皮肤，由于改进点仅涉及人工皮肤上的传感器，而其他部件均可以采用现有技术中比较成熟的技术。所以，本申请不再对电子皮肤的其他部件进行描述。

本申请的再一方面还涉及一种包括上述电子皮肤的机器人，由于改进点仅涉及电子皮肤上的接触传感器，而其他部件均可以采用现有技术中比较成熟的技术。所以，本申请不再对智能机器人的其他部件进行描述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (11)

1.一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括多个导电层，各导电层包含对应的一个区域；

每个导电层的内部均设置有与所述导电层电连接的上层电极，所述上层电极的下方设置有与上层电极对应的下层电极；所述上层电极接激励信号，下层电极接模数转换电路；其中，所述上层电极为曲面弹性电极，所述下层电极为平面电极或曲面电极。

2.根据权利要求1所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述上层电极与所述导电层一体成型，或，所述上层电极通过导电件与所述导电层电连接。

3.根据权利要求1所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述上层电极独立于所述导电层设置，所述上层电极通过压接、粘接或铆接的方式电连接在所述导电层上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述上层电极包括一个曲面弹性电极，所述下层电极包括至少一个平面电极或曲面电极。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述上层电极包括至少三个曲面弹性电极，所述下层电极包括一个平面电极或曲面电极，三个所述曲面弹性电极之间相互绝缘。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述曲面弹性电极为球形或椭球形曲面弹性电极。

7.根据权利要求6所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述曲面弹性电极为实心或空心曲面弹性电极。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述曲面弹性电极可以采用一种材质的弹性材料制作，也可以采用多种不同材质的弹性材料制作，其中，构成最外层或最上层的弹性材料为具有导电性的弹性材料。

9.根据权利要求8所述的一种电阻式触摸传感器，其特征在于：所述曲面弹性电极采用两种不同材质的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的内部采用较硬材质的的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的外部采用较软材质的的弹性材料制作；或所述曲面弹性电极的上部采用较硬材质的的弹性材料制作，所述曲面弹性电极的下部采用较软材质的的弹性材料制作。

10.一种电子皮肤，其特征在于：包括如权利要求1-9中任一项所述的一种电阻式触摸传感器。

11.一种智能机器人，其特征在于，包括如权利要求10所述的电子皮肤。

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